REABILITAÇÃO DE PAVIMENTOS FLEXÍVEIS ATRAVÉS DE RECICLAGEM COM CIMENTO

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1 INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa REABILITAÇÃO DE PAVIMENTOS FLEXÍVEIS ATRAVÉS DE RECICLAGEM COM CIMENTO Filipe Goulart de Medeiros Reis Batista Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil Júri Presidente: Prof. Doutor José Álvaro Pereira Antunes Ferreira Orientadores: Doutora Maria de Lurdes Baptista da Costa Antunes Prof. Doutor José Manuel Coelho das Neves Vogais: Doutora Fátima Alexandre Barata Antunes Baptista Lisboa Outubro de 2009

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3 REABILITAÇÃO DE PAVIMENTOS FLEXÍVEIS ATRAVÉS DE RECICLAGEM COM CIMENTO Filipe Goulart de Medeiros Reis Batista

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5 Agradecimentos Este trabalho só foi possível com o apoio e colaboração de diversas pessoas às quais gostaria de expressar os meus mais profundos agradecimentos e reconhecimento pela ajuda prestada no decurso da sua elaboração, em particular: O presente trabalho de tese para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil pelo Instituto Superior Técnico foi elaborado no Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), sob orientação da Doutora Maria de Lurdes Baptista da Costa Antunes, chefe do Núcleo de Infra-Estruturas do Departamento de Transportes, à qual presto os meus mais profundos agradecimentos pela orientação, apoio e incentivo concedidos e pela formação e ensinamentos prestados ao longo da elaboração deste trabalho e pela oportunidade de trabalhar nesta área. Ao Professor Doutor José Manuel Coelho das Neves Professor Auxiliar do Instituto Superior Técnico (IST) na sua qualidade de orientador por esse Instituto, pelo seu apoio, incentivo e disponibilidade, pela revisão e sugestões prestadas, o meu muito obrigado. À Engenheira Vania Marecos investigadora do LNEC, pelo apoio prestado na interpretação dos resultados dos ensaios efectuados com o Deflectómetro de Impacto FWD. Aos meus amigos e colegas pelo apoio e amizade demonstrados ao longo da execução deste trabalho, principalmente ao meu amigo Francisco, Engenheiro Civil do Técnico e que já nos está a ver dum plano superior quando partiu naquela fatídica viagem de avião E finalmente, porque os últimos são os primeiros, à minha família. Ao meu Pai e à minha Mãe pelo amor, carinho, compreensão e incentivo permanentemente demonstrados, aos meus irmãos pelo seu apoio, à minha companheira Vanúsia pelo seu amor e cumplicidade e principalmente ao meu filho David que é tudo para mim nesta vida e ao qual dedico este trabalho. I

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7 Resumo Os pavimentos rodoviários logo após a sua construção começam a ser submetidos a acções diversas que conduzem a uma progressiva degradação da sua qualidade inicial. É assim fundamental estabelecer um programa de acompanhamento da evolução de pavimentos, no sentido de apoiar a decisão de intervir em determinada altura, de modo a repor a qualidade dos mesmos. As acções de conservação e reabilitação têm a finalidade de promover a preservação ou correcção das características funcionais e/ou estruturais de um pavimento após a sua construção e entrada em serviço. Uma vez tomada a decisão de intervir num pavimento, tem que se ter em linha de conta um determinado número de critérios que vão permitir a selecção das técnicas de conservação e reabilitação a adoptar, nomeadamente considerações de ordem técnica, factores económicos e factores ambientais. A necessidade de preservação do meio ambiente obriga a que cada vez mais se recorram a técnicas que limitam a depredação dos recursos naturais, que em conjunto com importantes ganhos económicos e energéticos, resulta na opção de aplicação da reciclagem de pavimentos como uma das técnicas mais importantes na manutenção e reabilitação de pavimentos, uma vez que garante o mínimo dispêndio de recursos e proporciona a melhoria das condições de serviço dos referidos pavimentos. São aqui abordados todos tipos de reciclagem de pavimentos rodoviários, dando-se especial destaque à técnica de reciclagem in situ a frio com cimento, dado ser esta parte integrante do caso de estudo desenvolvido. O objectivo do caso de estudo do presente trabalho é o de avaliar a capacidade de carga de um pavimento que foi submetido a uma reabilitação com recurso à técnica de reciclagem in situ a frio com cimento, e compará-la com a capacidade de carga do mesmo pavimento, desta vez submetido a um reforço normal com misturas betuminosas. Os resultados são obtidos de ensaios de carga com deflectómetro de impacto, e são interpretados tendo em conta os efeitos das condições climáticas em que foram realizados, nomeadamente a temperatura do ar e a temperatura das camadas betuminosas. Os ensaios realizados permitiram caracterizar as misturas do ponto de vista da sua deformabilidade, resistência à fadiga e resistência às deformações permanentes. Deste modo pretendeu-se o estabelecimento de modelos de comportamento estrutural para cada solução de pavimento, e assim, identificar o pavimento com menor resistência às acções resultantes das cargas dos veículos. III

8 Abstract Road pavements soon after construction commence being submitted to several load actions that lead to a gradual degradation of its initial quality. Therefore it s essential to establish a road pavement follow-up evolution program, aiming to support the decision to intervene at a certain point, in order to restore their initial quality. The actions of conservation and rehabilitation are intended to promote the preservation or correction of pavement functional and/or structural characteristics after its construction and entrance in service. Once the decision of intervene in a road pavement is taken, has to take into account a number of criteria that will allow the selection of the conservation and rehabilitation techniques, namely technical considerations, economic factors and environmental factors. The need for preservation of environment requires increasingly use techniques that limit the depredation of natural recourses, together with major energy and economics savings have led pavement recycling to be one of the most important techniques in the maintenance and rehabilitation of pavements, since it ensures a minimum dispend of resources and provides the improvement of service conditions of these pavements. All types of pavement recycling techniques are reviewed here, and special reference is made to the cold in situ recycling with cement technique, since this one is an integrant part of the case study developed. The main purpose of the present work case study is to evaluate the bearing capacity of a pavement that was submitted to rehabilitation with resource to cold in situ recycling with cement, and compare it with the bearing capacity of the same pavement, this time submitted to normal overlays reinforcement with bituminous mixtures. The results are obtained of load tests with a Falling Weight Deflectometer (FWD) device, and are interpreted having in account the effects of climatic conditions in which they were made, particularly the air temperature and the temperature of bituminous layers. The tests performed allowed to characterize the mixtures from the point of view of their stiffness, fatigue and permanent deformation. In this way the establishment of structural behaviour models for each pavement solution was intended, and thus, identify the pavement with lower bearing capacity caused by induced traffic loads. IV

9 Palavras-chave Pavimentos rodoviários Características estruturais e funcionais de pavimentos Reabilitação de pavimentos Reciclagem de pavimentos Modelos estruturais Capacidade de carga de pavimentos Deflectómetro de impacto Avaliação estrutural de pavimentos Módulo de deformabilidade Key-words Road pavements Pavements structural and functional characteristics Pavement rehabilitation Structural models Pavement bearing capacity Falling weight deflectometer Pavements structural evaluation Stiffness modulus V

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11 Lista de Abreviaturas AASHTO - American Association of State Highway and Transportation Officials ABGE - Agregado Britado de Granulometria Extensa AGEC - Agregado de Granulometria Extensa Tratado com Cimento APORBET - Associação Portuguesa de Fabricantes de Misturas Betuminosas ARRA - Asphalt Recycling and Reclaiming Association ASTM - American Society for Testing and Materials BELLS - Baltzer, Ertman-Larsen, Lukanen and Stubstad BMB - Betume Modificado com Borracha DNIT - Departamento Nacional de Infra-estrutura de Transportes do Brasil EAPA - European Asphalt Pavement Association ELSYM5 - Programa de cálculo EN - Estrada Nacional EP - Estradas de Portugal EUA - Estados Unidos da América FBR - Foam Bitumen Recycle FCTUC - Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra FDR - Full Depht Recycling FEUP - Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto FHWA - Federal Highway Administration FWD - Falling Weight Deflectometer HSD - High Speed Deflectograph IEP - Instituto de Estradas de Portugal IST - Instituto Superior Técnico JAE - Junta Autónoma das Estradas LNEC - Laboratório Nacional de Engenharia Civil LTPP - Long Term Pavement Perfomance MACOPAV - Manual de Concepção de Pavimentos para a Rede Rodoviária Nacional MBD - Mistura Betuminosa Densa VII

12 N 130kN - Número de Passagens Admissível do Eixo Padrão RDT - Road Deflection Tester RMS - Root Mean Square SAMI - Stress Absorving Membrane Interlayer SNIRH - Sistema Nacional de Informação de Recursos Hídricos TMDA p - Tráfico Médio Diário Anual de Veículos Pesados no ano de abertura, por sentido e na via mais solicitada VIII

13 Índice Geral 1. Introdução Enquadramento do Tema Objectivos Organização do Trabalho Comportamento Estrutural de Pavimentos Rodoviários Considerações Gerais Principais Requisitos e Constituição dos Pavimentos Rodoviários Principais Mecanismos De Degradação Modelação do Comportamento Estrutural de Pavimentos Caracterização das Acções Devidas ao Tráfego Avaliação da Capacidade de Carga de Pavimentos em Serviço Reabilitação Estrutural de Pavimentos Flexíveis Acções de Conservação e Reabilitação de Pavimentos Rodoviários Reforço de Pavimentos Flexíveis Reciclagem de Pavimentos Considerações Gerais Principais Tipos de Reciclagem Reciclagem in situ a Frio com Cimento Generalidades Descrição do Processo Construtivo Dimensionamento de Pavimentos Utilizando Camadas Tratadas com Cimento Estudo da Aplicação de Reciclagem com Cimento na Reabilitação da EN Breve Descrição da Obra Capacidade de Carga do Pavimento Após Reabilitação Análise Comparativa de Soluções Alternativas de Reabilitação Considerações Finais Conclusões Bibliografia Anexos Anexo I. Quadros com os Valores das Deflexões Normalizadas Anexo II. Ficheiros Output Finais Obtidos pelo Programa ELSYM Anexo III. Determinação das Temperaturas no Interior das Camadas Betuminosas pelo Método de BELLS Anexo IV. Ficheiros Output Finais Obtidos pelo Programa ELSYM5 para as Extensões e Tensões IX

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15 Índice de Figuras Figura Pavimento tipo... 6 Figura Comportamento dos pavimentos... 7 Figura Pavimento flexível... 9 Figura Pavimento rígido... 9 Figura Pavimento semi-rígido Figura Evolução das solicitações num pavimento rodoviário [6] Figura Remendos considerados como defeitos do pavimento [7] Figura Rodeiras; Pele de crocodilo Figura Fendilhamento [7] Figura Rodeiras [8] Figura Ninhos e peladas [8] Figura Fenómeno de bombagem [4] Figura Fendilhamento longitudinal [7] Figura Defeito na selagem de juntas [9] Figura Modelo de Burmister [4] Figura Princípio do ensaio de carga com Deflectómetro de Impacto [15] Figura Deformada em relação ao centro da área carregada [16] Figura Método das diferenças acumuladas [17] Figura Evolução do estado do pavimento ao longo do tempo [20] Figura Execução da fresagem do pavimento Figura Central betuminosa a quente (contínua) Figura Central descontínua de mistura a quente com betume Figura Esquema da sequência das operações [23] Figura Reciclagem in situ a frio [24] Figura Processo de obtenção do betume-espuma [25] Figura Reciclagem com betume-espuma [25] Figura Reciclagem in situ a quente com betume / rejuvenescedor [26] Figura Central móvel para fabrico de misturas betuminosas recicladas a quente in situ [20], adaptado de [27] Figura Reciclagem in situ a quente [24] Figura Termorregeneração com aplicação de nova camada de mistura betuminosa [28] Figura Reciclagem profunda (FDR) [29] Figura Sequência do processo [30] Figura Processo de reciclagem in situ a frio com cimento [30] Figura Espalhamento manual de cimento [31] Figura Espalhamento de cimento mecanizado a seco [31] Figura Espalhamento de cimento por via húmida [32] Figura Unidade de produção de calda de cimento e água a empregar como ligante [20] adaptado de [33] Figura Máquina de reciclagem in situ [30] Figura Pormenor do rotor [30] Figura Cilindro de rolos [30] Figura Motoniveladora [30] Figura Cilindro de pneus [4] Figuras Localização da obra (EN226) [34] Figura Estrutura do pavimento do km ao km XI

16 Figura Estrutura do pavimento do km ao km Figura Estado superficial do pavimento no troço entre o km e o km [30] Figura Estado superficial do pavimento no troço entre o km e o km [35] Figura Estrutura do pavimento para a solução A (km ao km ) Figura Estrutura do pavimento para a solução B (km ao km ) Figura Deflectómetro de Impacto do LNEC utilizado nos ensaios [16] Figura Deflexões normalizadas no sentido S1 [16] Figura Deflexões normalizadas no sentido S2 [16] Figura Troço correspondente à solução A no sentido S Figura Troço correspondente à solução B e Sentido S Figura Troço correspondente à solução A no sentido S Figura Troço correspondente à solução B no sentido S Figura Gráfico do zonamento pelo método das diferenças acumuladas no sentido S1 [16] Figura Gráfico do zonamento da solução A no sentido S Figura Gráfico do zonamento da solução B no sentido S Figura Gráfico do zonamento pelo método das diferenças acumuladas no sentido S2 [16] Figura Gráfico do zonamento da solução A no sentido S Figura Gráfico do zonamento da solução B no sentido S Figura Ficheiro output - sentido S1, solução A, zona A Figura Ficheiro output - sentido S2, solução B, zona B Figura Gráfico da aproximação das deformadas medidas e calculadas: Zona A; S Figura Gráfico da aproximação das deformadas medidas e calculadas: Zona B1; S Figura Gráfico da aproximação das deformadas medidas e calculadas: Zona B2; S Figura Gráfico da aproximação das deformadas medidas e calculadas: Zona B3; S Figura Gráfico da aproximação das deformadas medidas e calculadas: Zona A; S Figura Gráfico da aproximação das deformadas medidas e calculadas: Zona B1; S Figura Gráfico da aproximação das deformadas medidas e calculadas: Zona B2; S Figura Forma da bacia de deflexão em função da temperatura [40] Figura Representação das acções e locais de cálculo das extensões para a solução A Figura Representação das acções e locais de cálculo das extensões e tensões para a solução B Figura Ficheiro output - sentido S1, solução A, zona A (extensões) Figura Ficheiro output - sentido S2, solução B, zona B1 (extensões e tensões) Figura Estrutura pavimento hipotético tipo solução A aplicada ao trecho da solução B XII

17 Figura Ficheiro output para a solução hipotética A Figura Pavimento da EN 226 após reabilitação Figura AIII Função seno do ciclo de 18 horas usada nas equações de BELLS3 [43] Figura AIII Estações meteorológicas com dados de temperatura média diária [44] XIII

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19 Índice de Quadros Quadro 2.1 Tipo de pavimentos em função dos materiais... 7 Quadro 2.2 Famílias e tipos de degradações Quadro 2.3 Tipos de degradações e suas causas nos pavimentos rígidos.. 16 Quadro 2.4 Tipos de degradações e suas causas nos pavimentos semirígidos Quadro 2.5 Elementos relativos ao tráfego Quadro 2.6 Percentagem do tráfego na via mais solicitada Quadro 3.1 Critérios de selecção de técnicas de conservação e reabilitação de pavimentos Quadro 3.2 Tipos de reciclagem Quadro 3.3 Vantagens e desvantagens da reciclagem in situ Quadro 3.4 Vantagens e desvantagens da reciclagem em central Quadro 3.5 Temperatura nos processos de reciclagem Quadro 5.1 Especificações técnicas do Deflectómetro de Impacto do LNEC utilizado no caso de estudo Quadro 5.2 Quadro resumo do zonamento Quadro 5.3 Valores da Média, DP, P 85 e valores medidos que mais se aproximam do P Quadro 5.4 Características do pavimento - Solução A Quadro 5.5 Características do pavimento - Solução B Quadro 5.6 Módulos de deformabilidade estimados pelo programa ELSYM5 - Solução A (S1, S2) Quadro 5.7 Módulos de deformabilidade estimados pelo programa ELSYM5 - Solução B (S1, S2) Quadro 5.8 Deflexões medidas e calculadas e parâmetro RMS Quadro 5.9 Estimativa do módulo de deformabilidade das camadas betuminosas para a temperatura de projecto Quadro 5.10 Valores condicionantes das extensões e tensões apurados para todas as zonas pelo programa ELSYM Quadro 5.11 Resistências obtidas na obra para tracção em compressão diametral Quadro 5.12 Valores do N130 kn para os critérios do método da Shell Quadro 5.13 Valores de N130 kn para o critério de fendilhamento por fadiga do betão pobre Quadro 5.14 Resumo das diferenças das condições iniciais dos dois trechos em estudo Quadro 5.15 Características do pavimento hipotético solução A a aplicar no trecho correspondente à solução B para efeitos de comparação Quadro 5.16 Valores condicionantes das extensões para o pavimento hipotético obtidos pelo programa ELSYM Quadro 5.17 Valores de N130 kn para os critérios da Shell (pavimento hipotético A) Quadro 5.18 Número admissível de eixos padrão (N130 kn ) para a solução hipotética A aplicada às zonas da solução B Quadro 5.19 Comparação entre as capacidades de carga Quadro AIII.8.1 Correcção da temp. IR de acordo com a nebulosidade Quadro AIII.8.2 Temp. do parâmetro (1 day) para os dias de ensaio Quadro AIII.8.3 Valores da função Sen hr18 para o sentido S XV

20 Quadro AIII.8.4 Valores da função Sen hr18 para o sentido S Quadro AIII.8.5 Cálculo da temperatura Td (equação de BELLS3) XVI

21 Índice de Equações (2.1) (2.2) (2.3) (2.4) (2.5) (2.6) (2.7) (2.8) (2.9) (5.1) (5.2) (5.3) (5.4) (5.5) (AIII8.1) XVII

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23 1. Introdução 1.1. Enquadramento do Tema A necessidade da preservação do meio ambiente, recorrendo a práticas que limitam a utilização dos recursos naturais, escassos por natureza, em conjunto com importantes ganhos económicos, resulta a que se recorra à utilização da reciclagem como uma das mais importantes técnicas de manutenção e reabilitação de pavimentos. Esta técnica tem implícito um desenvolvimento sustentável e uma redução de impacto ambiental, uma vez que se recorre à reutilização de materiais retirados do próprio pavimento, levando a que por um lado se diminua a necessidade de recorrer à utilização de materiais exteriores à obra, nomeadamente agregados e ligantes betuminosos e, por outro lado, deixe de ser necessário colocar as misturas retiradas, então consideradas como resíduos, a vazadouro Objectivos Neste trabalho será abordado o tema da reabilitação estrutural de pavimentos através de reciclagem com cimento. Serão revistas diversas formas de reabilitação que resultam num conjunto de acções com o objectivo de promover uma melhoria das características dos pavimentos, em particular as características estruturais, face às novas solicitações previstas para um novo período de vida. Dar-se-á destaque às técnicas de reforço tradicional de pavimentos flexíveis e da reciclagem de pavimentos, dando-se especial atenção à reciclagem in situ a frio com cimento. O objectivo último consiste na comparação da capacidade de carga de um pavimento reciclado, obtida com base em resultados de ensaios in situ com deflectómetro de impacto, com a capacidade de carga que se obteria no mesmo troço do pavimento, se se aplicasse uma solução de reforço tradicional. Pretende-se deste modo seleccionar o tipo de pavimento possuidor de uma menor capacidade de carga, e assim, com maior limitação em termos do número de passagens admissíveis no eixo padrão de 130 kn, bem como identificar o critério de dimensionamento que dá origem aquela limitação, dos pavimentos descritos ao longo deste trabalho e referentes à reabilitação estrutural do pavimento da estrada em estudo. Para dar sentido ao referido no parágrafo anterior, e com a finalidade de se introduzir o tema, desenvolve-se nos capítulos iniciais desta dissertação uma breve descrição dos diferentes tipos de pavimentos rodoviários existentes suas características e comportamentos, e ao mesmo tempo faz-se uma abordagem aos principais dados necessários para definir a estrutura de um pavimento, incidindo principalmente no tema da avaliação da capacidade de carga dos pavimentos rodoviários. 1

24 Nos capítulos seguintes pretende-se fazer uma abordagem em relação à reabilitação estrutural de pavimentos flexíveis, realçando o recurso à técnica do reforço normal deste tipo de pavimentos e o recurso à reciclagem de pavimentos e seus principais tipos, aprofundandose o caso da reciclagem in situ, a frio, com cimento. Estas duas técnicas de reabilitação serão objecto de comparação no caso de estudo desta dissertação Organização do Trabalho A presente dissertação está organizada em oito capítulos, incluindo este capítulo de introdução, no qual se pretende fazer a apresentação e o enquadramento do tema desenvolvido, bem como a definição dos objectivos desta dissertação. O capítulo 2, comportamento estrutural de pavimentos rodoviários, inicia-se com a descrição da função principal do pavimento rodoviário e da sua constituição genérica. Posteriormente são abordados os principais tipos de pavimentos, suas características e comportamento. Ainda nesta abordagem inicial, destacam-se os dois tipos de requisitos dos pavimentos, o da qualidade funcional e o da qualidade estrutural. No seguimento, são descritos os principais mecanismos de degradação dos diferentes tipos de pavimentos, que são responsáveis por alterações das referidas qualidades dos pavimentos. Mais à frente neste capítulo, centramo-nos no tema da modelação do comportamento estrutural de pavimentos, cujo objectivo, em geral, é o de calcular tensões, deformações e deslocamentos na estrutura do pavimento e respectiva fundação, induzidos pela passagem dos rodados dos veículos. É aqui referido o modelo de Burmister como modelo de cálculo mais utilizado na análise estrutural de pavimentos. São indicados os critérios de dimensionamento dos pavimentos rodoviários que irão ser utilizados no caso de estudo. Neste capítulo faz-se ainda uma passagem pela caracterização das acções devidas ao tráfego de acordo com o MACOPAV. Finaliza-se o capítulo com a introdução do tema da avaliação da qualidade dos pavimentos (funcional e estrutural), fixando-nos objectivamente no parâmetro de estado - capacidade estrutural - dado ser este o parâmetro que irá ser desenvolvido no caso de estudo. Do conjunto de equipamentos possíveis de serem utilizados para calcular as deflexões dos pavimentos durante a avaliação da capacidade de carga destes, apenas será descrito o deflectómetro de impacto (FWD), uma vez que será a este equipamento que se irá recorrer para a avaliação da capacidade de carga no pavimento do caso de estudo. No geral, todo o processo que conduz à escolha da deformada representativa de cada zona é descrito nesta parte do capítulo. No capítulo 3, reabilitação estrutural de pavimentos flexíveis, faz-se uma abordagem quanto às acções de conservação e reabilitação de pavimentos rodoviários, distinguindo-se os diferentes tipos de acções de conservação e descrevendo-se os seus 2

25 principais objectivos. Estas acções de conservação são decorrentes da existência de degradações nos pavimentos. Ainda neste capítulo, e já antecipando as técnicas utilizadas em termos da reabilitação estrutural do pavimento do caso de estudo, descrevem-se as técnicas de reforço de pavimentos flexíveis e a técnica de reciclagem de pavimentos rodoviários. Nesta última técnica, indicam-se os principais tipos de reciclagem e os processos mais utilizados, apresentando-se ilustrações de alguns exemplos. No capítulo 4, reciclagem in situ a frio com cimento, faz-se um aprofundamento do processo de reciclagem in situ a frio com cimento, dada a importância desta técnica para o desenvolvimento do caso de estudo. É aqui realizada uma descrição de todo este processo construtivo. Na parte final do capítulo, e tendo em conta o desenvolvimento do caso de estudo, são descritos os critérios de dimensionamento de pavimentos constituídos por camadas tratadas com cimento. No capítulo 5, estudo da aplicação de reciclagem com cimento na reabilitação da EN 226, é analisado o caso prático de estudo desenvolvido no LNEC e relativo à beneficiação da EN 226. Inicia-se este capítulo com uma breve descrição da obra, fazendo-se referência aos aspectos mais significativos do projecto, e destaca-se o apuramento de duas zonas distintas ao nível da estrutura do pavimento. As referidas zonas irão dar origem a duas soluções de reabilitação distintas. A solução de reforço normal do pavimento existente e a solução de reciclagem in situ a frio com cimento. É apresentado o estudo da determinação da capacidade de carga do pavimento após reabilitação, executado a partir da realização de ensaios de carga com a utilização do deflectómetro de impacto (FWD). Efectua-se a descrição de todo o processo que conduziu à obtenção dos resultados finais em termos do número de passagens admissíveis do eixo padrão em estudo (130 kn). Fazem-se ainda referência aos principais factores possíveis de condicionar os resultados obtidos, uma vez que estes podem influenciar o comportamento mecânico dos materiais das camadas do pavimento e do solo de fundação, e refere-se o modo de ultrapassar essa questão. Os resultados analisados foram obtidos nos sub-trechos das zonas de estudo. Na determinação dos modelos estruturais estimados a partir dos resultados obtidos pelos ensaios de carga, foi utilizado o programa de cálculo automático ELSYM5. Neste capítulo é introduzido um pavimento hipotético no trecho que apresentava as condições iniciais mais gravosas, para se poder comparar as duas soluções de reabilitação preconizadas partindo de condições iniciais idênticas. Na parte final do capítulo apresenta-se a análise comparativa das duas soluções alternativas de reabilitação. No capítulo 6, conclusão, são apresentadas algumas considerações quanto aos objectivos e às principais conclusões alcançadas neste trabalho. Por fim fazem-se algumas sugestões para eventuais estudos futuros. O capítulo 7 refere-se à bibliografia e o capítulo 8 aos anexos. 3

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27 2. Comportamento Estrutural de Pavimentos Rodoviários 2.1. Considerações Gerais Neste capítulo pretende-se referir qual a função essencial de um pavimento rodoviário, quais os principais tipos de pavimentos rodoviários e suas características e comportamento, indicar quais os dados necessários para definir a estrutura de um pavimento, dando mais ênfase à caracterização das acções devidas ao tráfego, aos mecanismos de degradação dos pavimentos rodoviários, e aos métodos de dimensionamento dos pavimentos. Numa segunda parte deste capítulo, será abordado o tema da avaliação da capacidade de carga de pavimentos existentes Principais Requisitos e Constituição dos Pavimentos Rodoviários A principal função de um pavimento rodoviário é assegurar uma superfície de rolamento livre e desempenada que permita a circulação de veículos em condições de segurança, conforto e economia, durante o período de vida do pavimento, estando este submetido às acções do tráfego e a uma variedade de condições climáticas. O estado do pavimento pode ser descrito por indicadores que agrupam dois conjuntos de características que consubstanciam dois tipos de requisitos dos pavimentos: a qualidade funcional e a qualidade estrutural. A primeira está relacionada com as exigências dos utentes, nomeadamente quanto ao conforto e segurança de circulação, dizendo respeito a algumas características superficiais do pavimento, entre as quais, a regularidade, a textura, e assim, as características antiderrapantes, qualidades ópticas como a cor e características associadas à geração de ruído de rolamento. Está intimamente relacionada com a constituição da camada superior dos pavimentos, a camada de desgaste. A segunda tem a ver com a capacidade do pavimento para suportar cargas dos veículos sem sofrer alterações para além de determinados valores limites, os quais colocariam em causa a qualidade funcional. Esta diz respeito a características como a integridade, a regularidade e o desempeno da superfície, traduzidas pela ausência de fendas, covas, depressões e outras deformações permanentes diferenciais e está relacionada com o comportamento estrutural de todo o pavimento [1], [2]. 5

28 Um pavimento rodoviário, relativamente à sua constituição, é considerado como um sistema multiestratificado, formado por um conjunto de camadas com espessura finita, apoiadas na fundação constituída pelo terreno natural, que pode ser melhorado superficialmente, formando o leito do pavimento. Na Figura 2.1 [3] pode-se observar o esquema da constituição de um pavimento tipo: Camadas de Desgaste e de Regularização Figura Pavimento tipo A fundação do pavimento é constituída pelo produto final das terraplenagens, e tem como função criar uma plataforma com uma superfície regular e desempenada, apresentar capacidade de suporte a curto e longo prazo, e permitir a circulação do equipamento para a construção do pavimento. Quando esta plataforma, constituída por terreno natural, não apresenta as características desejadas, sobrepõe-se-lhe uma camada de solo melhor, podendo ou não ser tratada com ligantes, e que se denomina leito do pavimento, e que faz parte integrante da fundação. A sua função, entre outras, é a de melhorar a regularidade geométrica da plataforma, aumentar a capacidade se suporte da fundação e a de homogeneizar as suas características resistentes. As camadas dum pavimento podem distinguir-se pelas funções que desempenham: a camada de desgaste, superficial; e o corpo do pavimento. A camada de desgaste tem a função de assegurar as já referidas características funcionais, de modo a contribuir para uma circulação em condições de segurança, conforto e economia. Pode ainda contribuir para a qualidade estrutural, nomeadamente no que diz respeito à sua importante função de impermeabilizar o pavimento, evitando deste modo a entrada de água do exterior para as camadas inferiores e para o solo de fundação. O corpo do pavimento é o principal responsável pela capacidade do pavimento suportar as cargas do tráfego, qualidade estrutural, e pode compreender camadas estabilizadas com ligantes betuminosos ou hidráulicos, e camadas granulares. De acordo com a maneira como se podem associar camadas constituídas por diferentes tipos de materiais, assim resultam diferentes tipos de pavimentos, que apresentam diferentes tipos de comportamentos quando solicitados pelas cargas dos veículos em combinação com as condições climáticas a que estão submetidos. Assim, e em função do tipo 6

29 de materiais e da sua deformabilidade podem distinguir-se três tipos de pavimentos, como se indica no Quadro 2.1 [1]: Quadro 2.1 Tipo de pavimentos em função dos materiais Tipo de Pavimento Flexível Rígido Semi-rígido Materiais (ligante) Betuminosos e granulares Hidráulicos e granulares Betuminosos, hidráulicos e granulares As camadas do corpo do pavimento dispõem-se, normalmente, com qualidade e resistência decrescentes, de cima para baixo, de acordo com a progressiva redução dos esforços em profundidade, como se pode observar na Figura 2.2, que ilustra a resposta dos pavimentos tipo flexível e rígido às acções induzidas pelo tráfego [4]. Figura Comportamento dos pavimentos Cada uma dessas camadas tem também a função de assegurar o apoio para a aplicação da camada sobrejacente. No caso de pavimentos com camadas betuminosas, a camada subjacente à camada de desgaste designa-se por camada de regularização, abaixo desta, dispõem-se as camadas de base, aglutinadas ou não, e assentando sobre a fundação temos a última camada do corpo do pavimento, a camada de sub-base, geralmente constituída por materiais granulares apenas estabilizados mecanicamente por compactação, mas também por solos tratados com cimento [1]. Na realização das camadas superiores dos pavimentos, aplicam-se essencialmente dois tipos de materiais: as misturas betuminosas ou as misturas com ligantes hidráulicos. Em relação às misturas betuminosas, e quanto ao seu fabrico, estas podem ser englobadas em dois grandes grupos: 7

30 Misturas Betuminosas a Quente O fabrico de misturas betuminosas a quente é efectuado em centrais, onde os agregados e o betume asfáltico (ligante) são previamente aquecidos e posteriormente misturados de modo a resultar nos vários tipos de misturas. O ligante que à temperatura ambiente se encontra quase no estado sólido, necessita ser aquecido não só para o fabrico mas também para espalhamento e compactação da mistura; Misturas Betuminosas a Frio Neste caso as centrais são mais simples, uma vez que não é necessário aquecer os materiais. O ligante betuminoso é incorporado nas misturas sob a forma de uma emulsão betuminosa ou de espuma de betume, podendo a mistura ser fabricada, espalhada e compactada à temperatura ambiente. forma: Quanto aos já referidos tipos de pavimentos, estes podem-se descrever da seguinte Pavimentos flexíveis - apresentam as camadas superiores formadas por misturas betuminosas, isto é, materiais estabilizados com ligantes betuminosos, fundamentalmente o betume asfáltico, seguidas inferiormente de uma ou duas camadas constituídas por material granular tratadas ou não por ligante betuminoso. O seu principal elemento estrutural é a camada de base constituída pelo referido material granular, podendo, também esta, ser formada por misturas betuminosas, e neste caso, o pavimento poderá ser designado por semi-flexível; Pavimentos rígidos - apresentam a camada superior constituída por betão de cimento, isto é, materiais estabilizados com ligantes hidráulicos, geralmente cimento portland, seguida inferiormente de uma ou duas camadas constituídas também por material granular estabilizado com ligante hidráulico e/ou apenas constituídas por material granular. O seu principal elemento estrutural é a camada de betão de cimento, que desempenha ao mesmo tempo a função de camada de desgaste; Pavimentos semi-rígidos apresentam características comuns aos outros dois tipos de pavimentos anteriormente descritos, nomeadamente, uma ou duas camadas superiores constituídas por misturas betuminosas, seguidas de uma camada constituída por agregado estabilizado por ligante hidráulico (cimento), que corresponde à camada de base, sendo esta, o principal elemento estrutural deste tipo de pavimentos, podendo ainda dispor de uma camada granular na sub-base. 8

31 As figuras seguintes pretendem mostrar exemplos tipo dos pavimentos flexíveis (Figura 2.3), dos pavimentos rígidos (Figura 2.4) e pavimentos semi-rígidos (Figura 2.5) [5]: Figura Pavimento flexível Figura Pavimento rígido 9

32 Figura Pavimento semi-rígido O comportamento do pavimento rodoviário é determinado pelas acções a que está sujeito, nomeadamente de tráfego e climáticas, pela sua constituição, como o número e espessura das camadas e características dos materiais, e finalmente pelas características da fundação. As acções resultantes das cargas dos veículos podem ser expressas por uma carga vertical considerada uniforme e aplicada numa área circular na superfície do pavimento, e por uma acção tangencial aplicada no plano entre o pneu e o pavimento, correspondente à reacção necessária para o movimento do veículo e às acções que ocorrem durante as travagens [1]. As acções climáticas, representadas pela temperatura e pelas condições hídricas, têm uma influência relevante no comportamento e evolução dos pavimentos, especialmente naqueles que apresentam camadas betuminosas que são sensíveis à temperatura, ou aqueles, cujo principal elemento estrutural apresenta uma elevada componente granular. A temperatura do ar determina, em cada instante, a temperatura das camadas, o que condiciona a rigidez das camadas betuminosas, que varia no sentido inverso da temperatura. A água, quer com origem na fundação, quer proveniente do exterior através da superfície do pavimento, determina o teor em água das camadas granulares e do solo de fundação, cuja resistência, em geral, se reduz à medida que aquele teor aumenta [1]. Na estrutura do pavimento têm que se distinguir dois tipos de camadas: as camadas ligadas dotadas de coesão, com capacidade para suportar todos os tipos de esforços (compressão, tracção e corte); as camadas não ligadas, cuja resistência depende essencialmente do atrito interno, e que apenas suportam bem esforços de compressão e corte. Os esforços produzidos a cada passagem de um veículo vão provocando progressivas alterações dos materiais constituintes do pavimento, as quais vão determinando a redução da 10

33 sua qualidade, traduzida por determinadas degradações. Estas consistem, sobretudo, na ocorrência de fendilhamento das camadas com coesão, devido a um processo de rotura por fadiga associada à repetição das extensões de tracção instaladas nessas camadas, e na ocorrência de deformações permanentes, os assentamentos, na superfície do pavimento, devido ao adensamento das várias camadas do pavimento e do solo de fundação, associado à repetição das extensões verticais de compressão nessas camadas [1]. Com o dimensionamento do pavimento, que visa definir a sua composição no que diz respeito à espessura das camadas e seus materiais, pretende-se evitar que para um número de carregamentos previstos durante a vida deste, as degradações ultrapassem certos limites considerados aceitáveis Principais Mecanismos De Degradação A constituição de um pavimento pode ser muito diversa e ser vista em função da intensidade do tráfego, da resistência do solo de fundação e das características dos materiais disponíveis, que por sua vez dependem das condições climáticas [1]. Os pavimentos rodoviários, logo após a sua construção, começam a ser submetidos a acções diversas que, continuamente, contribuem para a sua degradação, ou seja, para a degradação progressiva da sua qualidade inicial. Tendo em conta o referido conjunto de factores que influenciam o comportamento de um pavimento rodoviário, o processo que determina a sua evolução em termos de qualidade, é de elevada complexidade. Na Figura 2.6, e segundo [6], apresenta-se um esquema que exemplifica a evolução do estado de um pavimento rodoviário em função das solicitações que lhe são induzidas: Figura Evolução das solicitações num pavimento rodoviário [6] 11

34 Quando determinada acção (Ai) actua sobre um pavimento com determinadas propriedades dos materiais constituintes (Pi) e geometria da estrutura (Gi), em determinadas condições climáticas, origina nos materiais as solicitações (Si σt e σz). Estas solicitações vão modificar as propriedades iniciais dos materiais. Novas solicitações, ainda que com valor igual às anteriores, vão actuar sobre um novo material, agora com novas propriedades, originando novas solicitações, e assim sucessivamente [6]. Desenvolve-se assim um processo contínuo de alteração das propriedades resistentes dos materiais, devido à repetição da aplicação das cargas fenómeno de fadiga e à acção contínua dos agentes climáticos, que promove a degradação dos materiais e, consequentemente, reduz a capacidade resistente do pavimento, modificando o seu comportamento global, nomeadamente a deformação - deformações permanentes. de factores [1]: Considera-se o processo de degradação de um pavimento dependente de dois grupos Factores Passivos de Degradação característicos do pavimento construído, nomeadamente a espessura das camadas, materiais utilizados e qualidade da construção; Factores Activos de Degradação são os principais responsáveis pelo processo de degradação, compreendendo as acções do tráfego e dos agentes climáticos. Um pavimento flexível apresenta ao longo da sua vida uma evolução que se pode traduzir no aparecimento de uma vasta diversidade de degradações, as quais contribuem para uma contínua redução da qualidade do pavimento. Os esforços instalados ao nível das diferentes camadas determinam que essa evolução se vá aproximando de dois estados últimos de ruína: o fendilhamento das camadas betuminosas e a deformação permanente das camadas em geral, os quais são considerados pelos principais métodos de dimensionamento. No entanto, a diversidade de degradações pode ser muito vasta, podendo-se observar, entre outras, o desenvolvimento das seguintes degradações [6]: Deformações. Fendilhamento. Desagregação da camada de desgaste. Movimento de materiais. Estas famílias de degradações têm uma determinada localização no pavimento, e geralmente apresentam uma sequência e interacção mútua [6]. 12

35 Para além destas famílias de degradações que vão ser referidas no parágrafo seguinte, é ainda de salientar que os remendos resultantes de reparações realizadas na camada de desgaste são também considerados defeitos no pavimento, uma vez que reflectem o mau comportamento da estrutura original, levando geralmente ao incremento de irregularidades no pavimento (Figura 2.7), [7]. Isto acontece tanto neste tipo de pavimentos como nos pavimentos rígidos e semi-rígidos. Figura Remendos considerados como defeitos do pavimento [7] As deformações observadas à superfície da camada de desgaste resultam da contribuição do solo de fundação, das camadas granulares e também das camadas betuminosas. O fendilhamento apenas ocorre nas camadas constituídas por misturas betuminosas. Quanto à desagregação da camada de desgaste, esta está relacionada essencialmente com a qualidade dos materiais e com a agressividade do tráfego e ainda com a evolução do fendilhamento. Por sua vez, o movimento de materiais pode desenvolver-se apenas nas camadas betuminosas, como é o caso da exsudação, ou abranger todas as camadas e o solo de fundação, quando se tratar da subida de finos. Estas quatro famílias de degradações dos pavimentos flexíveis contêm em si vários tipos de degradações, que a se indicam no Quadro 2.2 [6]. 13

36 Quadro 2.2 Famílias e tipos de degradações Famílias de Degradações Tipos de Anomalias Abatimento Longitudinal Transversal Berma Eixo Deformações Deformações Localizadas Fendilhamento Desagregação da Camada de Desgaste Movimento de Materiais Ondulação Grande Raio Rodeiras Pequeno Raio Isoladas Fadiga Pele de Crocodilo Fendas Eixo Longitudinais Berma Transversais Desagregação Superficial Ninhos e Peladas Exsudação Subida de Finos Seguidamente apresentam-se algumas figuras - Figura 2.8 a Figura com exemplos destas degradações. Figura Rodeiras; Pele de crocodilo Figura Fendilhamento [7] Figura Rodeiras [8] Figura Ninhos e peladas [8] 14

37 Um pavimento rígido, como já abordado, é constituído por uma laje de betão de cimento, em geral compactado por vibração, que se encontra apoiada numa camada de subbase constituída por material granular, misturas betuminosas ou, no caso de tráfego intenso, por material estabilizado com ligante hidráulico (betão pobre, solo-cimento). Considera-se que a laje desempenha o papel de camada de desgaste e de camada de base. Estes pavimentos apresentam uma elevada rigidez em flexão, o que faz com que as camadas inferiores não sofram deformações acentuadas, mesmo quando submetidos a condições adversas de tráfego pesado e elevadas temperaturas. Sob as acções do tráfego e climáticas, as lajes ficam sujeitas a esforços de flexão que determinam tensões de compressão e de tracção, as últimas com valor máximo na face inferior da laje. A repetição destas tensões de tracção pode determinar a ruína por fadiga, o que se pretende evitar com um dimensionamento correcto. Outro critério de ruína considerado para o dimensionamento de pavimentos com juntas consiste em evitar o fendilhamento das lajes, devido às tensões de tracção que nelas se instalam, quando os rodados passam nas proximidades das juntas e a laje flecte devido à falta de apoio por a fundação ter sido erodida. As principais degradações dos pavimentos rígidos constituídos por lajes com juntas longitudinais e transversais são [1]: Fendilhamento das lajes. Desagregação superficial. Escalonamento das lajes (bombagem de finos e erosão da fundação). Degradações resultantes de deficiências no processo construtivo. No Quadro 2.3 apresentam-se os tipos e as principais causas das degradações neste tipo de pavimentos. 15

38 Quadro 2.3 Tipos de degradações e suas causas nos pavimentos rígidos Famílias de Degradações Fendilhamento das Lajes Desagregação Superficial Bombagem de Finos Defeitos das Juntas Tipo de Degradações Fadiga Retracção Encurvamento das Lajes Desagregação na Laje Erosão da Fundação e Escalonamento das Lajes Causas Repetição das tensões de tracção provocadas pelas cargas dos veículos Retracção das lajes por acção da temperatura Gradientes de temperatura entre as faces superior e inferior da laje Por desgaste do tráfego ou por utilização de materiais de qualidade deficiente Camada de sub-base ou solo de fundação com materiais erodíveis; Acesso da água às camadas de sub-base e do solo de fundação; Insuficiente protecção das juntas Defeitos na realização das juntas por serem demasiado estreitas ou por deficiente selagem; expansão de inertes; escalonamento por bombagem de finos Seguidamente apresentam-se algumas figuras - Figura 2.12 a Figura com exemplos destas degradações. Figura Fenómeno de bombagem [4] 16

39 Figura Fendilhamento longitudinal [7] Figura Defeito na selagem de juntas [9] Os pavimentos semi-rígidos, também já abordado, apresentam na sua constituição camadas betuminosas localizadas superiormente, nomeadamente a camada de desgaste e a camada de regularização, tal como nos pavimentos flexíveis, sendo a camada de base constituída por material granular estabilizado com ligante hidráulico, usualmente betão pobre cilindrado. A camada de sub-base é geralmente constituída por agregado de granulometria extensa estabilizado mecanicamente ou por solo-cimento. A camada de base, devido à sua elevada rigidez, é a camada que absorve a maior parte dos esforços induzidos pelo tráfego, reduzindo deste modo os esforços transmitidos ao solo de fundação. Nesta camada tratada com cimento desenvolvem-se fendas verticais devidas à retracção. Estas fendas têm tendência a propagar-se às camadas betuminosas sobrejacentes, o que pode ser minimizado se forem utilizadas disposições construtivas que retardem ou contrariem essa tendência, nomeadamente utilização de geotêxteis impregnados com betume. Além destas fendas, pode ainda ocorrer fendilhamento por fadiga devido às acções induzidas pelo tráfego. Nos pavimentos semi-rígidos podem distinguir-se estruturas directas e estruturas inversas. Nas primeiras, as camadas betuminosas apoiam-se directamente sobre a base estabilizada com ligante hidráulico, nas segundas, existe interposição de uma camada granular, não ligada, com espessura de cerca de 12 cm, entre as camadas betuminosas e a camada de betão pobre, o que constitui uma forma para contrariar a propagação das fendas da base às camadas betuminosas [1]. Nestes pavimentos os principais mecanismos de degradação são [6]: Fendilhamento por fadiga. Fendilhamento por retracção. Degradações por perda de coesão do material com ligante hidráulico. No Quadro 2.4 resumem-se os tipos e as principais causas das degradações neste tipo de pavimentos [1]: 17

40 Quadro 2.4 Tipos de degradações e suas causas nos pavimentos semi-rígidos Familias de Degradações Fendilhamento por Fadiga Reflexão de Fendas Tipo de Degradações Fendas isoladas ou fendilhamento em pele de crocodilo Reflexão das fendas para as camadas betuminosas (estruturas directas), variações térmicas Causas Acção do tráfego combinada com acções de origem térmica Fendilhamento por propagação à superfície de fendas de retracção e fadiga, com entrada de água que contribui para o descolamento das camadas betuminosas relativamente à camada hidráulica (Est. directas) Degradações por perda de Coesão Pele de crocodilo em malha estreita, com eventual subida de finos Qualidade deficiente da camada hidráulica; compactação incorrecta; camadas inferiores muito deformáveis Degradação de Interface Deslocamentos na interface da camada hidráulica e da de regularização (devem ser coladas nas estruturas directas) devido à acção do tráfego e das acções térmicas, e que podem originar o aparecimento de fendas, pele de crocodilo e pelada. Falta de limpeza da interface; deficiente colagem; compacidade e espessura insuficientes das camadas betuminosas; permeabilidade excessiva da camada de desgaste; acção dos movimentos da camada hidráulica da base, de origem térmica; acção do gelo na interface das camadas Modelação do Comportamento Estrutural de Pavimentos Os materiais a utilizar e as espessuras das camadas do pavimento de uma estrada devem ser fixados em função do tráfego que esta deverá suportar e das características do solo de fundação que lhe dá suporte. Para além destes parâmetros, devem-se ter em conta as condições climáticas da zona em que se insere a estrada e as características dos materiais a empregar na sua construção [10]. Assim, para definir a estrutura de um pavimento deve-se dispor de dados relativos a: Tráfego variável de projecto que deve compreender o volume de tráfego inicial, a sua composição, o seu crescimento e o período de vida do projecto. 18

41 Condições Climáticas são as condições ambientais a que está submetido o pavimento (temperatura e precipitação) e que têm grande influência no seu comportamento. Condições de Fundação capacidade de suporte da fundação sobre a qual assenta o pavimento, que dependem da natureza e das propriedades dos solos empregues na construção da plataforma e das condições de drenagem. Materiais de Pavimentação Existe uma grande variedade de materiais e processos construtivos que podem ser empregues na construção do pavimento, devendo-se ter em conta os disponíveis nas proximidades da obra. Os modelos estruturais consistem em idealizações do comportamento de uma estrutura e permitem avaliar a sua resposta às solicitações a que é sujeita. No caso dos pavimentos, estes modelos permitem, em geral, calcular tensões, deformações e deslocamentos na estrutura do pavimento e respectiva fundação, induzidos pela passagem dos rodados dos veículos. Tendo em vista a análise estrutural de pavimentos, as cargas induzidas pelos rodados dos veículos são geralmente idealizadas como um conjunto de cargas uniformemente distribuídas em áreas circulares [11]. O modelo de cálculo mais utilizado na análise estrutural é o modelo de Burmister, Figura 2.15, no qual o pavimento é assimilado a um conjunto de camadas horizontais (sobrepostas), contínuas, homogéneas, isotrópicas e elásticas, assentes num meio semiinfinito, em que na superfície actua uma carga vertical uniformemente distribuída numa área circular de raio r. As camadas são consideradas como infinitas na direcção horizontal, e a camada inferior como tendo uma espessura infinita. As superfícies planas que separam as camadas são designadas de interfaces [12]. Figura Modelo de Burmister [4] 19

42 Neste trabalho, mais à frente, ir-se-á recorrer para a análise estrutural de pavimentos rodoviários à utilização do programa de cálculo automático ELSYM5, desenvolvido pela Universidade de Berkeley (EUA). Trata-se de programa baseado no modelo de Burmister que, como já referido anteriormente, considera a estrutura do pavimento como um sistema de camadas horizontais de materiais elástico lineares e isotrópicos, caracterizada pelo número de camadas, as suas espessuras, módulos de deformabilidade (E) e coeficientes de Poisson (ѵ). O programa considera um equilíbrio axissimétrico na análise estrutural, efectuando posteriormente a transformação de coordenadas cilíndricas para coordenadas rectangulares e a sobreposição dos efeitos de várias cargas, admissível quando se considera modelos lineares. No que se refere às condições na interface entre as camadas, o programa admite aderência perfeita entre duas camadas consecutivas. Para além do programa de cálculo automático ELSYM5, foram desenvolvidos outros programas baseados também no modelo de Burmister, entre os quais podemos mencionar, o programa ALIZE, desenvolvido no LCPC (França), o programa BISAR desenvolvido pela Shell, o programa CHEVIT, desenvolvido pela companhia petrolífera Chevron, o programa CIRCLY, desenvolvido pelo centro de investigação Commonwealth (Austrália), o programa NOAH, e o programa VEROAD, desenvolvido na Universidade de Delft (Holanda) [11], [12]. Em relação ao processo de dimensionamento dos pavimentos recorrem-se a três critérios, a partir dos quais se vão obter o número de passagens admissíveis para o eixo padrão de estudo, que neste caso será o eixo de 130 kn. Os dois primeiros critérios correspondem aos métodos da Shell, e são eles: Critério de Limitação do Fendilhamento por Fadiga das Camadas Betuminosas: ε t = 0,856V b + 1,08 E 0,36 MB N 0,2 (2.1) Resolvendo em ordem a N, obtém-se: N 130 kn = ε t 0,36 0,856V b +1,08 E MB 5 (2.2) Onde: N 130 kn - Número acumulado de passagens do eixo padrão; ε t - Extensão máxima de tracção induzida na camada; V b - Percentagem volumétrica de betume; E MB - Módulo de deformabilidade da mistura betuminosa (Pa). 20

43 Critério de Limitação das Deformações Permanentes para uma Fiabilidade de 95%: ε z = 1, N 0,25 (2.3) Resolvendo em ordem a N, obtém-se: N 130 kn = ε z 1, (2.4) Onde: ε z - Extensão vertical máxima de compressão no topo do solo de fundação; O terceiro mecanismo de dimensionamento, que é considerado como condicionante nos pavimentos semi-rígidos, corresponde ao fendilhamento por fadiga do betão pobre, e, no caso prático de estudo, será analisado nas camadas recicladas com cimento: σ t σ r = 1 + a log N (2.5) Resolvendo em ordem a N, obtém-se: 1 N 130 kn = 10a σ t σr 1 (2.6) Onde: σ t - Valor máximo da tensão de tracção induzida na camada de betão pobre (dado pelo programa ELSYM5); σ r - Resistência à tracção em flexão (R flexão ); a - Constante que varia entre -0,06 e -0,1 dependendo das propriedades da mistura. Nos casos em que o quociente entre a tensão de tracção induzida nas camadas de betão pobre e a resistência à tracção em flexão é inferior a 0,55, considera-se que o número admissível de aplicações de carga é ilimitado. 21

44 2.5. Caracterização das Acções Devidas ao Tráfego Relativamente ao tráfego, o Manual de Concepção de Pavimentos para a Rede Rodoviária Nacional (MACOPAV) [2] refere que para dimensionamento de pavimentos rodoviários apenas é considerado o efeito do tráfego de veículos pesados, nomeadamente as acções induzidas por este tipo de veículos, uma vez que são estas acções que induzem o fendilhamento e a deformação das camadas do pavimento. Considera-se veículo pesado aquele cujo peso bruto é igual ou superior a 30 kn (3 tf), o que inclui uma larga gama de veículos, compreendendo autocarros e camiões com ou sem reboque ou semi-reboque [2]. Tendo em vista a verificação do dimensionamento dos pavimentos rodoviários, é usual exprimir os efeitos do tráfego pesado acumulado ao longo do período de dimensionamento em termos de número equivalente de eixos padrão, sendo adoptados no MACOPAV, eixos padrão de 80 kn para pavimentos flexíveis, e de 130 kn para pavimentos semi-rígidos e rígidos, embora actualmente também se utilizem os eixos padrão de 130 kn para os pavimentos flexíveis [2], [10]. O período de dimensionamento considerado no MACOPAV é de 20 anos para pavimentos flexíveis e semi-rígidos, e de 30 anos para pavimentos rígidos. A consideração do tráfego no dimensionamento dos pavimentos é, no MACOPAV, feita através da adopção de classes de tráfego pesado, que são definidas a partir do tráfego médio diário anual de veículos pesados (TMDA p ) no ano de abertura ao tráfego, por sentido e na via mais solicitada. A escolha destas classes baseou-se numa análise estatística do tráfego na rede rodoviária nacional. Para cada classe de tráfego é assumida uma determinada taxa de crescimento anual e uma determinada composição de tráfego, que é traduzida através de um factor de agressividade que se utiliza para converter número de passagens de veículos pesados em número equivalente de passagens de eixos padrão [2], [10]. Seguidamente no Quadro 2.5 indicam-se as oito classes consideradas para o tráfego médio diário anual de veículos pesados, em cada sentido e na via mais solicitada, no ano de abertura (TMDA p ), bem como os elementos relativos às várias classes de tráfego, com indicação do número acumulado de eixos padrão de 80 kn e de 130 kn, respectivamente para pavimentos flexíveis e pavimentos semi-rígidos e rígidos, de acordo com [2] e [10]. 22

45 Quadro 2.5 Elementos relativos ao tráfego Factores de Agressividade Classe TMDA p Taxa de Crescimento Anual (%) a) Pavimentos Flexíveis Pavimentos Rígidos e Semirígidos Eixo 80 kn b) Eixo 130 kn c) Eixo 130 kn b) T7 < 50 Estudo Específico T ,3 0,5 3 T ,4 0,6 T ,6 0,7 4 T ,5 0,7 0,8 T ,7 0,9 5 T ,5 0,8 1,0 T0 > 2000 Estudo Específico a) - Taxa de crescimento recomendada nos casos em que não existem elementos adicionais relativos à previsão de crescimento; b) - Factor de agressividade (α), proposto pelo MACOPAV; c) - Factor de agressividade calculado a partir do valor proposto no MACOPAV para eixos de 80 kn através de [10]: 130 = (2.7) No caso de não existirem elementos adicionais, a determinação do TMDA p por sentido, na via mais solicitada, é efectuada considerando 50% do tráfego em cada sentido. A circulação do tráfego pesado, embora se faça predominantemente na via situada mais à direita, pode repartir-se pelas diversas vias existentes num dado sentido, caso exista mais do que uma. No Quadro 2.6 indica-se a distribuição do tráfego por vias, quando existe mais de uma via por sentido [2]: Quadro 2.6 Percentagem do tráfego na via mais solicitada Nº de Vias por Sentido % Tráfego por Sentido na Via mais Solicitada

46 2.6. Avaliação da Capacidade de Carga de Pavimentos em Serviço A informação sobre o estado da superfície e da estrutura dos pavimentos é fundamental para a eficaz gestão de uma rede rodoviária. A avaliação da segurança e conforto de circulação, bem como da capacidade de carga, conjuntamente com a ajuda de apropriados modelos de desempenho de pavimentos e de análise económica constituem os elementos necessários ao desenvolvimento de estratégias de conservação para diferentes categorias de redes rodoviárias [1]. Os objectivos fundamentais da avaliação de pavimentos são [1]: Verificar a conformidade das características de um pavimento (construído ou reabilitado), com as especificações do caderno de encargos. Permitir a programação das acções de conservação. Fornecer dados para a melhoria das técnicas de construção e manutenção. Verificar e aperfeiçoar os métodos de dimensionamento. Fornecer dados para o desenvolvimento de modelos de previsão do comportamento de pavimentos. A avaliação da qualidade dos pavimentos pode ser subdividida em avaliação funcional e avaliação estrutural. A avaliação funcional tem por objectivo definir a qualidade do pavimento, tendo por base as exigências dos utentes da estrada quanto à segurança e conforto de circulação, economia e qualidade ambiental. A avaliação do estado estrutural procura definir o nível de desempenho mecânico do pavimento, isto é, a sua capacidade de suportar as cargas para o qual foi dimensionado, tendo em conta o tráfego passado e as condições climáticas. Os parâmetros que caracterizam em cada instante o estado funcional e estado estrutural dos pavimentos são designados por parâmetros de estado. Os parâmetros geralmente adoptados para avaliação da qualidade dos pavimentos e que permitem a determinação do desempenho de um determinado pavimento são os seguintes: Capacidade estrutural. Estado superficial. Regularidade longitudinal. Regularidade transversal. Atrito transversal. Destes parâmetros apenas nos vamos referir ao primeiro, dado ser este que vai ser objecto de estudo no Capítulo 5, aquando da análise do caso de estudo. 24

47 A capacidade estrutural do conjunto pavimento solo de fundação (capacidade de carga do pavimento) pode ser avaliada de acordo com determinados parâmetros, dos quais se salienta o correspondente à deformação vertical da superfície, que se considera como a resposta do pavimento à aplicação um determinado carregamento em determinadas condições [1]. Através de valor destas deformações, designadas por deflexões, e resultantes dos ensaios de carga aplicados ao pavimento, para além de ser possível caracterizar a capacidade global do conjunto pavimento fundação, é também possível identificar a contribuição de cada camada para o comportamento estrutural do pavimento, de acordo com as deflexões medidas a várias distâncias a partir do ponto de aplicação da carga. A avaliação da capacidade estrutural dos pavimentos pode ser efectuada de acordo com métodos não-destrutivos e métodos destrutivos. No que diz respeito aos métodos não-destrutivos, de entre os vários equipamentos de utilização corrente na medição da capacidade estrutural dos pavimentos, os mais representativos são os seguintes [1]: Viga Benkleman; Deflectómetro FLASH; Curviâmetro; Deflectómetro de Impacto (FWD). Todos estes equipamentos referidos têm uma velocidade de observação muito reduzida, desde uma avaliação estacionária no primeiro e último equipamento, até a velocidades da ordem dos 3 a 8 km/h nos restantes dois equipamentos. Ao longo dos últimos anos têm vindo a ser desenvolvidos equipamentos de observação da deflexão a elevada velocidade, com o principal objectivo de se integrarem no fluxo normal do tráfego, sem o perturbarem, com velocidades de observação da ordem dos 90 km/h. Como exemplo deste tipo equipamentos tem-se [1]: High Speed Deflectograph (HSD - Dinamarca); Road Deflection Tester (RDT - Suécia). Os equipamentos desenvolvidos permitem simular a passagem do tráfego, simulando assim as solicitações de carga a que o pavimento está sujeito, com o objectivo de se determinar a sua conformidade com o projecto na fase de construção, e o estudo de reforços a aplicar, caso se verifique a não conformidade do pavimento face às solicitações durante a fase de serviço [11]. Quanto aos métodos destrutivos, temos o exemplo das sondagens utilizadas com o objectivo de determinar a constituição dos pavimentos e as características dos materiais constituintes das diferentes camadas deste. Do conjunto de equipamentos utilizados na avaliação das deflexões, considerar-se-á apenas o Deflectómetro de Impacto (FWD Falling Weight Deflectometer) uma vez que será este que irá ser utilizado na avaliação da capacidade de carga do pavimento do caso de estudo no Capítulo 5. 25

48 O Deflectómetro de Impacto (FWD) é um equipamento destinado a avaliar a capacidade estrutural de um pavimento através da medição da sua resposta a uma carga vertical de impacto [1]. Este ensaio consiste na aplicação à superfície do pavimento, de uma força de impulso gerada pela queda de uma massa a partir de uma determinada altura sobre um conjunto de amortecedores, e na medição das deflexões daí resultantes na referida superfície. Este equipamento permite simular as acções induzidas pela passagem de veículos a uma velocidade entre 60 a 80 km/h [11]. O aparelho consiste num atrelado no qual está montado o sistema de geração da carga e os dispositivos para medição das deflexões, sendo a aquisição dos resultados e o comando dos ensaios efectuados no interior do veículo rebocador, no qual estão instalados todos os equipamentos informáticos e electrónicos necessários. Para a realização do ensaio de carga, o veículo é posicionado no ponto de ensaio, a placa de ensaio é encostada à superfície do pavimento e a massa é elevada à altura pretendida. O diâmetro da placa de ensaio varia entre 300 e 450 mm. Para regular a altura de queda das massas, o equipamento dispõe de um sistema hidráulico que permite elevar as massas a uma altura pré definida pelo operador. A deflexão produzida no pavimento é lida por 9 geofones ou transdutores de deslocamentos (aparelho usado nos ensaios do caso de estudo) colocados num eixo de simetria do veículo, estando um dos geofones colocado no centro de aplicação da carga e os restantes 8 a distâncias pré definidas do centro da carga até uma distância máxima de 2,5m. Os geofones podem medir deflexões de 1μm até 2200μm [13]. Todo o procedimento é realizado de acordo com a norma ASTM D [14]. Este equipamento também realiza a medição da temperatura da superfície do pavimento, a qual é fundamental para se proceder a uma correcta interpretação dos resultados, com vista à análise do comportamento do pavimento, como se verá mais à frente no Capítulo 5 e no Anexo I quando se proceder à correcção dos módulos de deformabilidade das misturas betuminosas devido a este efeito da temperatura. As cargas de impacto aplicadas podem atingir os 250 kn dependendo do tipo de aparelho. Nos ensaios realizados no pavimento em estudo - Capítulo 5 - utilizou-se o deflectómetro de Impacto do LNEC com um valor de pico da força aplicada da ordem dos 65 kn, uma vez que se considerou o eixo padrão de 130 kn. Os resultados obtidos pelos ensaios efectuados com o Deflectómetro de Impacto são considerados fiáveis, são efectuados com elevado rendimento e permitem uma adequada e rápida caracterização da capacidade estrutural das camadas do pavimento, bem como da capacidade de suporte atribuível aos solos de fundação. Quando se pretende estudar a capacidade de carga de determinado trecho de estrada em serviço, efectuam-se, geralmente, um considerável número de ensaios de carga em pontos localizados ao longo das rodeiras externas para cada sentido de circulação, por serem estes os alinhamentos em condições mais desfavoráveis [11]. Estas condições mais adversas são 26

49 determinadas pela maior proximidade entre as rodeiras e a berma, e assim, da descontinuidade longitudinal entre o pavimento e a berma não pavimentada. Inicialmente, em cada ponto, procede-se a um primeiro impacto cujo objectivo é ajustar a placa de carga à superfície do pavimento. Com um segundo impacto, e estando a massa à altura certa para se obter a força de pico desejada, que no caso de estudo foi de 65 kn, são registadas as deflexões. As deflexões do pavimento induzidas pela carga de impacto são medidas em vários pontos através de transdutores de deslocamento apoiados na superfície do pavimento, cujas distâncias ao centro da área carregada se situam a: D 0-0 m; D 1-0,30 m; D 2-0,45 m; D 3-0,6 m; D 4-0,9 m; D 5-1,2 m; D 6-1,5 m; D 7-1,8 m; D 8-2,1m. A Figura 2.16 e Figura 2.17 ilustram o princípio do ensaio de carga com o Deflectómetro de Impacto (procedimento usado no caso de estudo). Figura Princípio do ensaio de carga com Deflectómetro de Impacto [15] Figura Deformada em relação ao centro da área carregada [16] 27

50 Com os valores apurados procede-se à normalização dos mesmos, uma vez que existem ligeiras variações na força aplicada em cada ponto. A normalização das deflexões é realizada tendo em conta a força de impacto nominal seleccionada de 65 kn e é dada pela seguinte equação: D n = 65 D m F m μm (2.8) Onde: D n - Deflexão Normalizada; D m - Deflexão Medida; F m - Força Medida. Um dos principais objectivos visados com a realização de ensaios de carga não destrutivos num determinado pavimento é a sua divisão em zonas de comportamento estrutural homogéneo, que no final, irão corresponder a zonas de diferentes capacidades de carga. Essas zonas, eventualmente, necessitarão de medidas de conservação distintas, designadamente no que se refere à espessura de reforço a colocar [11]. A existência de diversas zonas de comportamento estrutural homogéneo num pavimento poderá estar relacionada, entre outros, com os seguintes factores: Condições de fundação. Data de construção do pavimento, materiais empregues, obras efectuadas após entrada em serviço. Tráfego. Condições de drenagem. Após a normalização dos valores da deflexão, procede-se então à divisão do pavimento em zonas com comportamento estrutural homogéneo. Este zonamento é realizado com base na observação directa do gráfico de variação das deflexões obtidas ao longo do trecho em estudo e no método proposto pela AASHTO (2001) [17], designado por método das diferenças acumuladas. Este método consiste, para cada ponto situado à distância x do início do trecho, na seguinte sequência de cálculos: Cálculo do valor médio das deflexões para todo o trecho; Cálculo da diferença entre cada valor individual e o valor médio; Cálculo dos valores acumulados das diferenças; Obtém-se um gráfico que apresenta nas abcissas as distâncias e nas ordenadas os valores acumulados das diferenças. 28

51 Considerando Ax a área acumulada sob o gráfico das deflexões/distâncias e Ax a área acumulada correspondente ao valor médio das deflexões em todo o trecho, então Zx corresponde à diferença entre ambos, tal que: Zx = Ax Ax [11]. No gráfico de Zx em função da distância, cada mudança de declive na curva obtida, indica uma mudança do comportamento médio de um determinado segmento para outro. Esta mudança de declive corresponde a uma fronteira que delimita as extremidades de segmentos homogéneos (sub-trechos). Na Figura 2.18 ilustra-se o método das diferenças acumuladas, onde se pretende avaliar a variação de um determinado parâmetro r, [17]: Figura Método das diferenças acumuladas [17] Com o zonamento concluído, e com os valores das deflexões normalizadas depurados de valores não representativos, será necessário fazer um tratamento estatístico dos dados obtidos, e assim determinar para cada zona a média e o desvio padrão, com o objectivo de se 29

52 calcular o percentil 85. Utiliza-se o intervalo de confiança de 85%, dado que se considera que a deformada representativa de cada zona é aquela que corresponde a deflexões cuja probabilidade de serem excedidas é inferior a 15% [11]. O percentil 85 é calculado da através da seguinte equação: P 85 = D + 1,04σ D (2.9) Onde: D - Deflexão média em cada zona; σ D - Desvio Padrão em cada zona, É escolhida a deformada representativa de cada zona, que é aquela que mais se aproxima do percentil 85 (pontos representativos do lado da segurança). Nos locais representativos de cada subtrecho realizam-se sondagens à rotação com o objectivo de determinar ou verificar a constituição do pavimento [11]. Com a realização dos ensaios de carga não destrutivos para avaliar a capacidade de carga do pavimento, temos, como um dos principais objectivos, o estabelecimento de modelos de comportamento estrutural para cada uma das zonas em estudo. Importa ainda referir que o estabelecimento do modelo de comportamento estrutural de um pavimento envolve não só a estimativa dos módulos de deformabilidade das camadas, mas também a adopção de uma determinada espessura da camada superior de solo, uma vez que se torna geralmente necessário subdividir o solo em duas camadas, uma superior mais deformável, no caso de estudo adoptou-se 2,5 metros, e outra inferior de espessura semiinfinita, designada por camada rígida com um módulo de deformabilidade significativamente superior à primeira. Este procedimento justifica-se pela potencial existência, a determinada profundidade, sob a camada superior do solo, de solos com melhores características de deformabilidade, ou de camadas de rocha com módulos de deformabilidade elevados. No entanto, ainda que isto não se verifique, apenas o peso próprio do solo conduz ao aumento das tensões de confinamento em profundidade, o que por si só justifica a utilização da camada rígida [11]. 30

53 3. Reabilitação Estrutural de Pavimentos Flexíveis 3.1. Acções de Conservação e Reabilitação de Pavimentos Rodoviários Da existência de degradações em pavimentos rodoviários, conforme já abordado, decorrem dois tipos de interferências com a qualidade do pavimento: Qualidade Funcional qualidade sentida pelos utentes rodoviários. Qualidade Estrutural - aptidão do pavimento para suportar as cargas dos veículos, sob determinadas condições climatéricas. É assim fundamental estabelecer um programa de acompanhamento da evolução do pavimento, para apoiar a decisão de intervir em determinada altura, de modo a repor a sua qualidade. Estas intervenções constituem a actividade de conservação / reabilitação. Como referido anteriormente, as acções de conservação e de reabilitação têm como finalidade a preservação ou correcção das características funcionais e/ou estruturais de um pavimento após a sua construção e entrada em serviço. Uma ausência, ou uma conservação tardia, acarreta custos de diversas naturezas. Nomeadamente custos socioeconómicos, custos ambientais e custos humanos, respectivamente associados à destruição do património existente, ao desgaste dos veículos, ao consumo de combustível e associados à ocorrência de acidentes motivados pela degradação das condições de serviço da via. Do ponto de vista dos objectivos podem-se classificar as actividades de conservação da seguinte forma: Conservação Funcional actividades que visam a manutenção ou correcção de características superficiais ou geométricas. Conservação Estrutural actividades que visam a preservação, o aumento ou a reposição da capacidade de carga de um pavimento. [18]: Quanto ao nível de intervenção, distinguem-se três tipos de acções de conservação Conservação Corrente engloba acções de conservação tendo em vista manter um determinado nível de serviço mínimo durante a vida útil da via. Engloba a manutenção do bom estado das bermas (regularidade e impermeabilidade), manutenção dos sistemas de drenagem e de sinalização, e, manutenção da superfície do pavimento, entre outras; Conservação Preventiva consiste na execução de acções de conservação, como a impermeabilização da superfície do pavimento por aplicação de camadas betuminosas de reduzida espessura e selagem de fendas, com o 31

54 objectivo de atenuar ou retardar o efeito da progressão de degradações que ainda estão na sua fase inicial, como o fendilhamento, de modo a manter a qualidade do pavimento ao longo do seu período de vida, sem no entanto aumentar significativamente a sua capacidade de carga; Reabilitação conjunto de acções de conservação com o objectivo de promover uma melhoria das características, essencialmente estruturais, do pavimento, face a novas solicitações para um novo período de vida, com tráfego mais elevado do que o considerado no período anterior. Consistem essencialmente em medidas de reforço do pavimento ou de reconstrução. Compreende a execução de uma ou mais camadas de reforço, acompanhadas ou não de outros trabalhos complementares, nomeadamente, melhoria do sistema de drenagem. Como alternativa ou em complemento à utilização de materiais novos no reforço de pavimentos, as camadas existentes no pavimento antigo, podem ser recicladas, de forma a aumentar a capacidade de carga do novo pavimento. Em resumo, pode-se dizer que os principais objectivos da conservação de pavimentos rodoviários em sentido lato, são os seguintes: Preservar o capital constituído pela rede rodoviária. Assegurar um nível de serviço aos utentes que englobe as condições de segurança, conforto e economia. Uma vez tomada a decisão de intervir num determinado pavimento, tem que se ter em conta um determinado número de critérios que vão permitir a selecção das técnicas de conservação e reabilitação a adoptar. No Quadro 3.1 apresentam-se esses critérios [20], [19]. Quadro 3.1 Critérios de selecção de técnicas de conservação e reabilitação de pavimentos Critérios de Selecção de Técnicas de Conservação e Reabilitação de Pavimentos Considerações Técnicas Eficácia na resolução dos problemas existentes Desempenho a longo prazo (exigências de qualidade futuras) Factores Económicos Factores Ambientais Minimização dos custos suportados pelos utentes, durante a aplicação (rapidez de execução) e após a entrada em serviço (longevidade) Minimização dos custos da obra (construção e conservação) Minimização dos impactes ambientais Na Figura 3.1 pretende-se representar graficamente a evolução do estado do pavimento ao longo do tempo e os efeitos resultantes da adopção de medidas de conservação e/ou reabilitação [20]. 32

55 Figura Evolução do estado do pavimento ao longo do tempo [20] 3.2. Reforço de Pavimentos Flexíveis Quando se fala em reabilitação estrutural dos pavimentos, refere-se o termo reforço do pavimento significando a acção, ou conjunto de acções, capaz de aumentar a capacidade estrutural do pavimento existente degradado, para suportar, em conjunto com a fundação mobilizável, as acções geradas pelos veículos em determinadas condições de aplicação [1]. Uma das actuações mais frequentes na reabilitação de pavimentos com o objectivo de aumentar a sua capacidade de carga e adequa-los a uma determinada classe de tráfego, é a aplicação de uma ou mais camadas betuminosas como reforço. Outra possibilidade, consiste na fresagem de uma ou mais camadas do pavimento existente, sua substituição e reforço através da aplicação de novas camadas, de forma a adequar o pavimento às novas exigências de tráfego, e evitar que as degradações existentes no pavimento existente se venham a reflectir na nova superfície. Nas operações de reforço deve dar-se atenção à melhoria das condições de drenagem do pavimento, cujas deficiências podem induzir a sua ruína prematura, por afectarem a resistência da fundação, das camadas granulares e, por vezes, até às camadas betuminosas. Esta melhoria pode consistir na reparação de valetas e de caleiras, no revestimento de valetas e na reparação ou construção de drenos longitudinais. Também se utilizam, para além destes trabalhos, técnicas que visam retardar o processo de propagação de fendas (reflexão). Duas abordagens se podem considerar: A primeira visa eliminar a origem do desenvolvimento do fenómeno de propagação de fendas (fresagem para eliminação das fendas e posterior construção de novo pavimento ou reforço do mesmo ou ainda reciclagem da camada fendilhada por adição de ligante); a segunda incluí métodos destinados a potencialmente eliminar o fenómeno ou reduzir a velocidade do seu 33

56 desenvolvimento (utilização de membranas anti-propagação de fendas, conhecidas como SAMI Stress Absorving Membrane Interlayer), ou aumento da espessura das camadas de reforço ou por último, descolar a camada de reforço relativamente ao pavimento existente fendilhado, técnica esta que exige uma elevada espessura para permitir reduzir as tensões na parte inferior desta camada. Seguidamente, apresentam-se as principais técnicas de reforço de pavimentos, adaptado de [20]: Misturas betuminosas a quente (convencionais), onde o ligante betuminoso utilizado é o betume puro, que necessita ser aquecido para se obter a consistência adequada para o fabrico da mistura. Misturas betuminosas de alto módulo, onde se utiliza como ligante betuminoso o betume puro, que tem que ser aquecido a temperaturas superiores ao anterior, uma vez que é mais duro, e de onde resultam módulos de deformabilidade mais elevados. Misturas com betumes modificados com polímeros, utilizadas com o objectivo de responder às novas exigências dos pavimentos rodoviários, essencialmente na camada de desgaste. Misturas betuminosas com borracha, que proporcionam uma melhor resistência à fadiga e à propagação de fissuras. Misturas betuminosas a frio, onde o ligante utilizado no fabrico da mistura é uma emulsão betuminosa. As vantagens desta técnica resultam do facto de não ser necessário o aquecimento do ligante betuminoso e dos agregados para o fabrico e aplicação em obra (executados à temperatura ambiente). Complementarmente à aplicação do reforço, podem ser aplicadas as referidas técnicas anti-reflexão de fendas, que visam retardar o processo de reflexão de fendas. São exemplos: argamassa betuminosa com betume modificado; base tratada com emulsão betuminosa; geotêxtil impregnado com emulsão betuminosa; grelha metálica com Slurry Seal (lama asfáltica). 34

57 3.3. Reciclagem de Pavimentos Considerações Gerais A reciclagem de pavimentos rodoviários é uma técnica cujo objectivo fundamental resume-se em transformar uma ou mais camadas de um pavimento degradado numa camada homogénea e adaptada ao tráfego que deverá suportar. Consiste na reutilização dos materiais existentes e sua aplicação na construção de uma nova camada, mediante a fresagem destes até uma determinada profundidade, e a adição de um ligante, por exemplo cimento ou emulsão betuminosa, água se necessário, para a hidratação e compactação, eventualmente se necessário agregados para correcções granulométricas, e algum aditivo, com uma dosagem obtida mediante ensaios. A mistura homogénea destes materiais é espalhada e compactada, com um tempo de cura adequado, constituindo geralmente uma camada de base, ou seja, uma camada com resistência estrutural, de um novo pavimento. Ainda em relação aos objectivos da reciclagem de pavimentos, e em suma, pode-se dizer, de acordo com [20], que existe unanimidade em relação às três grandes vantagens da reutilização dos materiais provenientes da fresagem de pavimentos antigos, e são elas: Utilização do pavimento como fonte de matéria-prima, o que conduz à redução da utilização dos recursos naturais (agregados e betume). Minimização da quantidade de materiais fresados provenientes do levantamento de camadas dos pavimentos antigos depositados em vazadouro. Diminuição dos custos da reabilitação do pavimento Principais Tipos de Reciclagem Os processos de reciclagem dos materiais fresados são muito variados tendo em conta o elevado número de variáveis que é necessário considerar. As técnicas podem-se distinguir quanto ao local de reciclagem, que pode ser no próprio local da obra (in situ) ou em central, quanto à temperatura de fabrico da mistura reciclada, a quente ou a frio, e quanto ao ligante utilizado, que pode ser betume, emulsão betuminosa e cimento, entre outros. No Quadro 3.2 apresentam-se os principais tipos de reciclagem empregues. 35

58 Quadro 3.2 Tipos de reciclagem Tipos de Reciclagem Local de fabrico da mistura reciclada Temperatura de fabrico da mistura reciclada No local da obra (in situ) Em central A frio A quente Antes de se optar por um determinado processo de reciclagem, deve-se ter em conta todas as variáveis disponíveis, nomeadamente o tipo e estado do pavimento, e os meios disponíveis para a execução da reciclagem. No Quadro 3.3, de acordo com [21], referem-se algumas vantagens e desvantagens da reciclagem in situ. Quadro 3.3 Vantagens e desvantagens da reciclagem in situ Vantagens Desvantagens Evita o transporte dos materiais fresados para outro local Reduz a degradação dos pavimentos das estradas utilizadas pela obra Dispensa os depósitos provisórios Em alguns casos terá menores consumos energéticos Em alguns processos pode provocar menor ruído e menos poluição atmosférica O tempo de execução do processo é menor O investimento total em equipamentos é inferior ao processo em central Alguns processos serão mais económicos Aproveita na íntegra todos os materiais existentes no pavimento O rigor no tratamento não pode ser idêntico ao longo de toda a obra As condições locais de execução podem afectar a qualidade do trabalho Está dependente das condições atmosféricas Equipamentos com avarias no local da obra com acesso mais lento às oficinas Interferências com o tráfego maiores em alguns casos Quanto à reciclagem em central dos materiais provenientes do pavimento a reabilitar, apresentam-se no Quadro 3.4 as principais vantagens e desvantagens deste processo. Quadro 3.4 Vantagens e desvantagens da reciclagem em central Vantagens Desvantagens Melhoria da qualidade da mistura obtida e maior facilidade na recepção e aprovisionamento dos ligantes e eventuais materiais correctivos num local fixo, o que poderá atenuar a principal desvantagem, que é o acréscimo do custo resultante do transporte Maior fiabilidade no produto obtido Custo adicional de transporte do material a reciclar, do local da obra para a central e desta para o local da obra 36

59 Em relação à temperatura, a quente ou a frio, o processo de reciclagem depende do tipo de ligante escolhido, resultando em diferentes tipos de técnicas. No Quadro 3.5 apresentam-se algumas considerações [1]. Quadro 3.5 Temperatura nos processos de reciclagem Processo Reciclagem a Frio Considerações Será o mais económico em termos energéticos Os ligantes utilizados: Cimento; Cal; Emulsão betuminosa; Betume espuma; Estabilizadores químicos; Pode ser desenvolvido quer in situ quer em central Permite reciclar até 100% do material fresado Mais económico em termos energéticos relativamente ao processo a quente Reciclagem Semiquente Utiliza uma emulsão específica como ligante Obriga a dispor de uma central de mistura a quente, onde a mistura é aquecida a 90 0 C Reciclagem a Quente Pode ser armazenada até 24 horas desde que a temperatura seja mantida acima dos 60 0 C É a técnica que conduz a maiores consumos energéticos A técnica a quente in situ é mais exigente em termos de equipamento, que é muito específico e dispendioso A técnica a quente em central tem limitação na percentagem de incorporação de material fresado do pavimento a reabilitar Considerando então as variáveis referidas, nomeadamente o local de execução, a temperatura da produção e os ligantes ou aditivos, podem-se definir um conjunto de processos de reciclagem [21]: 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. 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. Para se obter sucesso na aplicação desta técnica deve-se efectuar um estudo preliminar. Este estudo consiste, em primeiro lugar, na avaliação da natureza e a quantidade 37

60 de materiais passíveis de reciclagem e da homogeneidade das misturas. Depois, devem-se caracterizar os materiais a reciclar, quanto à sua granulometria, com ou sem ligante, identificação da mistura (teor em água e em ligante) e caracterização do ligante antigo. Seguese a escolha do aditivo de regeneração, se necessário, de modo a repor no ligante antigo as componentes mais leves em falta e, por fim, faz-se o estudo da formulação e taxa de reciclagem, que é função do tipo de central. Importa agora fazer uma breve descrição do processo de reciclagem no que diz respeito ao local de fabrico das misturas, nomeadamente a Reciclagem em Central e a Reciclagem in situ: Reciclagem em Central: Para executar a reciclagem de uma camada de pavimento em central é, em geral, necessário proceder do seguinte modo: 1. Execução de fresagem das camadas do pavimento a reciclar, ver Figura 3.2 [22]. Figura Execução da fresagem do pavimento 2. Transporte do material fresado para uma central de fabrico devidamente preparada para incorporar o material a reciclar. 3. Incorporação do material fresado na mistura a produzir. A percentagem de incorporação pode ser superior a 50%, podendo variar consoante o tipo de central (contínua ou descontínua). Pode ver-se exemplo das centrais na Figura 3.3 e Figura 3.4 [20]. 38

61 Figura Central betuminosa a quente (contínua) Figura Central descontínua de mistura a quente com betume 4. Transporte da mistura produzida novamente para a obra. 5. Aplicação da mistura reciclada em obra através do método tradicional (espalhadoras e cilindros). Este tipo de tecnologia não permite geralmente a reciclagem de 100% do material. Por outro lado existem custos associados ao transporte, quer do material fresado, quer da mistura produzida em central, pelo que se deve elaborar um estudo de viabilidade económica. Outra preocupação a ter em conta corresponde à necessidade de se obter uma adequada granulometria que pode condicionar a percentagem de material novo na mistura. 39

62 Reciclagem in situ: A reciclagem in situ consiste em realizar numa só operação as seguintes tarefas: 1. Desagregação do um pavimento antigo e deteriorado. 2. Mistura deste material com um ligante e outros materiais correctivos; no caso da reciclagem a frio, pode ainda ser adicionada água. 3. Espalhamento. 4. Compactação da nova camada por meios convencionais. Em relação a este processo, podem-se ainda tecer algumas considerações. A técnica de reciclagem in situ a frio poderá ser executada nas seguintes vertentes: com cimento, com emulsão betuminosa e com betume espuma. A reciclagem in situ a quente é uma técnica que exige equipamento muito complexo, sendo a espessura de reciclagem limitada a valores da ordem dos 6 cm. mais utilizados. Nos parágrafos seguintes descrevem-se, resumidamente, os processos de reciclagem Como processos de reciclagem em central temos: Reciclagem em Central, a Frio, com Emulsão Betuminosa o material recolhido do antigo pavimento será transportado para a central onde irá ser misturado com emulsão betuminosa à temperatura ambiente. As misturas assim obtidas assemelham-se a um material agregado de granulometria extensa tratado com emulsão [1]. Reciclagem em Central, a Frio, com Betume-Espuma - o processo apenas difere do anterior quanto ao tipo de ligante utilizado, que é o betume-espuma. Reciclagem em Central, Semi-Quente, com Emulsão Betuminosa o material fresado do pavimento é transportado para a central, onde será misturado com a emulsão betuminosa numa central de misturas a quente. A temperatura será da ordem dos 90 0 C. Reciclagem em Central, a Quente, com Betume Esta técnica consiste em fabricar uma mistura betuminosa a quente, utilizando materiais fresados de pavimentos antigos, de modo a conseguir bons resultados técnico-económicos e ambientais [1]. O ligante utilizado será o betume. 40

63 Como processos de reciclagem in situ temos: Reciclagem in situ, a Frio, com Cimento A reciclagem in situ, a frio, com cimento é especialmente indicada para pavimentos que apresentem uma forte insuficiência estrutural. Este processo representa uma boa alternativa para a reabilitação de pavimentos em avançado estado de deterioração estrutural. Deverão ser empregues equipamentos mecânicos que numa só operação fresem, incorporem cimento e água, dosificando-os nas percentagens definidas, misturem o material fresado e o espalhem. O equipamento de fresagem é composto por uma ou mais máquinas fresadoras. Estas são dotadas de um tambor de fresagem de eixo horizontal que deverá ser capaz de fresar o pavimento existente na profundidade e largura especificados, produzindo um material homogéneo com a granulometria requerida. Tudo isto deverá ser feito numa só passagem, a uma velocidade constante adequada. Este processo será abordado no Capitulo 4. Reciclagem in situ, a Frio, com Emulsão Betuminosa Este processo apenas difere do anterior quanto ao ligante utilizado, que neste caso é uma emulsão betuminosa. Trata-se então do fabrico de uma mistura betuminosa a frio, utilizando os materiais fresados do pavimento existente, aos quais se adiciona emulsão e água. Nalguns casos poderá ser necessário a adição de material correctivo, como o cimento e a cal, para que a mistura de agregados final apresente as características desejadas. A utilização de ligante diferente em relação ao da técnica anterior, vai determinar algumas alterações, nomeadamente quanto aos meios necessários à sua execução, quanto à exigência de determinadas condições meteorológicas, onde deve predominar o tempo seco para permitir a rotura da emulsão, e quanto às características do pavimento. É um processo mais caro, porque a emulsão é geralmente mais cara que o cimento. A velocidade de deslocamento da recicladora e a consequente rotação do tambor fresador influenciam a granulometria do material resultante da fresagem. Para a execução desta técnica são utilizados comboios constituídos por uma máquina recicladora acoplada a cisternas de água e de emulsão. Os trabalhos, de forma genérica, envolvem as seguintes fases construtivas [20]: 1. Espalhamento do material correctivo (cimento, agregados e/cal), se previamente estabelecido na fórmula de trabalho. Presentemente existem equipamentos que permitem a adição da cal ou cimento imediatamente antes da passagem da máquina recicladora. 2. Passagem da máquina recicladora juntamente com as cisternas de água e emulsão, onde se pretende: fresagem do pavimento existente até à profundidade estabelecida; adição contínua do ligante 41

64 betuminoso, e água se necessário; mistura do material desagregado com os materiais adicionados; espalhamento da mistura. 3. Compactação da mistura. Na Figura 3.5 apresenta-se a sequência das etapas construtivas [20], e na Figura 3.6, apresenta-se um exemplo ilustrado deste processo. Figura Esquema da sequência das operações [23] Figura Reciclagem in situ a frio [24] 42

65 Reciclagem in situ, a Frio, com Betume-Espuma Este processo de reciclagem, que na terminologia anglo-saxónica se designa por Foam Bitumen Recycle (FBR), é idêntico aos anteriores, diferindo apenas quanto ao ligante utilizado, que neste caso é o betume-espuma. A espuma de betume é produzida através da adição de pequenas quantidades de água fria, geralmente da ordem de 2 a 3% da massa de betume, a betume quente (temperatura acima dos C). Quando se junta água ao betume quente, a água evapora-se rapidamente, levando o betume a formar uma espuma, cujo volume pode ser cerca de 20 a 30 vezes superior ao volume inicial do betume. Durante este processo aumenta a superfície específica e diminui significativamente a viscosidade, o que se traduz numa melhoria da capacidade de revestimento dos materiais a serem tratados [20]. A espuma constitui um sistema coloidal em que a fase dispersa é um gás (vapor de água) e a fase contínua é o betume. Na Figura 3.7 apresenta-se o processo de obtenção do betume-espuma. Este processo tem lugar numa câmara de expansão, na qual a água é injectada no betume quente a uma pressão de aproximadamente 5 bar. A espuma produzida sai da câmara de expansão através de um bico injector, sendo imediatamente misturada com o material desagregado no tambor de fresagem e mistura da máquina recicladora [20]. Figura Processo de obtenção do betume-espuma [25] O processo envolve o acoplamento de um tanque de betume, de um tanque de água e de um compressor ao equipamento de reciclagem. O betume quente é bombeado desde o tanque de betume até à recicladora, através de mangueiras utilizadas para o efeito, e é injectado juntamente com uma determinada quantidade de água através da barra pulverizadora, localizada na proximidade do rolo misturador. A água, em contacto com o betume quente, provoca a expansão deste, formando uma espuma de betume que se mistura com o material do pavimento. Posteriormente executam-se as operações de nivelamento e compactação da camada [25]. Na Figura 3.8 apresenta uma ilustração desta técnica. 43

66 Figura Reciclagem com betume-espuma [25] Reciclagem in situ, a Frio, com Cimento + Emulsão A utilização deste processo permite conseguir uma mistura com a resistência próxima à de um material reciclado com cimento. A introdução da emulsão confere uma maior flexibilidade e uma menor retracção à mistura, diminuindo o módulo de deformabilidade da camada reciclada; Reciclagem in situ, a Quente, com Betume/Rejuvenescedor Este processo de reciclagem difere dos anteriores no que diz respeito à temperatura de execução, ao tipo de ligante e ao equipamento principal de reciclagem [1]. Em relação ao ligante utilizado, é em geral um betume com rejuvenescedor, ou mesmo betume puro. Neste caso de reciclagem in situ, podem-se distinguir dois processos: 1. A termorreperfilagem, que consiste apenas no aquecimento do pavimento seguida da sua compactação, tendo por objectivo selar as fendas existentes e repor a regularidade do perfil longitudinal. Não há lugar à adição de novos materiais ou misturas. 2. A termorregeneração, que compreende o aquecimento do pavimento, a sua escarificação, recomposição, nivelamento e compactação da nova camada. Na Figura 3.9, Figura 3.10, Figura 3.11 e Figura 3.12 apresentam-se as sequências e os equipamentos necessários para este tipo de reciclagem. No processo, inicialmente, actuam dois pré-aquecedores, seguidos de um aquecedor-fresador, que executa a escarificação da camada do pavimento existente. A seguir vem o aquecedor-misturador que procede em contínuo à mistura uniforme do material. Esta mistura resultante é espalhada e compactada pelos equipamentos normais para estas operações, 44

67 nomeadamente a pavimentadora e os cilindros de pneus e de rolos. Após a reciclagem da camada existente, e com recurso a uma pavimentadora separada do trem principal, é aplicada uma nova camada de mistura, também fabricada a quente, com características de camada de desgaste. A fase de aquecimento envolve a incidência na superfície a reciclar, de um elevado número de jactos de ar sobreaquecido a C, sob elevada pressão. Esta técnica é apenas usada para reabilitar pavimentos sem problemas estruturais; Figura Reciclagem in situ a quente com betume / rejuvenescedor [26] Figura Central móvel para fabrico de misturas betuminosas recicladas a quente in situ [20], adaptado de [27] Figura Reciclagem in situ a quente [24] 45

68 Figura Termorregeneração com aplicação de nova camada de mistura betuminosa [28] Reciclagem Profunda Quando os pavimentos apresentam de reduzida a média espessura de materiais betuminosos, e significativas espessuras de materiais granulares, o processo de reciclagem inclui, para além das camadas betuminosas, uma determinada espessura das camadas granulares. Se a reciclagem engloba toda a espessura da camada granular, o processo de reciclagem designa-se, em terminologia inglesa, Ful Depth Recycling (FDR), Figura Figura Reciclagem profunda (FDR) [29] 46

69 4. Reciclagem in situ a Frio com Cimento 4.1. Generalidades Pretende-se neste capítulo desenvolver e aprofundar o processo de reciclagem in situ a frio com cimento, dado que o caso em estudo neste trabalho consiste na aplicação desta técnica na reabilitação de um troço do trecho de estrada em análise. Quando se está perante pavimentos de forte espessura de material granular, e com camadas betuminosas degradadas, o processo de reciclagem in situ com cimento poderá ser o mais económico e um dos mais adequados para este tipo de pavimentos. A utilização do ligante cimento permite, por um lado, a obtenção rápida de resistências nas novas camadas, e, por outro lado, permite reciclar o pavimento existente a profundidades superiores, nomeadamente em relação a uma reciclagem com emulsão betuminosa. Com esta técnica de reciclagem consegue-se um grande incremento da capacidade de suporte do pavimento existente, minimizando o consumo de materiais novos. 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 que qualquer das anteriormente existentes [1]. O pavimento que inicialmente era do tipo flexível passa a ser do tipo semi-rígido, verificando-se que a nova camada apresenta propensão para a retracção, o que terá que ser tido em conta. Assim, pelo menos a camada de desgaste, para além de cumprir os seus objectivos funcionais e estruturais terá que possuir capacidade de resistir aos esforços resultantes da actividade das fendas de retracção da camada de AGEC. Isto é conseguido, por um lado, com o controle da dosagem e a classe de cimento a utilizar nas camadas AGEC e por outro lado, pela utilização de métodos que permitem o retardamento da propagação deste tipo de fissuras, e já mencionados anteriormente, como por exemplo: a pré-fissuração; sistemas anti-propagação de fendas; misturas betuminosas com elevada resistência à fissuração; betumes modificados com borracha (BMB), entre outros Descrição do Processo Construtivo Define-se como reciclado de pavimentos in situ, com cimento, à mistura convenientemente espalhada e compactada do material procedente da fresagem, utilizando equipamento apropriado, de um pavimento existente constituído por misturas betuminosas e materiais granulares, com cimento e água. Neste processo também se podem utilizar aditivos para melhoria das características do material reciclado, e agregados para correcção granulométrica da mistura reciclada. 47

70 A finalidade deste procedimento é a reutilização de uma ou varias camadas do pavimento deteriorado com uma espessura total compactada entre 20 cm e 30 cm. O valor de 30 cm pode ser aumentado até 35 cm se se garantir em obra uma compactação uniforme em toda a espessura da camada [25]. A execução deste processo inclui as seguintes operações [25]: 1. Estudo prévio dos materiais. 2. Estudo da mistura e obtenção da fórmula de trabalho para cada troço de características distintas. 3. Fresagem do pavimento a reciclar, incorporação de cimento e água, e mistura destes materiais num processo contínuo. 4. Espalhamento da mistura. 5. Compactação e acabamento. 6. Cura e, se necessário, execução de rega de protecção. 4.2 [30]: Seguidamente apresenta-se a sequência das operações no terreno, Figura 4.1 e Figura Figura Sequência do processo [30] Figura Processo de reciclagem in situ a frio com cimento [30] As operações no terreno são as seguintes: Escarificação (fresagem) do material misturando-o com água, cimento, aditivos e agregados. O cimento pode ser espalhado por várias formas: 48

71 a) Manualmente (Figura 4.3); Figura Espalhamento manual de cimento [31] b) A seco através de cisterna com controlo electrónico da saída do ligante, verificando-se que o ligante e a água são adicionados ao material fresado de forma separada, (Figura 4.4); Figura Espalhamento de cimento mecanizado a seco [31] c) Por via húmida, utilizando-se um equipamento destinado à produção da calda de cimento, de acordo com as especificações do estudo realizado, onde o cimento e a água são juntos previamente, injectandose de seguida a calda assim formada, ao material fresado (Figura 4.5 e Figura 4.6). 49

72 Figura Espalhamento de cimento por via húmida [32] Figura Unidade de produção de calda de cimento e água a empregar como ligante [20] adaptado de [33] O equipamento utilizado nesta fase consiste num distribuidor de cimento numa das suas formas, e uma recicladora (Figura 4.7 e Figura 4.8); Figura Máquina de reciclagem in situ [30] 50

73 Figura Pormenor do rotor [30] Pré-compactação com cilindro de rolos, executada para evitar perdas de humidade, (Figura 4.9); Figura Cilindro de rolos [30] Nivelamento, para melhorar a regularidade superficial da camada reciclada, utilizando uma motoniveladora (Figura 4.10); 51

74 Figura Motoniveladora [30] Compactação final para atingir a densidade óptima, realizada com cilindro de pneus, (Figura 4.11); Figura Cilindro de pneus [4] Cura da base tendo em atenção ser necessário nesta fase proteger a mistura (aplicação de microaglomerado). 52

75 4.3. Dimensionamento de Pavimentos Utilizando Camadas Tratadas com Cimento Neste tipo de pavimentos pavimentos semi-rígidos, tal como já foi indicado no Subcapítulo 2.3, os principais mecanismos de degradação são [6]: Fendilhamento por fadiga. Fendilhamento por retracção. Degradações por perda de coesão do material com ligante hidráulico. No que respeita ao dimensionamento, o pavimento semi-rígido é em geral tratado de forma idêntica ao pavimento flexível. No entanto, a existência de uma camada de base rígida, formada pela mistura do material reciclado com cimento, conduz a uma repartição muito atenuada de tensões para as camadas inferiores, fazendo com que o assentamento à superfície, deformação permanente nos pavimentos flexíveis, a ocorrer, seja sobretudo devido à má execução das camadas betuminosas superiores, pelo que geralmente a deformação permanente não é um critério de ruína que se considere. Por sua vez, na camada tratada com cimento podem-se desenvolver fendas verticais, devido a fenómenos de retracção, o que induz uma concentração de tensões de tracção nas suas imediações, seja por acção do tráfego, seja por alternância de abertura e fecho desse fendilhamento por variação diária da temperatura [1]. Essa concentração de tensões de tracção é responsável pela indução de fendilhamento nas camadas betuminosas (reflexão de fendas), o que pode ser minimizado ou retardado recorrendo às disposições construtivas já descritas anteriormente em 3.2, como por exemplo a aplicação de uma camada de microaglomerado betuminoso a frio, com função de membrana anti-propagação de fendas (SAMI - Stress Absorving Membrane Interlayer). Tendo em conta os mecanismos de degradação indicados e com o objectivo, entre outros de: estabelecer as espessuras e composição das camadas betuminosas e de betão pobre; efectuar o cálculo dos estados de extensão e tensão do pavimento; calcular o número de eixos padrão N 130 kn que o pavimento pode suportar (admissíveis), serão adoptados os critérios de dimensionamento já indicados em

76 54

77 5. Estudo da Aplicação de Reciclagem com Cimento na Reabilitação da EN 226 O caso de estudo surgiu como consequência do desenvolvimento por parte do LNEC da avaliação das características estruturais de um pavimento alvo de recente beneficiação, localizado no distrito de Viseu, e sua comparação com as características preconizadas no projecto de beneficiação, de modo a verificar a sua conformidade. Partindo desta análise, entendeu-se que seria possível utilizar os ensaios realizados no pavimento, para, conjuntamente com a realização de outros ensaios, se proceder à determinação da capacidade de carga do pavimento agora beneficiado e apuramento das suas características estruturais. Pretende-se ainda confrontar duas soluções alternativas de beneficiação e apurar a mais favorável Breve Descrição da Obra O caso de estudo no âmbito desta dissertação refere-se à Estrada Nacional 226 (EN 226), que apresenta um perfil transversal formado por uma faixa de rodagem com duas vias de circulação, uma em cada sentido. A infra-estrutura rodoviária atravessa os municípios de Lamego, Moimenta de Beira e Sernancelhe do distrito de Viseu. Esta estrada sofreu uma beneficiação entre o km (próximo de Lamego) e o km (na proximidade de Ponte do Abade, no limite dos distritos Viseu e Guarda), numa extensão aproximada de 50 km. Nas Figuras 5.1 [34] apresenta-se a carta de localização da referida infra-estrutura: Figuras Localização da obra (EN226) [34] Na intervenção prevista, o projecto propunha a beneficiação da via existente, no que diz respeito à drenagem, pavimentação, obras acessórias, obras de arte integradas, equipamento de segurança e intersecções estabelecidas, de forma a conferir-lhe as características adequadas às condições de circulação [35]. 55

78 Um estudo de tráfego elaborado para o efeito, com base em contagens de tráfego, conduziu ao apuramento de duas zonas distintas. Este apuramento verificou-se face ao valor das solicitações encontradas nomeadamente quanto ao tráfego pesado. Uma zona localiza-se entre Lamego e a entrada de Moimenta da Beira, do km ao km , e a outra zona entre a saída de Moimenta de Beira e a Ponte do Abade, entre os kms e respectivamente. O troço entre o km e o km corresponde ao atravessamento urbano de Moimenta da Beira [35]. Estas duas zonas distinguem-se pelo grau de degradação apresentado no pavimento o que conduzirá, em termos de dimensionamento, a duas soluções distintas de intervenção. Na avaliação do pavimento existente verificou-se que o troço correspondente à zona entre o km e o km se apresentava menos degradado, correspondendo a uma zona menos solicitada em termos de tráfego e possuidora de uma estrutura mais resistente. No que se refere à segunda zona, compreendida entre os kms e , salvo algumas excepções, nomeadamente atravessamentos urbanos, o troço apresentava uma degradação generalizada, um maior volume de tráfego pesado e uma estrutura do pavimento deficiente [35]. Para uma melhor avaliação da capacidade de carga instalada no pavimento antes de ser intervencionado, foram realizados ensaios de carga com o deflectómetro de impacto, de modo a se obter a deformada característica e confirmar as considerações descritas anteriormente. Foram também extraídas carotes ao longo de todo o traçado, com o objectivo de se obter as espessuras das camadas do pavimento. Foram identificadas duas grandes zonas, que são coincidentes com as zonas já mencionadas, e que se distinguem quanto às solicitações de tráfego pesado e grau de degradação. Na Figura 5.2 e Figura 5.3 apresentam-se os esquemas das estruturas das duas zonas identificadas. Figura Estrutura do pavimento do km ao km Figura Estrutura do pavimento do km ao km

79 Em termos visuais o troço entre o km e o km apresentava, no geral, a superfície do pavimento menos degradada ou com degradações mais estáveis, como de pode observar na fotografia da Figura 5.4. Figura Estado superficial do pavimento no troço entre o km e o km [30] No troço entre o km e o km , o pavimento apresentava uma degradação generalizada, com elevados problemas quer em relação à sua qualidade funcional, com a existência de grandes deformações, fissurações e irregularidade de grande amplitude em toda a largura da faixa de rodagem, quer em relação à sua qualidade estrutural, com pronunciados abatimentos localizados. Era visível uma grande fissura longitudinal que conduziu a uma degradação elevada, tipo pele de crocodilo, consequência da entrada de água pela mesma fissura, o que provocou a alteração do estado hídrico do solo de fundação, permitindo deste modo, o reajustamento das camadas e a consequente degradação à superfície, como se ilustra na Figura 5.5. Figura Estado superficial do pavimento no troço entre o km e o km [35] Avaliado o pavimento existente e apuradas as suas condicionantes, o passo seguinte foi o de encontrar as soluções que garantissem a adequada conservação/reabilitação deste. A questão mais importante esteve relacionada com a escolha do tipo de reabilitação que se pretendeu dotar a infra-estrutura, quer em termos funcionais quer em termos estruturais, para um período de vida útil de 10 anos, como preconizado pelo projecto. 57

80 Assim, no âmbito do projecto, a estrutura proposta para o pavimento teve em conta os seguintes aspectos [35]: A análise dos ensaios de deflectómetria obtidos. Os valores obtidos para o dimensionamento convencional. O tráfego que solicita a estrada actualmente e no futuro. Soluções que garantam um adequado investimento financeiro. Compatibilização do novo reforço com as cotas de soleira e passeios existentes. Soluções com manifesta sustentabilidade ambiental. Ruína das camadas do pavimento em cerca de 90 a 95% da extensão. No troço compreendido entre o km e o km , particularmente na extensão em estudo entre o km e o km correspondente ao que se considerou ser a Solução A, optou-se por um reforço do pavimento existente com aplicação de uma camada de regularização em mistura betuminosa densa com 5 cm de espessura, e de uma camada de desgaste em mistura betuminosa descontínua com betume modificado com borracha (MBD-BMB) com 4 cm de espessura, como se ilustra na Figura 5.6. Entre as referidas camadas utilizou-se uma rega de colagem com emulsão betuminosa modificada. Figura Estrutura do pavimento para a solução A (km ao km ) O troço compreendido entre o km e o km , correspondente à extensão total da segunda zona identificada nos estudos de tráfego, e que se considerou ser a Solução B, é um troço, como já foi mencionado, que se apresentava num elevado estado de degradação e desgaste. Neste sentido, e face à quantidade de saneamentos que seriam necessários executar, a opção do reforço normal do pavimento conduziria a um processo moroso e oneroso quanto baste. Então, tendo em conta esta situação, foi considerado o recurso à reciclagem de todo o pavimento numa espessura de 20 cm com adição de cimento a uma taxa de 4%. O objectivo desta intervenção foi o da reabilitação estrutural da camada de base, aumentando a sua resistência mecânica associada à estabilidade, aumentando a resistência à variação do teor em água e aumentando a resistência à fadiga do material para, 58

81 posteriormente, e sobre esta camada, se aplicar uma camada betuminosa de espessura limitada. Recorreu-se então à já referida técnica de reabilitação de reciclagem in situ a frio com cimento, com incorporação de outros materiais granulares para a correcção da granulometria. Esta técnica, como já indicado anteriormente, apresenta vantagens em termos económicos, em termos ambientais, em termos operativos e em termos técnicos. Assim, a nova estrutura do pavimento da solução B compreende uma camada reciclada in situ com adição de 4% de cimento numa espessura de 20 cm, sobre a qual se aplicou uma camada de microaglomerado betuminoso a frio com emulsão catiónica de rotura lenta modificada, com o objectivo de, entre outros, retardar a propagação de fissuras para as camadas superiores e de servir de rega de colagem para a camada seguinte. Seguidamente procedeu-se à aplicação de uma camada de regularização em mistura betuminosa densa com uma espessura de 5 cm, e de uma camada de desgaste em mistura betuminosa descontínua com betume modificado com borracha (MBD-BMB) com 4 cm de espessura, como se ilustra na Figura 5.7. Entre as duas camadas finais do pavimento foi aplicada uma rega de colagem com emulsão betuminosa modificada. Figura Estrutura do pavimento para a solução B (km ao km ) 59

82 5.2. Capacidade de Carga do Pavimento Após Reabilitação Para a avaliação da capacidade de carga do pavimento reabilitado foram realizados ensaios de carga. Os ensaios de carga realizados com o Deflectómetro de Impacto - FWD - Falling Weight Deflectometer - foram executados, como já referido no Capítulo 2.6, em cada um dos sentidos, uma vez que os pavimentos na zona das rodeiras externas poderão apresentar comportamentos distintos, não só devido a diferentes condições de tráfego, mas também devido à possibilidade de existirem diferentes constituições do pavimento, originadas por exemplo, por alargamentos executados após entrada em serviço da obra. A análise dos resultados é, deste modo, efectuada separadamente em cada um dos sentidos. Em toda a extensão do pavimento, e tendo em conta as duas soluções alternativas, foram escolhidos os locais para efectuar os ensaios de carga com o Deflectómetro de Impacto (FWD - Falling Weight Deflectometer). Para a solução do reforço normal do pavimento, solução A, onde se aplicou um reforço em misturas betuminosas tradicionais, o maior número de ensaios foi realizado no trecho em estudo, entre o km e km no sentido Lamego - Ponte do Abade (S1) e sentido Ponte do Abade - Lamego (S2), por sua vez para a solução de reciclagem in situ a frio com cimento, solução B, foi utilizada toda a extensão reciclada para a realização dos ensaios, nomeadamente entre os kms e nos sentidos S1 e S2, respectivamente entre Lamego - Ponte do Abade e Ponte do Abade - Lamego. A campanha decorreu entre os dias 24 e 26 de Junho de 2008, com a realização dos ensaios de carga não destrutivos com um Deflectómetro de Impacto (Figura 5.8), onde foi medido o valor das deflexões nos pontos ensaiados, nas nove posições dos geofones (D 0 à D 8 ), (ver Figura 2.16 e Figura 2.17) e o valor de pico da força, através de uma célula de carga instalada junto da placa. O valor de pico da força aplicada pelo equipamento do LNEC foi de 65 kn, dado ser este que simula o eixo padrão de 130 kn. 60

83 Figura Deflectómetro de Impacto do LNEC utilizado nos ensaios [16] No Quadro 5.1 referem-se as principais características do Deflectómetro de Impacto do LNEC utilizado nos ensaios deste caso de estudo [36], [13]. Quadro 5.1 Especificações técnicas do Deflectómetro de Impacto do LNEC utilizado no caso de estudo PRI 2100 FWD Trailer Version Dimensões Características do Carregamento Sensor de Deflexão Sensor de Temperatura Funcionamento C x L x A Peso 4,30 x 1,84 x 1, kg Número de eixos 2 Intervalo de variação do carregamento Duração da aplicação da carga kn msec Tipo de sensor Geofone; Acelerómetro Número de Geofones 9 Intervalo de medição das deflexões µm Número de sensores 1 manual - 3 opcionais Número de operadores a partir de 1 Intervalo de medição da temperatura 0ºC a +45ºC 61

84 Deflexões (µm) Deflexões (µm) Na Figura 5.9 e Figura 5.10 apresentam-se os gráficos das deflexões normalizadas, respectivamente, para o sentido S1 e S2, em toda a extensão do pavimento. Podem-se observar alguns pontos singulares não representativos, que serão eliminados aquando do tratamento dos dados D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D Distância (m) Figura Deflexões normalizadas no sentido S1 [16] 2500 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D Distância (m) Figura Deflexões normalizadas no sentido S2 [16] Apresentam-se ainda os mesmos gráficos para os troços considerados para o caso de estudo. Na Figura 5.11, Figura 5.12, Figura 5.13 e Figura 5.14 apresentam-se os resultados obtidos para o troço correspondente à solução A e sentido S1, troço correspondente à solução B no sentido S1, para o troço correspondente à solução A e sentido S2 e troço correspondente à solução B no sentido S2, respectivamente [16]. 62

85 Deflexões (µm) Deflexões (µm) Distância (m) Figura Troço correspondente à solução A no sentido S1 Series1 D0 Series2 D1 Series3 D2 Series4 D3 Series5 D4 Series6 D5 Series7 D6 Series8 D7 Series9 D Distância (m) Figura Troço correspondente à solução B e Sentido S1 Series1 D0 Series2 D1 Series3 D2 Series4 D3 Series5 D4 Series6 D5 Series7 D6 Series8 D7 Series9 D8 63

86 Deflexões (µm) Deflexões (µm) Distância (m) Figura Troço correspondente à solução A no sentido S2 Series1 D0 Series2 D1 Series3 D2 Series4 D3 Series5 D4 Series6 D5 Series7 D6 Series8 D7 Series9 D Distância (m) Series1 D0 Series2 D1 Series3 D2 Series4 D3 Series5 D4 Series6 D5 Series7 D6 Series8 D7 Series9 D8 Figura Troço correspondente à solução B no sentido S2 Após a normalização dos valores das deflexões, o passo seguinte foi o da divisão do pavimento em zonas de comportamento estrutural homogéneo. Este zonamento para os sentidos S1 e S2 foi obtido por aplicação do método das diferenças acumuladas apresentado no subcapítulo 2.6. Na Figura 5.15 apresenta-se o gráfico de Zx para todo o sentido S1, na Figura 5.16 e Figura 5.17 apresentam-se respectivamente os gráficos para a solução A e para a solução B do mesmo sentido. 64

87 Zx Zx Zx 3,00E+06 2,50E+06 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 2,00E+06 1,50E+06 1,00E+06 5,00E+05 0,00E ,00E ,00E+06 Distância (m) Figura Gráfico do zonamento pelo método das diferenças acumuladas no sentido S1 [16] 1,40E+06 1,20E+06 1,00E+06 8,00E+05 6,00E+05 4,00E+05 2,00E+05 0,00E+00-2,00E ,00E+05 Distância (m) Series1 D0 Series2 D1 Series3 D2 Series4 D3 Series5 D4 Series6 D5 Series7 D6 Series8 D7 Series9 D8 Figura Gráfico do zonamento da solução A no sentido S1 3,00E+06 2,50E+06 2,00E+06 1,50E+06 1,00E+06 5,00E+05 0,00E+00-5,00E Distância (m) Series1 D0 Series2 D1 Series3 D2 Series4 D3 Series5 D4 Series6 D5 Series7 D6 Series8 D7 Series9 D8 Figura Gráfico do zonamento da solução B no sentido S1 65

88 Zx Zx Na Figura 5.18 apresenta-se o gráfico de Zx para todo o sentido S2, na Figura 5.19 e Figura 5.20 apresentam-se respectivamente os gráficos para a solução A e para a solução B do mesmo sentido. 5,00E+06 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 4,00E+06 3,00E+06 2,00E+06 1,00E+06 0,00E ,00E+06 Distância (m) Figura Gráfico do zonamento pelo método das diferenças acumuladas no sentido S2 [16] 2,00E+06 1,50E+06 1,00E+06 5,00E+05 0,00E ,00E+05 Distância (m) Series1 D0 Series2 D1 Series3 D2 Series4 D3 Series5 D4 Series6 D5 Series7 D6 Series8 D7 Series9 D8 Figura Gráfico do zonamento da solução A no sentido S2 66

89 Zx 4,50E+06 4,00E+06 3,50E+06 3,00E+06 2,50E+06 2,00E+06 1,50E+06 1,00E+06 5,00E+05 0,00E+00-5,00E Distância (m) Series1 D0 Series2 D1 Series3 D2 Series4 D3 Series5 D4 Series6 D5 Series7 D6 Series8 D7 Series9 D8 Figura Gráfico do zonamento da solução B no sentido S2 No caso prático de estudo, por aplicação do método das diferenças acumuladas e observação dos gráficos das soluções A e B em ambos os sentidos, dividiu-se o trecho de estrada em sub-trechos correspondentes a zonas de comportamento homogéneo. Nessas zonas procedeu-se à eliminação de pontos singulares não representativos de cada sub-trecho. No sentido S1, para a solução A considerou-se apenas 1 (uma) zona, a zona A, e para a solução B consideraram-se 3 (três) zonas, as Zonas B1, B2 e B3 No sentido S2, considerouse 1 (uma) zona, a zona A, para a solução A e 2 (duas) zonas, zonas B1 e B2, para a solução B. No Quadro 5.2 faz-se o resumo do zonamento. No Anexo I apresentam-se os Quadros com os resultados das deflexões normalizadas, já depuradas dos valores anormais, para todas as zonas dos sentidos S1 e S2. Quadro 5.2 Quadro resumo do zonamento Sentido S1 Sentido S2 Solução A Solução B km ao km km ao km Zona A: km ao km Zona A: km ao km Zona B1: km ao km Zona B2: km ao km Zona B3: km ao km Zona B1: km ao km Zona B2: km ao km No Quadro 5.3 indicam-se para cada zona e em cada sentido os valores da média, desvio padrão, percentil 85 e os valores medidos que mais se aproximaram do percentil 85 em cada posição dos geofones: 67

90 Quadro 5.3 Valores da Média, DP, P 85 e valores medidos que mais se aproximam do P 85 Sentido Zonas Parâmetros D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 Média S1 S2 A B1 B2 B3 A B1 B2 DP P Medido km Média DP P Medido km Média DP P Medido km Média DP P Medido km Média DP P Medido km Média DP P Medido km Média DP P Medido km O próximo objectivo é a estimativa dos módulos de deformabilidade (E) das diferentes camadas do pavimento. Conhecida a geometria e a natureza das camadas que constituem o pavimento, e utilizando um modelo adequado para análise estrutural, vai-se determinar qual o módulo de deformabilidade de cada uma das camadas. O método utilizado é o de retroanálise, e tem como primeiro passo a atribuição de módulos de deformabilidade às camadas que constituem 68

91 o pavimento. Comparam-se as deflexões medidas com as deflexões calculadas. O procedimento repete-se até se obter uma deformada calculada tão próxima quanto possível da deformada medida no ensaio considerado representativo dessa zona (ver Quadro 5.3) [37]. Obtêm-se assim os módulos representativos do estado estrutural do pavimento [38]. Nesta fase do trabalho recorreu-se ao já referido programa de cálculo automático ELSYM5, desenvolvido pela Universidade de Berkeley (EUA), e que se destina à análise estrutural de pavimentos rodoviários. No Quadro 5.4 e no Quadro 5.5, descrevem-se a geometria e a natureza das camadas que constituem o pavimento nas duas soluções propostas. Estes dados são provenientes de informações colhidas no terreno, de elementos do projecto de reabilitação e da larga experiência do LNEC. Neste último caso obtiveram-se dados não só referentes aos coeficientes de Poisson mas também aos módulos de deformabilidade utilizados como valor inicial nas diferentes camadas dos pavimentos, na primeira iteração do método de retroanálise. Quadro 5.4 Características do pavimento - Solução A Solução A Camadas Descrição das Camadas Espessuras ѵ Camadas Betuminosas Camada de Material Granular Camada Superior da Fundação Camada de Desgaste (MBD - BMB) - 0,04 m Camada de Regularização (MBD) - 0,05 m Pavimento Antigo - 0,08 m 0,17 m 0,40 ABGE 0,20 m 0,35 2,50 m 0,35 Camada Rígida 0,35 ѵ - Coeficiente de Poisson. Quadro 5.5 Características do pavimento - Solução B Solução B Camadas Descrição das Camadas Espessuras ѵ Camadas Betuminosas Camada Reciclada com Adição de 4% de Cimento Camada Superior da Fundação Camada de Desgaste (MBD - BMB) - 0,04 m Camada de Regularização (MBD) - 0,05 m Inclui 0,06 m de Material Betuminoso e 0,14 m de Material Granular 0,09 m 0,40 0,20 m 0,30 2,50 m 0,35 Camada Rígida 0,35 ѵ - Coeficiente de Poisson. 69

92 Na utilização do programa de cálculo automático ELSYM5 para a determinação das deflexões calculadas, é então necessário definir o número de camadas do pavimento, suas espessuras, coeficientes de Poisson e módulos de deformabilidade, definir ainda a carga aplicada na superfície do pavimento, a posição onde se pretende determinar a deflexão devido à carga, e o plano onde calcular essas deflexões. A carga aplicada e a posição da determinação das deflexões mantêm-se inalteráveis para cada uma das zonas em estudo. A carga vertical corresponde à força padrão de 65 kn utilizada nos ensaios com o Deflectómetro de Impacto, com um raio de distribuição da carga de 0,15 m. Os pontos onde se pretende determinar as deflexões correspondem às posições dos geofones sobre o pavimento. No Quadro 5.6 e no Quadro 5.7 estão resumidas as características dos pavimentos, nomeadamente os módulos de deformabilidade, respectivamente para a solução A, (sentido S1 e sentido S2), e solução B (Sentido S1 e sentido S2), para todas as zonas, correspondentes aos valores apurados na última iteração pelo programa ELSYM5, e que mais se aproximavam das deflexões medidas, e os coeficientes de Poisson para cada camada do pavimento. Quadro 5.6 Módulos de deformabilidade estimados pelo programa ELSYM5 - Solução A (S1, S2) Camadas Solução A (Sentidos S1 e S2) Espessura (m) A-S1 E (MPa) Zonas A-S2 Camadas Betuminosas 0, ,40 Camada de Material Granular 0, ,35 Camada Superior da Fundação 2, ,35 Camada Rígida ,35 ѵ Quadro 5.7 Módulos de deformabilidade estimados pelo programa ELSYM5 - Solução B (S1, S2) Camadas Camadas Betuminosas Espessura (m) Solução B (Sentidos S1 e S2) E (MPa) Zonas B1-S1 B2-S1 B3-S1 B1-S2 B2-S2 0, ,40 Camada Reciclada 0, ,30 Camada Superior da Fundação 2, ,35 Camada Rígida ,35 ѵ 70

93 Na Figura 5.21 e Figura 5.22, a título exemplificativo, apresentam-se os ficheiros output da última iteração da Solução A na Zona A, Sentido S1 e Solução B na Zona B1, Sentido S2, onde foram apurados os módulos de deformabilidade que conduzem a uma deformada calculada tão próxima quanto possível da deformada medida no ensaio considerado representativo dessa zona. Nesses ficheiros aparecem os dados de entrada, já indicados anteriormente, e os dados de saída, nomeadamente as deflexões calculadas (Displacements Uz (µm)). No Anexo II apresentam-se os ficheiros output finais para todas as zonas em ambos os sentidos. Figura Ficheiro output - sentido S1, solução A, zona A Figura Ficheiro output - sentido S2, solução B, zona B1 71

94 Para verificar o grau de aproximação da deformada calculada à deformada medida, e assim validar os módulos de deformabilidade considerados, adoptou-se o critério da minimização da raiz quadrada dos valores médios dos quadrados das diferenças entre as deflexões medidas e calculadas, divididas pelos valores medidos, (RMS - Root Mean Square) [39]. RMS % = 1 n n d ci d 2 mi d mi i=1 100 (5.1) Onde: n - número total de sismómetros utilizados (geofones); d ci - deflexão calculada no sismómetro i; d mi - deflexão medida no sismómetro i. Considera-se que o conjunto de módulos de deformabilidade é admissível quando a diferença entre a deformada calculada e a medida permite obter valores para o RMS na ordem dos 10%. No entanto, neste estudo foram considerados valores com RMS superiores a essa percentagem. É de notar que as deflexões medidas pelos geofones nas posições mais próximas do ponto de aplicação da carga reflectem a resposta estrutural do pavimento e da fundação em conjunto, enquanto que os sensores mais afastados desse ponto apenas traduzem a resposta da fundação. Todas as situações intermédias são admitidas (Figura 2.17). No Quadro 5.8 apresentam-se as deflexões medidas e calculadas cujas deformadas mais se aproximaram, bem como o parâmetro RMS: 72

95 Quadro 5.8 Deflexões medidas e calculadas e parâmetro RMS Sentido Zonas Parâmetros D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 S1 A B1 B2 B3 A Deflexão Medida (µm) Deflexão Calculada (µm) RMS (%) 17,24 Deflexão Medida (µm) Deflexão Calculada (µm) RMS (%) 12,09 Deflexão Medida (µm) Deflexão Calculada (µm) RMS (%) 6,00 Deflexão Medida (µm) Deflexão Calculada (µm) RMS (%) 9,27 Deflexão Medida (µm) Deflexão Calculada (µm) RMS (%) 10,95 Deflexão Medida (µm) S2 B1 B2 Deflexão Calculada (µm) RMS (%) 11,87 Deflexão Medida (µm) Deflexão Calculada (µm) RMS (%) 8,19 73

96 A maior aproximação das deformadas, medidas e calculadas, é evidenciada pelos gráficos das figuras seguintes: 0 0 0,5 1 1,5 2 2, Medido Calculado Figura Gráfico da aproximação das deformadas medidas e calculadas: Zona A; S ,5 1 1,5 2 2, Medido Calculado Figura Gráfico da aproximação das deformadas medidas e calculadas: Zona B1; S ,5 1 1,5 2 2, Medido Calculado Figura Gráfico da aproximação das deformadas medidas e calculadas: Zona B2; S1 74

97 0 0 0,5 1 1,5 2 2, Medido Calculado Figura Gráfico da aproximação das deformadas medidas e calculadas: Zona B3; S ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2, Medido Calculado Figura Gráfico da aproximação das deformadas medidas e calculadas: Zona A; S ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2, Medido Calculado Figura Gráfico da aproximação das deformadas medidas e calculadas: Zona B1; S2 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2, Medido Calculado Figura Gráfico da aproximação das deformadas medidas e calculadas: Zona B2; S2 75

98 Deflexão (µm) Um aspecto fundamental que se deve ter presente quando se pretende avaliar a capacidade de carga de pavimentos com base na análise estrutural, é o facto de as condições climáticas poderem ter uma influência muito importante no comportamento mecânico dos materiais das camadas do pavimento e do solo de fundação [11]. Um dos efeitos climáticos mais significativos na avaliação da capacidade de carga em pavimentos flexíveis e semi-rígidos, com base em ensaios não destrutivos, é o efeito da temperatura no módulo de deformabilidade dos materiais betuminosos. Deste efeito resulta também uma variação nos valores das deflexões medidas nos ensaios. Na Figura 5.30 mostra-se a forma da bacia de deflexão medida no mesmo ponto em três horários diferentes ao longo do mesmo dia. Verifica-se que a temperatura a meio da camada aumentou de 18 º C para 32.1 º C quando se passou da parte da manhã para o princípio da tarde. O aquecimento das camadas betuminosas resulta em deflexões mais elevadas sob a placa de carga, originando uma dobra de curvatura mais acentuada na bacia de deflexão [40]. Distância ao Centro de Aplicação da Carga (mm) Figura Forma da bacia de deflexão em função da temperatura [40] A questão que importa ter presente em relação aos módulos de deformabilidade das misturas betuminosas, calculados com base nos resultados dos ensaios de carga, é o facto de estes serem obtidos para determinadas condições de ensaio, nomeadamente de temperatura, e estas, não serem, geralmente, iguais às condições da obra. Temos então que, por um lado, conhecer as condições de temperatura do pavimento em que se efectuou o ensaio, e por outro lado, estimar o módulo de deformabilidade à temperatura de projecto do pavimento a partir do valor deduzido dos ensaios de carga [11]. Existem várias expressões para a conversão dos módulos de deformabilidade estimados a partir dos ensaios de carga para os módulos à temperatura de projecto. De entre estas vamos utilizar uma fórmula desenvolvida no LNEC por, Antunes, M. L. [11], que 76

99 estabelece a correlação entre o módulo de deformabilidade a uma dada temperatura t ( º C) e o módulo de deformabilidade à temperatura de referência de 20 º C. E t MB MB = 1,635 0,0317t (5.2) E 20 0 C Onde: E t MB - Módulo de deformabilidade estimado para as misturas betuminosas, referente à temperatura representativa do ensaio (MPa); MB E 20 0 C - Módulo de deformabilidade das misturas betuminosas, para a temperatura de referência de 20 º C (MPa); t - Temperatura de ensaio das misturas betuminosas ( º C). Com a correcção do módulo de deformabilidade obtido à temperatura de ensaio das misturas betuminosas - t ( º C) -, tem-se como objectivo último determinar o módulo de deformabilidade das misturas betuminosas para a temperatura considerada no projecto. A temperatura de projecto para as camadas betuminosas foi de 24 º C. Com estes valores é agora possível comparar os módulos de deformabilidade do projecto com os estimados a partir dos ensaios realizados. Assim, durante a realização da campanha de ensaios de carga foram efectuadas medições da temperatura do ar e da superfície do pavimento. Mas, de facto o que se pretende é a determinação da temperatura a uma dada profundidade. Recorrem-se para o efeito a métodos empíricos que permitem estimar a temperatura a uma dada profundidade nas camadas betuminosas. Este apuramento faz-se a partir dos valores da temperatura à superfície do pavimento, das temperaturas do ar ocorridas nos dias anteriores e da espessura das camadas betuminosas [11]. Interessa pois ter em conta qual é a profundidade (d) cuja temperatura é representativa da totalidade da camada betuminosa (Td). No caso de estudo, considerou-se que essa profundidade corresponderia a metade da espessura das camadas betuminosas. O método que foi seguido para aferir a temperatura das camadas betuminosas à profundidade d (metade da espessura total das camadas betuminosas) foi o método de BELLS3 [41]. No Anexo III apresenta-se de forma sucinta o método BELLS3 e calculam-se as temperaturas no interior das camadas betuminosas (Td). Calculada a temperatura Td pela equação de BELLS3 (equação AIII.1), pode-se agora aplicar a equação (5.2) e calcular os módulos de deformabilidade das misturas betuminosas para a temperatura de referência de 20 º C (E MB 20 0 C). Posteriormente e por manipulação da mesma equação, calculam-se os módulos de deformabilidade para a temperatura de projecto de 24ºC (E MB 24 0 C). Estes valores dos módulos de deformabilidade apresentam-se no Quadro

100 Quadro 5.9 Estimativa do módulo de deformabilidade das camadas betuminosas para a temperatura de projecto Sentido Zona Td - Temperatura de Ensaio das Camadas Betuminosas (ºC) a) E t MB - Para a Temperatura de Ensaio (MPa) MB E 20 0 C - Para a Temperatura de Referência (MPa) b) MB E 24 0 C - Para a Temperatura de Projecto (MPa) c) S1 S2 A 25, B1 22, B2 27, B3 29, A 30, B1 33, B2 28, a) Anexo I (equação AIII8.1) MB = b) E 20 0 C c) E MB 24 0 C E t MB 1,635 0,0317 T d (5.3) = E MB 20 0 C 1,635 0, (5.4) Calculados os módulos de deformabilidade das camadas betuminosas para a temperatura de projecto (E MB 24 0 C), o próximo passo consiste em calcular o Número de Passagens Admissível do Eixo Padrão (N 130 kn ) recorrendo-se, para o efeito, aos diferentes critérios de dimensionamento. São estes, o Critério de limitação do Fendilhamento por Fadiga das camadas betuminosas e o Critério de limitação das Deformações Permanentes, ambos do Método da Shell, e o Critério do Fendilhamento por Fadiga do Betão Pobre. Com os valores das extensões e tensões admissíveis encontrados, pretende-se seleccionar o critério de dimensionamento do pavimento que é o condicionante e, deste modo, aferir o tempo de vida para o qual o pavimento foi dimensionado, o que está directamente relacionado com o número de passagens admissível para o eixo padrão. Note-se que de acordo com o projecto, com este tipo de reabilitação na via em causa, em termos funcionais e/ou estruturais, se pretende garantir um período de vida útil de 10 anos. Para verificar os referidos critérios recorre-se novamente ao programa de cálculo automático ELSYM5, tendo em vista determinar a resposta do pavimento à acção do eixo padrão. A partir do modelo estrutural desenvolvido para o pavimento determinam-se as extensões horizontais de tracção (εt) na base das camadas betuminosas, e as extensões verticais de compressão (εz) no topo do solo de fundação. Estas extensões servem respectivamente para verificar os critérios de limitação do fendilhamento por fadiga e de limitação das deformações permanentes, desenvolvidos, como já foi dito, pela Shell [38]. 78

101 Para o caso da camada reciclada com cimento, calculam-se as tensões de tracção (σt) na base dessa camada, verificando assim o critério de ruína de fendilhamento por fadiga do betão pobre [4]. Na Figura 5.31 e Figura 5.32 representam-se as acções para o Eixo Padrão de 130 kn e ilustram-se os locais e os planos onde se vão calcular as extensões e tensões pelo programa ELSYM5: Figura Representação das acções e locais de cálculo das extensões para a solução A Figura Representação das acções e locais de cálculo das extensões e tensões para a solução B No Quadro 5.10 indicam-se os valores mais elevados, e portanto os condicionantes, para todas as zonas, apurados pelo programa ELSYM5 para as extensões horizontais de 79

102 tracção nas camadas betuminosas, extensões verticais de compressão no solo de fundação e tensões de tracção na camada reciclada. Quadro 5.10 Valores condicionantes das extensões e tensões apurados para todas as zonas pelo programa ELSYM5 Sentido S1 S2 n.a. - não aplicável Zona Fendilhamento por Fadiga (εt) - Método da Shell Critérios Deformações Permanentes (εz) - Método da Shell Fendilhamento por Fadiga do Betão Pobre (σt) MPa A 2,81E-04 6,67E-04 n.a. B1 7,33E-05 7,69E-04 0,43 B2 6,94E-05 7,81E-04 0,47 B3 6,71E-05 6,86E-04 0,45 A 2,65E-04 6,20E-04 n.a. B1 1,13E-04 7,28E-04 0,38 B2 7,16E-05 6,32E-04 0,45 A título exemplificativo na Figura 5.33 e Figura 5.34 apresentam-se os ficheiros output para a Solução A - Zona A - Sentido S1 e Solução B - Zona B1 - Sentido S2, onde foram apuradas as extensões e as tensões. Podem-se ainda observar os dados de entrada, nomeadamente as características do pavimento e localização das leituras: Figura Ficheiro output - sentido S1, solução A, zona A (extensões) 80

103 Figura Ficheiro output - sentido S2, solução B, zona B1 (extensões e tensões) Com os valores das extensões e tensões apurados vai-se então calcular o número de passagens admissíveis para o eixo padrão N 130 kn pelos três critérios de dimensionamento dos pavimentos, introduzidos no Capítulo 2.4, utilizando-se as equações (2.1), (2.2), (2.3), (2.4), (2.5) e (2.6). Para o terceiro critério utilizaram-se as equações (2.5) e (2.6). Dado que a resistência à tracção foi avaliada em ensaios de compressão diametral realizados em provetes extraídos para esse fim, (Quadro 5.11) [42], admite-se um factor de 1,5 para converter o valor obtido no que previsivelmente seria obtido em ensaio de flexão, isto é [2]: R flex ão 1,5 R cd (5.5) Onde: R flex ão - Resistência à tracção em flexão (σ r ); R cd - Resistência à tracção em compressão diametral. 81

104 Quadro 5.11 Resistências obtidas na obra para tracção em compressão diametral Resistências Obtidas para Compressão Diametral (R cd ) Idade do provete Valores Mínimos MPa Valores Máximos MPa 7 dias 0,40 0,40 28 dias 0,60 0,62 a) Nota: No caso de estudo utilizou-se 4% de cimento na mistura reciclada a) Valor de R cd utilizado para o cálculo de R flex ão Relembra-se, como foi referido em 2.4, que nos casos em que o quociente entre a tensão de tracção induzida nas camadas de betão pobre e a resistência à tracção em flexão é inferior a 0,55, considera-se que o número admissível de aplicações de carga é ilimitado. Por aplicação das equações (2.2) e (2.4), vamos obter o N 130 kn para os dois primeiros critérios (Método da Shell), como se pode observar no Quadro 5.12: Quadro 5.12 Valores do N 130 kn para os critérios do método da Shell Sentido Zona ε t ε z S1 S2 E MB (MPa) N 130 kn Fadiga a) N 130 kn Def Perm. b) N 130 kn Menor Valor A 2,81E-04 6,67E ,47E+05 5,30E+05 5,30E+05 B1 7,33E-05 7,69E ,07E+08 3,00E+05 3,00E+05 B2 6,94E-05 7,81E ,61E+08 2,83E+05 c) 2,83E+05 B3 6,71E-05 6,86E ,22E+08 4,75E+05 4,75E+05 A 2,65E-04 6,20E ,16E+05 7,10E+05 5,16E+05 B1 1,13E-04 7,28E ,86E+07 3,74E+05 3,74E+05 B2 7,16E-05 6,32E ,91E+08 6,57E+05 6,57E+05 a) Por aplicação da equação (2.2), V b % = 10; b) Por aplicação da equação (2.4); c) Valor de N 130 kn condicionante. Quanto ao terceiro critério, por aplicação das equações (5.5) e (2.6) obtêm-se os valores descritos no Quadro 5.13: 82

105 Quadro 5.13 Valores de N 130 kn para o critério de fendilhamento por fadiga do betão pobre a) Sentido Zona σt σr S1 S2 n.a. - não aplicável σt/σr N 130 kn Fadiga b) A n.a. n.a. n.a. n.a. B1 0,43 0,93 0,46 ilimitado B2 0,47 0,93 0,50 ilimitado B3 0,45 0,93 0,48 ilimitado A n.a. n.a. n.a. n.a. B1 0,38 0,93 0,41 ilimitado B2 0,45 0,93 0,48 ilimitado a) Por aplicação da equação (5.5), com a = 0,08; b) Por aplicação da equação (2.6). Verifica-se que este critério não é condicionante pelo facto de o quociente entre a tensão de tracção induzida nas camadas de betão pobre e a resistência à tracção em flexão ser inferior a 0,55, considerando-se então, ilimitado o número admissível de aplicações de carga. Poder-se-ia então concluir que o número admissível de eixos padrão é de ordem de grandeza semelhante para as duas soluções, sendo ligeiramente superior para a solução A (Quadro 5.12). No entanto, a comparação dos pavimentos da solução A com a solução B feita desta forma não seria representativa, uma vez que as condições de partida para ambas as soluções não são as mesmas. Efectivamente, as classes de tráfego, as condições iniciais de degradação do pavimento (degradação generalizada no trecho que conduziu à solução B), a existência de maiores deflexões iniciais no trecho da solução B, as diferentes espessuras iniciais das misturas betuminosas (8 cm para a solução A e 6 cm para a solução B) e os diferentes módulos de deformabilidade da fundação que indiciam que o pavimento da solução A assenta sobre uma melhor fundação do que o pavimento da Solução B, não permitem que essa comparação ocorra em condições de igualdade. No Quadro 5.14 pretende-se apresentar em forma de resumo as principais diferenças das condições iniciais dos trechos que conduziram a soluções de reabilitação diferentes [35]. 83

106 Quadro 5.14 Resumo das diferenças das condições iniciais dos dois trechos em estudo Solução Trecho Classe de Tráfego TMDA p Degradação Inicial / Deflexões Espessura das Camadas Betuminosas (cm) Módulo da Fundação (MPa) A km a km T6 111 Degradações de carácter localizado / Deflexões Médias 8 80 B km a km T5 184 Degradação Generalizada / Deflexões Elevadas 6 60 Tendo em conta esta limitação, vai-se adoptar um pavimento hipotético no trecho que apresentou as condições iniciais mais gravosas e que conduziram à implementação da solução B, e aplicar-lhe um reforço normal do tipo aplicado para a solução A. Então sim, é possível proceder-se à comparação da solução A com a solução B, desta vez partindo das mesmas condições iniciais. Vão-se considerar valores representativos dos módulos de deformabilidade espectáveis para a zona B como se se optasse pelo reforço tradicional igual ao adoptado para a zona A. Para as camadas de misturas betuminosas utilizou-se o valor médio dos módulos corrigidos calculados para a zona A. Tal como se utilizou na execução da solução A, vai-se proceder ao reforço do pavimento existente neste trecho da solução B. Este pavimento apresenta na sua estrutura original dois tipos de camadas: uma camada de base granular com 20 cm de espessura e camadas betuminosas com 6 cm de espessura. Por cima destas considera-se a aplicação de uma camada de regularização em mistura betuminosa densa com 5 cm de espessura, e de uma camada de desgaste em mistura betuminosa descontínua com betume modificado com borracha (MBD-BMB) com 4 cm de espessura, como se ilustra na Figura Entre as camadas finais utilizou-se uma rega de colagem com emulsão betuminosa modificada. Figura Estrutura pavimento hipotético tipo solução A aplicada ao trecho da solução B 84

107 Por análise do Quadro 5.6, Quadro 5.7 e Quadro 5.9 estimaram-se os valores dos módulos de deformabilidade. Note-se que neste trecho o pavimento se encontra totalmente fendilhado, pelo que as camadas betuminosas antigas comportam-se como um material granular, e portanto, com um módulo de deformabilidade consideravelmente menor que o das novas camadas, como se indica no Quadro Quadro 5.15 Características do pavimento hipotético solução A a aplicar no trecho correspondente à solução B para efeitos de comparação Solução Hipotética A para Aplicação na Zona B Camadas Espessura (m) E (MPa) ѵ Camadas Betuminosas Novas Camadas Betuminosas Antigas Camada de Material Granular Camada Superior da Fundação 0, a) 0,40 0, ,35 0, ,35 2, ,35 Camada Rígida 300 0,35 a) Módulo de deformabilidade corrigido para temperatura de projecto (E MB 24 0 C) Encontrados os módulos de deformabilidade do pavimento hipotético, vai-se proceder da mesma maneira descrita anteriormente, isto é, calcular o número de passagens admissível do eixo padrão N 130 kn, recorrendo aos critérios de dimensionamento do Método da Shell. Para calcular os valores das extensões admissíveis vai-se utilizar novamente o programa de cálculo automático ELSYM5. No Quadro 5.16 apresentam-se os valores condicionantes das extensões horizontais de tracção na base das novas camadas betuminosas (ε t ) e das extensões de compressão no topo do solo de fundação (ε z ) relativos ao pavimento hipotético tipo solução A: Quadro 5.16 Valores condicionantes das extensões para o pavimento hipotético obtidos pelo programa ELSYM5 Sentido Solução Hipotética Fendilhamento por Fadiga (ε t ) - Método da Shell Critérios Deformações Permanentes (ε z ) - Método da Shell S1 /S2 A 3,65E-04 1,112E-03 85

108 Na Figura 5.36 apresenta-se o ficheiro output obtido com o programa ELSYM5 para a Solução tipo A hipotética, onde foram apurados os valores das extensões. Podem-se ainda observar os dados de entrada desta solução: Figura Ficheiro output para a solução hipotética A Recorrendo às equações (2.2) e (2.4) obtém-se o número admissível de eixos padrão, N 130 kn, correspondente a estes dois critérios, como se pode observar no Quadro 5.17: Sentid o Quadro 5.17 Valores de N 130 kn para os critérios da Shell (pavimento hipotético A) Zona Hipotética ε t ε z E MB (MPa ) N 130 kn Fadiga a) N 130 kn Def Perm. b) Classe de Tráfego S1 /S2 A 3,65E-04 1,112E ,40E+04 6,87E+04 c) T5 a) Por aplicação da equação (2.2), com V b % = 10; b) Por aplicação da equação (2.4); c) Valor de N 130 kn condicionante. Pretende-se agora confrontar os valores de N 130 kn obtidos nesta solução hipotética - solução A aplicada no trecho da solução B - com os resultados da solução B propriamente dita, com o objectivo de comparar as capacidades de carga dos dois tipos de pavimento, apurar o 86

109 primeiro critério de dimensionamento a falhar e assim, identificar o pavimento mais condicionante Análise Comparativa de Soluções Alternativas de Reabilitação Os resultados apresentam-se no Quadro 5.19 por comparação dos valores obtidos para as diferentes zonas da Solução B que constam do Quadro 5.12, e os resultados obtidos para a solução hipotética A mostrados no Quadro Quadro 5.18 Número admissível de eixos padrão (N 130 kn ) para a solução hipotética A aplicada às zonas da solução B Sentido Todas as Zonas B (B1,B2,B3 de S1 e B1,B2 de S2) Classe de Tráfego N 130 kn Fadiga Solução Hipotética A N 130 kn Def. Perm N 130 kn Menor Valor S1/S2 B T5 9,40E+04 6,87E+04 6,87E+04 Constata-se por análise destes dois quadros que para todas as zonas e em ambos os sentidos os valores mais condicionantes para N 130 kn são atingidos pelo critério de ruína das deformações permanentes. Em relação às soluções A (hipotética) e B aplicadas nas zonas da solução B, verificase, por análise do Quadro 5.19, que para a totalidade das zonas B1, B2 e B3 do sentido 1 e para a totalidade das zonas B1 e B2 do sentido 2, o pavimento com menor capacidade de carga é o correspondente à solução A hipotética de reforço normal, o que ilustra a vantagem da solução reciclagem com cimento na reabilitação de pavimentos muito degradados. Quadro 5.19 Comparação entre as capacidades de carga Comparação dos Valores Condicionantes Sentido S1 S2 Zona Solução B Solução Hipotética A N 130 kn Menor Valor B1 3,00E+05 6,87E+04 6,87E+04 B2 2,83E+05 6,87E+04 6,87E+04 B3 4,75E+05 6,87E+04 6,87E+04 B1 3,74E+05 6,87E+04 6,87E+04 B2 6,57E+05 6,87E+04 6,87E+04 87

110 5.4. Considerações Finais Nesta tese foi abordado o tema da reabilitação estrutural de pavimentos através de reciclagem com cimento. Foram revistas diversas formas de reabilitação que resultam num conjunto de acções com o objectivo de promover uma melhoria das características dos pavimentos, em particular as características estruturais, face às novas solicitações previstas para um novo período de vida. Foi apresentado um caso de estudo referente à reabilitação estrutural do pavimento da EN 226, no qual foi aplicada uma solução de reciclagem com cimento (designada por solução B) num troço de pavimento em piores condições, e um reforço tradicional na restante extensão. Foi efectuada a comparação da capacidade de carga obtida para o pavimento reciclado, com base em resultados de ensaios in situ com deflectómetro de impacto, com a capacidade de carga que se obteria nesse mesmo troço se se aplicasse uma solução de reforço tradicional idêntico ao adoptado nas zonas da EN 226 em melhor estado. Em termos do estudo, estabelecida a geometria e a natureza das camadas que constituem o pavimento, e utilizando um modelo adequado para análise estrutural, este desenrolou-se com a determinação dos módulos de deformabilidade para as diferentes camadas. O método utilizado foi o de retroanálise, recorrendo-se para o efeito ao programa de cálculo automático ELSYM5, desenvolvido pela Universidade de Berkeley (EUA). Deste modo foram obtidos os módulos representativos do estado estrutural do pavimento. Um aspecto fundamental que foi necessário ter presente na avaliação da capacidade de carga de pavimentos com base na análise estrutural, foi o facto de as condições climáticas poderem ter uma influência muito importante no comportamento mecânico dos materiais das camadas do pavimento e do solo de fundação. Um dos efeitos climáticos mais significativos diz respeito ao efeito da temperatura nos módulos de deformabilidade dos materiais betuminosos. Deste modo foi necessário proceder-se à correcção dos mesmos para ser possível a comparação dos módulos do projecto com os módulos estimados a partir dos ensaios realizados. Obtidos os módulos de deformabilidade das camadas betuminosas para a temperatura de projecto (E MB 24 0 C), passo seguinte consistiu em calcular o Número de Passagens Admissível do Eixo Padrão (N 130 kn ) recorrendo-se para o efeito aos enunciados critérios de dimensionamento. A comparação dos pavimentos das soluções A e B só foi possível quando as condições iniciais para ambas as soluções foram consideradas idênticas, o que à partida não se verificava. Efectivamente as classes de tráfego, as condições iniciais de degradação do pavimento, as diferentes espessuras iniciais das misturas betuminosas (8 cm para a solução A e 6 cm para a solução B) e os diferentes módulos de deformabilidade da fundação que indiciam que o pavimento da solução A assentava sobre uma melhor fundação do que o da Solução B, não permitiam que essa comparação se realizasse em condições de igualdade. Assim, e para fazer face a esta situação foi adoptado um pavimento hipotético no trecho que apresentava as 88

111 condições iniciais mais gravosas no qual foi aplicado um reforço normal do tipo aplicado para a solução A. Deste modo já foi possível proceder à referida comparação, desta vez partindo das mesmas condições iniciais. A conclusão mais importante alcançada no caso de estudo, foi a de que a solução de reciclagem com cimento conduziu a um pavimento com maior capacidade de carga do que a que se obteria se se tivesse adoptado um reforço convencional na reabilitação de pavimentos muito degradados. Foi também concluído, ainda que não experimentalmente, que em todo o processo de reciclagem existe menos energia envolvida, um maior reaproveitamento de materiais e uma maior preservação do ambiente no que respeita aos depósitos de materiais antigos. Tudo isto conduz à diminuição dos custos de reabilitação dos pavimentos, traduzindo-se em importantes ganhos económicos. 89

112 90

113 6. Conclusões Os pavimentos rodoviários logo após a sua construção começam a ser submetidos a acções diversas que conduzem a uma progressiva degradação da sua qualidade inicial. É assim fundamental estabelecer um programa de acompanhamento da evolução de pavimentos, no sentido de apoiar a decisão de intervir em determinada altura, de modo a repor a qualidade dos mesmos. As acções de conservação e reabilitação têm a finalidade de promover a preservação ou correcção das características funcionais e/ou estruturais de um pavimento após a sua construção e entrada em serviço. As características funcionais estão relacionadas com as exigências dos utentes quanto ao conforto e segurança de circulação, e referem-se fundamentalmente às características de regularidade longitudinal e transversal, textura, geração de ruído, atrito e drenabilidade do pavimento, enquanto que as características estruturais estão relacionadas com a capacidade do pavimento para suportar as cargas dos veículos para que foi projectado. Ambas as características estão relacionadas entre si. Uma vez tomada a decisão de intervir num pavimento, tem que se ter em linha de conta um determinado número de critérios que vão permitir a selecção das técnicas de conservação e reabilitação a adoptar, nomeadamente considerações de ordem técnica, factores económicos e factores ambientais. Neste trabalho foi abordado o tema da reabilitação estrutural de pavimentos através de reciclagem com cimento. Foram revistas diversas formas de reabilitação que resultam num conjunto de acções com o objectivo de promover uma melhoria das características dos pavimentos, em particular as características estruturais, face às novas solicitações previstas para um novo período de vida. Destacaram-se as técnicas de reforço tradicional de pavimentos flexíveis e da reciclagem de pavimentos. Nesta última foram referidos os principais tipos e processos de reciclagem de pavimentos, tendo-se dado especial destaque à reciclagem in situ a frio com cimento. Foi apresentado um caso de estudo, referente à reabilitação estrutural do pavimento da EN 226, no qual foi aplicada uma solução de reciclagem com cimento (designada por solução B) num troço de pavimento em piores condições, e um reforço tradicional na restante extensão. Foi efectuada a comparação da capacidade de carga obtida para o pavimento reciclado, com base em resultados de ensaios in situ com deflectómetro de impacto, com a capacidade de carga que se obteria nesse mesmo troço se se aplicasse uma solução de reforço tradicional idêntico ao adoptado nas zonas da EN 226 em melhor estado. A conclusão alcançada neste caso de estudo foi de que a solução de reciclagem com cimento conduziu a um pavimento com maior capacidade de carga do que a que se obteria se se tivesse adoptado um reforço convencional. 91

114 Salienta-se em súmula, que face aos resultados obtidos no caso de estudo, é pertinente afirmar que o recurso à reciclagem de pavimentos como técnica de reabilitação estrutural, particularmente a reciclagem in situ a frio com cimento, é viável, e deve ser tido em conta, ou pelo menos, deve ser encarado como uma hipótese possível em intervenções futuras de reabilitação de pavimentos que inicialmente se encontrem num estado de ruína generalizado. Deverá ser assim porque a referida técnica apresenta resultados mais favoráveis em termos de capacidade de carga do pavimento quando comparada com a técnica do reforço normal do pavimento, como analisado no caso de estudo. Importa também referir que no processo de reciclagem ocorrem elevados benefícios quer ambientais quer económicos, pela não produção de resíduos, dada a reutilização dos materiais provenientes do pavimento em mau estado, e pela menor quantidade de materiais novos a aplicar na obra, com consequente redução na utilização dos recursos naturais. Em todo este processo existe menos energia envolvida, um maior reaproveitamento de materiais e uma maior preservação do ambiente no que respeita aos depósitos de materiais antigos. Tudo isto conduz à diminuição dos custos de reabilitação dos pavimentos, traduzindo-se em importantes ganhos económicos. Esta dissertação não esgota a abordagem deste tema, pelo que se considera, em termos de investigação futura, ser possível proceder-se a um refinamento dos resultados obtidos com o equipamento aqui utilizado. Na avaliação dos parâmetros de estado, nomeadamente aqueles que caracterizam em cada instante o estado estrutural dos pavimentos, no pavimento em estudo, o equipamento utilizado não esgota o conjunto de equipamentos e métodos, não destrutivos ou destrutivos, possíveis para se proceder à avaliação da capacidade estrutural deste. Assim, e em termos de investigação futura, poder-se-ia recorrer à utilização de diferentes equipamentos, já referenciados no Subcapítulo 2.6, bem como adoptar diferentes modelos de comportamento dos pavimentos que se encontrem associados ao cálculo da resposta estrutural destes. O cruzamento de toda esta informação poderia completar os resultados obtidos numa primeira abordagem, e permitir uma avaliação mais próxima da realidade do estado estrutural dos pavimentos. Ainda como investigação futura poder-se-ia proceder a um apurado estudo económico, no sentido de se comparar os custos de execução dos pavimentos com soluções de reabilitação diferentes, e avaliar os consumos energéticos que estão associados a cada uma das soluções. Para que este estudo fosse realizável, os pavimentos teriam que apresentar uma capacidade de carga semelhante, pelo que a comparação deveria ser feita entre o pavimento da solução B de reciclagem, com uma solução de reforço normal do pavimento, em que o reforço seria dimensionado até se obter a mesma capacidade de carga que foi obtida para a solução de reciclagem do pavimento. 92

115 A título exemplificativo, na Figura 6.1 apresentam-se fotografias do pavimento da EN 226 após reabilitação, onde se pode atestar o bom estado superficial do pavimento após as obras de reabilitação. Figura Pavimento da EN 226 após reabilitação 93

116 94

117 7. Bibliografia [1] BRANCO, F.; PEREIRA, P.; SANTOS, L.,2006. Pavimentos Rodoviários, Almedina, Coimbra. [2] JAE (actual EP Estradas de Portugal), Manual de Concepção de Pavimentos para a Rede Rodoviária Nacional. [3] EAPA, Long-Life Asphalt Pavements Technical Version. European Asphalt Pavement Association, Brussels, Bélgica. [4] NEVES, J., Folhas da Disciplina de Construção e Manutenção de Infra- Estruturas de Transportes, Instituto Superior Técnico, Lisboa. [5] ANTUNES, M. L., BATISTA, F., FONTUL, S., Conservação e Reabilitação de Pavimentos Rodoviários. Laboratório Nacional de Engenharia Civil. Acção de Formação, 25 de Novembro de 2005, LNEC. Lisboa. [6] PEREIRA, P.; MIRANDA, C., Gestão da Conservação dos Pavimentos Rodoviários. Universidade do Minho, Braga. [7] FHWA, Distress Identification Manual for the Long-Term Pavement Performance Program. Publication No. FHWA-RD U.S. Department of Transportation. Federal Highway Administration (FHWA). June [8] FREIRE, A. C., Agregados para Misturas Betuminosas. Palestra proferida na Universidade Nova de Lisboa. Faculdade de Ciências e Tecnologia, 8 de Junho de Lisboa. [9] NORMA DNIT 061/ TER, Pavimento Rígido - Defeitos - Terminologia. Ministério dos Transportes. Departamento Nacional de Infra-estrutura de Transportes. Brasil. [10] CEPSA, Manual de Pavimentação. Lisboa. [11] ANTUNES, M. L., Avaliação da Capacidade de Carga de Pavimentos Utilizando Ensaios Dinâmicos. Tese Elaborada no LNEC e Submetida para Obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Civil pela Universidade Técnica de Lisboa, IST. Outubro de Lisboa. [12] NEVES, J., Contribuição para a Modelação do Comportamento Estrutural de Pavimentos Rodoviários Flexíveis. Tese de Doutoramento. Instituto Superior Técnico. Lisboa. [13] MASTRAD, Falling Weight Deflectometer (FWD). Pavement Evaluation. MASTRAD Quality and Test Systems. Sítio na Internet: Consulta realizada a 12 de Novembro de [14] ASTM D , Standard Test Method for Deflections with a Falling-Weight- Type Impulse Load Device. U.S.A., December. [15] MENDES, M. V., Ponte Vasco da Gama. Manutenção Estrutural. Lusoponte. Lisboa. 95

118 [16] ANTUNES, M. L.; MARECOS, V., Ensaios de Carga com Deflectómetro de Impacto na EN226 entre Lamego e a Ponte do Abade. LNEC. Agosto de Lisboa. [17] AASHTO, Guide for Design of Pavements Structures. AASHTO, American Association of State Highway and Transportation Officials. Washington, DC USA. [18] ASPHALT INSTITUTE IS-178, Alternatives in pavement maintenance, rehabilitation, and reconstruction. Information Series No. 178, Second Edition, Asphalt Institute, Asphalt Institute Building College Park, Maryland , EUA. [19] ANTUNES, M. L., Practical Guide for Selection of Maintenance Treatment Options at Project Level. COST 343 Work Package 3. LNEC [20] BATISTA, F Novas Técnicas de Reabilitação de Pavimentos Misturas betuminosas densas a frio. Dissertação para Obtenção do Grau de Doutoramento em Engenharia Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto - FEUP, Porto. [21] MARTINHO, F., Reciclagem de Pavimentos Estado da arte, Situação Portuguesa e Selecção do Processo Construtivo. Tese de Mestrado. Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra. [22] WIRTGEN, New Vision Series Pavers Next Generation, New Standards. Wirtgen America Inc [23] WIRTGEN GmbH, Máquina Recicladora WR Prestacionas Convincentes para Múltiples Aplicaciones. Wirtgen GmbH Windhagen, Germany, 1997, 51p. [24] KAZMIEROWSKI, T.,2008. In-Place Pavemente Recycling Moving Towards a Sustainable Future. AEMA-ARRA-ISSA 2008 Annual Meeting, 19 a 23 de Fevereiro de Ministry of Transportation Ontario. Ontário, Canada. [25] SEIXAS, P., Reciclagem de Pavimentos com Espuma de Betume - Uma Experiência a Grande Altitude Cordilheira dos Andes, Peru. V Congresso Rodoviário Português. Estrada Centro de Congressos do Estoril, Portugal, 12 a 14 de Março de [26] MARTEC, Sustainable Roads. Martec Recycling Corporation. Vancouver. Canada. [27] EAPA, Directivas Ambientais Sobre as Melhores Técnicas Disponíveis (BAT) para a Produção de Misturas Betuminosas. European Asphalt Pavement Association, Holanda (APORBET, Portugal). [28] MARTINHO, F.; SANTOS, L., As Potencialidades dos Processos de Reciclagem in situ a Quente na Reabilitação de Algumas Patologias dos Pavimentos Rodoviários. IV Congresso Rodoviário Português. Estrada Centro de Congressos do Estoril, Portugal, 5 a 7 de Abril de [29] LIMA, A., Dissertação para Obtenção do Grau de Mestre em Engenharia de Transportes. Caracterização Mecânica de Misturas Asfálticas Recicladas a Quente. Universidade Federal do Ceará. Fortaleza, Brasil. 96

119 [30] TRINDADE, M., EN 226 Beneficiação entre Lamego e a Ponte do Abade. Comunicação Direcção de Estradas de Viseu. Estradas de Portugal E.P.E., 29 a 30 de Novembro de [31] ARRIEIRO, P., Controles Construtivos Utilizados em Obras de Reciclagem Profunda. Tecnologia em Reciclagem e Fresagem de Pavimentos. PAVISAN - Engenharia de Pavimentos Ltda. Brasil. [32] FONSECA, P. Reciclagem de Pavimentos Rodoviários. RECIPAV Engenharia e Pavimentos Lda. Portugal. [33] WIRTGEN GmbH, Dust-free Addition of Cement With the Slurry Mixer WM Wirtgen GmbH, Windhagen, Germany. [34] GOOGLE EARTH, Sítio na Internet: Consulta Realizada a 16 de Setembro de [35] I.E.P. (actual E.P.), E.N Beneficiação entre Lamego e a Ponte do Abade. Instituto de Estradas de Portugal (actual Estradas de Portugal). Direcção de Estradas de Viseu. [36] BRO, C., PRI 2100 FWD trailer: The classic solution. Carl Bro Intelligent Solutions. Kolding. Sítio na Internet: Consulta realizada a 12 de Novembro de [37] MOLENAAR, A. A. A.,1994. State of the Art of Pavements Evaluation. Proceedings. The 4 th International Conference on the Bearing Capacity of Roads and Airfields. Vol. 2. Minneapolis, [38] FREITAS, E. F.; PEREIRA, P. A. A.,2001. Estudo da Evolução do Desempenho dos Pavimentos Rodoviários Flexíveis. Universidade do Minho. Azurém. Guimarães. [39] DOMINGOS, P. G., Reforço de Pavimentos Rígidos: Modelação do Comportamento Estrutural. Tese de Mestrado. Instituto Superior Técnico. Lisboa. [40] FHWA, LTPP Temperature Prediction and Correction Guide. Basin Shape Factors. Federal Highway Administration (FHWA). Long Term Pavement Performance (LTPP). Sítio na Internet: Consulta realizada a 19 de Setembro de [41] STUBSTAD, R. N.; LUKANEN, E.O.; RICHTER, C.A., BALTZER, S., Calculation of AC Layer Temperatures From FWD Field Data. The 5 th International Conference on the Bearing Capacity of Roads and Airfields. Trondheim. July [42] RODRIGUES, B., Reciclagem In Situ com Adição de Cimento - O Caso de Estudo da E.N Dissertação para Obtenção de Mestre em Engenharia Civil na Especialidade de Urbanismo, Transportes e Vias de Comunicação. Faculdade de Ciências e Tecnologia. Universidade de Coimbra - FCTUC, Coimbra. [43] FHWA, LTPP Temperature Prediction and Correction Guide. The BEELS Equations. BELLS3 Routing Testing Methods. Federal Highway Administration (FHWA). Long Term Pavement Performance (LTPP). Sítio na Internet: 97

120 Consulta realizada a 19 de Setembro de [44] SNIRH, Sistema Nacional de Informação de Recursos Hídricos. Sítio na Internet: Consulta Realizada a 22 de Setembro de [45] SHELL, Shell Bitumen Handbook. SHELL Bitumen U. K., Chertsey. 98

121 8. Anexos Anexo I. Quadros com os Valores das Deflexões Normalizadas Neste Anexo apresentam-se os Quadros, já depurados de valores anormais, dos resultados das deflexões normalizadas, em todas as zonas dos sentidos S1 e S2 [16]: Valores Normalizados SENTIDO 1 (S1) Zona A Chainage[m] Drop D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 kn T Air TSur. Man ,5 24, ,4 26, ,4 26, ,6 26, ,4 26, ,5 25, , ,9 26, ,4 26, ,5 26, ,7 26, ,4 25, ,9 25, ,6 26,5 25 SENTIDO 1 (S1) Zona B ,4 22, ,9 23, ,7 23, ,4 21, ,4 22, ,4 23, ,2 23, ,1 23, ,1 24, ,7 24, ,4 23, ,6 23, ,3 24, ,6 22, ,7 22, ,6 24,

122 ,9 24, ,1 24, ,7 24, ,6 25, ,8 25, ,5 25, ,4 25, ,7 25, ,2 26, ,1 26, ,6 27, ,2 26, ,7 24, ,5 25, ,4 27, ,2 27, , ,4 24, ,7 27, , ,1 28, ,1 28,8 26 SENTIDO 1 (S1) Zona B ,4 28, , ,1 28, ,8 29, , ,7 29, ,7 28, ,6 29, ,6 28, , ,6 28, ,2 28, ,1 28, ,6 29, ,8 29, ,7 28, ,8 26, ,6 25, , ,9 29, ,4 29, ,9 29, ,2 30, ,7 30, ,

123 ,3 30, ,4 29, , , ,1 30, ,5 30, ,2 30,7 33 SENTIDO 1 (S1) Zona B , ,1 31, ,9 30, ,7 33, ,7 31, ,1 31, ,5 30, ,8 31, , ,6 31, ,3 31, ,5 33, ,3 32, ,7 32, , , ,9 34, ,1 32, ,1 33, , ,6 33, ,3 34, ,3 33, ,1 33, ,2 33, ,1 33, , ,5 32, ,1 32, ,6 32, ,9 32, ,4 32, ,3 32, ,9 34, ,4 31, , ,8 31, ,2 33, ,2 33,

124 , ,7 32, ,4 34, ,5 33, ,6 35, ,6 34, ,2 34, ,9 33, , ,2 33, ,8 33, ,2 33, , ,4 33, ,5 33, ,5 33, ,4 29, ,6 32, ,1 32, ,6 34, ,3 30, ,6 34, ,4 33, , ,4 30, , ,2 32, ,1 34, , , ,4 33, ,7 34, ,8 35, ,7 35, ,4 34, ,2 35, ,5 35, ,9 36, , ,3 34, ,5 34, , ,8 34, ,1 33,

125 SENTIDO 2 (S2) Zona A Chainage[m] Drop D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 kn TAir TSur. Man ,6 27, ,6 28, ,4 28, ,9 28, , , ,7 27, ,4 26, ,4 28, ,3 27, ,5 27, ,4 26, , ,4 27, ,3 27, ,9 27, ,6 27,3 25 SENTIDO 2 (S2) Zona B ,5 31, , ,2 31, ,7 31, ,3 32, ,7 31, ,5 31, ,5 32, ,7 31, ,6 31, , ,1 31, ,4 32, ,3 33, , ,1 31, ,1 32, ,9 32, ,6 31, ,8 31, ,8 31, ,3 30, ,1 30, ,9 30, ,6 30, ,7 30, ,4 30, ,1 28,

126 ,1 26, ,3 27, ,2 30, ,3 28, ,5 29, , ,1 31, ,6 31, ,3 31, ,8 31, ,6 31, ,4 30, ,4 31, ,8 28, , ,1 30, ,5 31, ,6 32, ,7 30, ,9 30, ,2 28, ,3 31, ,4 32, ,1 31, ,6 30, ,7 30, ,5 29, ,7 30, ,5 30, ,7 30, ,3 30, ,1 30, ,5 27 SENTIDO 2 (S2) Zona B ,1 29, ,9 30, , ,9 29, ,3 31, , ,2 29, ,1 29, , ,9 28, ,1 28, ,7 28, ,3 28, ,8 28,

127 ,8 30, ,6 28, ,5 29, , ,7 29, ,2 29, , ,5 29, ,5 29, ,2 30, , ,5 28, ,3 28, ,2 27, ,4 28, ,3 27, ,7 26, ,9 26, ,3 28, ,8 27, ,3 27, , ,5 28, ,8 26, , ,7 27, ,8 28, ,1 28, ,4 26, , ,8 27, ,6 26, ,9 26, ,6 28, ,9 26, ,5 25, ,2 26, ,8 25, ,4 24, ,2 23, ,9 25, , , ,5 26, ,1 25, ,1 24, ,4 25, ,6 25, , ,3 26, ,9 26, ,4 25,

128 ,4 26, ,7 26, ,4 25, ,2 24, ,1 25, ,4 24, ,9 25, ,7 24, ,7 25, ,6 25, , ,9 25, , ,8 23, ,2 24, ,3 24, ,6 23, ,3 24, ,3 24, ,9 24, , ,8 24, ,8 34, ,5 24,

129 Anexo II. ELSYM5 Ficheiros Output Finais Obtidos pelo Programa São apresentados neste Anexo os ficheiros output finais obtidos pelo programa de cálculo automático ELSYM5 para todas as zonas e em ambos os sentidos, onde foram apurados os módulos de deformabilidade que conduziram à deformada calculada tão próxima quanto possível da deformada medida no ensaio considerado representativo de cada zona. Ficheiro output sentido S1, solução A, zona A Ficheiro output sentido S1, solução B, zona B1 107

130 Ficheiro output sentido S1, solução B, zona B2 Ficheiro output sentido S1, solução B, zona B3 108

131 Ficheiro output sentido S2, solução A, zona A Ficheiro output sentido S2, solução B, zona B1 109

132 110 Ficheiro output sentido S2, solução B, zona B2

133 Anexo III. Determinação das Temperaturas no Interior das Camadas Betuminosas pelo Método de BELLS3 De acordo com o método de BELLS3, a temperatura da camada betuminosa à profundidade d é dada pela seguinte equação [43]: Td = 0,95 + 0,892 IR + log d 1,25 0,45 IR + 0,62 1 day + 1,83 sin hr 18 15,5 + 0,042 IR sin hr 18 13,5 (AIII8.1) Onde: Td - Temperatura do pavimento à profundidade d (ºC); IR - Temperatura da superfície do pavimento medida por infra-vermelhos (ºC); log( ) - Logaritmo de base 10; d - Profundidade a que se pretende calcular a temperatura (mm); 1 day - Média da temperatura do ar no dia anterior ao ensaio (ºC); Sen - Função seno para um período de 18 horas, com 2 π radianos equivalente a um ciclo de 18 horas; hr 18 - Hora do dia, num sistema de 24 horas, mas calculada usando um ciclo de 18 horas de variação da temperatura da camada betuminosa, como indicado na Figura AIII.8.1 [43]. O gráfico da Figura AIII.8.1 indica que consoante a hora do dia em que são efectuados os ensaios e medidas as temperaturas, as funções sen hr 18 15,5 e sen hr 18 13,5 assumem diferentes valores. Figura AIII Função seno do ciclo de 18 horas usada nas equações de BELLS3 [43] 111

134 Em forma de nota salienta-se o seguinte: Ao usar-se a função sen hr 18 15,5, apenas se contemplam os tempos entre as 11:00 e as 05:00 horas da manhã seguinte. Se não se estiver dentro desse intervalo de tempo deve-se usar sen = 1, que corresponde à situação das 11:00 horas. Se se estiver no intervalo de tempo entre as 00:00 horas e as 05:00 horas, deve-se adicionar 24 ao tempo decimal [41]; Ao usar-se a função sen hr 18 13,5, apenas se contemplam os tempos entre as 09:00 e as 03:00 horas da manhã seguinte. Se não se estiver dentro desse intervalo de tempo deve-se usar sen = 1, que corresponde à situação das 09:00 horas. Se se estiver no intervalo de tempo entre as 00:00 horas e as 03:00 horas, deve-se adicionar 24 ao tempo decimal [41]. A temperatura da superfície do pavimento medida por infra-vermelhos (IR) e registada em cada ponto onde se realizaram ensaios foi sujeita a correcções, conforme as condições meteorológicas, de acordo com o Quadro AIII.8.1 [41]. Quadro AIII.8.1 Correcção da temp. IR de acordo com a nebulosidade Condições de Nebulosidade Céu Limpo Céu Parcialmente Nublado Céu Nublado Correcção da Temperatura IR + 4,0º C + 3,0º C +1,5º C Verificou-se que ao longo de todos os dias que se realizaram os ensaios, nomeadamente nos dias 24, 25 e 26 de Junho de 2008, o céu se encontrava totalmente limpo, pelo que em todas as zonas foram adicionados à temperatura IR +4 (quatro) graus. Para o parâmetro 1 day, utilizaram-se as estações meteorológicas com dados de temperatura mais próximas da zona de estudo (ver Figura AIII.8.2) [44]. Figura AIII Estações meteorológicas com dados de temperatura média diária [44] 112