Comportamento Defletométrico de Pavimento Reforçado com Geogrelha.

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1 Comportamento Defletométrico de Pavimento Reforçado com Geogrelha. Lidia Pacheco Miranda PUC-Rio, Rio de Janeiro, Brasil, Michéle Dal Toé Casagrande PUC-Rio, Rio de Janeiro, Brasil, Laura Maria Goretti da Motta UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil, RESUMO: A presente pesquisa pretende demostrar que a utilização de um tipo de geossintéticos como material de reforço pode ser benéfico para melhorar as condições estruturais do pavimento, assim também que uma avaliação baseada na medição das deflexões ocorridas no pavimento se converte numa ferramenta aceitável para os estudos do estado situacional do pavimento. O trabalho consistiu na análise do comportamento mecânico de um pavimento experimental, com a inserção de geogrelha como material de reforço da camada de base. O pavimento experimental foi desenvolvido em um modelo físico de concreto armado de verdadeira grandeza no qual foi conformado o subleito de 100 cm de espessura e uma camada de base de brita de 20 cm de espessura, compactados na sua umidade ótima, toda a superfície desta unidade foi protegida com uma emulsão asfáltica com a finalidade de conservar a umidade de compactação. A estrutura antes descrita foi submetida à aplicação de carregamento por impacto e à variação de umidade do material do subleito. O equipamento utilizado foi do tipo deflectometro de impacto para cargas baixas denominado LWD (Light Weight Deflectometer). Na estrutura conformada analisou-se a deformabilidade do pavimento. A comparação entre os deslocamentos da estrutura reforçada e não reforçada permitiu determinar a influência do reforço mostrando-se eficiente na redução dos deslocamentos superficiais verticais. PALAVRAS-CHAVE: Geogrelha, Carregamento por Impacto, Pavimento Reforçado, Equipamento LWD. 1 INTRODUÇÃO O estado da estrutura do pavimento das estradas pode se determinar através da avaliação de seu comportamento estrutural ou funcional. Na atualidade tem-se equipamentos e metodologias próprias para determinar tais avaliações. A medição das deflexões consiste numa metodologia válida para determinar o estado estrutural do pavimento, devido aos resultados obtidos nas repetidas experiências nas estradas no mundo, especialmente no âmbito de América do Sul. Hoje em dia, os materiais de reforço conseguem ter maior importância e uso nas obras geotécnicas pela praticidade no processo construtivo do projeto. A utilização destes materiais, contribuem para a minimização de impactos ambientais, eliminando o emprego de técnicas construtivas que comprometem a integridade do ambiente natural, em geral poder proporcionar o aumento de vida útil das estruturas projetadas. Uma adequada avaliação estrutural do pavimento, neste caso não destrutiva, permite inferir as características de deformabilidade da estrutura sob carregamento estático ou dinâmico. Para tal fim podem ser utilizados

2 equipamentos tipo Falling Weight Deflectometer que transferem ao pavimento uma carga dinâmica de impacto. A comparação das deflexões registradas pelo LWD para a estrutura do pavimento sem e com reforço situado na interface subleito-base, determinou a influência da geogrelha no incremento da vida útil do pavimento. O uso do modelo físico de pavimento de verdadeira grandeza, situado no Laboratório de Geotecnia da COPPE/UFRJ, é uma ótima ferramenta de pesquisa por permitirem aproximação maior com a situação de campo, e sendo devidamente instrumentado, contribuem a obter resultados que permitem avaliar o comportamento de um pavimento. Neste contexto, o presente trabalho avaliou o comportamento da estrutura de um pavimento experimental, através da medição das deflexões, construído com materiais típicos da cidade do Rio de Janeiro e também aborda o estudo do geossintéticos que podem melhorar o comportamento estrutural do pavimento. 2 MATERIAIS E MÉTODOS Os ensaios do programa experimental desta pesquisa foram realizados no Laboratório de Geotecnia/Pavimentos da COPPE/UFRJ. A continuação é descrito os materiais e os métodos utilizados nesta pesquisa. 2.1 Materiais Solo fino O solo fino para compor a camada do subleito foi escolhido propositalmente com características de baixa qualidade como material de fundação de um pavimento. Foi selecionado um solo saprolítico, visualmente contendo silte, proveniente do Município de Belford Roxo, no Estado de Rio de Janeiro. Na Figura 1 é mostrado a aparência física do solo armazenado nas instalações do laboratório. Os ensaios a que foram submetidos o materiais da presente pesquisa foram realizados com a finalidade de obter parâmetros de referência a serem utilizados para analisar o comportamento geotécnico do material. Figura 1. Armazenamento do solo utilizado como subleito A classificação do solo segundo os sistemas S.U.C.S., H.R.B e MCT são respectivamente, CL-ML, A-7-6 e NS. O material foi compactado na energia intermediária do ensaio Proctor (DNER-ME 129/94). Também foi realizado o ensaio para a determinação do índice de suporte Califórnia (CBR) (DNER ME 049/94). Os resultados destes ensaios são apresentados na Tabela 1. Tabela 1. Resultados dos ensaios do solo do subleito. Energia de compactação Wot ρdmax (g/cm 3 ) CBR P. Intermediária 17 1, Brita A camada de base foi composta por uma brita graduada, faixa DIRENG. Este material é proveniente da Pedreira EMASA, localizada em Senador Camará, no Estado de Rio de Janeiro, sendo a rocha matriz classificada como quartzo monzonito.

3 Figura 2. Aparência física da brita. A classificação da brita segundo os sistemas S.U.C.S. e H.R.B são respectivamente, GW, A- 1a. O material foi compactado na energia modificada do ensaio Proctor (DNER-ME 129/94). Foi realizado o ensaio para a determinação do índice de suporte Califórnia (CBR) (DNER ME 049/94). Os resultados destes ensaios são apresentados na Tabela 2. Também o agregado usado foi submetido ao ensaio de Abrasão Los Angeles (DNER-ME 035/98) e apresentou uma perda da ordem de 43%, valor abaixo do limite de 55% para materiais utilizados na construção de bases de pavimentos rodoviários estabilizados granulometricamente. Tabela 2. Resultados dos ensaios da brita. Energia de compactação Wot ρdmax (g/cm 3 ) CBR P. Modificada 5,4 2, , Elemento de reforço de base O elemento de reforço utilizado na presente pesquisa foi a geogrelha de polipropileno. Este produto é produzido de filamentos de polipropileno de alta tenacidade, com revestimento protetor polimérico de elevada rigidez e apresenta malha de abertura de 40 mm. Este modelo de geogrelha possui elevada resistência ao arrancamento e é capaz de mobilizar elevadas cargas de tração a níveis de deformação muito baixos segundo o manual do fabricante. A Tabela 3 apresenta as especificações técnicas fornecidas pelo fabricante da geogrelha em questão. Tabela 3. Especificações técnicas da geogrelha, Fonte: Huesker (Agosto, 2010) Propriedade Unidade Método Valor Abertura de malha nominal mm 40 Módulo de rigidez à tração nominal (à 2% de deformação) Deformação máxima na resistência nominal Coeficiente de interação 2.2 Métodos KN/m % ABNT ABNT ASTM D ,95 Se descreverão o equipamento e os detalhes de execução dos ensaios Tanque teste de pavimentos O modelo físico de grandes dimensões utilizado nesta pesquisa, denominado de Tanque-Teste de Pavimentos, foi desenvolvido por Silva (2009). O Tanque-Teste foi utilizado para simular um pavimento com dimensões próximas das reais em campo, principalmente às espessuras das camadas. A área interna do Tanque é 4,0 m2 e altura 1,80 m, sendo seu volume interno de aproximadamente 8,0 m3, com paredes duplas de concreto armado com 0,20 m de espessura. Este tanque se encontra num prédio de 29,0 m2 de área aproximadamente, localizado no Laboratório de Geotecnia da COPPE/UFRJ, bloco anexo ao Centro de Tecnologia, na cidade Universitária da UFRJ, Ilha do Fundão, no Rio de Janeiro Estrutura do pavimento experimental no Tanque-Teste As espessuras das camadas do pavimento experimental construído no Tanque-Teste foram concebidas a partir de estruturas típicas. O pavimento experimental foi composto por uma camada de drenagem de lastro de brita (1 ) com espessura de 0,14 m, de uma camada considerada como subleito de 1,00 m de espessura e uma camada de base de 0,20 m de espessura.

4 Além da estrutura conformada o Tanque foi implementado com sistema de instrumentação e aquisição de dados, que permitiram avaliar o comportamento da estrutura frente à aplicação de carga por impacto e à variação da umidade do subleito. Assim também foi utilizado o sistema de umedecimento do tanque para o processo de saturação do subleito. Na Figura 3 está apresentada esquematicamente a estrutura de pavimento construída, com a instrumentação. Figura 4. Equipamento na posição de uso para medir deflexão. Figura 3. Esquema das camadas do pavimento com a instrumentação instalada. A instrumentação utilizada nessa pesquisa foi composta por: dispositivos de medição de umidade TDRs (Refletômetros no Domínio do Tempo) e de sucção TAC (Tensiômetros de Alta Capacidade) que permitiram avaliar a variação da umidade do subleito, distribuídos a diferentes profundidades no interior das camadas do pavimento, tal como é mostrado na Figura Sistema de carregamento e instrumentação O sistema responsável pela geração do carregamento por impacto é o equipamento Light Weight Deflectometer (LWD) que é operado de forma manual. O equipamento é composto por uma célula de carga de alta precisão que mede o valor máximo da força de impacto da queda de um peso de 15 kg acoplado a uma placa de carga com diâmetro de 30 cm, conforme a Figura 4. O valor máximo da força de impacto é baseado em medidas de célula de carga e os deslocamentos (deflexões) que são medidos em até 3 sensores, que ficam posicionados a diferentes distâncias em relação ao centro da placa. O software de coleta de dados exibe na tela do Palm Top o Módulo de resiliência da superfície e um gráfico de histórico em tempo real. Figura 5. Colocação da instrumentação nas camadas conformadas. 3 PROGRAMA EXPERIMENTAL 3.1 Programa dos ensaios realizados no modelo físico Tanque-Teste Com o propósito de verificar a eficiência e o benefício do uso da geogrelha na estrutura de pavimentos flexíveis como reforço na camada de base de pavimento, foi avaliado a resposta do

5 material de reforço mediante a medida das deflexões na superfície da seção de pavimento devido ao carregamento por impacto imposto sobre a estrutura. Foi testada a situação não reforçada e reforçada quando a estrutura do pavimento foi saturada até o nível do subleito. A Figura 6 mostra a estrutura do pavimento na qual foi avaliada o comportamento mecânico do pavimento, para as três etapas de ensaios no Tanque Teste. foi realizado em três pontos sobre a superfície do pavimento experimental para cada etapa do programa experimental seguindo o esquema mostrado na Figura 7, decidido de forma condicionada pela geometria da instrumentação existente no experimento. Cada ponto foi ensaiado três vezes, e se obtêm a média das deflexões resultantes e o valor de módulo de resiliência. Figura 7. Esquema de realização de ensaios. Figura 6. Estrutura do pavimento para as três etapas de ensaios no Tanque-Teste. Após a construção da estrutura básica subleito base dentro do modelo físico, considerando-se a situação típica de pós - construção com as camadas compactadas nas respectivas umidades ótimas, esta configuração foi submetida aos ciclos de carregamento com os dois sistemas. Na sequência, foram feitas mais três etapas como explicado a seguir; 1. Foi retirada a camada de base, colocada a geogrelha sobre o subleito e refeita a base, sendo que este material de reforço foi devidamente ancorado ao solo do subleito, aplicando-se em seguida as cargas; 2. Foi mudada a condição de umidade do subleito, mediante inundação até o topo do subleito sob a estrutura reforçada, e submetida a estrutura às cargas. 3. Foi retirada a camada de base e a geogrelha ainda com o subleito inundado e novamente foi conformada a camada de base, e submetida às cargas. 3.2 Metodologia O ensaio dinâmico de impacto através do LWD 4 ANÁLISE DE RESULTADOS Os resultados decorrentes da execução dos ensaios realizados com o LWD são apresentados a continuação. Na Tabela 4 apresentam-se os resultados do ensaio referentes à deformabilidade da estrutura do pavimento reforçada com o subleito - compactado na umidade ótima decorrente da aplicação de carga do LWD. Foi realizado este ensaio para ter uma referência do comportamento do pavimento reforçado em condições de umidade ótimas no desempenho do pavimento. Na Tabela 4 apresentam-se os resultados logo acabado o ensaio pelo equipamento LWD. Tabela 4. Resultados do ensaio sobre a estrutura do pavimento reforçado subleito na umidade ótima. Pont o Deslocamentos elásticos (mm) Módulo de Resiliencia (MPa) Leitur a Média Leitura Média 0,509 0,496 Leitur a 0,412 0,465 0,481 0,450 0,467 0,466 0,437 0,480 0,471 Média 0,450 72,6 75,0 70,3

6 Analisando-se os resultados da Tabela 4, pode-se observar que nos três pontos de aplicação de carga do LWD se obtêm valores de deslocamentos elásticos (deflexão) próximos. Assim também foram realizados os ensaios para as duas etapas mais programadas.o segundo foi quando o subleito foi submetido à saturação, considerando-se tal situação como a mais severa, então foi aplicada a carga para a estrutura reforçada. A saturação do subleito foi realizada mediante ascensão capilar e o avanço da franja foi monitorada pelas leituras diárias feitas pelos TDRs que indicaram o valor da umidade em cada camada de 20 cm do subleito, ao momento que estabilizaram tais medições supõe-se a saturação do material do subleito, a continuação foi aplicado o carregamento a través do LWD para assim continuar com o terceiro ensaio para o qual foi retirado o reforço e manteve-se a situação de umidade de saturação para logo aplicar o mesmo tipo de carregamento dos ensaios anteriores. Apresenta-se a continuação as deflexões obtidas nos últimos ensaios, quando o subleito esteve saturado para a situação da estrutura reforçada e não reforçada. Para fins comparativos também é apresentada a variável do módulo de resiliência obtida para cada ensaio. Este valor é dado pelo equipamento, sem interferência do operador e deve ser considerado como estimativa da rigidez sob as condições do ensaio de impacto. A Tabela 5 mostra o resumo das deformações e módulos de resiliência dos ensaios em comparação. Tabela 5. Deflexões e módulos de resiliência obtidos com o ensaio do LWD no Tanque Teste. Estrutura Estrutura não Ponto reforçada reforçada Variável de (subleito (subleito análise inundado) inundado) Deflexão (mm) Módulo de Resiliência (MPa) (1) 1,506 1,756 (2) 0,950 1,422 (3) 1,127 1,337 (1) 22,4 19,2 (2) 35,5 23,7 (3) 30,0 25,2 Para o ensaio sobre a estrutura reforçada após a saturação do subleito as deflexões registradas nos três pontos de análise apresentaram significativa diferença, sobretudo no ponto de ensaio 1. Isto pode ter acontecido porque nesta condição de umidade do subleito, a acomodação das partículas do subleito pode ter sido diferente em cada seção do ponto considerado para este ensaio, e, a cada aplicação do impacto ter tido diferentes respostas de distribuição das tensões. Para a situação não reforçada, os resultados obtidos mostram que as deflexões registradas neste ensaio aumentaram se comparadas às desenvolvidas no ensaio com a estrutura reforçada também com o subleito saturado. O aumento das deflexões que ocorreu com a retirada do material de reforço, confirma o efeito positivo que tem a geogrelha para prolongar a vida útil do pavimento. Nos ensaios realizados na estrutura reforçada e não reforçada com o subleito inundado, a inserção da geogrelha no pavimento gerou uma redução na deflexão. Essa redução nos pontos 1, 2 e 3 foi de 14%, 33% e 15% respectivamente. Pela similitude na percentagem de redução para os pontos 1 e 3 pode-se concluir que a inserção da geogrelha reduziu as deflexões em 14%. Os resultados das deflexões e dos módulos de resiliência para as estruturas reforçadas refletem a perda de rigidez do subleito quando a estrutura é submetida a saturação, que compromete a vida útil do pavimento. 5 CONCLUSÕES Os resultados obtidos nos ensaios realizados indicam que a utilização da geogrelha como material de reforço na camada de base colocada na interface subleito - base mostrou ser eficiente na redução das deflexões superficiais, na condição mais severa de umidade do subleito (saturado). A presença da geogrelha também resultou mecanismo que se expressa num aumento no valor de módulo de resiliência para cada ponto analisado. Conclui-se que expectativa de melhoria da vida útil do pavimento deve - se à que a inclusão da

7 geogrelha se reflete num módulo equivalente maior. O emprego do LWD para a avaliação do comportamento mecânico do pavimento experimental mostrou-se eficiente, sendo uma ferramenta recomendável para estudos deflectométricos de forma pontual. A instrumentação com o TDR destinada ao monitoramento da umidade do subleito do Tanque-Teste forneceu resultados satisfatórios face às duas situações de umidade consideradas para os ensaios. A caracterização e estudo do solo do subleito proveniente de uma jazida local do Estado do Rio de Janeiro permitiu contribuir com o catálogo de materiais destinados a obras rodoviárias. É importante mencionar que os resultados e as conclusões da presente pesquisa, restringem-se aos materiais e às condições dos ensaios realizados, sendo necessário um aprofundamento dos estudos realizados para uma eventual generalização. AGRADECIMENTOS À PUC-Rio, à UFRJ e à CAPES pelos auxílios concedidos, sem os quais este trabalho não poderia ter sido realizado. REFERÊNCIAS TÉCNICAS. NBR 7181: Solo Análise granulométrica. Rio de Janeiro, TÉCNICAS. NBR 6457: Teor de umidade natural. Rio de Janeiro, TÉCNICAS. NBR 6508: Massa específica real dos grãos. Rio de Janeiro, TÉCNICAS. NBR 6459: Solo Determinação do limite de liquidez. Rio de Janeiro, TÉCNICAS. NBR 7180: Solo Ensaio de Compactação, 1986b. Carmo, C. A. T. do; D ávila, C. A.; Ruiz, E. F. Deformation Analysis of a Geogrid-Reinforced Pavement. Second Pan American Geosynthetics Conference & Exhibition. GeoAmericas. Lima, Perú Centurión, C. A.; Vilela, A. A.; Marquinha, M. R. Uso de geogrelhas para a redução da espessura de pavimento e melhoramento de subleito em solos de baixa capacidade de suporte. Revista Fundações & obras geotécnicas. Ano 3. Nº 24. Pag Editora Rudder, Setembro Córdova, H.; Guimarães A. Avaliação e controle estrutural de pavimentos asfálticos utilizando deflectometria com uso de equipamento tipo FWD. In: 17a Reunião de pavimentação urbana, Porto Alegre, RS, Brasil, DEPARTAMENTO NACIONAL DE INFRAESTRUTURA DE TRANSPORTES. DNIT IPR 134/2010: Pavimentação solos Determinação do módulo de resiliência Método de ensaio. Rio de Janeiro, DEPARTAMENTO NACIONAL DE ESTRADAS DE RODAGEM. DNER-CLA 259/96: Classificação de solos tropicais para finalidades rodoviárias utilizando corpos de prova compactados em equipamento miniatura. Rio de Janeiro, Kakuda, F. M. Desenvolvimento e a utilização de um equipamento de grandes dimensões na análise do comportamento mecânico de uma seção de pavimento sob carregamento cíclico. Tese de Doutorado. USP/SP, São Carlos, Brasil Dynatest Inc. Dynatest 3031 LWD Test System Owner s Manual Technical Description Medina, J.; Motta, L. M. G. Mecânica dos Pavimentos. 2ª Edição. Editora UFRJ. ISBN Rio de Janeiro. Brasil Miranda, L.P. (2013) Análise do comportamento mecânico de pavimento reforçado com geossintético sob carregamento cíclico em modelo físico de verdadeira grandeza. Dissertação de Mestrado. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Nogami, J.S., Villibor, D.F. Pavimentação de baixo custo com solos lateríticos. Editora Villibor. São Paulo Perkins, S. W. et al. Comparison of Large Scale Laboratory Box Test and Field Performance. Second Pan American Geosynthetics Conference & Exhibition. GeoAmericas. Lima, Perú Reis, A. C. D. C.; Guimarães, A. C. R. Estudo sobre a deformabilidade da camada de base da nova pista de pouso e decolagem do aeroporto de Guarulhos/SP. XI Congresso Brasileiro de Mecânico dos Solos e Engenharia Geotécnica COBRAMSEG, Trime-FM. Disponível em: Acesso em 20 de junho de Vertematti, J. C., Manual Brasileiro de Geossintéticos. ABINT Editora Edgard Blucher WRIGLEY, N. E. et al. The importance of installation damage in designing pavements reinforced with integrally formed geogrids. Second Pan American Geosynthetics Conference & Exhibition. GeoAmericas. Lima, Perú. 2012