CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA DE MISTURAS BETUMINOSAS DE ALTO MÓDULO DE DEFORMABILIDADE

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1 Coimbra, Julho de 2003 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL FACULDADE DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA UNIVERSIDADE DE COIMBRA SILVINO DIAS CAPITÃO CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA DE MISTURAS BETUMINOSAS DE ALTO MÓDULO DE DEFORMABILIDADE Volume 1

2 RESUMO As misturas betuminosas de alto módulo de deformabilidade (MAM) para camadas de base de pavimentos, têm sido utilizadas com sucesso, particularmente em França, ao longo de quase duas décadas. No entanto, a experiência da utilização de tais materiais em Portugal é reduzida, pelo que se julgou necessário efectuar um estudo que permitisse avaliar, e modelar, o comportamento mecânico daquele tipo de materiais, para condições de ensaio capazes de representarem razoavelmente as características climáticas portuguesas. A investigação visava também disponibilizar indicadores de desempenho que pudessem servir de base ao desenvolvimento em Portugal de especificações técnicas para MAM, e de critérios de formulação baseados no desempenho mecânico. Descrevem-se as características típicas das MAM e da evolução da sua aplicação em pavimentos rodoviários. Apresentam-se e analisam-se as técnicas de ensaio laboratorial, e as metodologias de apresentação e de interpretação dos resultados de caracterização mecânica de misturas betuminosas. A abordagem que se faz diz respeito à determinação do módulo de deformabilidade, do ângulo de fase, do comportamento à fadiga e da resistência à deformação permanente de misturas betuminosas. Os estudos de formulação efectuados permitiram estabelecer a MAM aplicada na obra que serviu de apoio à realização deste trabalho. Para isso, adoptaram-se procedimentos laboratoriais, baseados no desempenho mecânico de provetes recolhidos em trechos experimentais. A medição do módulo de deformabilidade e a avaliação da resistência à fadiga fez-se em ensaio de flexão de cargas repetidas (2 cargas, 2 pontos de apoio). A apreciação da resistência à deformação permanente foi efectuada em ensaios de simulação de tráfego. Propuseram-se técnicas laboratoriais de produção de provetes prismáticos e cilíndricos, com vista à sua caracterização mecânica, respectivamente, em ensaios de flexão de cargas repetidas (2 cargas, 2 pontos de apoio), e ensaios de compressão uniaxial de cargas repetidas. Os primeiros foram adoptados para medir o módulo de deformabilidade e a resistência à fadiga dos materiais. Os últimos foram efectuados para avaliar a resistência das várias composições à deformação permanente. Para as condições de ensaio adoptadas, foi possível propor modelos de previsão do módulo e do ângulo de fase para MAM. No que se refere à resistência à fadiga, indica-se o parâmetro ε 6 para diferenciar misturas nos estudos de formulação. Propõe-se também uma expressão de previsão da resistência à fadiga para MAM, a qual relaciona o número admissível de ciclos de carga com o nível de extensão de tracção induzido no material, e com a percentagem volumétrica de betume. Relativamente à resistência à deformação permanente são adoptados vários indicadores e expressões para a sua previsão, os quais têm especial interesse na formulação de MAM, para averiguar a bondade de uma dada composição para resistir à deformação permanente. ix

3 ABSTRACT High modulus bituminous mixtures (HMBM) for pavement road bases have been successfully applied for almost the last two decades, particularly in France. Nevertheless, in Portugal there is little experience in using these materials. Therefore, a project concerning the assessment and modelling of the mechanical behaviour of HMBM has been carried out using test conditions which reasonably simulate Portuguese climatic characteristics. This research also aimed to propose performance indicators, that can be used as a basis for the development of both technical specifications for HMBM and performance based mix design criteria in Portugal. Typical characteristics of HMBM together with the evolution of its application in road pavements are described. Laboratory testing techniques for mechanical characterization of bituminous mixtures are presented, as well as an critical analysis of the generally used methodologies for reporting and interpreting results from those tests. This overview includes stiffness modulus and phase angle determination, fatigue resistance behaviour and resistance to permanent deformation of bituminous mixtures. Mix design studies were carried out to establish the composition of HMBM to be applied at the test site. Specimens extracted from trial sections were submitted to performance testing in the laboratory. Repetitive four-point bending tests were performed to determine stiffness modulus and resistance to fatigue of the materials. The parameters of permanent deformation resistance of HMBM were determined by wheel-tracking tests. Laboratory techniques for prismatic and cylindrical specimen production have been proposed, with the aim of determining their mechanical properties. The first type of specimens was studied on four-point bending tests, to determine the stiffness modulus, the phase angle and the fatigue behaviour of HMBM. The second type was submitted to dynamic creep tests to evaluate the resistance to permanent deformation of the several compositions submitted to testing. For the range of test conditions applied, two prediction models have been developed for calculating the stiffness modulus and phase angle of HMBM. As far as fatigue resistance is concerned, the parameter ε 6 was proposed to compare mix compositions in mix design procedures. A relationship for fatigue resistance prediction of HMBM, which includes the admissible number of load repetitions, the tension strain induced in the material and the percentage of bitumen by volume, has been developed. For permanent deformation resistance, several parameters and expressions for their prediction have been derived. Those performance indicators can be applied in mix design of HMBM to investigate how resistant a composition is to rutting. x

4 ÍNDICE ÍNDICE VOLUME 1 CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO 1.1. Enquadramento Necessidade da Presente Investigação Objectivos e Metodologia Principais objectivos Metodologia Organização do Trabalho Referências Bibliográficas...8 CAPÍTULO 2 - CARACTERÍSTICAS E EVOLUÇÃO DA UTILIZAÇÃO DE MISTURAS BETUMINOSAS DE ALTO MÓDULO DE DEFORMABILIDADE 2.1. Generalidades Visão Geral sobre a Aplicação de MAM em Camadas de Pavimentos Rodoviários Materiais Utilizados e Composições Típicas de MAM Betume asfáltico Granulometria dos materiais agregados Composições típicas Fabrico e Colocação em Obra de MAM Características Mecânicas Típicas Obtidas em Ensaios Tradicionais Características Mecânicas Obtidas em Ensaios de Desempenho Mecânico Características de deformabilidade das MAM Características de resistência à fadiga Características de resistência à deformação permanente Comportamento a baixas temperaturas Características Mecânicas Obtidas à Escala Real Alguns Casos de Aplicação de MAM em França Ilustração da Possível Redução de Custos de Construção com o Uso de MAM Considerações Finais Referências Bibliográficas...41 CAPÍTULO 3 - AVALIAÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS DE DEFORMABILIDADE E DE RESISTÊNCIA À FADIGA DE MISTURAS BETUMINOSAS EM LABORATÓRIO 3.1. Generalidades Conceitos Relativos à Deformabilidade das Misturas Betuminosas Tipos de Ensaios Geralmente Utilizados Generalidades Ensaios de flexão Carregamento central em um ou dois pontos Carregamento em consola Flexão em vigas ou lajes totalmente apoiadas Ensaios de tracção-compressão Tracção directa / tracção-compressão xi

5 Caracterização Mecânica de Misturas Betuminosas de Alto Módulo de Deformabilidade - Tracção indirecta ou compressão diametral Ensaios de corte Apresentação e Interpretação de Resultados de Características de Deformabilidade de Misturas Betuminosas Tipos de Carregamentos Influência de Alguns Parâmetros no Valor das Características de Deformabilidade Determinadas nos Ensaios Influência das condições de ensaio Efeito do tipo de ensaio Efeito da frequência e da temperatura de ensaio Efeito do nível de carga Influência da composição da mistura e das condições dos provetes Efeito do tipo de betume Efeito da quantidade de betume Efeito do material agregado grosso Efeito da quantidade e do tipo de filer Efeito da porosidade Efeito da humidade dos provetes Efeito da origem e da idade dos provetes Interpretação dos Ensaios de Avaliação do Comportamento à Fadiga de Misturas Betuminosas Generalidades Interpretação clássica: factores que influenciam a resistência à fadiga Influência das condições de ensaio Influência da composição das misturas Análise em termos de energia dissipada Análise em termos de dano Considerações Finais Referências Bibliográficas CAPÍTULO 4 - AVALIAÇÃO DA RESISTÊNCIA À DEFORMAÇÃO PERMANENTE DE MISTURAS BETUMINOSAS EM LABORATÓRIO 4.1. Generalidades Conceitos Relativos à Modelação Laboratorial do Comportamento de Misturas Betuminosas à Deformação Permanente Comportamentos reológicos ideais modelos visco-elásticos mais comuns Comportamentos reológicos observados experimentalmente Tipos e Condições de Ensaio Geralmente Utilizados Generalidades Ensaios de compressão Compressão uniaxial estática Compressão uniaxial com aplicação de cargas repetidas Compressão triaxial com aplicação de cargas estáticas ou repetidas Ensaio de corte simples Ensaio de tracção indirecta Ensaio de compressão e corte Ensaios com simulador de tráfego Apresentação e Interpretação de Resultados de Ensaios de Avaliação da Resistência à Deformação Permanente de Misturas Betuminosas xii

6 ÍNDICE Generalidades Ensaios de compressão Ensaios estáticos de compressão uniaxial Ensaios de compressão uniaxial com aplicação de cargas repetidas Ensaios de compressão triaxial com aplicação de cargas repetidas Ensaios de corte Ensaio de tracção indirecta Ensaios com simulador de tráfego Influência de Alguns Factores na Avaliação Laboratorial da Resistência à Deformação Permanente de Misturas Betuminosas Generalidades Influência do tipo e das condições de ensaio Efeito do tipo de ensaio Efeito da temperatura de ensaio e da pressão de contacto Efeito da forma e das dimensões dos provetes Influência da composição das misturas Efeito do tipo de betume Efeito da quantidade de betume Efeito da granulometria e da dimensão máxima do agregado Efeito da textura e da forma das partículas de agregado Efeito da porosidade da mistura Efeito dos vazios na mistura de agregados (VMA) Considerações Finais Referências Bibliográficas CAPÍTULO 5 - FORMULAÇÃO DE MISTURAS BETUMINOSAS EM LABORATÓRIO 5.1. Considerações Relativas aos Métodos de Formulação de Misturas Betuminosas Generalidades Métodos de formulação por receita Métodos empíricos Métodos analíticos Métodos volumétricos Métodos "relacionados com o desempenho mecânico" Métodos "baseados no desempenho mecânico" Método de formulação utilizado Selecção dos materiais granulares e do betume Estabelecimento das composições de base Estabelecimento da composição final Estabelecimento das Composições das Misturas Betuminosas Estudadas Características físicas dos materiais granulares Características do betume Composições seleccionadas para estudo Realização dos Trechos Experimentais Estabelecimento da Composição Final Medição do módulo de deformabilidade e avaliação da resistência à fadiga das misturas estudadas Avaliação da resistência à deformação permanente Selecção da composição a aplicar na obra xiii

7 Caracterização Mecânica de Misturas Betuminosas de Alto Módulo de Deformabilidade 5.5. Produção de Misturas em Laboratório Fabrico de Provetes em Laboratório Breve referência aos processos de compactação laboratorial Influência das condições superficiais dos provetes na medição das suas propriedades volumétricas Processo de fabrico de provetes adoptado Considerações Finais Referências Bibliográficas CAPÍTULO 6 - MODELOS DE PREVISÃO DE CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS DE MISTURAS BETUMINOSAS NO DIMENSIONAMENTO DE PAVIMENTOS 6.1. Generalidades Modelos de Previsão do Módulo de Deformabilidade de Misturas Betuminosas Rigidez do betume Método da Universidade de Nottingham Método da Shell Método do Asphalt Institute Considerações complementares Leis de Previsão da Resistência à Fadiga de Misturas Betuminosas Generalidades Lei de fadiga da AASHTO Lei de fadiga do Asphalt Institute Lei de fadiga da Shell Lei de fadiga da Universidade de Nottingham Lei de fadiga do C.R.R Lei de fadiga do SHRP Considerações complementares Leis de Previsão da Resistência à Deformação Permanente de Misturas Betuminosas Generalidades Lei de comportamento da Shell Lei de comportamento da Universidade de Nottingham Lei de comportamento do Asphalt Institute Considerações complementares Considerações Finais Referências Bibliográficas CAPÍTULO 7 - EQUIPAMENTO ADOPTADO PARA A CARACTERIZAÇÃO MECÂ- NICA DAS MISTURAS EM LABORATÓRIO 7.1. Generalidades Sistema de Controlo da Temperatura de Ensaio Equipamento de Base Descrição geral Sistema de controlo digital e aquisição de dados Ondas de carregamento disponíveis e adoptadas nos ensaios Máquina de Flexão de Cargas Repetidas Estrutura de aplicação de carga Sistema de medição de deslocamentos Equipamento de Compressão Uniaxial de Cargas Repetidas Validação do Equipamento Construído Considerações Finais xiv

8 ÍNDICE 7.8. Referências Bibliográficas CAPÍTULO 8 - ANÁLISE DOS RESULTADOS DO MÓDULO DE DEFORMABILI-DADE E DO ÂNGULO DE FASE MEDIDOS EM LABORATÓRIO 8.1. Generalidades Variáveis Estudadas Experimentalmente Resumo e Análise dos Valores Medidos Resultados obtidos sobre provetes produzidos em laboratório Efeito da composição da mistura Efeito das condições de ensaio Resultados obtidos sobre provetes extraídos dos trechos experimentais Efeito da composição da mistura Efeito das condições de ensaio Análise global dos resultados obtidos Estabelecimento de Expressões de Previsão Considerações gerais Módulo de deformabilidade Ângulo de fase Comparação das expressões propostas com as adoptadas habitualmente Aplicação das expressões propostas à situação de projecto da EN Considerações Finais Referências Bibliográficas CAPÍTULO 9 - ANÁLISE DOS RESULTADOS DE RESISTÊNCIA À FADIGA OBSER- VADOS EM LABORATÓRIO 9.1. Generalidades Condições de Ensaio Adoptadas Temperatura Carregamento Resumo e Interpretação dos Resultados Experimentais Resultados obtidos sobre provetes produzidos em laboratório Interpretação clássica Análise em termos de energia dissipada Discussão dos resultados obtidos Resultados obtidos sobre provetes extraídos dos trechos experimentais Avaliação global dos resultados Previsão da Resistência à Fadiga de Misturas de Alto Módulo Comparação das Expressões de Previsão da Resistência à Fadiga Obtidas com as Utilizadas Habitualmente Considerações Finais Referências Bibliográficas CAPÍTULO 10 - ANÁLISE DOS RESULTADOS DE RESISTÊNCIA À DEFORMAÇÃO PERMANENTE OBSERVADOS EM LABORATÓRIO Generalidades xv

9 Caracterização Mecânica de Misturas Betuminosas de Alto Módulo de Deformabilidade Condições de Ensaio Adoptadas Temperatura Carregamento Parâmetros Adoptados para Caracterizar a Resistência à Deformação Permanente das Misturas Ensaiadas Resumo e Análise dos Valores Encontrados Resultados obtidos sobre provetes produzidos em laboratório Efeito da composição da mistura Efeito das condições de ensaio Resultados obtidos sobre provetes extraídos dos trechos experimentais Efeito da composição da mistura Efeito das condições de ensaio Análise Global dos Resultados Obtidos Previsão de Parâmetros de Resistência à Deformação Permanente de MAM Considerações Finais Referências Bibliográficas CAPÍTULO 11 - CONCLUSÕES GERAIS E TRABALHOS FUTUROS Síntese do Trabalho e Conclusões Gerais Prosseguimento de Trabalhos Futuros Considerações Finais Referências Bibliográficas VOLUME 2 APÊNDICE I - RESULTADOS EXPERIMENTAIS DOS ENSAIOS DE FLEXÃO: MÓDULOS DE DEFORMABILIDADE E ÂNGULOS DE FASE I.1. Valores Medidos para Temperatura Constante, Frequência de Carregamento e Nível de Extensão Variáveis...1 I.1.1. Misturas Ai.j aplicadas nos trechos experimentais...1 I.1.2. Misturas Bk.j aplicadas nos trechos experimentais...10 I.1.3. Misturas lab.ai produzidas e compactadas em laboratório...19 I.2. Valores Medidos para Temperatura e Nível de Extensão Constantes, Frequência de Carregamento e Composição da Mistura Betuminosa Variáveis...26 I.2.1. Misturas Ai.j aplicadas nos trechos experimentais...26 I.2.2. Misturas Bk.j aplicadas nos trechos experimentais...29 I.2.3. Misturas produzida e compactada em laboratório...33 I.3. Valores Medidos para cada uma das Composições Estudadas, para um Nível de Extensão Constante, Temperatura e Frequência de Carregamento Variáveis...38 I.3.1. Misturas Ai.j aplicadas nos trechos experimentais...38 I.3.2. Misturas Bk.j aplicadas nos trechos experimentais...44 I.3.3. Misturas lab.ai produzidas e compactadas em laboratório...50 APÊNDICE II - RESULTADOS EXPERIMENTAIS DOS ENSAIOS DE COMPRESSÃO UNIAXIAL E COM SIMULADOR DE TRÁFEGO xvi

10 ÍNDICE II.1. Ensaios de Compressão Uniaxial...53 II.1.1. Resultados obtidos sobre provetes recolhidos nos trechos experimentais...53 II.1.2. Resultados obtidos sobre provetes produzidos em laboratório...56 II.2. Ensaios com Simulador de Tráfego...57 APÊNDICE III - RESULTADOS DA MODELAÇÃO NUMÉRICA DAS TEMPERA- TURAS NO PAVIMENTO III.1. Beja (localização representativa da zona quente): meses de Junho a Setembro...59 III.2. Lisboa (localização representativa da zona média Sul-Mondego): meses de Junho a Setembro...61 III.3. Braga (localização representativa da zona média Norte-Mondego): meses de Junho a Setembro...63 III.4. Porto Serra do Pilar (localização representativa da zona temperada): meses de Junho a Setembro...65 APÊNDICE IV - ANÁLISE ESTATÍSTICA DOS RESULTADOS DOS ENSAIOS DE FLEXÃO...67 APÊNDICE V - ANÁLISE ESTATÍSTICA DOS RESULTADOS DOS ENSAIOS DE COMPRESSÃO UNIAXIAL...71 xvii

11 xviii Caracterização Mecânica de Misturas Betuminosas de Alto Módulo de Deformabilidade