ESTUDO EXPERIMENTAL DO DESEMPENHO DE PAVIMENTOS FLEXÍVEIS EM CONCRETO ASFÁLTICO: CONSTRUÇÃO E INSTRUMENTAÇÃO DE SEÇÕES-TESTE

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1 32 a Reunião de Pavimentação Brasília ESTUDO EXPERIMENTAL DO DESEMPENHO DE PAVIMENTOS FLEXÍVEIS EM CONCRETO ASFÁLTICO: CONSTRUÇÃO E INSTRUMENTAÇÃO DE SEÇÕES-TESTE Fernando Pugliero Gonçalves 1 Jorge Augusto Pereira Ceratti 1 Régis Martins Rodrigues 2 Luiz Somacal Neto 3 1 Universidade Federal do Rio Grande do Sul UFRGS Curso de Pós-Graduação em Engenharia Civil CPGEC Av. Osvaldo Aranha, 99/3 0 Andar Porto Alegre RS Brasil CEP: pugliero@vortex.ufrgs.br e ceratti@adufrgs.ufrgs.br Fone: Fax: Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA São José dos Campos SP Brasil regis@infra.ita.cta.br 3 Departamento Autônomo de Estradas de Rodagem do Estado do Rio Grande do Sul Av. Guaiba, Assunção Porto Alegre - RS - Brasil CEP: Fone: Fax:

2 ESTUDO EXPERIMENTAL DO DESEMPENHO DE PAVIMENTOS FLEXÍVEIS EM CONCRETO ASFÁLTICO: CONSTRUÇÃO E INSTRUMENTAÇÃO DE SEÇÕES-TESTE Palavras-chave: pavimentos, misturas asfálticas, ensaios acelerados, instrumentação. RESUMO Apresenta-se o estado atual de desenvolvimento de uma pesquisa cujo propósito principal é a investigação do desempenho oferecido por estruturas de pavimentos flexíveis em concreto asfáltico. Neste sentido, até o presente momento, foram executadas seis (06) seções-teste com diferentes tipos e espessuras de revestimentos asfálticos. Tais seções foram instrumentadas com medidores de deformação e com células de pressão total e serão submetidas a ensaios acelerados com um simulador linear de tráfego. Dentre os parâmetros definidos para interpretação do desempenho dos pavimentos durante os ensaios acelerados em escala real estão: deformação horizontal na face inferior das camadas asfálticas de revestimento, tensões em pontos críticos da estrutura e deformação vertical do solo de subleito. Neste trabalho, fundamentalmente, são apresentadas as atividades referentes a execução e a instrumentação das seções experimentais. 1. INTRODUÇÃO Um pavimento flexível com revestimento em concreto asfáltico deteriora-se gradualmente ao longo do tempo devido a dois mecanismos diretamente associados à passagem repetida das cargas do tráfego: o trincamento por fadiga das camadas asfálticas e os afundamentos em trilha de roda decorrentes do acúmulo de deformações plásticas em todas as camadas da estrutura. As condições ambientais a que o pavimento está sujeito, onde se incluem as condições de temperatura do ar, a insolação, a pluviometria e as condições de drenagem subsuperficial e profunda, afetam as velocidades com que a degradação estrutural se processa, por influírem nas propriedades mecânicas e de durabilidade dos materiais das camadas do pavimento e por gerarem tensões quando a estrutura tende a restringir movimentações volumétricas de natureza térmica ou de variação de umidade. De maneira geral, o dimensionamento estrutural de um pavimento flexível tem sido feito aplicando-se métodos de origem empírica que definem a espessura total necessária para que as camadas de subleito e de reforço do subleito sejam adequadamente protegidas contra a geração excessiva de deformações plásticas, ao mesmo tempo que estipulam, com base no tráfego de projeto, as espessuras mínimas das demais camadas, desde que os materiais empregados atendam a determinadas especificações. Esses métodos apresentam as vantagens da simplicidade de aplicação e de refletirem desempenhos reais observados em pavimentos em serviço. Tem sido notório, contudo, que a extrapolação desses métodos para condições fora das que lhes deram origem leva a sub-dimensionamentos ou super-dimensionamentos. Este fato deu origem a um grande número de pesquisas no sentido de se obter modelos de previsão de desempenho (Rodrigues, 2000, e Witczack et al. 1998). Somente através de modelos deste tipo se pode efetuar projetos considerando o uso de materiais para os quais não se tem experiência de campo suficiente para a elaboração de um modelo empírico adequado. Neste contexto, apresenta-se o estado atual de desenvolvimento de uma pesquisa cujo propósito principal é o de investigar o desempenho de pavimentos flexíveis em concreto asfáltico. Sendo que nesta, deverá ser estudado o comportamento de misturas asfálticas

3 convencionais (CBUQ) e modificadas com polímeros (CAM) sob ensaios realizados em laboratório e ensaios acelerados efetuados em escala real. No presente trabalho, são descritas as etapas de execução e de instrumentação de seis seções experimentais implantadas na Área de Pesquisas e Testes de Pavimentos da UFRGS-DAER/RS. Tais seções-teste terão o seu desempenho monitorado em termos da evolução de mecanismos principais de degradação durante a realização de ensaios acelerados in situ com um simulador linear de tráfego. Também, são apresentados os parâmetros principais obtidos na fase de projeto das misturas asfálticas utilizadas. 2. PROJETO DO EXPERIMENTO O planejamento do experimento inclui a realização de estudos de laboratório com vistas a se poder caracterizar e selecionar as misturas asfálticas utilizadas na construção das seções experimentais. Tais ensaios, listados na seqüência, foram desenvolvidas nos laboratórios de pavimentação da UFRGS e do DAER/RS: dosagem através do método Marshall, ensaio dinâmico de compressão diametral a cargas repetidas para determinação do módulo de resiliência, determinação da resistência à tração por compressão diametral. Também, as misturas concebidas serão submetidas a ensaios de fadiga, afundamento em trilha de roda, desgaste, condutividade hidráulica e envelhecimento. A variável dependente, a ser quantificada com base no monitoramento do desempenho oferecido pelos pavimentos no campo, é a vida útil oferecida. Sendo, esta, definida como o tempo necessário para que as cargas aplicadas pelo tráfego imposto ao pavimento através do simulador de tráfego provoquem níveis de deterioração acima dos quais o mesmo não mais oferece condições aceitáveis de conforto ao rolamento e de segurança para o usuário. Na seqüência, estão apresentados os fatores controláveis eleitos para investigação na fase de estudos no campo: Espessura da camada de revestimento asfáltico (H): é um fator fixo a três níveis: 4, 6 e 8 cm; Carga de eixo (C): é um fator fixo a três níveis: 82, 100 e 130 kn;. Tipo de mistura asfáltica (M): é um fator fixo a dois níveis (concreto asfáltico convencional e modificado com polímeros). Para que seja possível se levar em conta a não-linearidade das relações entre as variáveis dependentes e os fatores controláveis os níveis foram combinados como mostra a matriz experimental, derivada com auxílio do software Statistica, apresentada na Tabela 1. Nesta, pode-se ver que o experimento definido ficou bem equilibrado. Os números 1, 0 e 1 representam os níveis baixo, médio e alto de cada fator, respectivamente. No projeto em questão tem-se três fatores controláveis, sendo: dois a três níveis (carga aplicada e espessura do revestimento) e um terceiro a dois níveis (tipo de mistura). Para ter-se um projeto cruzado seriam necessários os resultados de pelo menos 18 testes, sem incluir repetições. Devido às restrições intrínsecas à pesquisa em desenvolvimento, serão ensaiadas 12 setores sendo dois em cada pista experimental. 3. CARACTERIZAÇÃO DAS MISTURAS ASFÁLTICAS Primeiramente, foi realizado um estudo de laboratório com vistas a caracterização dos materiais a serem utilizados. Foram executados os ensaios preconizados pelo Método Marshall, adotando-se uma curva granulométrica enquadrada na Faixa B da especificação

4 ESP-16/91 do DAER/RS (Figura 1). Na seqüência, para as diferentes composições, foram realizados ensaios de módulo de resiliência e resistência à tração. Os resultados obtidos nos ensaios realizados e na determinação dos parâmetros do Método Marshall para as misturas concebidas estão apresentados na Figura 2. O teor ótimo de ligante adotado foi de 5,0 %. Sendo, sua determinação estabelecida com base numa análise integrada dos resultados derivados e levando-se em consideração a situação na qual as misturas asfálticas estarão submetidas no campo durante a aplicação das cargas pelo simulador linear de tráfego. Os ligantes utilizados na composição das misturas asfálticas foram o CAP-20 e o BETUFLEX (asfalto modificado produzido pela Ipiranga Asfaltos S.A.). Durante a execução das seções experimentais foram moldados corpos de prova os quais deverão ser ensaiados para determinação das leis de fadiga, verificação do comportamento quanto a ocorrência de deformações permanentes, módulo de resiliência e resistência à tração. 4. EXECUÇÃO DAS SEÇÕES EXPERIMENTAIS A execução das seções-teste foi concluída no dia dois de setembro de No que diz respeito aos pavimentos das pistas experimentais destacam-se os seguintes aspectos: Foram executadas seis pistas experimentais. Sendo três com revestimento constituído por mistura asfáltica convencional e três com mistura asfáltica modificada com polímeros; As espessuras das camadas de revestimento são 4, 6 e 8 cm; A camada de reforço do subleito existente na Área de Pesquisas e Testes de Pavimentos UFRGS-DAER foi mantida da maneira como se encontra atualmente, após a solicitação das seções experimentais com basalto alterado; As camadas granulares de base e de sub-base são constituídas de brita graduada com granulometria compatível com a classificação Faixa B e Classe A do DAER-RS; As espessuras das camadas de base de todas as seções são iguais (30 cm de brita graduada). 5. INSTRUMENTAÇÃO DOS PAVIMENTOS Durante a execução das pistas experimentais foram instalados instrumentos configurados com o propósito de permitirem a investigação de respostas fundamentais dos pavimentos quando estes forem submetidos às cargas repetidas do simulador de tráfego. Tais respostas incluem a medição de tensões e deformações no interior das camadas dos pavimentos. O grupo principal de sensores utilizado é constituído por células de pressão total e extensômetros de resistência elétrica. Os locais para instalação dos instrumentos incluem pontos críticos ao longo da profundidade do pavimento, conforme a representação esquemática mostrada na Figura 3. Para os extensômetros de resistência elétrica foram adotadas duas configurações: roseta a 45 0 e H-gage (Figuras 4 e 5). Foram instalados quatro (04) medidores de deformação vertical, conforme mostrado na Figura 6, quarenta (40) medidores de deformação horizontal e dezoito (18) células de pressão total, todos da marca Kyowa. Sendo que seis células foram instaladas com o propósito de permitirem o monitoramento do acréscimo das tensões horizontais e verticais com a passagem dos rolos compactadores no interior das camadas granulares de base e de sub-base. As camadas granulares de base e de sub-base foram compactadas através da aplicação de rolos dos tipo vibratório e de pneus. Foram realizadas medidas em intervalos correspondentes a cada passagem dos equipamentos de compactação. Sendo registrados os efeitos sob o carregamento dinâmico e as respostas lidas imediatamente após a retirada da carga imposta

5 pelo rolo compactador. Os locais de instalação das células de pressão total para investigação das tensões verticais e horizontais ocasionadas durante a compactação da brita graduada estão mostrados na Figura 7. Algumas leituras registradas imediatamente após cada passagem do rolo compactador estão mostradas na Figura 8. Os dispositivos configurados para a instalação das células de pressão total no interior das camadas de brita graduada estão mostrados nas Figuras 9 e 10. Vale destacar que a calibração dos intrumentos utilizados no campo foi realizada em laboratório nos mesmos materiais e tipo de configuração adotada para as leituras realizadas durante a compactação das camadas do pavimento. Os procedimentos adotados para calibração das células de pressão total em laboratório estão descritos em Gonçalves, et al., Durante a instalação dos sensores e a execução do revestimento asfáltico foram adotados procedimentos com vistas a protegê-los evitando que os mesmos fossem danificados pelos equipamentos pesados. Dentre os cuidados observados destacam-se: limpeza da superfície de instalação, utilização de areia fina e de emulsão asfáltica para o assentamento, proteção dos cabos elétricos e lançamento manual da massa asfáltica sobre os sensores e os cabos elétricos. Para a leitura das respostas durante os ensaios a serem realizados no campo foi desenvolvido um sistema de aquisição de dados com as seguintes características principais: (1) o sistema desenvolvido para a calibração dos instrumentos em laboratório também será utilizado para as leituras no campo e (2) o sistema configurado permite uma taxa de aquisição de dados elevada. O sistema de aquisição de dados configurado é formado por uma placa amplificadora e uma conversora A/D (analógico para digital). As principais características da placa amplificadora são: Marca ComputerBoards (tipo CIO-SSH16); Possui 4 canais de leitura (padrão) expansível até 16 canais (foram instalados 12 canais); Tempo de aquisição de 4uS; Taxa máxima de aquisição de 250Khz; Amplificação de: 1x, 10x, 100x, 200x, 300x, 500x, 600x, 700x, 800x e Precisão: 0,01% ± 1 bit. O ganho aplicado foi ajustado individualmente para cada instrumento. A fonte de alimentação utilizada possui as seguintes características (a) saída simétrica de 0 a 30 volts ajustáveis (b) saída independente de 5 volts; (c) corrente máxima de saída de 2A e (c) estabilidade e baixo nível de ruído. Estas características garantem confiabilidade para a utilização da fonte em circuitos de instrumentação. Os sensores do tipo extensômetros de resistência elétrica ou strain gages de 120 Ohms, instalados para determinação da deformação horizontal na face inferior do revestimento asfáltico, são medidos em circuito tipo ponte de Wheatstone. Sendo que para se completar a ponte utilizou-se, além do sensor inserido na camada asfáltica, outros três (03) strain gages com características similares os quais foram colados numa superfície metálica, fazendo-se assim um perfeito balanceamento do circuito. Nas atividades de aquisição dos dados estão sendo utilizados vários softwares, dentre os quais destacam-se: Microsoft Excel, Microsoft Windows 98 e Microsoft Word. Os programas de controle foram desenvolvidos em um software comercial chamado HP-VEE, desenvolvido pela Hewlett Packard. Tal software está disponível especificamente para aquisição de dados e controle de processos e suas principais características são: (1) programação visual (2) permite a utilização de sub-rotinas pré-programadas e (3) facilita a interface com outros aplicativos. Até o momento, nesta pesquisa, foram desenvolvidos dois programas em HP-VEE. Sendo um destes para aquisição de dados sob carregamento estático e o outro para aquisição sob carregamento dinâmico. As principais características das células de pressão total instaladas estão mostradas na Tabela 2. O processo de montagem, calibração e as técnicas adotadas para a instalação dos sensores no interior dos pavimentos estão descritos em Gonçalves, 2000.

6 6. CONCLUSÃO Foram apresentadas algumas das atividades realizadas no sentido de se viabilizar o desenvolvimento de um projeto de pesquisa cujo objetivo principal é a investigação do desempenho a ser oferecido por misturas asfálticas convencionais e modificadas com polímeros quando estas forem submetidas a ensaios acelerados em verdadeira grandeza com um simulador linear de tráfego. Tal pesquisa está em andamento na Área de Pesquisas e Testes de Pavimentos - UFRGS/DAER. Até o momento, o estado de desenvolvimento dos trabalhos poder ser sintetizado pelo cumprimento das seguintes etapas: (1) Planejamento do experimento; (2) Caracterização dos materiais das camadas de base, sub-base e subleito; (3) Projeto das misturas asfálticas e realização de ensaios em laboratório; (4) Construção e instrumentação de seis pistas experimentais; (5) Calibração de células de pressão total em diferentes meios (ar, areia, argila e brita graduada) no laboratório e; (6) Desenvolvimento de um sistema de aquisição de dados para instrumentação das seções experimentais em verdadeira grandeza. Prevê-se que o início dos ensaios acelerados nas pistas experimentais executadas deverá ocorrer no mês de outubro de AGRADECIMENTOS Aos auxiliares de pesquisa, técnicos e pesquisadores envolvidos no desenvolvimento deste estudo e ao CNPq pelo suporte financeiro destinado. Em especial, nosso agradecimento, a Ipiranga Asfaltos S.A. e a Concessionária da Rodovia Osório Porto Alegre S.A. pelo apoio e engajamento na execução das pistas experimentais. 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CERATTI, J. A., NÚÑEZ, W. P., GEHLING, W. Y., OLIVEIRA, J. A. - A Full-Scale Study of Rutting of Thin Pavements - Transportation Research Board, 79 th Annual Meeting, January 9-13, 2000, Washington, D. C. GONÇALVES, F. P. - Seminário de Doutorado, CPGEC/UFRGS, Porto Alegre, Junho de GONÇALVES, F. P.; CERATTI, J. P. E NETO, L. S. - Investigação do Desempenho de Misturas Asfálticas Convencionais e Modificadas com Polímeros: Proposição de um Estudo Envolvendo Ensaios Acelerados de Pavimentos com um Simulador Linear de Tráfego. Simpósio Internacional de Manutenção e Restauração de Pavimentos e Controle Tecnológico - Instituto Mackenzie, São Paulo, S. P., maio, RODRIGUES, R. M. - Performance Prediction Models for Highway and Airport Pavements in Brasil - Final Report - FAPESP, April WITCZACK, M. W., VON QUINTUS, H. L. AND SHWARTZ, C. W. - Superpave Suport and Performance Models Management: Evaluation of the SHRP Performance Models System

7 Tabela 1 - Matriz experimental Estudo de campo Pista Trilha M H C M H C MH MC HC MHC 1 1 CBUQ CBUQ CAM CAM CAM CAM CBUQ CBUQ CBUQ CBUQ CAM CAM Tabela 2 - Características das células de pressão total Capacidade de Diâm. Espessura Vexc. máx. Diâmetro Camada a ser carga (kgf/cm 2 ) (mm) (mm) (volts) sensível (mm) instalada Subleito Base e sub-base Base 120,0 Distribuição Granulométrica 100,0 Limite inferior Limite superior Centro da faixa Faixa adotada Porcentagem que passa 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 3/4" 1/2" 3/8" n 4 n 8 n 30 n 50 n 100 n 200 Abertura das peneiras Figura 1 - Composição granulométrica das misturas asfálticas

8 2,44 7,0 CAM CAP-20 6,0 2,43 CAM CAP-20 5,0 Vv (cap-20) = -2,02x + 15,27 R 2 = 0,9873 Densidade Aparente 2,42 vazios (%) 4,0 3,0 Vv (cam) = -2,26x + 16,37 R 2 = 0,9905 2,41 2,0 2,4 1,0 16,8 CAM CAP-20 13,5 CAM CAP-20 16,6 12,5 Vazios no Agregado Mineral (%) 16,4 16,2 16,0 VAM (cap-20) = 0,3333x 3-5,6714x ,252x - 44,88 R 2 = 0,9631 Fluência (1/100") 11,5 10,5 9,5 F (cam) = 1,2975x 1,2377 R 2 = 0,9345 VAM (cam) = 0,6667x 3-11x ,133x - 92,8 R 2 = 1 15,8 8,5 F (cap-20) = 3,4869x 0,5495 R 2 = 0, ,6 7, CAM CAP CAM CAP Relação betume vazios (%) RBV (cam) = 12,658x 1,0471 R 2 = 0,9944 RBV (cap-20) = 14,458x 0,9606 R 2 = 0,9944 Estabilidade (kgf) E (cam) = -133,33x ,7x x R 2 = 0,9948 E(cap-20) = 136,67x ,1x x R 2 = 0, , ,25 CAM CAP ,2 Módulo de Resiliência (MPa) CAM CAP - 20 MR (cap-20) = 35194x -1,5008 R 2 = 0,9564 MR (cam) = 34282x -1,4961 R 2 = 0,8173 Resistência à Tração (MPa) 1,15 1,1 1,05 1 0, , , ,8 Figura 2 - Parâmetros das misturas asfálticas

9 350 cm LEGENDA Extensômetro de resistência elétrica Célu la de pressão total - 10 kgf/cm 2 Célu la de pressão total - 5 kgf/cm cm Célu la de pressão total - 2 kgf/cm 2 SEÇÃO TRANSVERSAL SEÇÃO LONGITUDINAL Figura 3 Representação esquemática de uma seção-teste instrumentada Figura 4 - Instalação de extensômetros de resistência elétrica na face inferior da camada asfáltica - Roseta a 45 0

10 Figura 5 - Instalação de extensômetros de resistência elétrica na face inferior da camada asfáltica - H-gage Figura 6 - Instalação de medidores de deformação vertical no subleito

11 A B C D E F Bita graduada Bita graduada Solo argiloso A - Célula com capacidade de carga de 0,5 MPa - Posição horizontal B - Célula com capacidade de carga de 0,5 MPa - Posição vertical C - Célula com capacidade de carga de 1,0 MPa - Posição horizontal D - Célula com capacidade de carga de 1,0 MPa - Posição vertical E - Célula com capacidade de carga de 1,0 MPa - Posição horizontal F - Célula com capacidade de carga de 1,0 MPa - Posição vertical Figura 7 Locais de instalação das células de pressão total no interior da brita graduada Leituras (mv) Direção horizontal Direção vertical Número de passagens do rolo compactador Figura 8 Resultados obtidos em leituras realizadas após cada passagem do rolo compactador

12 Figura 9 Instalação de célula de pressão total para medição de tensões horizontais durante a compactação da brita graduada Figura 10 Instalação de célula de pressão total para medição de tensões verticais durante a compactação da brita graduada