O Desempenho dos Pavimentos Flexíveis. Prof. Fernando Pugliero Gonçalves

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1 O Desempenho dos Pavimentos Flexíveis Prof. Fernando Pugliero Gonçalves Novembro de

2 Índice 1. INTRODUÇÃO EVOLUÇÃO DA TECNOLOGIA APLICADA À PAVIMENTAÇÃO PROJETO DE PAVIMENTOS FATORES DE PROJETO CONSIDERAÇÕES SOBRE O DIMENSIONAMENTO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS PAVIMENTOS FLEXÍVEIS EM CONCRETO ASFÁLTICO FATORES QUE INFLUEM NO DESEMPENHO DE PAVIMENTOS FLEXÍVEIS O COMPORTAMENTO DOS PAVIMENTOS FLEXÍVEIS CONSIDERAÇÕES SOBRE AS CONDIÇÕES CLIMÁTICAS ESTUDOS EXPERIMENTAIS ENVOLVENDO ENSAIOS ACELERADOS DE PAVIMENTOS O DESEMPENHO DE MISTURAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS - ESTUDO DE CASOS Caso 1 - Estudo do desempenho de misturas porosas Caso 2 - Estudo experimental de misturas modificadas MODELOS DE PREVISÃO DE DESEMPENHO MODELOS EMPÍRICOS MODELOS MECANÍSTICO-EMPÍRICOS REVISÃO BIBLIOGRÁFICA PARCIAL SOBRE MODELOS DE PREVISÃO DE DESEMPENHO O TRINCAMENTO DOS PAVIMENTOS ASFÁLTICOS PRINCIPAIS CAUSAS DO TRINCAMENTO PROPAGAÇÃO DAS TRINCAS CLASSIFICAÇÃO DAS TRINCAS CONSEQÜÊNCIAS DESFAVORÁVEIS DAS TRINCAS A REFLEXÃO DE TRINCAS FADIGA DAS MISTURAS ASFÁLTICAS Fatores que influem na vida de fadiga das misturas asfálticas PREVISÃO DA OCORRÊNCIA DE TRINCAMENTO POR FADIGA AFUNDAMENTOS EM TRILHA DE RODA REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

3 1. Introdução A tarefa de se melhorar o desempenho dos pavimentos é uma atividade complexa e se constitui num desafio constante. Para vencê-lo, diversos programas de pesquisas vem sendo desenvolvidos ao longo do tempo em vários países. Dentre estes, atualmente, destacam-se a pesquisa Long Term Pavement Performance, as pesquisas envolvendo ensaios acelerados de pavimentos e o estabelecimento de especificações com base no desempenho. Esses estudos têm como objetivo comum propiciar aos responsáveis pelo processo de tomada de decisão e, aos técnicos rodoviários, informações e ferramentas capazes de auxiliá-los nas atividades de projeto e manutenção dos pavimentos, de modo que estes possam oferecer um bom desempenho ao longo de sua vida de serviço (relação custo-benefício, conforto ao rolamento e segurança do usuário). O controle dos mecanismos principais de deterioraração e o estabelecimento de modelos de previsão de desempenho dos pavimentos são atividades essenciais para a eficácia da gerência de uma determinada rede pavimentada. Entende-se por desempenho de um pavimento o grau com que o mesmo atende as funções que lhe são impostas ao longo de sua vida de serviço. A interpretação do desempenho oferecido por um determinado pavimento busca, identificar de maneira objetiva a sua condição atual e futura, possibilitando definir de forma racional as ações que compõe um Sistema de Gerência de Pavimentos. Nesse sentido, diversos órgãos rodoviários tem, ao longo do tempo, desenvolvido uma grande variedade de modelos de previsão de desempenho para utilização em suas atividades de gerenciamento dos pavimentos. De acordo com Rodrigues (1997), a engenharia de pavimentação moderna envolve a concepção, o projeto, a construção, a manutenção e a avaliação de pavimentos dentro de fatores e condicionantes técnicos, econômicos, operacionais e sociais. Sendo, neste contexto mais amplo, fundamental, para uma otimização de fato, a aplicação de modelos de previsão de desempenho mecanístico-empíricos, cuja tecnologia se encontra hoje em condições operacionais 4

4 O desempenho de um pavimento apresenta diferenças quando é analisado em nível de rede ou em nível de projeto. Também é preciso levar em conta a esfera em que a malha viária está envolvida, ou seja, municipal, estadual ou federal. Na fase de projeto, o desempenho é definido pelas condições oferecidas pelo pavimento em termos da presença e da severidade de mecanismos de deterioração eleitos a priori (ex.: trincamento por fadiga, deformações plásticas, serventia do pavimento e condições de atrito). Os modelos de previsão de desempenho podem ser de dois tipos: determinísticos e probabilísticos. Modelos determinísticos prevêm um único número para a vida de serviço do pavimento ou para o grau de deterioração. Já os modelos probabilísticos incluem análise de distribuição de probabilidade. São utilizados preferencialmente em nível de rede, devido às maiores incertezas associadas a esse nível. Os modelos estabelecidos a partir de respostas fundamentais fornecidas pelo pavimento permitem a previsão das principais respostas a serem oferecidas pelo pavimento quando da sua solicitação pelas cargas do tráfego e pelas condições climáticas, tais como: deflexões, tensões, deformações, tensões térmicas, teor de umidade e temperatura. Esses modelos podem ser do tipo empíricos, mecanísticos ou mecanístico-empírico (modelos calibrados com dados observados no campo). Existem modelos que congregam defeitos de toda espécie que ocorrem nos pavimentos e compõe medidas de condições do pavimento tais como o Pavement Condition Index (PCI). Esses modelos podem ser empíricos ou mecanístico-empíricos. Nenhum modelo inteiramente mecanístico para quantificação de defeitos foi desenvolvido até o momento, embora não exista nenhuma razão para que eles não possam ser formulados e desenvolvidos. Já os modelos oriundos da interpretação do desempenho funcional do pavimento prevêem, de modo geral, o Present Serviciability Index (PSI) e o grau de conforto e segurança oferecidos pela via. Procuram refletir quanto o pavimento atende as necessidades de conforto e segurança do usuário ao trafegar pela via. Existem, ainda, modelos derivados tanto dos modelos de desempenho funcionais quanto dos estruturais, acrescendo-se a determinação dos fatores de equivalência de cargas (damage models). A caracterização dos motivos que fazem com que alguns pavimentos ofereçam um desempenho superior a outros é um elemento chave para que se possa construir e manter de forma eficaz um sistema de rodovias. Em função disso, em 1987 teve início a 5

5 pesquisa Long Term Pavement Performance (LTPP), um programa que deverá durar 20 anos e tem como propósito principal estudar o desempenho de diferentes tipos de pavimentos em serviço. Envolvendo, para tanto, uma série de rigorosos testes e monitoramento de pavimentos asfálticos e de concreto cimento nos Estados Unidos e Canadá. Na primeira década o programa LTPP estabeleceu uma base de conhecimento com vistas ao entendimento do desempenho oferecido pelos pavimentos. Atualmente, entrando na sua segunda década, o grande desafio do programa é entender e explicar porque os pavimentos apresentaram tal desempenho. Nesse sentido, os responsáveis pela pesquisa estão promovendo a abertura dos dados coletados durante a primeira década. Também, está sendo distribuido a pesquisadores do campo de pavimentação que tenham interesse em colaborar na interpretação do desempenho oferecido pelas seções avaliadas, o software DataPave o qual, possibilita acesso aos dados do LTPP através de um CD-ROM. 2 - Evolução da tecnologia aplicada à pavimentação A tecnologia envolvida na pavimentação evoluiu, na medida em que aumentava o volume de tráfego e a magnitude das cargas dos veículos, desde os procedimentos baseados em tentativa de erro, anteriores a 1920, até se efetuar a integração de todas as atividades envolvidas em se administrar uma malha viária (planejamento, projeto, construção, manutenção, monitoriamento e pesquisa), dentro do moderno conceito de Sistema de Gerência de Pavimentos. Esta evolução, que acompanhou o aumento da demanda por pavimentos rodoviários e aeroportuários que oferecessem maior durabilidade, melhores condições funcionais, em termos de segurança e de conforto ao usuário, e uma utilização mais economica e racional dos recursos e materiais disponíveis, está sintetizada na Tabela 1. 6

6 Tabela 1 - Evolução da tecnologia de pavimentos (FONTE: período estado de desenvolvimento Antes de 1920 Inexistência de projeto. Construções eram baseadas em tentativa e erro e na experiência local Surgimento da Mecânica dos Solos. Primeiras Classificações de solos com base em sua adequação como fundação dos pavimentos (Hogentogler e Terzaghi). Construções utilizavam seções padrão. Primeira pista experimental em Illinois WASHO Road Test, que evidenciou a deterioração acelerada que ocorre durante o degelo da primavera, e demostrou a influência da espessura do revestimento asfáltico no desempenho dos pavimentos flexíveis. Surge o sistema de classificação de solos aeroportuário (Casagrande, 1948) AASHO Road Test. Sintese da experiência californiana (com base no desempenho de rodovias em serviço). Método USACE (CBR) Consolidação da Mecânica dos Pavimentos, como ferramenta básica para o dimensionamento estrutural dos pavimentos. Intensos estudos de laboratório sobre as propiedades mecânicas (reológicas, de fadiga e de deformações permanentes) dos materiais de pavimentação Modelos de previsão de desempenho mecanístico-empíricos. Estruturação dos Sistemas de Gerência de Pavimentos. A reflexão de trincas em recapeamentos asfálticos se torna uma preocupação central na restauração dos pavimentos. Surgem os equipamentos automatizados para avaliação estrutural não destrutiva. Pesquisas fundamentais em trechos instrumentados e pistas circulares. Surge o Heavy Vehicle Simulator (África do Sul), para ensaios de fadiga acelerados em verdadeira grandeza. Estudos sobre os efeitos das cargas dinâmicas dos diversos tipos de eixos e suspensões. Pesquisa SHRP Atual Consolidação e implementação dos resultados da pesquisa SHRP. Início da pesquisa LTPP do FHWA, para calibração de modelos de previsão de desempenho, com base no monitoramento de seções de pavimentos em rodovias em serviço nos EUA e Canada, a ser executado durante 15 anos 7

7 3 - Projeto de pavimentos Um pavimento é uma estrutura que tem as seguintes funções principais: (1) Propiciar uma superfície de rolamento que atenda a requisitos de conforto e segurança para o tráfego, nas velocidades operacionais da via; (2) Manter essas características acima de limites admissíveis em quaisquer condições climáticas. A partir do início da década de 60 foram estabelecidas curvas para projeto de pavimentos flexíveis. Tompson et al. (1998) apontam que, desde então, dois critérios principais de falha vem sendo usados em procedimentos de projeto: (1) Limitação da deformação vertical de compressão no topo do subleito com vistas a se reduzir a presença de deformações permanentes no pavimento; (2) Limitação da deformação horizontal de tração na face inferior da camada de revestimentos asfáltico para minimizar a ocorrência de trincamento por fadiga. Alguns dos métodos de projeto atualmente em uso como o do Instituto do Asfalto e o da Shell estabelecem critérios de falha, como por exemplo, pela limitação de ATR a valores admissíveis em torno de 13 mm ou estabelecendo um número admissível de repetições de carga para se atingir um determinado nível de deformação de tração definida com base em ensaios de fadiga realizados em laboratório e/ou calibração efetuada a partir de dados de desempenho obtidos no campo. As respostas de um pavimento flexível quando submetido as cargas do tráfego (tensões, deformações, deslocamentos) são significativamente influenciadas pelo subleito. Uma porcentagem elevada da deflexão que ocorre na superfície do pavimento é acumulada no subleito. Se a deflexão na superfície for um critério de projeto, a necessidade de uma caracterização adequada do subleito torna-se óbvia. Uma caracterização adequada do subleito requer que sejam efetuadas considerações acerca da variação das propriedades do solo do subleito ao longo do pavimento (variabilidade longitudinal) e ao longo do tempo (efeito da sazonalidade e da variação climática). 8

8 Camadas granulares de base e sub-base são componentes essenciais para o desempenho de pavimentos flexíveis. Sua função principal é a de reduzir as tensões provocadas pelas cargas repetidas do tráfego e transmití-las ao subleito de maneira a minimizar a ocorrência de ATR. Além disso, as camadas granulares tem especial importância em pavimentos de baixo volume de tráfego onde a espessura do revestimento é pequena ou somente tratamento superficial é utilizado. Os módulos resilientes dos materiais das camadas granulares e do solo de subleito são parâmetros fundamentais para avaliação do comportamento estrutural de pavimentos flexíveis. No entanto, para que se possa caracterizar de maneira adequada esse comportamento estrutural, especialmente de materiais granulares e do solo de subleito, é essencial que se determine a variação da magnitude dos valores dos módulos dessas camadas tanto em relação a profundidade como no sentido longitudinal da via (variabilidade construtiva). Diversos programas desenvolvidos para a análise de pavimentos flexíveis permitem que se considere a não linearidade do materiais. No guia da AASHTO (1986) os valores de módulo de resiliência são utilizados para caracterizar solos de subleito e definir coeficientes de equivalência estrutural para as camadas granulares de base e sub-base. Também, são destacadas as dificuldades encontradas por diversos órgãos rodoviários estaduais americanos em estabelecer módulos de resiliência adequados ao processo de input prescrito pelo método de dimensionamento da AASHTO. A determinação dos módulos de resiliência das camadas que compoe uma estrutura de pavimento pode ser efetuada através dos seguintes procedimentos: Ensaios de módulo de resiliência realizados em laboratório; Retroanálise a partir de levantamentos deflectométricos efetuados com o FWD; Estimado a partir de propriedades dos materiais (ex.: granulometria, teor de argila, etc) Atribuídos com base na experiência adquirida na utilização de solos ou materiais granulares similares. De acordo com Rodrigues (1998), um pavimento dificilmente sofre ruptura catastrófica, a menos que haja erro de projeto geotécnico em casos como os de pavimentos assentes em 9

9 aterros sobre solos moles. A sua degradação se dá de forma contínua, ao longo do tempo, por meio de mecanismos complexos e ainda não inteiramente equacionados, onde gradativamente vão se acumulando deformações plásticas e trincas nas camadas, decorrentes de uma combinação entre a ação das cargas do tráfego e os efeitos do intemperismo (variações de temperatura e umidade ao longo do tempo). Além disso, a ruptura de um pavimento é, até certo ponto, indefinida e subjetiva, havendo divergências entre os técnicos e administradores quanto ao melhor momento de se restaurar um pavimento que atingiu um certo nível de deterioração estrutural e/ou funcional. Dois fatos decorrem desses aspectos: As conseqüências do mau desempenho de um pavimento nem sempre são imediatamente visíveis. Os prejuízos econômicos causados por elevações nos custos de manutenção e, mais importante ainda, nos custos operacionais dos veículos, podem ser, contudo, extremamente elevados. Além disso, a escassez de recursos para investimentos em infra-estrutura nos países em desenvolvimento torna a tecnologia envolvida na pavimentação um item muito importante para a economia desses países; A previsão do desempenho futuro de um pavimento ou de medidas de manutenção a ele aplicadas é um problema extremamente complexo. Sua importância é tão elevada, contudo, que as pesquisas na área do desenvolvimento e calibração de modelos de previsão do desempenho têm sido intensas em todo o mundo. As etapas de projeto e manutenção dos pavimentos são influenciadas, de forma predominante, pelo tipo de revestimento utilizado. Assim, pode-se classificar os pavimentos nos seguintes tipos fundamentais: Pavimentos asfálticos; Pavimentos semi-rígidos; Pavimentos rígidos; Pavimentos de blocos rígidos. 10

10 3.1 - Fatores de projeto Os seguintes fatores devem ser considerados ao se efetuar o projeto de um pavimento: Características e condições do solo de subleito; Tráfego esperado (magnitudes e freqüências das cargas dos veículos ou aeronaves); Materiais de construção disponíveis a distâncias de transporte economicamente viáveis; Práticas construtivas locais e experiência e habilidade das empresas de construção; Condições climáticas (pluviometria e oscilações térmicas); Importância da rodovia ou aeroporto, traduzida por meio de um nível de confiabilidade (N C ) que o pavimento deverá apresentar. Quanto maior for o N C adotado, menores serão os custos de conservação e menos freqüentes serão as intervenções requeridas. É importante, para que se obtenha um projeto economicamente eficaz, que se analise o maior número possível de tipos de estruturas de pavimento que forem aplicáveis. Em algumas situações, um tipo de estrutura pode ser preferível em relação aos demais Considerações sobre o dimensionamento de pavimentos asfálticos O dimensionamento estrutural de um pavimento flexível tem sido feito aplicando-se métodos de origem empírica, como o Método do DNER (1981) e o Guia da AASHTO (1986), 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 subdimensionamentos ou super-dimensionamentos. Este fato deu origem a um grande número de pesquisas no sentido de se obter modelos de previsão de desempenho de natureza mecanístico-empírica. Somente através de modelos deste tipo se pode efetuar projetos 11

11 considerando o uso de materiais para os quais não se tem experiência de campo suficiente para a elaboração de um modelo empírico adequado. No Brasil, a espessura total requerida para um pavimento em concreto asfáltico, em termos de materiais granulares, vem sendo determinada a partir do Método do DNER/1981 para dimensionamento de pavimentos flexíveis (o qual tem sua origem no Método CBR do USACE de 1962). O estabelecimento da espessura total do pavimento pelo Método do DNER pode ser feita pelos seguintes caminhos: Através do gráfico ( N p x CBR) 7011 ( ).. log 10 P CBR H cm = 902+ ( 023 N + 005) T H ( cm) = C + C log N T p 1 2 onde N p é o tráfego de projeto, em termos de repetições do eixo padrão rodoviário de rodas duplas e carga de 80 kn, calculado com base nos fatores de equivalência de cargas do USACE. Esse método, contudo, pode ser considerado como a favor da segurança, quando se trata de proteger o subleito contra o acúmulo excessivo de deformações plásticas. A razão para essa garantia de superdimensionamento está no fato de o método consistir essencialmente do método CBR original do USACE, publicado no início da década de 60 (já que não se tem no Brasil o fenômeno do degelo da primavera). Os coeficientes C 1 e C 2, definidos em função do CBR do solo de subleito, estão apresentados na Tabela 2. 12

12 Tabela 2- Coeficientes C 1 e C 2 CBR C 1 C 2 CBR C 1 C A espessura mínima do revestimento betuminoso é obtida em função do tráfego (Tabela 3) e as espessuras da base, sub-base e reforço do subleito são determinadas pela resolução sucessiva de inequações do tipo: h 1 k R + h 2 k B = H 20 h 1 k R + h 2 k B + h 3 k S = H n sendo: h 1 k R + h 2 k B + h 3 k S + h n k ref = H m h 1, h 2, h 3, h n = espessuras das camadas do pavimento k R, k B, k S, k ref = coeficientes de equivalência estrutural dos materiais das camadas. Tabela 3 - Determinação da espessura do revestimento - DNER/1981 N espessura mínima do revestimento N 10 6 Tratamentos superficiais betuminosos 10 6 < N 5 x 10 6 Revestimentos betuminosos com 5.0 cm de espessura 5 x 10 6 < N 10 7 Concreto betuminoso com 7.5 cm de espessura 10 7 < N 5x 10 7 Concreto betuminoso com 10 cm de espessura N > 5x 10 7 Concreto betuminoso com 12.5 cm de espessura Ainda, com relação ao dimensionamento de pavimentos asfálticos através da utilização do método do DNER/1981, sua maior deficiência está, contudo, nas suas recomendações de espessura mínima para a camada de revestimento em concreto asfáltico, que podem tanto estar 13

13 a favor da segurança como contra ela, por não levar em conta as deformações máximas de tração que são provocadas pelas cargas do tráfego nessa camada e que controlam a sua vida de fadiga. O método da AASHTO para dimensionamento de pavimentos flexíveis é baseado nos resultados obtidos na pista experimental da AASHO Road Test. Seu objetivo principal é estabelecer o numero estrutural (SN) adequado para proteção do subleito contra deformações plásticas excessivas para um determinado tráfego. A determinação do número estrutural (guia da AASHTO, 1986) é feita através da seguinte expressão: onde: SN = ad 1 + a 2 D 2 m 2 + a 3 D 3 m 3 m i = Coeficiente de drenagem para a camada i ; a i = Coeficiente que é usado para converter a espessura da camada i em número estrutural SN; D i = Espessura da camada i em polegadas A equação básica de projeto é: log W = Z S + 936, log ( SN + 1) 020, R o 10 PSI log10 42, 15, , +, ( SN + 1) , log 10 Mr 807, onde: W 18 = Número de repetições de carga do eixo padrão de lb. (80 kn); Z R = Desvio padrão normal para um determinado nível de confiabilidade; S o = Desvio padrão SN = Número estrutural PSI = p i - p t p i = Índice de serventia inicial p t = Índice de serventia terminal Mr = Módulo de resiliencia em lb./ polg. 2 14

14 4. Pavimentos Flexíveis em Concreto Asfáltico Um pavimento flexível é aquele que tem revestimento asfáltico e camada de base granular. A distribuição das tensões e deformações, geradas na estrutura pelas cargas de roda do tráfego, se dá de modo que as camadas de revestimento e base aliviem as tensões verticais de compressão no subleito por meio da absorção de tensões cisalhantes. Neste processo, ocorrem tensões e deformações de tração na fibra inferior do revestimento asfáltico, as quais provocarão seu trincamento por fadiga com a repetição das cargas do tráfego (Figura 1). Ao mesmo tempo, a repetição das tensões e deformações verticais de compressão que atuam em todas as camadas do pavimento levarão à formação de afundamentos em trilha de roda, quando o tráfego tender a ser canalizado, e à ondulação longitudinal da superfície, quando a heterogeneidade do pavimento for significativa. Concreto Asfáltico ε t Camadas Granulares ε v Subleito Figura 1 - Seção típica de um pavimento flexível em concreto asfáltico Quando da construção de um determinado pavimento ou no caso de sua restauração, a análise de estratégias alternativas possíveis de serem implementadas, feita com base na aplicação de modelos de previsão de desempenho, permite, através da apreciação dos custos envolvidos, que se adote a solução que represente o melhor investimento em termos econômicos. Vale destacar que a eficácia econômica de um investimento em pavimentação envolve aspectos como: Os custos de construção, restauração e conservação dos pavimentos envolvidos; Os custos associados a interrupções de tráfego, decorrentes das obras de conservação e restauração, como aqueles que são função do tempo de viagem, elemento importante em áreas com tráfego intenso e economias afluentes; 15

15 Nível de serventia fornecido pelo pavimento, expresso pela sua irregularidade longitudinal, que afeta os custos operacionais dos veículos; A conveniência de se utilizar ou não uma pavimentação por etapas, que permite que as incertezas quanto ao tráfego futuro não levem à adoção de um fator de segurança exagerado Fatores que influem no desempenho de pavimentos flexíveis Muitos fatores afetam o desempenho a ser oferecido por um determinado pavimento, dentre estes destacam-se: o número e a magnitude das cargas do tráfego, as propriedades dos materiais componentes das camadas e a sua heterogeneidade ao longo da via, a natureza do solo de subleito, a frequencia e as práticas de manutenção aplicadas ao longo do tempo, as condições de drenagem e aspectos ambientais. Diversos indicadores podem ser utilizados para se quantificar o desempenho de um pavimento, variando desde aqueles que caracterizam a sua condição funcional até aqueles que consistem simplesmente do registro de defeitos de superfície ou das deformações plásticas. O desempenho estrutural pode ser avaliado através da variação do módulo de elasticidade efetivo de uma ou mais camadas com o tráfego acumulado. Os principais mecanismos de deterioração dos pavimentos flexíveis são:!"formação e crescimento de trincas nas camadas asfálticas do revestimento, decorrentes da fadiga provocada pela repetição das cargas do tráfego;!"geração de afundamentos em trilha de roda ou de ondulações na superfície em decorrência do acúmulo de deformações plásticas em todas as camadas, sob a repetição das cargas do tráfego;!"se a camada de base é de drenagem lenta, a formação de trincas no revestimento dá acesso a águas pluviais, que se acumulam no topo da base. Com a passagem de uma carga de roda, gera-se um excesso de pressões neutras na água retida, levando ao bombeamento de finos da base para a superfície (erosão) e a solicitações dinâmicas elevadas sob a camada de revestimento, acelerando a sua deterioração. Se a água atingir e se acumular no topo do subleito, não sendo este drenante, aumenta a geração de deformações plásticas nessa camada e a sua intrusão na base granular;!"envelhecimento do ligante betuminoso por oxidação, que fragiliza a mistura asfáltica e facilita seu trincamento e o arrancamento de agregados. A velocidade com que a 16

16 oxidação do asfalto se processa depende das condições de temperatura, umidade e insolação. As oscilações térmicas, por sua vez, levam à formação de trincas superficiais, cujo potencial de geração é aumentado pela oxidação dos primeiros 25 mm do topo da camada asfáltica;!"desgaste com exposição de agregados e perda da macrotextura da superfície do pavimento, em decorrência da abrasão provocada pelos veículos, acelerado pelo intemperismo (oxidação do asfalto), levando à queda do coeficiente de atrito. Este problema é especialmente grave nos revestimentos em Tratamento Superficial O comportamento dos pavimentos flexíveis A passagem de uma carga de roda gera, em um ponto qualquer do pavimento, pulsos de tensões e de deformações, normais e cisalhantes, sendo que os pulsos de tensões e de deformações cisalhantes são duplos e com reversão de sentido. Os planos principais sofrem rotação, coincidindo com os planos horizontal e vertical apenas para os pontos situados no plano longitudinal da carga de roda e quando o ponto se encontra ao longo da vertical que passa pelo centro da carga (Figura 2). Em uma estrutura de pavimento, o comportamento é transiente, os solos e os materiais granulares da fundação têm comportamento tensãodeformação não-linear (que são influenciados por diversas variáveis), e os materiais asfálticos têm suas propriedades sensíveis à velocidade de aplicação das cargas e à temperatura. 17

17 Carga de roda x σ v Subleito M σ h τ M τ σ h σ v Tensões Vertical Horiz x Cisalhante Figura 2 - Efeitos produzidos no pavimento por uma carga de roda em movimento As propriedades mecânicas do solo de subleito são influenciadas pelo regime de tensões a ele imposto. Este regime deve ser considerado em duas partes: o estado de tensões resultante das condições de equilíbrio estabelecidas após a construção, quando as condições de umidade se estabilizaram, e aquele imposto de forma transiente por uma carga de roda em movimento. A resposta de um elemento de solo às cargas aplicadas depende de sua história de tensões durante a consolidação e do estado atual de tensões efetivas. Como o topo do subleito tende a se encontrar acima do nível do lençol freático, tem-se que, imediatamente acima do lençol, onde o solo está saturado, a poro pressão negativa é proporcional à altura acima do lençol. A proporcionalidade termina à medida que o solo se torna parcialmente saturado nas alturas maiores, no que influi o tipo de solo. Para solos finos e lençóis pouco profundos, pode-se admitir saturação completa do subleito, para efeito de projeto. Medidas feitas com tensiômetros na Inglaterra pelo TRL em subleitos de pavimentos rígidos mostraram que a poro pressão em solos argilosos pode se encontrar tanto acima como abaixo da reta 18

18 hidrostática, em pontos situados a mais de 1 m do nível do lençol freático. Mostraram também que ocorrem apenas pequenas variações sazonais, apoiando o conceito de um teor de equilíbrio sob superfícies impermeáveis. Um parâmetro bastante útil para se prever as tensões e deformações produzidas no pavimento pelas cargas transientes do tráfego é o módulo de resiliência, o qual inclui as parcelas de deformação elástica e viscoelástica sob pulsos de cargas com duração da ordem de 0,1 s. A origem deste conceito se deve a Francis Hveem e a pesquisadores da Universidade da Califórnia durante a década de 50, que foram os primeiros a relacionar as propriedades resilientes dos materiais de fundação dos pavimentos ao trincamento por fadiga dos revestimentos asfálticos. Em um ensaio triaxial de cargas repetidas, o módulo de resiliência pode ser calculado por: M R σ d = ε + ε E VE σ = ε d R onde ε R é a deformação resiliente axial. Esta é, portanto, a mesma definição do módulo de Young, aplicada a solicitações transientes de curta duração. A correta caracterização do solo de subleito quanto ao seu comportamento resiliente, especialmente quanto à variação de M R com o estado de tensões, é fundamental para previsões confiáveis da deflexão do pavimento, na medida em que o subleito tende a ser a camada de maior contribuição nas deflexões. Para solos finos coesivos (IP > 0), o módulo de resiliência varia essencialmente com a tensão desvio, de acordo com o modelo: M R = Kσ n d onde n < 0. A pequena influência exercida pelas tensões confinantes, neste caso, deve-se ao fato de serem as tensões de sucção nos solos parcialmente saturados bem mais elevadas que as tensões confinantes usuais. Assim, o estado de tensões efetivas do solo varia apenas ligeiramente quando se varia as tensões confinantes no ensaio. Em um solo saturado este efeito deixa de existir. Para este caso específico Brown et al. (1975) verificaram que, para 19

19 uma argila siltosa, pôde ser definido um modelo único, independente do volume específico inicial, da razão de pré-adensamento e das tensões efetivas iniciais, o qual pode ser expresso por: M R q r = 79, 3 σ onde M R é dado em MPa, q r é a tensão desvio aplicada e σ 3 confinamento. é a tensão efetiva de Os modelos utilizados para se calcular as tensões e deformações induzidas no pavimento pelas cargas do tráfego fazem simplificações quanto ao comportamento real da estrutura. Em geral, considera-se um comportamento elástico linear, com extensões para o tratamento de comportamentos dependentes do tempo (viscoelasticidade) ou do estado de tensões. Algumas hipóteses são comuns a quase todos os modelos até hoje desenvolvidos, além de sua base na teoria da elasticidade. Por exemplo, a carga de roda aplicada é, em geral, tratada como um carregamento estático, deixando-se a consideração dos efeitos dinâmicos para serem embutidos nos módulos de elasticidade dos materiais das camadas. Este procedimento estático equivalente é razoável, na medida em que os efeitos inerciais têm pequena influência, para as velocidades usuais e para as irregularidades comumente existentes nas vias. A razão disto está na massa elevada do pavimento, cuja freqüência de ressonância é muito diferente das freqüências associadas às cargas móveis dos veículos ou aeronaves. Outras hipótese comuns, embora não sejam obrigatórias em análises pelo método dos elementos finitos, incluem: Materiais isotrópicos e com propriedades idênticas quanto às deformações em tração e em compressão; Aderência perfeita entre as camadas; A carga de roda aplica apenas pressões verticais. As propriedades dos materiais a serem utilizadas deveriam ser determinadas por meio de ensaios que simulem, o melhor possível em termos práticos, as condições de solicitação que ocorrem sob a ação de uma carga de roda em movimento, bem como as condições in situ de 20

20 compactação, temperatura e umidade. Dessa forma, o grau de confiança com que se pode utilizar resultados de ensaios de laboratório em análises estruturais depende do quanto os métodos de ensaio adotados modelizam aquelas condições. Para a identificação dos mecanismos de deterioração que vêm controlando o desempenho oferecido por um determinado pavimento é necessário aplicar-se uma série de modelos de previsão de desempenho às condições oferecidas pelo mesmo, a fim de se comparar suas previsões com o desempenho real observado. Informações confiáveis quanto a idade do pavimento e ao histórico do tráfego atuante são cruciais para que essa comparação tenha significado. O resultado dessa análise será: 1. O esclarecimento do (s) mecanismo (s) de degradação predominante (s); 2. A seleção do (s) modelo (s) de previsão de desempenho mais apropriado (s) à realidade da rodovia; 3. A calibração do (s) modelo (s), para se dimensionar o pavimento restaurado. Além disso, é preciso efetuar a ponderação relativa dos efeitos das duas fontes de solicitações mecânicas: O clima, na forma de variações de temperatura e de umidade; O tráfego, seja pela degradação estrutural gerada pelas tensões aplicadas pelos veículos de carga, seja pelo desgaste da superfície produzido pela passagem de todos os tipos de veículo. A estas duas ações externas deve-se opor as condições intrínsecas do pavimento, especialmente: As propriedades dos materiais das camadas (natureza, compactação, problemas construtivos); As condições de drenagem, superficial e profunda; A estrutura do pavimento existente. 21

21 No caso de pavimentos flexíveis em concreto asfáltico, deve-se pesquisar a existência ou não de correlações entre o trincamento de superfície, expresso pela percentagem de área trincada, por exemplo, e um parâmetro relacionado ao mecanismo de trincamento por fadiga, como a deflexão máxima ou a deformação máxima de tração sob o revestimento. A inexistência de relações bem definidas entre parâmetros estruturais e parâmetros que expressem a degradação do pavimento revela que a origem dos defeitos observados deve estar não em um processo normal de deterioração, que se acumula com a repetição das cargas do tráfego, mas em outros mecanismos como: 1. Envelhecimento natural do revestimento asfáltico, onde a oxidação do ligante torna a mistura gradativamente mais frágil, e propensa a sofrer trincamento apenas em virtude das tensões geradas pelas oscilações térmicas; 2. Condições adversas de drenagem sub-superficial ou subterrânea; 3. Deficiências construtivas, como má compactação, segregação, asfalto super-aquecido na usina ou aplicado abaixo da temperatura adequada. No caso de pavimentos flexíveis em tratamento superficial, uma relação clara entre trincamento e deflexão revela o mecanismo de trincamento por fadiga, enquanto que uma correlação entre a severidade do desgaste de superfície e o volume total diário de veículos que compõem o tráfego revela o mecanismo de desgaste por abrasão. A existência dessas correlações permite que se calibre modelos de previsão de desempenho. No que diz respeito aos modos de degradação superficial dos tratamentos superficiais, têm-se dois processos fundamentais: 1. A desagregação da superfície, por meio do arrancamento de agregados; 2. A perda da macrotextura, por embutimento dos agregados ou por exsudação, e da microtextura, devido ao polimento por abrasão dos agregados. A previsão da época de ocorrência desses fenômenos é muito difícil, por dependerem bastante da especificação dos materiais, da qualidade da construção e dos processos construtivos. Em algumas regiões, por exemplo, o arrancamento de agregados em tratamentos superficiais é muito raro. Esses dois fenômenos tendem a ocorrer, a uma extensão e severidade tais que se faz necessária a manutenção do pavimento, em média entre 6 a 15 anos, para volumes de 22

22 tráfego inferiores a 2000 veículos/dia, podendo-se chegar a 6000 veículos/dia se a construção for excelente. O arrancamento de agregados ocorre pela ação das rodas em movimento dos veículos, seja por causarem a fratura da película de ligante ou por perda de aderência entre o ligante e o agregado. Associada às tensões decorrentes das pressões verticais de contato do pneu, tem-se ainda uma combinação das tensões horizontais na área de contato do pneu com a sucção que se segue à sua passagem, resultando no arrancamento do agregado. Pode-se considerar que a magnitude da carga de roda não influa de forma significativa no fenômeno, sendo importantes a pressão de contato e as dimensões e demais características dos pneus. Os dois mecanismos que podem levar ao arrancamento de agregados podem ser descritos em termos de: Fratura mecânica da película de ligante; Perda de aderência entre o ligante e o agregado, seja em presença de água (stripping) ou por agregado contaminado por finos. O primeiro processo ocorre quando o ligante se torna muito frágil ou quando a película é muito delgada para suportar as tensões aplicadas. Esta fragilização pode ocorrer por: Evaporação de óleos plastificantes; Superaquecimento durante a construção; Oxidação térmica a longo prazo. O processo de oxidação leva mais tempo para endurecer o ligante à medida que se tem películas mais espessas, uma vez que aumenta o caminho que o oxigênio tem que percorrer por difusão. Como se trata de um processo termicamente ativado, quanto mais elevadas as temperaturas, mais rapidamente ocorre a oxidação. A ligação entre o asfalto e o agregado é do tipo molecular. Como os agregados tendem a apresentar cargas superficiais ligeiramente negativas, eles atraem a água de preferência ao betume, que tem carga neutra. É importante, portanto, proteger-se o tratamento superficial das chuvas, até que a ligação se torne plena e tenha ocorrido um embutimento firme dos agregados. Quanto maior o diâmetro dos agregados, maior será a espessura da película de ligante, o que leva a maiores vidas de serviço quanto ao arrancamento de agregados. 23

23 4.3 - Considerações sobre as condições climáticas Diversas investigações vem sendo realizadas nos últimos anos com vistas a investigar o relacionamento existente entre variáveis climáticas e propriedades estruturais de pavimentos. Ali et al. (1996) apresentam o seguinte modelo para estabelecimento de um fator de correção do módulo da camada asfáltica do pavimento obtido por retroanálise de levantamentos deflectométricos realizados com o FWD. E 1 = e (.. T ) sendo: E 1 = módulo do concreto asfáltico; T 1 = temperatura a 25 mm abaixo da superfície. O fator de correção é definido como: ( ) C E 0 e 1 na temperatura de referencia (21 C) = = = e 0 e ( E na temperatura medida ( C).. T ) 1 ( T ) Motta (1991), apresenta correlações estabelecidas entre as temperaturas do ar e da camada asfáltica para diferentes regiões do Brasil. Tais equações, mostradas nas Tabelas 4, 5 e 6, foram desenvolvidas com base nos dados derivados da Pesquisa de Avaliação Estrutural de Pavimentos (PAEP) do IPR/DNER. Tabela 4 - Estimativa da temperatura do revestimento em pavimentos com tratamento superficial ( 0 C) 24

24 região correlação T rev. mín. T rev. máx. T ar mín. T ar máx. r sul T rev. = - 0,03 + 1,31 T ar ,89 sudeste T rev. = - 7,40 + 1,55 T ar ,90 nordeste T rev. = - 6,90 + 1,58 T ar ,88 Tabela 5 - Estimativa da temperatura do revestimento em pavimentos com CBUQ - h < 6 cm ( 0 C) - profundidade entre 3 e 4 cm. região correlação T rev. mín. T rev. máx. T ar mín. T ar máx. r sul T rev. = - 6,51 + 1,61 T ar ,92 sudeste T rev. = - 11,39 + 1,76 T ar ,84 nordeste T rev. = - 8,37 + 1,63 T ar ,88 Tabela 6 - Estimativa da temperatura do revestimento em pavimentos com CBUQ - 8 cm h 11,5 cm ( 0 C) - profundidade entre 5 e 7 cm. região correlação T rev. mín. T rev. máx. T ar mín. T ar máx. r sul T rev. = - 1,18 + 1,45 T ar ,87 sudeste T rev. = - 1,32 + 1,26 T ar ,83 nordeste T rev. = - 8,29 + 1,69 T ar ,88 Também com base nos resultados obtidos na PAEP, Rodrigues (1991) estabeleceu a seguinte equação para estimativa da temperatura do revestimento: ( sup. ar)[ ] T( X ) = T + T + T exp(,, X ) X sup. sendo: T(X) = temperatura na profundidade X do revestimento; T sup. = temperatura da superfície do pavimento; T ar = temperatura do ar próxima ao pavimento. 25

25 Na AASHO Road Test foi estabelecida a seguinte relação entre módulo de elasticidade da camada asfáltica e temperatura (Ullidtz e Larsen, 1983): 0 0 E () t = log t C, t > 1 C 1 10 Tal relação foi definida com base nas análises efetuadas a partir de levantamentos deflectométricos. Sendo que as deflexões correspondem a uma velocidade de um veículo a 55 km/h. A faixa de variação de temperatura considerada foi de 0 a 40 0 C De acordo com Barker et al. (1977) a temperatura na superfície da camada asfáltica pode ser estimada a partir da temperatura do ar através da seguinte relação: T asf. = 1, 2 Tar + 3, 2 - temperatura em C 0 O Quadro 1, apresentado a seguir, mostra a classificação SHRP para ligantes asfálticos. Tal divisão, considera o efeito da localização geográfica do pavimento através da variação média da temperatura anual. 26

26 Quadro 1 Classificação SHRP para ligantes asfálticos Estudos experimentais envolvendo ensaios acelerados de pavimentos Um dos maiores esforços empreendidos no sentido de se compreender o desempenho oferecido por pavimentos em serviço foi o estabelecimento da pista experimental da AASHO (atualmente, American Association of State Highway and Transportation Officials - AASHTO). Essa pesquisa foi desenvolvida próximo de Ottawa, Illinóis, por um período de dois anos (1959/60). Infelizmente, os modelos de desempenho estabelecidos a partir dos estudos realizados na pista experimental da AASHO (Figura 3) e de outros estudos conduzidos sob condições similares não são, em geral, diretamente aplicáveis a pavimentos em outras áreas. Isto deve-se principalmente às diferenças relativas a fatores, tais como: cargas do tráfego, materiais do pavimento e solos de subleito, qualidade e controle construtivo e condições climáticas do local. 27

27 Figura 3 - Layout da AASHO Road Test Após a conclusão da AASHO Road Test, acreditou-se que a qualidade do rolamento expressa pelo PSI (Present Serviceability Index), seria suficiente como indicador do desempenho do pavimento. Contudo, as medições objetivas utilizadas para se estimar a qualidade do rolamento atribuíram pouca significância à ocorrência de trincamento por fadiga e aos afundamentos em trilha de roda. Concluiu-se que a degradação física, que se relaciona à preservação do investimento, não está relacionada de maneira unívoca à irregularidade do pavimento. Embora as trincas, por si mesmas, pouco influam na capacidade do pavimento de servir ao tráfego, elas servem como uma indicação de que algo acerca do projeto do pavimento está inadequado e que sua ruptura é provável que ocorra em uma época mais cedo do que se nenhum trincamento tivesse aparecido. De acordo com Rodrigues (1997), esta é a razão principal pela qual se deveria utilizar em projeto modelos capazes de prever, de forma explícita, a geração de trincas de fadiga e de afundamentos em trilha de roda. A seguinte equação foi estabelecida na pista experimental da AASHO para modelar o desempenho funcional de pavimentos: 28

28 ( f ) p = p p p 0 0 w ρ β onde: p = PSI atual; p 0 = serventia inicial; p f = PSI terminal; w = tráfego de acumulado; ρ e β = parâmetros determinados a partir do desempenho observado. O modelo apresentado a seguir foi desenvolvido originalmente por Kirk (1973) com base na AASHO Road Test e adaptado posteriormente por Ullidtz (1983) a partir de dados obtidos com o FWD em 157 seções de rodovias em serviço na Europa, expressa a deterioração funcional em função do tráfego acumulado (N) e valor máximo da tensão principal maior (σ i ) na camada crítica, definida como aquela que leva à menor vida de serviço para a seção, quando se aplica o modelo verificando-se os resultados em todas as camadas granulares ou de solos. O modelo é expresso por: onde: p i N σi MPa pt = 012, 091, 10 6 E i 160MPa E i = módulo de elasticidade da camada i; p i = índice de serventia (PSR) inicial; p t = índice de serventia (PSR) terminal; α = 1,16 se E i < 160 MPa e α = 1,00 nos demais casos. α 312, Nos últimos anos, no sentido de avaliar o desempenho de pavimentos em serviço, tem sido feitos diversos estudos envolvendo seções experimentais e a realização de ensaios acelerados de pavimentos. Para tanto, foram planejados e desenvolvidos diversos programas de pesquisa (ex.: Mn/ROAD, Nardo Road Test, Corpo dos Engenheiros do Exercito Americano, Pista Experimental de Nantes, Virttaa Test Track, Alberta Research Council e Pista Experimental de Madri) com o propósito de se possibilitar a obtenção de parâmetros fundamentais, através 29

29 dos quais se espera racionalizar as etapas de projeto e avaliação de pavimentos. No que se refere a instrumentação de seções de pavimentos destaca-se o estudo que está sendo desenvolvido pelo Departamento de Transportes do Estado de Minnesota (Mn/DOT), Estados Unidos, que planejou e implementou um programa de pesquisas denominado Mn/ROAD (Minnesota Road Research Project), o qual, representa sem sombra de dúvidas, um grande passo no campo de experimentos em escala real para ensaios de pavimentos. A instrumentação inclui a instalação de aproximadamente 3000 sensores, os quais permitem monitorar a resposta dos pavimentos, tanto em relação às cargas do tráfego, como no que se refere as condições ambientais (temperatura e umidade). Os dados coletados no Mn/ROAD são usados para avaliar os métodos de projeto atualmente disponíveis, assim como, para auxiliar no desenvolvimento de novas metodologias para avaliação e projetos de estruturas de pavimentos. Além disso, é feito um esforço no sentido de desenvolver modelos de previsão de desempenho do tipo mecanísticos. Nessa pesquisa são feitas observações relativas a variação das respostas, tanto em períodos curtos (ex.: variações sazonais) como em períodos longos, dentro do período de projeto. Existem dois tipos de instrumentos instalados no Mn/ROAD, os quais, são classificados como estáticos e dinâmicos. Os instrumentos dinâmicos (strain gages) são usados para obtenção de respostas da estrutura devido às cargas do tráfego e permitem monitorar de forma contínua o pavimento, enquanto que os estáticos, são utilizados para obter informações ambientais (sete em cada dez instrumentos instalados no Mn/road são strain gages). Os sensores estáticos (ex.: termopares) são lidos em intervalos de 15 min. e possibilitam a determinação de parâmetros como temperatura e teor de umidade da camada. Os sinais transmitidos pelos sensores são, inicialmente, enviados para um sistema temporário de armazenamento, instalado nas proximidades da pista. Em uma segunda etapa, as informações são transferidas para um computador central instalado do Mn/DOT. As medidas de deformação na fibra inferior do revestimento asfáltico são realizadas a partir da instalação de strain gages espaçados transversalmente (intervalos de 300 mm) sob as trilhas de roda. O intervalo transversal utilizado é necessário para assegurar que as deformações sejam capturadas sob o espaço efetivamente ocupado pelas cargas de roda. 30

30 Uma vez que as propriedades do concreto asfáltico são altamente dependentes da temperatura (rigidez da camada), as deformações lidas são corrigidas para uma temperatura padrão (25 0 C), com o propósito de assegurar que elas representem efetivamente somente o efeito devido às cargas do tráfego. As leituras de temperatura são realizadas através de termo pares (thermo couples) instalados no interior da camada asfáltica. O fator de correção da temperatura utilizado pela equipe do Mn/DOT é dado por: ε = ε T T T i 3 2 sendo: ε 25 = deformação estimada a 25 0 C; ε i = deformação medida na temperatura T. Vale destacar que essa equação foi derivada a partir de medições feitas nas seções-teste do Mn/ROAD e não necessariamente se aplica a todo tipo de pavimentos asfálticos. Outro programa interessante desenvolvido no campo, foi uma extensiva instrumentação realizada no campo de testes de Nardo, Nardo, Itália em O programa de testes, inicialmente preocupado com a realização de medidas de deformação em camadas asfálticas, envolveu o esforço de pesquisadores de 10 países. Sendo que cada equipe apresentou seus próprios objetivos e utilizou projetos individuais de instrumentos. Durante a construção da camada de concreto asfáltico, para permitir uma alta sobrevivência dos sensores, foram adotados cuidados especiais como utilização de compactador não vibratório e baixa temperatura da mistura asfáltica. A taxa de mortalidade pós construção ficou em torno de 13 % (foram instalados 200 sensores). O sucesso variou de equipe para equipe de acordo com a atenção destinada à proteção dos instrumentos. A maioria desses, foram presumidamente sucumbido pela intrusão de agregados. Mesmo com as precauções adotadas foram registradas perdas significativas durante a construção, principalmente com os sensores cuja proteção era de alumínio. Os testes realizados em Nardo não servem para refletir condições reais de pavimentos em serviço devido, principalmente, às precauções de proteção adotadas durante a construção (compactação e temperatura da mistura). 31