OTIMIZAÇÃO DO TEMPO DE VIDA ÚTIL DE UMA RODOVIA ATRAVÉS DA REDUÇÃO DO DANO UNITÁRIO

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1 OTIMIZAÇÃO DO TEMPO DE VIDA ÚTIL DE UMA RODOVIA ATRAVÉS DA REDUÇÃO DO DANO UNITÁRIO Liseane Padilha Thives Glicério Trichês Jorge Carvalho Pais Paulo A. A. Pereira Luciana Rohde Universidade Federal de Santa Catarina e Universidade do Minho Departamento de Engenharia Civil RESUMO O dimensionamento da estrutura de um pavimento objetiva o cálculo de espessuras e a escolha de materiais de forma que a vida útil do mesmo corresponda a determinado número projetado de solicitações de carga, tendo em conta determinados estados limites de utilização. No Brasil, o método de dimensionamento utilizado em rodovias federais é empírico, cujo resultado não tem sido satisfatório. Este trabalho tem como objetivo principal avaliar a influência do comportamento de uma estrutura de pavimento na função temporal, ou seja, alternância entre tráfego diurno e tráfego noturno para mensuração do dano provocado ao pavimento. O comportamento mecânico das misturas asfálticas foi avaliado por meio de ensaios de módulo dinâmico e de fadiga, em diferentes temperaturas e os resultados foram utilizados na avaliação mecanicista dos danos provocados na estrutura. A análise mostrou também que o dano é mais elevado quando os veículos pesados utilizam a rodovia no período diurno. ABSTRACT The pavement structure design aims to calculate thicknesses and choice of materials in order to the life of it matches a particular projected number of load requests, taking into account certain limit states. In Brazil, the design method used in federal highways is empirical and the result has not been satisfactory. This work aims to evaluate the influence of the behavior of a pavement structure in the temporal function, in other words, alternating traffic between daytime and nighttime traffic to measure the damage caused to the pavement. The mechanical behavior of asphalt mixtures was assessed by dynamic modulus and fatigue tests at different temperatures and the results were used in the evaluation of mechanical damage to the structure. The analysis also showed that the damage is higher when heavy vehicles using the highway during the day. 1. INTRODUÇÃO O dimensionamento da estrutura de um pavimento tem como objetivo o cálculo de espessuras e a escolha de materiais de forma que a vida útil do mesmo corresponda a certo número projetado de solicitações de carga, tendo em conta determinados estados limites de utilização, de forma econômica (Thives, 2009). Algumas das principais dificuldades encontradas no dimensionamento de um pavimento flexível são o conhecimento e entendimento dos principais parâmetros que afetam significativamente o comportamento estrutural, como exemplo: tráfego, efeitos climáticos, materiais das camadas e previsão correta da vida útil. Os procedimentos adotados pelos métodos de dimensionamento empíricos tiveram início através de experiência de campo, com base na observação do desempenho de pavimentos ao longo do tempo. Posteriormente, foram desenvolvidos os métodos empírico-mecanicistas que permitem a análise do estado de tensão e deformação ao qual a estrutura está submetida. Os modelos de cálculo dos métodos empírico mecanicistas baseiam-se na teoria da elasticidade admitindo comportamento linear ou não linear das camadas do pavimento. No Brasil, o método de dimensionamento utilizado em rodovias federais do Departamento

2 Nacional de Infra-Estrutura de Transportes (DNIT) é empírico, cujo resultado não tem sido satisfatório, uma vez que os pavimentos não atingem a sua vida útil de projeto (10 anos), estando submetidos ao aparecimento de degradações prematuras como o trincamento por fadiga e as deformações permanentes. Os métodos de dimensionamento empírico-mecanicistas fornecem uma relação racional entre a construção e as especificações de materiais e o dimensionamento da estrutura do pavimento. Isto porque estes procedimentos são capazes de levar em consideração o clima, o envelhecimento dos materiais e as cargas atuais de veículos, de forma que a variação do desempenho em relação à vida de projeto seja reduzida (NCHRP, 2004). Este trabalho tem como objetivo comparar empregando a metodologia empírico-mecanicista o comportamento das misturas asfálticas na função temporal, ou seja, tráfego diurno e tráfego noturno para mensuração do dano ao pavimento. Foram utilizadas misturas asfálticas (convencional e com asfalto-borracha), cujo comportamento mecânico foi avaliado por meio de ensaios de módulo dinâmico e de fadiga. Os parâmetros das misturas obtidos nos ensaios foram utilizados para a avaliação do comportamento tensão/deformação. 2. MATERIAIS E MÉTODO 2.1. Agregados Neste trabalho foram utilizados agregados graníticos britados e um filer calcário de origem calcítica. Os agregados minerais utilizados na produção das misturas asfálticas possuem a seguinte designação granulométrica: brita 6/12 (tamanho nominal 6,0 a 12,0 mm); brita 4/10 (tamanho nominal 4,0 a 10,0 mm); brita 0/4 (pó de pedra, tamanho nominal inferior a 4,0 mm). A Tabela 1 apresenta o resultado dos ensaios de caracterização dos agregados. De acordo com os resultados apresentados na Tabela 1, os agregados satisfazem as especificações para utilização em misturas asfálticas. Tabela 1: Caracterização dos agregados Ensaio Norma Especificação Resultado Desgaste Los Angeles ASTM C % 26% Índice de Lamelação BS % Brita 4/10 23% Brita 6/12 12% Índice de Alongamento BS % Brita 4/10 23% Brita 6/12 17% Valor do Azul-de-metileno NP EN ,8 0,2 Massa específica das britas NP EN Brita 4/10 Brita 6/ kg/m kg/m 3 Absorção de britas NP EN 581 2% Brita 4/10 1,24% Brita 6/12 0,88% Massa específica de areias NP EN kg/m 3 Absorção de areias NP EN 954 2% 0,41% Equivalente de areia NP EN % 60% Análise granulométrica ASTM C 136 (i) - Análise granulométrica filer ASTM D 546 (i) - Observação referente à Tabela 1: (i) A combinação da granulometria dos agregados e do filer satisfez às especificações adotadas para as curvas granulométricas utilizadas no estudo (Asphalt Institute e DNIT).

3 2.2. Asfaltos O asfalto convencional empregado na produção da mistura convencional foi o CAP 50/70, sendo o mesmo utilizado como asfalto base na fabricação do asfalto borracha do tipo terminal blend, com 15% (TB 15%) de borracha granulada em unidade industrial. A Tabela 2 apresenta o resultado dos ensaios de caracterização do asfalto convencional enquanto que a Tabela 3 mostra os resultados para o asfalto borracha. Tabela 2: Características do CAP 50/70 Ensaio Norma Especificação CAP 50/70 Resultado Penetração 25 ºC, 100g, 5s (0,1 mm) ASTM D ,5 Ponto de amolecimento (i) (ºC) ASTM D mín. 51,5 Viscosidade aparente (ii) (cp) a 135 ºC ASTM D 2196 mín Viscosidade aparente (ii) (cp) a 150 ºC ASTM D 2196 mín Viscosidade aparente (ii) (cp) a 177 ºC ASTM D Resiliência (%) ASTM D RTFOT 163 ºC, 85 minutos Variação em massa (% de massa) máx. 0,5 0,3 Aumento do ponto de amolecimento (ºC) máx. 8 4,3 ASTM D 2872 Viscosidade aparente (ii) (cp) a 175 ºC - 95,8 Penetração 25 ºC, 100g, 5s (0,1 mm) - 22,3 Penetração retida (%) mín ,3 Observações referentes à Tabela 2: (i) Método anel e bola; (ii) Viscosímetro Brookfield, veio 21, 20 rpm. Tabela 3: Características do asfalto borracha (15% de borracha) Ensaio Norma Especificação Resultado Penetração 25 ºC, 100g, 5s (0,1 mm) ASTM D 5 25 a 75 42,0 Ponto de amolecimento (i) (ºC) ASTM D 36 54,4 mín. 67,7 Viscosidade aparente (ii) (cp) a 175 ºC ASTM D mín Resiliência (%) ASTM D ,0 RTFOT 163 ºC, 85 minutos Variação em massa (% de massa) máx. 0,6 0,3 Aumento do ponto de amolecimento (ºC) ASTM D ,9 Penetração 25 ºC, 100g, 5s (0,1 mm) - 25,3 Penetração retida (%) - 60,2 Viscosidade aparente (ii) (cp) a 175 ºC Resiliência (%) - 36,0 Observações referentes à Tabela 3: (i) Método anel e bola; (ii) Viscosímetro Brookfield, veio 21, 20 rpm. De acordo com as Tabelas 2 e 3, os dois asfaltos, atendem às especificações vigentes Misturas asfálticas As granulometrias utilizadas para a produção das misturas asfálticas foram as seguintes: Concreto Asfáltico Usinado a Quente (CAUQ), DNIT Faixa C (DNIT ES 031, 2006); Asphalt Institute AI tipo IV (AI, 1989). A faixa granulométrica e granulometria da curva utilizada da especificação DNIT ES 031 (2006) para o Concreto Asfáltico Usinado a Quente, DNIT Faixa C, está ilustrada na Figura 1. Esta granulometria é usualmente utilizada no Sul do Brasil na produção de misturas asfálticas com asfalto convencional.

4 Material passante (%) Material passante (%) Curva utilizada Fuso DNIT Faixa "C" 0,01 0, Abertura dos peneiros (mm) Figura 1: Curva granulométrica utilizada e faixa granulométrica DNIT Faixa C A granulometria densa especificada pelo Asphalt Institute, AI tipo IV, de acordo com o The Asphalt Handbook Manual Series nº 4 (AI, 1989), foi a utilizada para produção da mistura asfáltica com o asfalto borracha (terminal blend com 15% de borracha). A faixa granulométrica e granulometria da curva utilizada da especificação Asphalt Institute estão ilustradas na Figura 2. As granulometrias densas DNIT faixa C e AI tipo IV apresentam uma distribuição contínua com elevadas percentagens de material passante na peneira de nº 200 (0,075 mm). As duas curvas encontram se dentro da respectiva faixa granulométrica especificada pelos organismos regulamentadores Curva AI utilizada Fuso Asphalt Institute tipo IV 0,01 0, Abertura dos peneiros (mm) Figura 2: Curva granulométrica utilizada e faixa granulométrica do AI tipo IV As misturas foram dosadas de acordo com a metodologia Marshall. Após a formulação das misturas foram moldadas lajes (placas com dimensões 75 cm de comprimento, 49 cm de largura e 8 cm de espessura) para a obtenção dos corpos de prova para os ensaios de desempenho. A homogeneização dos materiais foi realizada em uma misturadora mecânica com capacidade de 50 kg em cada operação. O procedimento utilizado para a compactação das misturas seguiu o preconizado pela norma AASHTO PP3 (1994), tendo em conta a

5 obtenção da compactação mais próxima daquela que ocorre no pavimento. Após a compactação, as lajes permaneceram no molde até completo resfriamento. Após a desmoldagem das lajes, foram obtidos os corpos de prova para realização dos ensaios de desempenho. Para os ensaios de fadiga e de módulo dinâmico, foram serrados 9 corpos de prova prismáticos com as seguintes dimensões médias: 381,0 mm de comprimento, 50,8 mm de altura e 63,5 mm de largura Ensaio de módulo dinâmico Para a realização dos ensaios de módulo foi utilizado um equipamento servo-hidráulico constituído por uma estrutura de carga (a), um grupo hidráulico e uma câmara climática, dentro da qual se encontra um dispositivo que permite a realização de ensaios de flexão alternada em 4 pontos (b) como mostra a Figura 3. (a) (b) Figura 3: Equipamento para ensaios de módulo Foram aplicadas as seguintes frequências em ordem decrescente: 10, 5, 2, 1, 0.5, 0.2 e 0.1 Hz. O número de ciclos de carga foi de 100 para as três primeiras frequências e de 10 para as demais. Estes ensaios foram repetidos para 3 temperaturas: 15, 20 e 25ºC. Os sete ensaios para cada temperatura foram realizados sobre o mesmo corpo de prova, visto que o reduzido número de ciclos de carga não provoca significativa redução da rigidez do material, podendo o mesmo corpo de prova ser utilizado para realização dos ensaios de fadiga Ensaio de fadiga Os ensaios de fadiga foram realizados conforme preconiza a norma AASHTO TP8 (1994) (Standard Test Method for Determining the Fatigue Life of Compacted Hot Mix Asphalt (HMA) Subjected to Repeated Flexural Bending). Neste ensaio, corpos de prova prismáticos, simplesmente apoiados nas extremidades, são submetidos a um carregamento sinusoidal alternado em deformação controlada, num sistema de carregamento central em dois pontos, como o apresentado na Figura 4. Uma carga de intensidade F 0 /2 é aplicada nos terços médios do corpo de prova, de modo a induzir uma deformação específica de tração predefinida. Para a avaliação da vida de fadiga, foram realizadas 3 repetições para cada um dos níveis de deformação selecionadas (200, 400 e 800 m/m), à temperatura de 20ºC e frequência de 10 Hz.

6 F 0 F 0/2 F 0/2 50 mm F 0/2 F 0/2 380 mm 60 mm Figura 4: Representação do carregamento aplicado no ensaio de flexão alternada em 4 pontos em corpos de prova prismáticos 2.6. Metodologias de dimensionamento Nos métodos empírico-mecanicistas as degradações consideradas preponderantes para o desempenho de pavimentos flexíveis são o trincamento por fadiga das camadas asfálticas e as deformações permanentes das camadas inferiores. Na análise empírico-mecanicista de uma estrutura de pavimento os principais parâmetros avaliados são os apresentados na Figura 5: (i) deformação de tração ( t ) na fibra inferior da camada asfáltica para controle do tricamento por fadiga; (ii) estado de tensão no topo da camada de base, importante em estruturas com revestimento delgado para se controlar a ruptura por cisalhamento; (iii) tensão ( v ) ou deformação vertical ( v ) no topo do subleito para controle da deformação permanente. O estado de tensão e deformação ao qual o pavimento está submetido é calculado por meio de programas computacionais que simulam o comportamento da estrutura quando submetida à ação das cargas, que pode ser elástico linear ou não linear. Raio de contato Pressão de contaco Camada betuminosa h 1 Base v t h 2 Sub-base h 3 v; v 3. RESULTADOS Solo de fundação Figura 5: Parâmetros avaliados na análise empírico-mecanicista 3.1. Módulo dinâmico O resultado dos ensaios de módulo dinâmico está apresentado na Tabela 4. Considerando que neste trabalho será realizada a avaliação do dano temporal no dimensionamento, os módulos

7 estão apresentados para duas temperaturas, ou seja, 25ºC a ser empregado no período diurno e 15ºC para o período noturno. Estas temperaturas foram as escolhidas por representarem a condição noturna e diurna de rigidez de uma mistura asfáltica. A frequência, foi a de 10 Hz. Tabela 4: Módulo dinâmico Módulo Dinâmico Módulo Dinâmico Teor de Mistura Granulometria (MPa) a 25 ºC (MPa) a 15 ºC asfalto (%) Convencional (BBB) DNIT faixa C 5,5 Com asfalto borracha , AI, tipo IV (IBB151) 3.2. Fadiga Os parâmetros obtidos nos ensaios de fadiga estão apresentados na Tabela 5, considerando a deformação específica de tração expressa em 10-6, onde se verificou um bom ajuste para as misturas. A determinação da lei de fadiga corresponde a um ajuste de uma função de potência N = a x (1/ t ) b aos resultados obtidos nos ensaios. A Figura 6 apresenta as curvas de fadiga das duas misturas estudadas. Os resultados apresentados na Figura 6 denotam que a mistura com asfalto borracha (IBB151) obteve um desempenho superior em relação à mistura convencional, de forma que a vida útil do pavimento, com este tipo de modificação no asfalto, seria estendida. Tabela 5: Parâmetros experimentais obtidos para as leis de fadiga Parâmetro Mistura convencional Mistura com asfalto borracha Lei de Fadiga (BBB) (IBB151) a 1,185x ,031x10 21 N = 1,185x10 15 x (1/ t ) 4,037 b 4,037 5,915 N = 2,031x10 21 x (1/ t ) 5,915 R 2 0,99 0,99 - Figura 6: Representação das curvas de fadiga das misturas estudadas 3.3. Dimensionamento e análise do dano De acordo com os resultados dos ensaios de fadiga, a mistura com asfalto borracha obteria um melhor desempenho ao trincamento por fadiga. Entretanto, é adequado realizar uma avaliação empírico-mecanicista da estrutura de modo a ratificar esta conclusão.

8 A análise empírico-mecanicista (linear) realizada neste trabalho foi feita por meio do Programa BISAR 3. A análise é linear por considerar-se o mesmo comportamento em qualquer ponto da estrutura. A geometria utilizada no carregamento foi eixo simples de roda dupla de 80 kn (8,2 tf), carga em cada pneu de 20 kn e espaçamento entre rodas de 0,1575 m. Para a aplicação do programa, foram adotados os módulos das misturas asfálticas e as leis de fadiga obtidos nos ensaios. Na metodologia do DNIT, para um tráfego elevado (N 8,2tf = 10 8 ), a espessura máxima indicada para a camada de revestimento é de 12,0 cm, independentemente do tipo de mistura asfáltica a ser utilizada. A experiência de campo tem demonstrado que estruturas assim dimensionada não vêm atingindo a vida de projeto a que forma propostas. Desta forma, atualmente no Brasil, os métodos empíricos podem ser completados, contudo, por análises empírico-mecanicistas. Para a simulação no programa BISAR 3 foi adotada a estrutura mostrada na Figura 7, por ser aquela que está sendo utilizada em uma rodovia em fase de duplicação no Sul do Brasil. 17 cm Revestimento 15,0 cm Camada de base granular 20,0 cm Camada granular Subleito CBR = 10% Figura 7: Estrutura avaliada Para esta estrutura foram variados, a cada simulação, os módulos da camada de revestimento e, mantidas as características das camadas inferiores, conforme apresentado na Tabela 6. Tabela 6: Características da estrutura avaliada Camada Espessura (cm) Módulo (MPa) Coef. de Poisson Revestimento 17 Variável* 0,35 Base granular ,40 Camada granular ,40 Solo de fundação 100 0,45 No dimensionamento de uma estrutura utilizando-se uma análise tensão/deformação, o módulo dinâmico da mistura é uma variável com grande influência. Entretanto, o valor do módulo não atua independentemente, mas sim no conjunto da estrutura, para o qual o resultado do dimensionamento depende da lei de fadiga obtida em laboratório. A Tabela 7 apresenta os resultados obtidos na análise empírico-mecanicista (linear) realizada com o Programa BISAR 3.

9 Tabela 7: Resultados da análise empírico-mecanicista Mistura T (ºC) Período Módulo (MPa) t (m) N 80 kn Convencional (BBB) 25 Diurno ,92E+05 Convencional (BBB) 15 Noturno ,50E+06 Com borracha (IBB151) 25 Diurno ,00E+06 Com borracha (IBB151) 15 Noturno ,18E+07 O dano causado ao pavimento no domínio temporal (diurno e noturno) pode ser calculado dividindo-se o número N noturno pelo número N diurno para cada mistura, conforme mostra a Equação 1: Nnoturno D (1) Ndiurno em que D: dano sofrido pelo pavimento; N noturno : número N equivalente ao módulo dinâmico do revestimento para a temperatura de 25ºC; N diurno : número N equivalente ao módulo dinâmico do revestimento para a temperatura de 15ºC. Desta forma, têm-se, hipoteticamente, duas situações distintas: (1ª) o tráfego pesado circula na sua totalidade no período noturno (das 18:00 hs às 7:00 hs); (2ª) o tráfego pesado circula, na sua totalidade, no período diurno (das7:00 hs às 18:00 hs). Assim, tem-se: Na 1ª situação, para camadas de revestimento em mistura convencional, o dano causado ao pavimento seria de 1; Na 2ª situação, para camadas de revestimento em mistura convencional, o dano causado ao pavimento seria em torno de 8,5 vezes maior e, para as misturas com asfalto com borracha, o dano seria 12 vezes superior, em relação ao outro período. Com base nos resultados obtidos, pode-se concluir que se o tráfego pesado circulasse a noite, o dano ao pavimento poderia ser reduzido em até 12 vezes em relação ao período diurno. Neste cenário, as concessionárias de rodovias poderiam incentivar o tráfego de veículos pesados a trafegarem no período noturno, por meio de descontos tarifários que seriam compensados pela redução de recursos dispendidos em termos de restauração e conservação dos pavimentos. 4. CONCLUSÕES Neste trabalho foram estudadas misturas asfáltica com asfalto convencional e com asfalto modificado com borracha por meio dos ensaios de módulo dinâmico e de fadiga. Além dos ensaios de desempenho mecânico, foi avaliado o dano temporal que um pavimento está submetido em relação à passagem do tráfego pesado. Relativamente ao comportamento mecânico, por meio do ensaio de fadiga, pôde-se concluir que a mistura com asfalto borracha apresentou um desempenho muito superior em relação à mistura convencional, o que representa uma maior vida útil de projeto em relação a este quesito. A análise empírico-mecanicista (linear) realizada por meio do Programa BISAR 3 permitiu concluir que se o tráfego pesado circulasse à noite, o dano ao pavimento poderia ser reduzido em até 12 vezes em relação ao período diurno. Com base nos resultados, a concessionária

10 poderia estabelecer uma política de utilização da rodovia no período noturno através de uma bonificação no preço do pedágio, com isto, ampliaria a vida útil da estrutura, além de otimizar a utilização das praças de pedágio ao longo do dia. Agradecimentos O primeiro autor agradece ao Programa AL AN (Programa de Bolsas de Alto Nível da União Européia para a América Latina), pela bolsa nº E04D040507BR durante os trabalhos em Portugal e ao CNPQ (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico) pela bolsa no Brasil. Agradece-se também à empresa Greca Asfaltos pela participação na pesquisa. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AASHTO TP8, (Reapproved 1996, Reconfirmed in 2001). Standard Test Method for Determining the Fatigue Life of Compacted Hot Mix Asphalt (HMA) Subjected to Repeated Flexural Bending). Standard based on SHRP Product American Association of State Highway and Transportation Officials. Washington D.C., USA. AI, Asphalt Institute The Asphalt Handbook, Manual Series nº 4 (MS 4) Edition, Kentucky, USA. ASTM D 3497, Standard Test Method for Dynamic Modulus of Asphalt Mixtures. Annual Book of ASTM Standards, vol USA. DNIT, ES 031 (Pavimentos Flexíveis Concreto Asfáltico Especificação de Serviço). Departamento Nacional de Infra Estrutura Terrestre. Diretoria de Planejamento e Pesquisa/IPR. Rio de Janeiro, RJ, Brasil. NCHRP, Guide for Mechanistic-Empirical Design for New and Rehabilitated Pavement Structures, Final Report. National Cooperative Highway Research program, USA. Thives, L.P., Optimização do Desempenho de Misturas Betuminosas com Betume Modificado com Borracha para Reabilitação de Pavimentos, tese de Doutoramento. Universidade do Minho, Portugal. Liseane Padilha Thives (liseane.thives@ufsc.br) Glicério Trichês (glicerio.triches@ufsc.br) Luciana Rohde (l.rohde@ufsc.br) Departamento de Engenharia Civil, Universidade Federal de Santa Catarina. Rua João Pio Duarte da Silva nº 205, Córrego Grande, Florianópolis, Brasil. Jorge Carvalho Pais (jpais@civil.uminho.pt) Paulo A. A. Pereira (pperira@civil.uminho.pt) Departamento de Engenharia Civil, Universidade do Minho. Campus de Azurém, Guimarães, Portugal.