MEDIDAS DE DEFORMAÇÕES HORIZONTAIS EM CAMADAS ASFÁLTICAS

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1 32 a Reunião de Pavimentação Brasília MEDIDAS DE DEFORMAÇÕES HORIZONTAIS EM CAMADAS ASFÁLTICAS Fernando Pugliero Gonçalves 1 Jorge Augusto Pereira Ceratti 1 José Augusto de Oliveira 2 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: Departamento Autônomo de Estradas de Rodagem, DAER/RS Unidades de Normas e Pesquisas Av. Guaiba, 154 Porto Alegre RS Brasil CEP: Fone:

2 MEDIDAS DE DEFORMAÇÕES HORIZONTAIS EM CAMADAS ASFÁLTICAS Fernando Pugliero Gonçalves 1 Jorge Augusto Pereira Ceratti 1 José Augusto de Oliveira 2 1 Universidade Federal do Rio Grande do Sul UFRGS Curso de Pós-Graduação em Engenharia Civil CPGEC pugliero@vortex.ufrgs.br e ceratti@adufrgs.ufrgs.br Fone: Fax: Departamento Autônomo de Estradas de Rodagem, DAER/RS Unidades de Normas e Pesquisas Fone: Palavras-chave: pavimentos, instrumentação, deformação horizontal RESUMO São apresentados resultados de medições de deformação horizontal efetuadas em ensaios acelerados em verdadeira grandeza com um simulador linear de tráfego numa seção-teste de pavimento flexível em concreto asfáltico. Para a realização das referidas medições foram utilizados sensores do tipo extensômetros de resistência elétrica instalados no interior de uma camada asfáltica. Tais instrumentos foram configurados de maneira a permitirem a medição das deformações horizontais provocadas pelas cargas do tráfego tanto na direção longitudinal quanto transversal. Foram realizados ensaios sob carregamentos dinâmicos e estáticos. A estrutura de pavimento instrumentada é constituída por revestimento asfáltico, camada intermediária de geotêxtil, camada asfáltica trincada, camada granular de base com brita graduada, sub-base de basalto alterado e subleito de solo argiloso. Este estudo é parte integrante de uma pesquisa mais ampla em desenvolvimento na Área de Pesquisas e Testes de Pavimentos da Universidade Federal do Rio Grande do Sul e do DAER-RS, cujo propósito principal é o de investigar o desempenho de misturas asfálticas convencionais e modificadas com polímeros. 1. INTRODUÇÃO Na maior parte dos procedimentos mecanísticos estabelecidos para projeto de estruturas de pavimentos flexíveis a expectativa do desempenho a ser oferecido, em termos de vida de fadiga e da ocorrência de deformações permanentes excessivas, é assumida

3 como estar relacionada às deformações de tração e de compressão que ocorrem em pontos críticos da estrutura quando da repetição das cargas do tráfego. Portanto, a realização de medidas de deformação in situ é importante devido, principalmente, ao fato de que estas podem ser usadas para verificar as hipóteses assumidas quando do estabelecimento de critérios utilizados tanto no dimensionamento de pavimentos novos como em projetos de restauração. Além disso, as deformações medidas em verdadeira grandeza podem também colaborar como elemento auxiliar na investigação dos efeitos provocados por diferentes tipos e pressão de inflação de pneus, níveis de carga, tipos de suspensão e geometria dos eixos dos veículos no desempenho de pavimentos. Em camadas de concreto asfáltico ou concreto de cimento as medidas de deformações in situ são geralmente realizadas através da utilização de strain gages instalados em pontos críticos da estrutura do pavimento. Neste sentido, no presente trabalho, são apresentados os resultados preliminares de medições de deformação horizontal realizadas em uma pista experimental de pavimento instrumentada com extensômetros de resistência elétrica e submetida a solicitações de cargas impostas por um simulador linear de tráfego. Também, são discutidos os procedimentos para instalação de instrumentos para medição de deformações horizontais em estruturas de pavimentos. O planejamento e os objetivos da pesquisa em desenvolvimento estão apresentados em Gonçalves, ESCOLHA DOS SENSORES E TÉCNICAS DE INSTALAÇÃO A seleção de um sensor para a realização de medidas de deformação em estruturas de pavimentos deve ser baseada em diversos fatores, dentre estes destacam-se: durabilidade, acurácia e repetibilidade das medidas, magnitude das deformações, resistência mecânica, capacidade de sobrevivência na fase de construção, dimensões, vida de fadiga, locais de interesse (pontos críticos) e estabilidade. De maneira ideal, devem ser utilizados sensores cuja fiação possibilite o estabelecimento contínuo da transmissão dos sinais medidos (sem emendas) até o sistema de aquisição de dados (qualidade do sinal). Outro aspecto importante é a colocação da fiação no interior de um tubo flexível de modo a protegê-la, principalmente, durante as etapas de construção do pavimento. Quanto à resistência mecânica dos sensores, estes precisam de uma rigidez mínima para assegurar um desempenho confiável, no entanto, não devem reforçar o material em estudo impedindo dessa maneira sua deformação e alterando a determinação do movimento relativo entre dois pontos. De acordo com Tabatabaee, 1992, os sensores mais adequados para a realização de medidas de deformação em estruturas de pavimentos são os extensômetros de resistência elétrica (camadas cimentadas). Já Sebaaly et al., 1995, discutem a aplicabilidade de sensores de efeito Hall para realização de medidas de deformação em estruturas de pavimentos flexíveis. Conforme os responsáveis pela pesquisa, o referido sensor apresentou vantagens significativas quando comparado com extensômetros de resistência elétrica. Tal conclusão é baseada em experimentos realizados no campo e em laboratório. Um aspecto importante a ser observado na escolha do instrumento a ser utilizado é que a instalação de um sensor em uma camada do pavimento distorce a distribuição esperada de deformações, exigindo, que o mesmo concorde ao máximo possível com o material componente. Portanto, características desejáveis para um sensor de deformação

4 incluem rigidez mínima para permitir durabilidade e flexibilidade suficiente para deformar com o material. Na seqüência, são apresentados alguns sensores e as técnicas de instalação comumente utilizadas para medir deformações em camadas asfálticas de pavimentos. Uma avaliação mais detalhada de desempenho e de informações relativas a custos e disponibilidade pode ser obtida em Van Deusen et al., 1992 e em Baker et al., As técnicas podem ser agrupadas em quatro categorias principais: 1. H-gages; 2. Strain gages preparados em laboratório (com blocos moldados); 3. Strain gages colocados em blocos retirados diretamente do pavimento; 4. Sensores eletromagnéticos. O H-gage consiste de uma faixa de um dado material no qual um strain gage está encapsulado. As extremidades da faixa são conectadas com barras metálicas de seções retangulares que atuam como âncoras, formando a letra H. Estes transdutores são colocados, em geral, no fundo da camada de concreto asfáltico. Já os strain gages instalados em blocos extraídos da camada asfáltica consistem na sua fixação em blocos extraídos do revestimento do pavimento existente, os quais, são instrumentados e depois recolocados no pavimento. A principal preocupação nesse procedimento é a descontinuidade estabelecida entre a parte instrumentada e o pavimento propriamente dito. Se o agente colante, que é usualmente um tipo de epoxy, possibilita uma rigidez diferente daquela do pavimento deverá ocorrer uma concentração de tensões em torno da parte instrumentada. Em função disso, pode ocorrer a aceleração no desenvolvimento de trincas na região. Experiências de campo, no entanto, demonstram que existem diversas misturas de epoxy, comercialmente disponíveis, que trabalham muito bem. A maioria dos strain gages comercialmente disponíveis não podem ser incorporados diretamente aos materiais asfálticos e cimentados que compõe uma estrutura de pavimento. Como discutido anteriormente, existem três métodos principais para se preparar sensores de deformação com vista a sua instalação em uma estrutura de pavimento: (1) H-gages, (2) Gages preparados no laboratório e (3) Gages incorporados ao material retirado do pavimento. A instalação final (arranjo dos sensores na estrutura) pode ser realizada durante a construção ou após a mesma. Os locais mais comuns de instalação é no fundo da camada asfáltica e no topo do subleito. Até o momento, nenhuma fonte revelou o método ideal para instalação de sensores em estruturas de pavimentos. Entretanto, estudos realizados mostram que as instalações feitas durante a fase de construção permitem um melhor desempenho que aquelas realizadas após o pavimento construído. No que se refere aos blocos instrumentados em laboratório, a preocupação principal é com a compatibilidade do material utilizado com aquele existente no pavimento. Os dois devem ser similares de modo a impedir que grandes descontinuidades nas propriedades dos mesmos sejam estabelecidas. O entrosamento entre o material moldado em laboratório e o material existente é de importância fundamental. A retirada de material do pavimento para instrumentação apresenta diversos problemas com relação as respostas obtidas pelos instrumentos instalados (desempenho oferecido). Estes devem-se, principalmente, ao fato de que quando uma parte retirada do pavimento é instrumentada e reintroduzida na estrutura surgem dificuldades de aderência e de entrosamento entre esta e o material do pavimento existente. Nesse procedimento a cimentação da parcela retirada ao material existente na camada pode ser feita por diversos meios, por exemplo com a utilização de epoxy, o que irá influenciar

5 nos valores medidos. A grande dificuldade, portanto, consiste em se prever qual a incerteza relativa das medidas. Por outro lado, uma das vantagens desse método é o fato de que o mesmo não está propenso aos esforços da fase de construção podendo, portanto, ser usado para a recolocação de sensores que apresentem defeitos durante a construção e, também, para instrumentar seções de pavimentos existentes que não tiveram planejadas a sua instrumentação. 3. IDENTIFICAÇÃO DOS LOCAIS DE INTERESSE No que se refere ao estabelecimento dos locais de interesse, ou seja, a definição dos pontos críticos onde devem ser instalados os sensores para medir deformações, é preciso, inicialmente, identificar o tipo de estrutura de pavimento a ser instrumentada. No caso de pavimentos flexíveis em concreto asfáltico, 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. Logo, nesse caso, o local ideal para realização de medidas de deformação de tração é no fundo da camada de revestimento. Por outro lado, se o tipo de estrutura a ser instrumentada se tratar de um pavimento semi-rígido, o trincamento da base cimentada, seguido da rápida reflexão das trincas através da espessura do revestimento asfáltico é o mecanismo de deterioração preponderante. Este processo de reflexão se dá tanto pela repetição das cargas do tráfego como pelos movimentos térmicos da camada cimentada. O trincamento por fadiga devido à repetição das deformações de tração sob a base, geradas pelas cargas de roda dos veículos, está sempre presente. Se a rigidez da mistura cimentada for muito elevada ou se as condições de cura não forem adequadas, deve-se esperar a formação de trincas transversais de retração na base, pouco tempo após a construção. Neste estudo, até o momento, foram realizadas medições de deformações horizontais na face inferior de uma camada asfáltica de recapeamento instrumentada conforme a representação esquemática mostrada na Figura 1. Na Figura 2 está mostrado o processo de instalação dos H-gages na face inferior do revestimento asfáltico. Na seqüência, além do monitoramento da evolução das deformações horizontais nesta seção-teste, deverão ser construídas novas seções experimentais de pavimentos onde serão instalados sensores configurados de modo a permitir a obtenção das tensões e deformações principias, conforme mostrado na Figura RESULTADOS OBTIDOS Nas Figuras 4 e 5 estão mostrados resultados típicos obtidos nas primeiras medições realizadas por sensores instalados na face inferior da camada asfáltica de recapeamento. O nível de carga aplicado pelo simulador de tráfego durante as medições realizadas foi de 50 kn. A distância de deslocamento do carregamento na direção transversal é de 1 m.

6 5. CONCLUSÃO Foram apresentados os primeiros resultados derivados de medições de deformação horizontal realizadas em ensaios acelerados em verdadeira grandeza com um simulador linear de tráfego. Tal pesquisa, em desenvolvimento na Área de Pesquisas e Testes de Pavimentos - UFRGS/DAER-RS, está se iniciando e envolve a investigação do desempenho de misturas asfálticas convencionais e modificadas com polímeros. Na fase atual de desenvolvimento dos trabalhos, pode-se relatar os seguintes aspectos principais referentes a evolução da pesquisa: Foram instalados seis (06) extensômetros de resistência elétrica. Destes, cinco (05) sobreviveram às etapas de construção; O experimento em desenvolvimento deverá permitir o acompanhamento da evolução da magnitude das deformações horizontais na face inferior da camada asfáltica de recapeamento com o aumento da degradação da estrutura do pavimento em termos de seus principais mecanismos de deterioração (trincamento e ocorrência de deformações permanentes). Tal monitoramento, deverá, ainda, possibilitar uma investigação comparativa do comportamento das deformações horizontais transversais e longitudinais nas seções com recapeamento convencional e naquelas com diferentes tipos de geotêxteis como camada intermediária; O sistema de aquisição de dados configurado permite a leitura dos sensores de deformação instalados no pavimento de maneira operacional e confiável. 6. AGRADECIMENTOS Aos pesquisadores, técnicos e auxiliares de pesquisa envolvidos no desenvolvimento deste estudo e ao CNPq pelo suporte financeiro destinado a pesquisa em questão. 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BAKER, H. B., BUTH, M. R., VAN DEUSEN, D.A. - Minnesota Road Research Project: Load Response Instrumentation/ Installation and Testing Procedures - Minnesota Department of Transportation - Mn/ROAD - March GONÇALVES, F. P. - Seminário de Doutorado, CPGEC/UFRGS, Porto Alegre, Dezembro de SEBAALY, P.E., TABATABAEE, N., KULAKOWSKI, B. - Evaluation of the Hall Effect Sensor for Pavement Instrumentation - American Society for Testing and Materials TABATABAEE, N., SEBAALY, P.E. - State-of-the-Art Pavement Instrumentation - Transportation Research Record, n o 1260, pp TABATABAEE, N., AL-QADI, I.L., SEBAALY, P.E. - Field Evaluation of Pavement Instrumentation Methods - Journal of Testing and Evaluation, Vol. 20, n o 2, pp , March VAN DEUSEN, D.A., NEWCOMB, D.E., LABUZ, J. F. - A Review of Instrumentation Technology for the Minnesota Road Research Project - Minnesota Department of Transportation - Mn/ROAD - April 1992.

7 A B C D E F CBUQ CBUQ Bita graduada Macadame Solo argiloso A - extensômetro longitudinal - geotêxtil - 01 B - extensômetro transversal - geotêxtil - 01 C - extensômetro longitudinal - CBUQ D - extensômetro transversal - CBUQ E - extensômetro longitudinal - geotêxtil - 02 F - extensômetro transversal - geotêxtil - 02 Figura 1 - Localização dos medidores de deformação Figura 2 - Instalação de extensômetros de resistência elétrica na face inferior da camada asfáltica

8 Figura 3 Configuração dos extensômetros para determinação das deformações principais na face inferior do revestimento asfáltico Leitura (mv) Tempo (s) Figura 4 - Forma típica da deformação horizontal medida sob ciclos de carga x descarga

9 420 Deformação ( microstrain) Tempo (s) Figura 5 - Forma típica da deformação horizontal medida sob carregamento dinâmico