Análise Estrutural de Pavimentos Rodoviários

Análise Estrutural de Pavimentos Rodoviários Aplicação a um Pavimento Reforçado com Malha de Aço NUNO FILIPE DOS SANTOS REIS Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em ENGENHARIA CIVIL Júri Presidente: Prof. Pedro Parreira Orientador: Prof. José Neves Co-orientador: Prof. Luís Castro Vogais: Prof. João Rocha Almeida Novembro 2009

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Resumo Esta dissertação tem como âmbito os métodos de reforço estrutural de pavimentos rodoviários flexíveis, os métodos de análise estrutural de pavimentos rodoviários e o estudo através do recurso à modelação pelo Método dos Elementos Finitos de um pavimento reforçado com malha de aço. Tendo em conta que os recursos financeiros para a construção e manutenção de pavimentos são cada vez mais limitados, é cada vez mais desejável que as obras de construção nova ou de reabilitação prevejam técnicas pautadas por economia de recursos. Tratando-se de técnicas ainda pouco conhecidas, é também desejável a investigação do seu desempenho, quer recorrendo à instrumentação e observação do seu comportamento em laboratório e em trechos experimentais, quer à modelação numérica com base em ferramentas adequadas. Neste contexto, foi efectuado recentemente um estudo sobre as vantagens observadas num pavimento reforçado com introdução de malha de aço nas camadas de misturas betuminosas. Esta dissertação surge na sua continuidade desse trabalho, na medida em que é efectuada a modelação numérica dos troços experimentais. A acção considerada na modelação do pavimento é a mesma considerada nos ensaios experimentais, tendo a particularidade do valor estar adequada às simplificações adoptadas no modelo. A acção é a correspondente ao ensaio de deflectómetro de impacto FWD (Falling Weight Deflectometer). Na modelação numérica com recurso ao Método dos Elementos Finitos (MEF) é utilizado o programa comercial ADINA ( Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis ). Com base noutros modelos, é feito um estudo paramétrico onde é avaliada a influência da abertura da malha e da sua posição no pavimento. Por fim, são apresentadas as conclusões retiradas no âmbito do estudo efectuado, sugerindose ainda alguns desenvolvimentos futuros. Palavras-chave Pavimento rodoviário Reforço estrutural Método dos Elementos Finitos Malha de aço i

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Abstract The objective of this dissertation is to study some flexible pavements reinforcement methods, pavements structural analysis and the study of flexible pavement reinforced with a steel mesh The study consists in modeling a road pavement behavior through the use of the finite element method (FEM). The resources for maintenance and new constructions, are becoming scarce. In order to maintain the quality of those structures, it s necessary that the authorities have the concern of providing a long term utilization, when building or rehabilitating constructions. Since the techniques used aren t well known, is desirable new investigation using instrumentation and observing their behavior in the laboratory and in experimental sections and perform new models using the appropriated tools. In this context, a study was realized, consisting in studying the improvements observed in flexible pavements reinforced with steel mesh. This work complements that study by validating the experimental results with the construction of a theoretical model. The action considered during the modeling of the pavement was the action provided by the FWD (Falling Weight Deflectometer). The value of the load was adapted to the simplification adopted. The ADINA (Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis) program was used in order to solve the FEM. The numerical and experimental displacements values were compared. To complement this work, more models studying the variation of the steel net and the depth position of the steel net position were tested. Finally are presented the conclusions of the present work and future developments. Key words Road pavement Structural reinforcement Finite element method Steel net iii

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Agradecimentos Em primeiro lugar, os meus agradecimentos são dirigidos aos meus Orientadores, o Professor José Neves e o Professor Luís Castro que deram todo o seu apoio, espírito crítico e disponibilidade, mesmo em momentos de inconveniência ou outra ocupação. Agradeço a todos os meus amigos e colegas pelos momentos que passamos juntos ao longo da realização deste trabalho, pela colaboração e apoio demonstrados. Por último, a um nível exclusivamente pessoal, um breve agradecimento a todos os meu amigos e família, aos meus pais António e Maria, e à minha irmã, Constantina, que sempre me apoiaram. v

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Índice Resumo... i Abstract... iii Agradecimentos... v Índice... vii Índice de figuras... xi Índice de tabelas... xv CAPÍTULO 1... 1 1 Considerações Iniciais... 1 1.1 Apresentação do tema e seu enquadramento... 1 1.2 Objectivos e metodologia... 2 1.3 Estrutura geral... 3 CAPÍTULO 2... 5 2 Análise de Pavimentos... 5 2.1 Generalidades... 5 2.2 Tipos de pavimentos... 6 2.2.1 Pavimentos flexíveis... 7 2.2.2 Pavimentos rígidos... 10 2.2.3 Pavimentos semi-rígidos... 15 2.3 Exigências de desempenho... 15 2.3.1 Exigências de desempenho funcionais... 15 2.3.2 Exigências de desempenho estruturais... 16 2.4 Solicitações de pavimentos... 16 vii

2.4.1 Acções directas... 16 2.4.2 Acções indirectas... 18 2.5 Degradação de pavimentos... 20 2.5.1 Pavimentos flexíveis... 20 2.5.2 Pavimentos rígidos... 27 2.6 Elementos de reforço estrutural... 31 2.6.1 Geossintético... 32 2.6.2 Malha de aço... 36 2.7 Metodologias de análise estrutural... 38 2.8 Conclusões... 40 CAPÍTULO 3... 43 3 O Método dos elementos finitos... 43 3.1 Generalidades... 43 3.2 O método dos elementos finitos... 44 3.3 O programa ADINA... 55 CAPÍTULO 4... 57 4 Descrição, observação e modelação de um pavimento... 57 4.1 Generalidades... 57 4.2 Descrição do pavimento experimental... 58 4.2.1 Camadas de base e fundação... 60 4.2.2 Misturas betuminosas e malhas de aço de reforço... 61 4.2.3 Instrumentação do trecho experimental... 63 4.2.4 Ensaios in situ... 63 4.3 Resultados experimentais... 64 4.4 Modelação dos troços experimentais... 65 viii

4.4.1 Descrição da geometria e condições de fronteira... 65 4.4.2 Definição de acções... 66 4.4.3 Definição da malha de elementos finitos... 67 4.4.4 Definição das propriedades dos materiais... 67 4.4.5 Malha de aço... 68 4.5 Calibração do modelo... 69 4.5.1 Conclusões... 72 CAPÍTULO 5... 75 5 Análise e Interpretação de resultados... 75 5.1 Generalidades... 75 5.2 Análise e Interpretação de resultados... 75 5.2.1 Pavimento 4... 75 5.2.2 Pavimento 6... 77 5.2.3 Pavimento 8... 79 5.2.4 Pavimento 10... 81 5.3 Conclusões... 83 CAPÍTULO 6... 85 6 Estudo paramétrico da influência da posição e da abertura da malha de aço... 85 6.1 Generalidades... 85 6.2 Descrição dos troços... 85 6.3 Modelação... 86 6.3.1 Descrição da geometria e das condições de fronteira... 86 6.3.2 Definição de acções... 86 6.3.3 Definição da malha de elementos finitos... 87 6.3.4 Definição das propriedades dos materiais... 87 ix

6.3.5 Malha de aço... 88 6.4 Análise dos resultados... 88 CAPITULO 7... 93 7 Conclusões... 93 7.1 Trabalhos de investigação futura... 94 Referências Bibliográficas... 97 x

Índice de figuras Figura 2.1 - Estrutura de um pavimento flexível [5]... 8 Figura 2.2 - Estrutura de um pavimento rígido [5]... 11 Figura 2.3 - Perfil de pavimento rígido simples [6]... 12 Figura 2.4 - Perfil de pavimento rígido simples com passadores [6]... 13 Figura 2.5 - Perfil de pavimento rígido de betão armado com juntas [6]... 13 Figura 2.6 - Perfil de pavimento continuamente armado [6]... 14 Figura 2.7 - Estrutura de um pavimento semi-rígido [5]... 15 Figura 2.8 - Deformações num pavimento flexível [10]... 17 Figura 2.9 - Mecanismo de retracção do betão [6]... 18 Figura 2.10 - Empenamento no período diurno [6]... 19 Figura 2.11 - Empenamento no período nocturno [6]... 20 Figura 2.12 Rodeiras devido à baixa capacidade de carga de um pavimento flexível [13]... 22 Figura 2.13 - Aparecimento de fendas devido à baixa capacidade de carga de um pavimento flexível [13]... 24 Figura 2.14 - Mecanismo de origem das fendas devido às baixas temperaturas em pavimentos flexíveis [13]... 25 Figura 2.15 - Tipos de reflexão de fendas [13]... 27 Figura 2.16 - Reflexão de fendas transversal [13]... 27 Figura 2.17 - Reflexão de fendas longitudinal [13]... 27 Figura 2.18 Fenómeno de bombagem de finos [7]... 28 Figura 2.19 - Exemplo de bombagem de finos em pavimentos rígidos [5]... 28 Figura 2.20 - Exemplo de aparecimento de fissuras transversais em pavimentos rígidos [21].. 30 xi

Figura 2.21 - Exemplo de aparecimento de fissuras em malha em pavimentos rígidos [21]... 31 Figura 2.22 - Exemplo de fendilhamento por fadiga em pavimentos rígidos com origem na face inferior da laje de betão [6]... 31 Figura 2.23 Exemplo de fendilhamento por fadiga em pavimentos rígidos com origem na face superior da laje de betão [6]... 31 Figura 2.24 - Geossintético com função de reduzir ou evitar reflexão de fendas [24]... 32 Figura 2.25 - Geossintético como barreira à bombagem de finos [24]... 32 Figura 2.26 - Geossintético para redução da espessura da camada betuminosa [24]... 33 Figura 2.27 - Geossintético para redução da espessura do pavimento [24]... 33 Figura 2.28 - Geossintético para diminuição da profundidade da rodeira [24]... 33 Figura 2.29 - Exemplo de aplicação de geotêxtil em pavimento flexível [28]... 36 Figura 2.30 - Colocação da malha de aço numa estrada [13]... 37 Figura 2.31 - Efeito da malha de aço na prevenção do aparecimento de fendas [13]... 37 Figura 2.32 - Fendas longitudinais e transversais nas juntas entre as malhas de aço [13]... 38 Figura 3.1 - Tipos de Elementos Finitos [35]... 45 Figura 3.2 - Exemplo de malha uniforme [36]... 47 Figura 3.3 - Exemplo de discretização de um domínio... 48 Figura 3.4 - Exemplo correcto de discretização do domínio da Figura 3.3... 48 Figura 3.5 - Exemplo de identificação dos deslocamentos independentes... 49 Figura 3.6 - Exemplo de identificação das forças nodais... 49 Figura 3.7 - Exemplo de um elemento tetraédrico com os deslocamentos identificados... 49 Figura 3.8- Equação do método dos elementos finitos [13]... 52 Figura 3.9 - Organograma do Método dos Elementos Finitos [37]... 54 Figura 4.1 Estrutura do pavimento em cada um dos troços experimentais [39]... 60 xii

Figura 4.2 - Planta dos troços experimentais [39]... 60 Figura 4.3 - Equipamento de ensaio FWD [1]... 63 Figura 4.4 - Equipamento de ensaio FWD e geofones [1]... 63 Figura 4.5 - Pormenor do equipamento FWD [1]... 64 Figura 4.6 Representação esquemática do pavimento a modelar... 65 Figura 4.7 - Modelo adoptado no ADINA... 66 Figura 4.8 - Modelo do pavimento no ADINA... 68 Figura 4.9 - Resultados experimentais e resultados retirados do ADINA para o troço S4... 70 Figura 4.10 - Resultados experimentais e resultados retirados do ADINA para o troço S6... 70 Figura 4.11 Resultados experimentais e resultados retirados do ADINA para o troço S8... 71 Figura 4.12 - Resultados experimentais e resultados retirados do ADINA para o troço S10... 71 Figura 5.1 - Resultados experimentais e numéricos para o troço P4... 76 Figura 5.2 - Resultados experimentais e numéricos para o troço M4... 76 Figura 5.3 - Resultados experimentais e numéricos para o troço G4... 77 Figura 5.4 - Resultados experimentais e numéricos para o troço P6... 78 Figura 5.5 - Resultados experimentais e numéricos para o troço M6... 78 Figura 5.6 - Resultados experimentais e numéricos para o troço G6... 78 Figura 5.7 - Resultados experimentais e numéricos para o troço P8... 79 Figura 5.8 - Resultados experimentais e numéricos para o troço M8... 80 Figura 5.9 - Resultados experimentais e os numéricos para o troço G8... 80 Figura 5.10 - Resultados experimentais e numéricos para o troço P10... 81 Figura 5.11 - Resultados experimentais e numéricos para o troço M10... 82 Figura 5.12 - Resultados experimentais e numéricos para o troço G10... 82 Figura 6.1 - Carga referente ao eixo padrão do camião tipo [10]... 87 xiii

Figura 6.2 - Deslocamento vertical na interface de desgaste com camada de regularização em função da abertura da malha de aço... 88 Figura 6.3 - Extensões horizontais na interface da camada de desgaste com a camada de regularização em função da abertura da malha de aço... 89 Figura 6.4 - Extensões horizontais na interface da camada de AGE com a camada de regularização em função da abertura da malha de aço... 89 Figura 6.5 - Deslocamento vertical na interface da camada de desgaste com a de regularização em função da posição da malha de aço... 90 Figura 6.6 - Extensão horizontal na interface da camada de desgaste com a camada de regularização em função da posição da malha de aço... 90 Figura 6.7 - Extensão horizontal na interface da camada de regularização com a camada de AGE em função da posição da malha... 90 xiv

Índice de tabelas Tabela 2.1 - Espessuras das camadas usualmente usadas num pavimento flexível... 7 Tabela 2.2 - Família e tipos de degradações [12]... 21 Tabela 4.1 - Identificação e características dos troços experimentais [1]... 59 Tabela 4.2 - Características do AGE [1]... 61 Tabela 4.3 - Características dos agregados utilizados [1]... 61 Tabela 4.4 - Quantidade de agregados utilizados nas misturas betuminosas [1]... 62 Tabela 4.5 - Características do macadame betuminoso [1]... 62 Tabela 4.6 - Características da malha de aço [1]... 62 Tabela 4.7 Módulos de deformabilidade e coeficiente de Poisson dos troços experimentais [1]... 64 Tabela 4.8 - Módulo de elasticidade e coeficiente de Poisson do aço [1]... 68 Tabela 4.9 - Módulos de elasticidade e coeficientes de Poisson dos troços S4, S6, S8 e S10. 69 Tabela 4.10 - Diferenças entre os resultados experimentais e ADINA nos troços S4, S6, S8 e S10... 72 Tabela 5.1 - Diferenças entre resultados experimentais e ADINA para os troços P4, M4 e G4 77 Tabela 5.2 - Diferença entre os resultados experimentais e numéricos para os troços P6, M6 e G6... 79 Tabela 5.3 - Diferenças observadas para os troços P8, M8 e G8... 81 Tabela 5.4 - Diferenças entre resultados experimentais e ADINA para os troços P10, M10 e G10... 82 Tabela 6.1 - Módulos de elasticidade e coeficientes de Poisson utilizados no estudo paramétrico... 87 xv

CAPÍTULO 1 1 Considerações Iniciais 1.1 Apresentação do tema e seu enquadramento Um dos grandes problemas da sociedade actual é a necessidade de reduzir a dependência de matérias-primas que cada vez mais existem em quantidades limitadas disponíveis para a construção. Ao ser parte importante da constituição dum pavimento, as misturas betuminosas e os correspondentes materiais constituintes como o betume derivado do petróleo, são potenciais materiais que interessa diminuir o seu consumo, do ponto de vista não só ambiental mas também económico. As estradas e aeroportos são infra-estruturas expostas a um aumento não só do volume de tráfego mas também das correspondentes cargas. Tendo Portugal uma rede viária constituída por pavimentos flexíveis e sendo os orçamentos disponíveis para as novas construções e manutenção destas infra-estruturas cada vez mais limitados, torna-se necessário construir com o cuidado de garantir um desempenho adequado durante o ciclo de vida, em termos quer funcionais (segurança e conforto) quer estruturais. Nesta perspectiva tem sido desenvolvida investigação no sentido de implementar possíveis métodos de reforço dos pavimentos, eficazes e económicos. Como exemplo de soluções que potenciem uma maior capacidade de suportar a carga ao pavimento, tem-se a introdução de geossintéticos ou geogrelhas, com recurso às fibras de vidro ou carbono, malhas de aço, etc. A escolha do reforço a adoptar no caso do objectivo ser a reabilitação de um pavimento depende do estado em que se encontra, nomeadamente ao nível do estado estrutural e funcional e do nível de qualidade que se pretende atingir. 1

As principais causas de degradação dos pavimentos flexíveis são as deformações permanentes e o aparecimento de fendas. O reforço com malha de aço tem sido utilizado como reforço em algumas áreas tais como: aumento da capacidade de carga; aumento da resistência à formação de rodeiras; aumento da resistência ao aparecimento de fendas; aumento da resistência aos assentamentos laterais; minimização do risco de aparecimento de fendas no reforço dos pavimentos existentes; aumento da resistência ao fendilhamento devido ao gelo. O reforço de pavimentos flexíveis com recurso à malha de aço iniciou-se nos países do norte da Europa por volta de 1970. Após a aplicação em algumas estradas, foi reconhecido o seu potencial como reforço para pavimentos. Dessa maneira, esta técnica suscitou o interesse de organizações originando investigações um pouco por toda a parte tendo como exemplo o projecto patrocinado pela União Europeia denominado por REFLEX (Reinforcement of Flexible Road Structures with Steel Fabrics to Prolong Service Life). Este projecto proporcionou conclusões interessantes acerca das melhorias verificadas pela introdução da malha de aço como reforço, tendo como base casos práticos de estradas localizadas na Suécia, Finlândia e Itália, ajudando a definir directrizes para o dimensionamento e execução de reforço de pavimentos recorrendo à malha de aço. 1.2 Objectivos e metodologia O trabalho aqui apresentado tem como título Análise Estrutural de Pavimentos Rodoviários - Aplicação a um Pavimento Reforçado com Malha de Aço e tem como objectivo contribuir para uma análise estrutural mais adequada e robusta dos pavimentos, tendo como base um caso de estudo, onde foram construídos doze troços experimentais com malha de aço e quatro sem malha de aço, alguns instrumentados com extensómetros, sendo feito ensaios de carga com o FWD ( Falling Wight Deflectometer ) e posteriormente efectuada a modelação numérica simplificada, baseada em modelos de múltiplas camadas elásticas lineares, com o fim de calibrar e validar a qualidade dos resultados obtidos nos ensaios de carga. Assim, no presente trabalho foi feita uma nova modelação dos trechos experimentais com base em modelo de elementos finitos. Os quatro troços que não apresentam malha de aço na sua constituição foram tomados como troços de referência e dessa maneira utilizados para calibrar os modelos. Note-se que em Portugal nunca foi feito anteriormente um trabalho deste tipo, em que o objectivo foi o reforço de pavimentos betuminosos com malha de aço. Desta forma, o 2

trabalho realizado por Alves [1] pretendeu estudar a viabilidade deste tipo de reforço contribuir para uma maior economia de construção e manutenção de pavimentos. Neste trabalho foi efectuada também uma investigação acerca das técnicas de reforço mais usuais, associadas aos tipos de degradação mais observados em pavimentos, tendo como base a principal origem dessas degradações. Na modelação foi feita uma simplificação de simetria do pavimento estudado, a fim de facilitar a obtenção de resultados e o trabalho com o programa escolhido. Por fim procedeu-se à comparação dos resultados obtidos através do Método dos Elementos Finitos com os resultados obtidos pela via experimental por Alves [1]. Para avaliar melhor a posição mais adequada para a uma maior eficiência da malha de aço no pavimento, foram construídos mais seis modelos dos troços onde se procedeu à variação da abertura da malha de aço (5 cm, 10 cm e 20 cm) e da posição da malha de aço (na interface das camadas de macadame e de desgaste, na camada de macadame a 3 mm da camada de desgaste e na camada de macadame a 6 mm da camada de desgaste). 1.3 Estrutura geral No CAPÍTULO 1 é feita uma introdução ao trabalho assim como a definição dos objectivos a serem alcançados e metodologia adoptada. Posteriormente é efectuada uma descrição sumária da estrutura do trabalho. No CAPÍTULO 2 é feita uma explicação acerca dos tipos de pavimentos mais utilizados e das suas exigências de desempenho. Para os vários pavimentos são explicadas as solicitações a que podem estar sujeitos durante o seu tempo de vida útil. São apresentados os tipos de degradação mais correntes observados em cada tipo de pavimento, assim como elementos de reforço possíveis de modo a colmatar estas degradações, aumentando o tempo de vida útil dos pavimentos ou diminuindo a quantidade de material necessário à manutenção do pavimento. No CAPÍTULO 3 são explicados os passos do Método dos Elementos Finitos. Este método foi utilizado para obter os deslocamentos resultantes da elaboração do modelo de elementos finitos explicado no CAPÍTULO 4, deslocamentos necessários à comparação com os resultados experimentais. No CAPÍTULO 4 é feita uma descrição sucinta dos troços de pavimento em estudo bem como dos ensaios experimentais realizados in situ. São descritas as características dos materiais constituintes dos troços. É descrita a realização dos ensaios e são referidos os pontos onde foi 3

feita a instrumentação dos troços. É ainda explicado o método seguido para proceder à modelação do pavimento assim como as razões que conduziram ao modelo adoptado. No CAPÍTULO 5 serão apresentados os resultados referentes à modelação adoptada com a posterior discussão dos mesmos. No CAPÍTULO 6 é feito um estudo paramétrico acerca da variação da abertura da malha de aço e da posição da malha dentro da camada de macadame. Para isso são feitas novas modelações tendo por base as características de um dos troços escolhidos. No CAPITULO 7 são apresentadas as conclusões da execução do trabalho, com recomendações para o trabalho que poderá ser levado a cabo no futuro. 4

CAPÍTULO 2 2 Análise de Pavimentos 2.1 Generalidades Com o preço do petróleo cada vez mais elevado e a necessidade de pavimentos mais duradouros e resistentes, diferentes dos pavimentos tradicionais, capazes de assegurar os acréscimos de tráfego e de carga dos veículos, torna-se necessário utilizar métodos de dimensionamento baseados em análises estruturais capazes de fornecer resultados mais adequados ao dimensionamento racional de novos materiais e técnicas de pavimentação, conseguindo-se obter projectos económicos e tecnicamente adequados às novas exigências. Os utilizadores das infra-estruturas rodoviárias têm sobretudo como preocupação a funcionalidade e o nível de serviço, que está relacionada com o desempenho do pavimento aquando da sua utilização. A qualidade de utilização dos pavimentos é medida pelo conforto do pavimento (a existência ou não de irregularidades) e a sua segurança (usualmente relacionada com a rugosidade da superfície). Estes factores determinam os custos inerentes à utilização por parte do utilizador. Quanto mais irregular estiver o pavimento e menos rugoso, maiores serão os custos de utilização deste tipo de infra-estruturas que aumentam naturalmente devido a acidentes e aos próprios custos relacionados com a utilização dos veículos [2]. Neste capítulo são apresentados os diversos tipos de pavimentos utilizados, as exigências de desempenho, os tipos de solicitações a que estão sujeitos bem como as deteriorações usualmente observadas e listadas algumas técnicas de reforço que podem ser utilizadas de 5

modo a prolongar a vida útil. Por último são discutidas algumas metodologias de análise experimental. 2.2 Tipos de pavimentos É designada por pavimento a estrutura construída sobre a terraplenagem de um terreno, que suporta as cargas provenientes do tráfego, redistribui essas cargas para a infra-estrutura e proporciona as condições satisfatórias de conforto, economia e segurança a quem utiliza a estrutura [3]. Como requisitos principais, os pavimentos devem proporcionar condições de condução segura e confortável aos condutores (requisitos funcionais) e resistir a esforços verticais e horizontais devidos ao tráfego (requisitos estruturais), ao longo do período de vida útil. Em relação aos tipos de pavimentos existentes classificam-se os pavimentos em flexíveis, rígidos e semi-rígidos. Os pavimentos são classificados de acordo com os seus materiais constituintes, os quais estão directamente relacionados com o seu comportamento estrutural. O tipo de pavimento a adoptar depende entre outras coisas dos seguintes pontos [3]: da categoria da estrada; das condições climatéricas; do tráfego previsto; das condições do terreno de fundação. No que diz respeito aos materiais constituintes da fundação do pavimento, o leito do pavimento é, em geral, constituído por solos ou materiais granulares [3]. Em relação às sub-bases, utilizam-se materiais mais nobres, de melhor qualidade, recorrendose para tal a solos seleccionados, agregados britados de granulometria extensa ou a solos ou agregados com adição de ligantes hidráulicos [3]. A camada de base é constituída por agregados britados de granulometria extensa, sendo que é possível recorrer ao seu tratamento através de ligantes hidráulicos ou betuminosos. Pode assim ter-se, por exemplo, bases de macadame betuminoso [3]. 6

2.2.1 Pavimentos flexíveis O recurso a betume como revestimento de pavimentos começou por ser utilizado nos Estados Unidos. Esta utilização ocorreu no ano de 1896, quando foi verificada a deterioração precoce de um pavimento rígido e foi decidido cobrir este pavimento com uma camada de revestimento betuminoso [4]. Os pavimentos flexíveis são constituídos por camadas de misturas betuminosas. Na Tabela 2.1 pode-se observar as espessuras das camadas de um pavimento flexível. Tabela 2.1 - Espessuras das camadas usualmente usadas num pavimento flexível Camada Espessura [cm] Desgaste 4-8 Regularização 4-10 Base 15-30 Sub-base 15-30 A resistência estrutural dos pavimentos flexíveis é dada pelas diferentes camadas que o constituem assim como os materiais usados no qual a resistência e rigidez são fundamentais. A camada mais importante é a de base pois recebe os esforços de tráfego provenientes da camada de desgaste, uniformiza as tensões e posteriormente transmite-as para a camada de sub-base. Na Figura 2.1 podemos observar um exemplo da estrutura de um pavimento flexível. 7

Figura 2.1 - Estrutura de um pavimento flexível [5] Descrição das camadas constituintes de um pavimento flexível: Camada de desgaste Esta é a camada superior do pavimento e na qual circula directamente o tráfego. Deve apresentar uma superfície lisa, regular, não derrapante e resistente ao desgaste contínuo do tráfego, conferindo as condições de segurança e conforto para os utilizadores. Esta camada é em mistura betuminosa, constituída por uma mistura de agregados e betume. Os agregados têm uma maior percentagem na camada de cerca de 85 a 90% e têm como função resistir ao desgaste imposto pelas solicitações e suportar e transmitir as cargas provenientes do tráfego para a camada de base. O betume constitui o restante material com cerca de 10 a 15% e tem como função ligar os agregados, tratando-se de um elemento aglutinante e impermeabilizador da camada [5]. Camada de regularização Tem como função receber as cargas derivadas do tráfego e transmitidas pela camada de regularização, uniformizar as tensões e posteriormente transmitir para a camada de base. Esta camada é constituída por uma mistura betuminosa. Camada de base 8

É a camada estrutural mais importante. Tem como função receber as cargas transmitidas pela camada de regularização, uniformizar as tensões e posteriormente transmitir para a camada de sub-base. É constituída por material granular compactado. Camada de sub-base A camada de sub-base, utilizada para reduzir a espessura da base, tem como funções receber os esforços provenientes da camada de base e redistribuir os esforços para a fundação, drenar as infiltrações que poderão ocorrer nas camadas superiores e impedir a ascensão da água capilar evitando que atinjam as camadas nobres do pavimento. Das vantagens da utilização deste tipo de pavimento, destaca-se a facilidade e rapidez de reparação e a adaptação a eventuais deformações das camadas inferiores. Para o seu dimensionamento torna-se necessário conhecer o tráfego presente e futuro, pois as características do tráfego influenciam a degradação do pavimento. As condições climáticas e de fundação são também dados essenciais ao dimensionamento dos pavimentos flexíveis. Na camada de desgaste podem ser utilizados revestimentos superficiais betuminosos que são constituídos por revestimento simples, revestimento superior duplo ou revestimento duplo invertido. Revestimento superficial betuminoso O revestimento superficial betuminoso é caracterizado por uma camada de desgaste constituída por aglutinante, como por exemplo emulsão betuminosa, coberto por agregado de dimensões apropriadas (areia ou gravilha) sobre camada de material granular (macadame ou base de granulometria extensa). Revestimento duplo invertido O revestimento duplo invertido segue o principio dos pavimentos drenantes. É caracterizado por apresentar duas regas de emulsão betuminosa combinadas com duas camadas de agregado. A camada drenante superficial favorece a drenagem das águas das chuvas, depois da camada de base leva uma camada de ligante, segue-se uma camada de agregado mais fino que quando é feita a compactação com cilindros de rasto liso, cravam o agregado fino envolvido com betume na camada granular inicial. Após a compactação leva uma camada de 9

ligante (rega superficial betuminosa) e espalhamento de uma camada de gravilha mais grosseira. Posteriormente, é efectuada mais uma compactação em que é cravada a camada do agregado grosseiro envolvido com betume na camada betuminosa anterior. O revestimento duplo é em tudo igual ao revestimento duplo invertido com a diferença de não apresentar a camada drenante superficial na sua constituição. 2.2.2 Pavimentos rígidos Os pavimentos rígidos caracterizam-se pela camada de desgaste ser constituída por uma laje de betão de elevada resistência. Os principais dinamizadores dos pavimentos rígidos foram os ingleses com a primeira construção em 1865, seguindo-se os Estados Unidos da América em 1891. Antes da segunda guerra mundial a preferência para os pavimentos das auto-estradas dos Americanos e Alemães resumia-se sobretudo aos pavimentos rígidos [6]. São diversas as razões da opção de utilizar um pavimento rígido em detrimento de um pavimento flexível: têm um custo inicial superior aos pavimentos flexíveis mas durante a sua vida útil os encargos para manutenção são inferiores e as preocupações com os requisitos da fundação são inferiores em relação aos pavimentos flexíveis [3], [6]. Nos pavimentos rígidos a rigidez estrutural é conferida pela laje. Esta situação verifica-se porque o módulo de elasticidade do betão é consideravelmente superior ao dos materiais das restantes camadas. Sendo assim, a importância que as camadas de base e sub-base tomam nestes pavimentos é inferior e uma variação no seu módulo de elasticidade não tem grande influência no funcionamento do pavimento. Estas camadas devem, no entanto, ser bem compactadas para serem evitados assentamentos diferenciais originando degradações no pavimento [3]. Na Figura 2.2 apresenta-se um exemplo da estrutura de um pavimento rígido. 10

Figura 2.2 - Estrutura de um pavimento rígido [5] Descrição das camadas constituintes de um pavimento rígido: Camada de desgaste A camada de desgaste (laje de betão) é a camada estrutural do pavimento que suporta, redistribui e transfere para as camadas inferiores os esforços provenientes do tráfego. Deve apresentar características de drenagem e ser impermeável. Deve apresentar também uma superfície regular de modo a que o tráfego possa circular em segurança, com conforto e com economia. Camada de base A camada de base serve como camada de apoio à laje de betão. Trata-se de uma camada constituída por material granular de granulometria extensa, brita, que serve para uniformizar os esforços da laje e transmiti-los à camada de sub-base. Camada de sub-base A camada de sub-base pode não existir, sendo complementar à camada de base. Tem como objectivo impedir que as águas capilares atinjam a base, garantindo boas condições resistentes 11

aos esforços a que está sujeita. É constituída por solos ou materiais granulares (granulometria grosseira, permeáveis e com características de resistência e deformabilidade compatíveis). Os pavimentos rígidos podem ser construídos em betão com juntas, betão com juntas e passadores, betão armado com juntas e betão armado contínuo. Betão com juntas Uma vez que as lajes de betão apresentam uma grande área de exposição ao ar, o betão a utilizar deve ser de elevada qualidade de modo a sofrer menos retracção, por exemplo devido às variações de temperatura e que tenha resistência suficiente para absorver estes esforços. Tratando-se de lajes de betão simples sem armaduras, a qualidade do betão toma uma maior importância para absorver os esforços de tracção resultantes da flexão. É necessário então um betão de maior resistência, sendo que para tal acontecer a quantidade de cimento a utilizar é maior, o que para além de encarecer o material torna a estrutura mais retráctil. Para uma maior economia, é importante utilizar relações de água/cimento adequadas, não prejudicando a economia ou o desempenho estrutural, tendo o cuidado de ter uma boa trabalhabilidade [6]. Este tipo de pavimento só é exequível caso o espaçamento entre juntas seja pequeno [6]. Na Figura 2.3 apresenta-se um exemplo de um perfil de pavimento rígido simples. Figura 2.3 - Perfil de pavimento rígido simples [6] Betão com juntas e passadores Os pavimentos de betão com juntas e passadores têm estrutura em tudo idêntica aos de betão unicamente com juntas, mas com a diferença de apresentarem na sua estrutura varões de aço que permitem a transmissão de esforços entre lajes: passadores ou varões de transmissão de cargas. Os diâmetros, comprimentos e espaçamentos destes varões são variáveis, de acordo com as condições de cada obra e exigências ao nível estrutural [3]. 12

Na Figura 2.4 apresenta-se um exemplo de um perfil de pavimento rígido simples com passadores. Figura 2.4 - Perfil de pavimento rígido simples com passadores [6] Betão armado com juntas Os pavimentos em betão armado com juntas têm estrutura caracterizada por apresentar uma malha de varões nas placas de betão. Esta malha de varões tem como objectivo principal reduzir o fendilhamento e deformações devidas, por exemplo, a variações de temperatura, empenamento, etc. A introdução desta malha também possibilita uma maior distância entre juntas, podendo atingir espaçamentos de 10 a 15m aproximadamente. A quantidade de armadura a introduzir é de cerca de 1% [6], [7]. Actualmente, a malha de armadura a ser utilizada é a malhasol, com a vantagem de ser préfabricada [6]. A transferência de cargas através das juntas é assegurada pelos passadores ou varões de transmissão de cargas. Na Figura 2.5 apresenta-se um exemplo de um perfil de pavimento rígido de betão armado com juntas. Figura 2.5 - Perfil de pavimento rígido de betão armado com juntas [6] 13

Betão armado continuo O tipo de estrutura de pavimentos em betão armado contínuo (BAC) caracteriza-se por apresentar armadura distribuída em toda a sua extensão, sendo evitada assim a utilização de juntas. O objectivo desta armadura é garantir a não ocorrência de fendas, pelo facto de não haver juntas pelos motivos já referidos (retracção e variações de temperatura). As únicas juntas existentes neste tipo de estrutura são as juntas de construção originadas pelo faseamento da obra. A existência ou não de juntas longitudinais depende do processo de construção [6]. Em relação às quantidades de armadura, estas estão compreendidas entre os 0,5 e 0,7% da área da secção da laje do pavimento [7]. Na Figura 2.6 apresenta-se um exemplo de perfil de pavimento em betão armado contínuo. Figura 2.6 - Perfil de pavimento continuamente armado [6] O fendilhamento no betão deve ser controlado de modo a não se correr o risco de haver a ocorrência de fendas muito largas, permitindo infiltrações. Estas infiltrações podem ocorrer também nas juntas, pelo que se procede ao preenchimento das juntas com materiais selantes e deformáveis que evitem as infiltrações [3]. De modo a impedir ou controlar o fendilhamento pode ser utilizado na camada de desgaste betão reforçado através da adição de fibras à sua constituição. Como exemplo a adição de fibras de aço ao betão, estas têm como finalidade inibir a abertura de fendas, bem como a sua propagação. Devido a esta inibição, o material apresenta uma maior capacidade de se deformar e absorver esforços. Portanto, um material com estas características possibilita uma diminuição da espessura das lajes e mostra-se mais adequado para pavimentos que apresentem tráfego elevado [8]. 14

2.2.3 Pavimentos semi-rígidos Os pavimentos semi-rígidos caracterizam-se por serem constituídos por um revestimento betuminoso, bases tratadas com cimento de elevada rigidez em que, devido ao aumento de rigidez e consequente módulo de elasticidade, é absorvida a maioria dos esforços de tracção, e sub-bases de materiais granulares [9]. Este tipo de pavimentos é em tudo semelhante aos pavimentos flexíveis com a diferença de na camada de base apresentarem outro tipo de material na sua constituição: betão pobre ou AGEC (agregado de granulometria extensa com cimento). Na Figura 2.7 apresenta-se um exemplo da estrutura de um pavimento semi-rígido. Figura 2.7 - Estrutura de um pavimento semi-rígido [5] 2.3 Exigências de desempenho As exigências de desempenho dos pavimentos podem ser classificadas em funcionais ou estruturais. 2.3.1 Exigências de desempenho funcionais Ao nível do desempenho funcional, têm que ser verificadas as seguintes exigências [5]: 15

Aderência. Capacidade de drenagem superficial. Resistência à acção da água. Impermeabilização da superfície. Resistência à deformação permanente. Redução do ruído de rolamento. 2.3.2 Exigências de desempenho estruturais Ao nível do desempenho estrutural, têm que ser verificadas as seguintes exigências [5]: Resistência à deformação permanente. Resistência à fadiga. Resistência à reflexão das fendas. Resistência ao fendilhamento superficial. Resistência ao fendilhamento induzido por acções térmicas. Resistência ao envelhecimento. 2.4 Solicitações de pavimentos Os pavimentos na sua generalidade estão sujeitos a acções directas e indirectas, sendo que as acções indirectas são características unicamente dos pavimentos rígidos. Entende-se por acções directas os esforços absorvidos directamente pelo pavimento, resultantes de forças ou pressões aplicadas à estrutura. As acções indirectas estão relacionadas com as deformações impostas ao pavimento, sendo que estas acções podem ser devidas à retracção, dilatação térmica e empenamento [6]. Nas acções directas estão presentes os esforços inerentes ao tráfego de veículos. 2.4.1 Acções directas As acções resultantes do tráfego de veículos são acções móveis e podem ser acções verticais ou transversais (travagem, rolamento). 16

Quando estamos na presença de acções móveis, é importante não só o valor da força devida a essa acção como também o número de repetições, a velocidade de circulação do tráfego e a sua posição no pavimento. As solicitações devidas ao tráfego que actuam em pavimentos são acções de curta duração. O facto de estas actuarem de forma repetida origina o fenómeno de fadiga, podendo causar a deterioração do pavimento. As deformações originadas por este tipo de acções podem ser reversíveis ou permanentes, longitudinais ou transversais. As deformações irreversíveis que se traduzem em esforços de tracção na base das camadas betuminosas responsáveis pelo fenómeno de fadiga e, consequentemente, pela degradação por fendilhamento [10]. As deformações permanentes evoluem no tempo com a passagem do tráfego e contribuem para o aumento da profundidade das rodeiras [10]. Entende-se por rodeiras a deformação localizada ao longo da zona de passagem dos rodados dos veículos pesados. Na Figura 2.8 apresenta-se um exemplo de deformações permanentes num pavimento flexível, bem como o fendilhamento por fadiga. Figura 2.8 - Deformações num pavimento flexível [10] Nas vias de comunicação circulam diversos tipos de veículos entre os quais as motos, automóveis ou camiões, de pesos variáveis. No dimensionamento de pavimentos considera-se o tráfego de veículos pesados com peso bruto igual ou superior a 3tf [10]. 17

2.4.2 Acções indirectas Como já foi referido anteriormente, as acções indirectas dizem respeito a deformações impostas caracterizadas pela retracção, dilatação térmica e empenamento. 2.4.2.1 Retracção A retracção é um fenómeno associado a estruturas de betão em que a estrutura, devido à perda de água por secagem do betão, diminui de volume. A retracção é quantificada como uma extensão e usualmente assimilável a uma variação de temperatura. De entre os vários tipos de retracção a que as estruturas de betão estão sujeitas, a retracção mais significativa nos pavimentos rígidos é a retracção por secagem do betão, pois neste tipo de estrutura a grande maioria da superfície está exposta ao ar. Um dos factores que tem influência na retracção é o clima: a retracção aumenta com a redução da humidade do ar, com o crescimento da temperatura e com maior incidência de ventos [6]. A retracção nas estruturas de betão está associada ao aparecimento de fendas. O aparecimento de fendas está também dependente da classe de resistência do betão, da deformabilidade e restrição à deformação. É possível minimizar os efeitos inerentes a esta deformação se as placas a betonar forem limitadas na sua extensão, pois dessa maneira a diminuição de volume é menor. Outra maneira consiste em evitar que a cura se dê nas horas de maior calor, pois assim a perda de água é menor e dá-se mais lentamente [6]. Devido à superfície inferior da laje de betão estar em contacto com a camada de base, a retracção do betão não é livre, originando esforços devido às forças de atrito geradas, causando tracção na laje de betão. A laje de betão tende a diminuir o seu comprimento para o centro [6]. A tracção é o fenómeno de alongamento das fibras do material em questão quando sujeitas a uma força. Na Figura 2.9 é possível observar o mecanismo de retracção. Figura 2.9 - Mecanismo de retracção do betão [6] 18

2.4.2.2 Dilatação térmica Entende-se por dilatação térmica o fenómeno de variações de volume associado a variações de temperatura. No caso de uma variação de temperatura positiva, a placa de betão tende a aumentar de volume, aumentar a sua extensão e, por conseguinte, irão surgir esforços de compressão devido ao atrito e o contacto com as outras placas no caso de existirem. Se a variação de temperatura for negativa, o fenómeno que ocorre na placa de betão é o mesmo que na retracção: a placa diminui de volume e surgem esforços de tracção resultantes da força de atrito existente. 2.4.2.3 Empenamento O empenamento surge devido às diferenças de temperatura nas duas faces da placa de betão. Estas diferenças surgem pois durante o dia o sol aquece a face superior a uma velocidade superior à da face inferior. Desta forma, a face superior dilata mais que a face inferior. Numa situação contrária, aquando do período nocturno, a face superior da placa diminui a temperatura a uma velocidade superior à face inferior, pelo que desse modo a face superior sofre contracção. Na Figura 2.10 e Figura 2.11 é possível observar as configurações originadas por estes gradientes térmicos. Figura 2.10 - Empenamento no período diurno [6] 19

Figura 2.11 - Empenamento no período nocturno [6] Durante o dia, as deformações associadas ao empenamento provocam tensões de tracção na fibra superior e de compressão na inferior. No período nocturno, ocorre o fenómeno contrário, ou seja, dá-se compressão na face superior e tracção na face inferior. 2.5 Degradação de pavimentos 2.5.1 Pavimentos flexíveis A deterioração dos pavimentos flexíveis está associada à degradação da qualidade dos materiais constituintes das camadas que fazem parte da constituição de um pavimento. A degradação pode ser provocada pela actuação das acções já referidas, de um inadequado projecto e/ou deficiências e problemas no processo construtivo. A evolução das degradações dos pavimentos e consequente modificação do seu comportamento é um processo algo complexo, pois cada acção provoca alterações específicas em cada material constituinte de um pavimento [11]. A actuação das acções resulta na alteração das propriedades dos materiais constituintes de um pavimento fazendo que uma mesma acção repetida duas vezes provoque deslocamentos e degradações diferentes no pavimento [11]. Com a evolução da degradação de um pavimento e ao atingir um estado de deterioração em que as condições de utilização já não são aceitáveis, torna-se necessário proceder à intervenção/conservação, dependendo do estado em que se encontre e do nível de qualidade que se pretende atingir. De modo a ser efectuada a escolha do tipo de intervenção a realizar e para estabelecer um planeamento adequado para a intervenção, torna-se necessário ter conhecimento do estado actualizado da degradação do pavimento. Na Tabela 2.2 é possível observar as famílias e tipos de degradação de um pavimento flexível [11]. 20

Tabela 2.2 - Família e tipos de degradações [12] Famílias de degradações Tipos de degradações Deformações Abatimento Longitudinal Berma Eixo Transversal Deformações localizadas Ondulação Rodeiras Grande raio (devido às camadas inferiores) Pequeno raio (devido às camadas superiores) Fendilhamento Fendas Fadiga Longitudinais Berma Eixo Transversais Parabólicas Pele de crocodilo Malha fina ( 40cm) Malha larga ( 40cm) Desagregação da camada de desgaste Desagregação superficial Polimento dos agregados Pelada Ninhos (covas) Movimento de materiais Exsudação de betume Subida de finos As deformações permanentes na camada de revestimento estão associadas à fluência das camadas inferiores, à redução dos vazios devido à compactação, aos fenómenos de corte ou rotura plástica das misturas. As degradações mais evidentes ao nível das deformações permanentes são os cavados de rodeira, que consistem na deformação da zona de tráfego, tal como se ilustra na Figura 2.12 [11]. 21

Figura 2.12 Rodeiras devido à baixa capacidade de carga de um pavimento flexível [13] Outra causa de deformação dos pavimentos flexíveis é a exsudação de betume, que consiste num tipo de movimento de materiais, que pode surgir nas camadas betuminosas. Pode ficar a dever-se à existência de fendilhamento, má qualidade dos materiais e deficiente traço da mistura betuminosa. O movimento de materiais também pode ocorrer através da subida de finos nas camadas inferiores [11]. A desagregação da camada de desgaste é uma degradação que ocorre à superfície na mistura betuminosa e está associada a um deficiente dimensionamento, a má qualidade dos materiais, ao fendilhamento e a má construção. Estas deformações estão todas interligadas pois, por exemplo, com o aumento do fendilhamento potencia-se a subida de finos das camadas granulares, e com uma deformação excessiva provoca-se um aumento de fendilhamento [12]. A exposição prolongada do pavimento provoca problemas de durabilidade, resultando no seu envelhecimento. Este envelhecimento resulta numa menor resistência à fadiga e por conseguinte um aumento do grau de degradação. Uma das principais causas do envelhecimento dos pavimentos é a sua porosidade, que expõe o betume presente entre os agregados que fazem parte da mistura betuminosa à acção dos agentes envelhecedores tais como a temperatura, o oxigénio e os raios ultravioleta. Esta exposição aumenta a velocidade de envelhecimento, provocando um aumento da viscosidade do betume para uma dada temperatura, que se traduz no aumento do módulo de rigidez e na consequente fragilização e perda de elasticidade da mistura betuminosa. Devido a esta situação, ao longo do seu período de vida um pavimento torna-se mais rígido e por conseguinte mais susceptível à ocorrência de fendilhamento, principalmente o de origem térmica [11]. 22

Outras degradações possíveis de ocorrerem são o abatimento devido aos deslocamentos nas camadas inferiores, ou a variação de volume nas camadas inferiores e a ondulação na superfície dos pavimentos resultante da baixa estabilidade da mistura betuminosa. Algumas fendas resultam do deficiente processo de construção devido a problemas de espalhamento e compactação das misturas betuminosas, devendo este aspecto ser considerado um factor interveniente no fenómeno da reflexão de fendas [14]. O fendilhamento, quando relacionado com o processo construtivo, deve-se à elevada diferença de rigidez entre os rolos dos cilindros de compactação e a mistura betuminosa [15]. 2.5.1.1 Fendilhamento O fendilhamento apresenta-se como sendo uma das principais causas de degradação, sendo causado, como já referido anteriormente, pelo excesso de tensões de tracção. O fendilhamento pode ser por fadiga devido ao tráfego, por retracção térmica, com origem na superfície, devido a movimentos do solo de fundação e defeitos de construção e por reflexão de fendas em pavimentos reforçados ou em pavimentos semi-rígidos ou até evolução do fendilhamento já existente [16], [17], [18]. Entende-se por fadiga o processo de deterioração estrutural que sofre um material quando submetido a um estado de tensões e de deformações repetidas de carregamento, ou seja, consiste na perda de resistência do material quando solicitado repetidamente por uma carga [11]. Em relação à caracterização das fendas, esta pode ser feita através da sua forma, orientação e a sua abertura. As formas apresentadas pelas fendas podem ser variadas e dependem da estrutura do pavimento, da sua origem e da degradação. Quanto à orientação, as fendas podem ser longitudinais (paralelas à direcção de circulação do tráfego) ou transversais (perpendiculares à direcção de circulação do tráfego). Quanto à forma, podem ser rectilíneas, curvilíneas ou mistas. As fendas podem ser isoladas, ramificadas, entrelaçadas ou formar um padrão do tipo pele de crocodilo [11]. As fendas isoladas não exibem qualquer ligação com outras fendas adjacentes. As fendas ramificadas encontram-se ligadas às fendas adjacentes formando uma malha regular ou irregular de polígonos ou blocos, originando o fendilhamento do tipo pele de crocodilo. Como consequências, o fendilhamento leva a uma ruptura prematura do pavimento, com consequente diminuição da capacidade de carga, o que acarreta também um aumento de custos para os utilizadores desse pavimento. 23

Nos países susceptíveis da ocorrência de Invernos rigorosos, é necessário ter um cuidado especial com o aparecimento de fendas. Estas proporcionam a entrada de água no interior dos pavimentos por infiltração que, com as temperaturas baixas, pode congelar, aumentando de volume. Tal tem como consequência o aumento das dimensões das fendas, acelerando o processo de degradação. Na Figura 2.13 observa-se o aparecimento de fendas devido à baixa capacidade de carga de um pavimento flexível. Figura 2.13 - Aparecimento de fendas devido à baixa capacidade de carga de um pavimento flexível [13] Fendilhamento por fadiga A acção repetida da passagem do tráfego nos pavimentos origina uma degradação de carácter progressivo que consiste no fendilhamento por fadiga. O pavimento é dimensionado para um determinado número de passagens do tráfego. Quando o número de passagens é superior, o material começa a degradar-se, conduzindo à rotura do pavimento por fadiga. O aparecimento de fendas por fadiga pode afectar não só a camada de desgaste mas também outras camadas inferiores. Usualmente, este tipo de fendilhamento toma uma maior importância na camada de desgaste, pois é esta que recebe directamente as cargas resultantes do tráfego [11]. Fendilhamento induzido termicamente Nos pavimentos flexíveis quando sujeitos a climas frios, ou quando situados em zonas com grandes amplitudes térmicas, verifica-se a ocorrência de fendilhamento com origem na superfície do pavimento e progredindo para a base das camadas. Este fenómeno dá-se devido à fragilidade do material a baixas temperaturas [11]. 24

O fendilhamento térmico ocorre quando é excedida a capacidade do pavimento para dissipar tensões provocadas pela contracção térmica. O fendilhamento por indução térmica pode ser de dois tipos: fendilhamento por fadiga térmica; fendilhamento devido apenas a um ciclo de arrefecimento a baixa temperatura. O fendilhamento por fadiga térmica resulta do efeito dos ciclos térmicos em zonas de grandes gradientes. As tensões provenientes dos ciclos térmicos normalmente não induzem o fendilhamento do pavimento, mas é a sua evolução ao longo dos ciclos que origina o fendilhamento devido aos pequenos danos resultantes da ocorrência de tensões térmicas diárias acumuladas [11]. O fendilhamento devido apenas a um ciclo de arrefecimento a baixa temperatura é um tipo de fendilhamento que ocorre em condições de temperaturas extremamente baixas. Nesta situação, as tensões de tracção de origem térmica tornam-se muito elevadas, maiores que as tensões de tracção admissíveis pelo pavimento, desenvolvendo-se fendas pequenas. Com o passar do tempo, a dimensão destas fendas aumenta e as fendas propagam-se [11]. Este mecanismo é caracterizado pela existência de um lençol de água que devido às baixas temperaturas solidifica, formando gelo, aumentando de volume e criando assim as tensões de tracção no topo do pavimento. Na Figura 2.14 é apresentado um esquema com o mecanismo de origem das fendas devido às baixas temperaturas. Figura 2.14 - Mecanismo de origem das fendas devido às baixas temperaturas em pavimentos flexíveis [13] 25

Fendilhamento com origem na superfície Nos pavimentos flexíveis situados em países com climas temperados, o fendilhamento usualmente ocorre na superfície evoluindo para o interior do pavimento [19]. As causas que levam à origem deste tipo de fendilhamento são o envelhecimento da mistura betuminosa, o tráfego, as condições climatéricas, a qualidade de construção e o projecto. Como principal causa deste tipo de fendilhamento tem sido apontada o desenvolvimento de grandes tensões de tracção geradas na superfície do pavimento, junto aos bordos dos pneus. As fendas originadas por este fenómeno podem desaparecer com a união dos bordos e temperaturas altas, ou então com a ocorrência de temperaturas baixas as fendas progridem em profundidade, aumentando as suas dimensões [11]. Reflexão de fendas em reforços de pavimentos Um tipo de fendilhamento também corrente é o fendilhamento em reforço de pavimentos. Este fendilhamento ocorre devido à propagação das fendas existente nas camadas antigas para as camadas novas de reforço. Estas fendas progridem do interior do pavimento para a nova camada de desgaste [11]. Este tipo de fendilhamento é a principal causa de redução do tempo de vida útil dos pavimentos reforçados. Esta situação acontece porque as intervenções de reabilitação de pavimentos muitas vezes passam por colocar simplesmente novas camadas à superfície. No entanto, as fendas que existem nas camadas antigas progridem para as novas camadas [11]. Na Figura 2.15 é possível observar três modos de reflexão de fendas. Os três modos de reflexão são: Modo 1: Corresponde à abertura/fecho da fenda; Modo 2: Corresponde a uma deformação por corte normal à fenda; Modo 3: Corresponde a uma deformação por corte paralelo à fenda. 26

Figura 2.15 - Tipos de reflexão de fendas [13] A reflexão de fendas pode ser um grande problema por encurtar o tempo de vida útil da nova camada. Na Figura 2.16 e Figura 2.17 são apresentados exemplos de reflexão de fendas transversais e longitudinais respectivamente. Figura 2.17 - Reflexão de fendas longitudinal [13] Figura 2.16 - Reflexão de fendas transversal [13] 2.5.2 Pavimentos rígidos Em relação a alguns dos problemas mais correntes neste tipo de estrutura, tem-se o fenómeno de bombagem de finos que pode acontecer quando os bordos das lajes são solicitados por cargas elevadas, originando a fissuração do pavimento. Desta forma ocorre a infiltração de águas para o interior do pavimento e depois a sua posterior saída por fissuras aquando de 27

pressões elevadas por parte da laje de betão, transportando partículas sólidas e contribuindo para o fenómeno de erosão interna da fundação. Formam-se zonas com vazios, em que a laje deixa de estar apoiada funcionando em consola, o que origina um acréscimo de tensões, como é possível constatar na Figura 2.18 e na Figura 2.19 [20]. Figura 2.18 Fenómeno de bombagem de finos [7] Figura 2.19 - Exemplo de bombagem de finos em pavimentos rígidos [5] Outros defeitos mais comuns nos pavimentos rígidos estão normalmente associados à utilização de técnicas de construção e materiais inadequados, aliados a uma ausência de manutenção regular, que é necessário assegurar neste tipo de estrutura. A frequência de aparecimento dos defeitos e o seu grau de desenvolvimento, tendem a agravar-se com o decorrer do tempo. Nos pavimentos rígidos é bem mais frequente a ocorrência de defeitos localizados associados a causas específicas, como a degradação uniforme de toda a laje de betão construída, devidas 28

a deficiência de projecto ou devidas ao processo de fadiga do betão nas proximidades do final da vida útil do pavimento. Além destes problemas nos pavimentos rígidos, podem ocorrer outro tipo de danos: Escalonamento O escalonamento caracteriza-se pela ocorrência de deslocamentos verticais diferenciais e permanentes entre uma laje e outra adjacente, na região da junta; Deformações permanentes, que ocorrem devido às tensões a que as camadas são sujeitas e à fluência do betão; Estas deformações podem ocorrer devido à deformação permanente da fundação devido a uma compactação deficiente, uma má drenagem, um dilatação térmica excessiva ou solicitações excessivas. Desgaste progressivo do revestimento superficial O desgaste progressivo do revestimento superficial caracteriza-se pela erosão da camada de argamassa superficial, fazendo com que os agregados aflorem à superfície do pavimento e com o tempo a superfície fique polida, podendo tornar-se escorregadia e derrapante, tendo como consequência a perda de conforto, segurança e economia para os utilizadores da via. Deficiência na selagem de junta Esta degradação caracteriza-se por uma deficiência no material selante que possibilita o acumular de material incompressível na junta ou que permite a infiltração de água. Entre as várias falhas apontadas ao material selante destacam-se: o rompimento por tracção ou compressão, crescimento de vegetação e a perda de aderência às lajes de betão. Fissuras lineares As fissuras lineares são fissuras que atingem toda a espessura da laje de betão. Estas fissuras podem ser transversais, quando ocorrem na direcção perpendicular ao eixo longitudinal do pavimento, ou longitudinais, quando ocorrem na direcção longitudinal do pavimento, ou diagonais. 29

Fissuras superficiais As fissuras superficiais ocorrem na superfície da placa de betão, formando normalmente um rendilhado devido à tendência de se interceptarem. Após a fissuração, pode ocorrer a escamação, sendo esta caracterizada pela perda de ligação da camada superficial fissurada, podendo ser proveniente de outros defeitos até como o desgaste superficial. Fissuras de retracção do betão As fissuras de retracção do betão são pouco profundas e de pequena abertura, e resultam do processo de secagem do betão. Uma vez detectada a causa da degradação do pavimento, a reabilitação, quando efectuada na época em que foi detectado o problema e de acordo com os procedimentos adequados, contribuirá de forma significativa para o aumento de vida útil da estrutura, além de manter o pavimento em bom estado de conservação de modo a possibilitar aos utilizadores uma estrutura económica, segura e conformável do ponto de vista da utilização. Na Figura 2.20, Figura 2.21, Figura 2.22 e Figura 2.23 são apresentados alguns exemplos de fissuras. Figura 2.20 - Exemplo de aparecimento de fissuras transversais em pavimentos rígidos [21] 30

Figura 2.21 - Exemplo de aparecimento de fissuras em malha em pavimentos rígidos [21] Figura 2.22 - Exemplo de fendilhamento por fadiga em pavimentos rígidos com origem na face inferior da laje de betão [6] Figura 2.23 Exemplo de fendilhamento por fadiga em pavimentos rígidos com origem na face superior da laje de betão [6] 2.6 Elementos de reforço estrutural A degradação prematura de pavimentos flexíveis está usualmente associada ao aumento de tráfego, aumento das cargas dos veículos, movimentos devidos à temperatura, etc. Os recursos financeiros para os trabalhos de manutenção são normalmente limitados e insuficientes para manter as estradas no nível de qualidade mínimo. Desta maneira, o recurso ao reforço para aplicação em novos pavimentos ou reabilitação de pavimentos existentes deve ser concebido com o intuito de aumentar o tempo de vida útil dos pavimentos com economia. 31

2.6.1 Geossintético Os geossintéticos abrangem uma variedade de materiais poliméricos especialmente fabricados para serem utilizados em aplicações geotécnicas, ambientais, hidráulicas e de transporte. É conveniente identificar a função primária do geossintético, onde se destacam as seguintes: separação, filtração, drenagem, reforço, contenção de fluidos/gases, ou controle de processos erosivos. Em alguns casos, o geossintético poderá desempenhar dupla função [24]. Dentro da utilização de geossintéticos no reforço de pavimentos destacam-se as vantagens representadas na Figura 2.24, Figura 2.25, Figura 2.26 e Figura 2.27: Reduzir ou evitar a reflexão de fendas Figura 2.24 - Geossintético com função de reduzir ou evitar reflexão de fendas [24] Trabalhar como barreira, evitando a bombagem de finos Figura 2.25 - Geossintético como barreira à bombagem de finos [24] 32