INSTRUMENTAÇÃO DE PAVIMENTOS COM DIFERENTES
ESTRUTURAS: ANÁLISE DE TENSÕES, DEFORMAÇÕES, UMIDADE E
TEMPERATURA
Igor Amorim Beja
Diogo Bento de Morais
Hugo André Florêncio
José Mario Chaves
Arteris
Centro de Desenvolvimento Tecnológico
Iuri Sidney Bessa
Lucas Rodrigues de Andrade
Kamilla Vasconcelos
Liedi Légi Bariani Bernucci
Universidade de São Paulo
Departamento de Engenharia de Transportes
RESUMO
A reciclagem de pavimentos asfálticos antigos deteriorados para o uso nas diversas camadas de novas
estruturas tem sido amplamente utilizada ao redor do mundo, devido, principalmente aos seus
benefícios técnicos, econômicos e ambientais. O material fresado proveniente dessa técnica pode ser
incorporado não apenas em camadas de rolamento, como também em camadas de base, substituindo
materiais comumente utilizados, como solo e brita. Apesar do uso crescente desse tipo de material em
camadas de base de pavimentos asfálticos, ainda não há no Brasil um modelo de previsão de
desempenho para as camadas asfálticas recicladas a frio. A partir disso, este trabalho tem como
principal objetivo avaliar o desempenho de dois tipos de misturas asfálticas recicladas a frio, sendo
uma com adição de emulsão asfáltica e a outra com adição de espuma de asfalto, através da
instrumentação de um trecho experimental executado na Autopista Fernão Dias, no estado de Minas
Gerais. Essa instrumentação inclui sensores de captação de pressão, deformação, umidade e
temperatura das diversas camadas do pavimento construído, além de uma tecnologia de pesagem em
movimento. Os resultados de campo obtidos para as duas camadas recicladas serão comparados com
aqueles obtidos para camadas de base convencionais, sendo uma brita graduada simples (BGS) e uma
base em brita graduada tratada com cimento (BGTC). Com isso, será avaliado o benefício estrutural
que o uso de camadas recicladas pode fornecer aos pavimentos asfálticos através da redução de
deflexões, avaliando as tensões transmitidas às camadas inferiores do pavimento. Além disso, será
avaliada também a capacidade de suporte que essas camadas podem fornecer à camada de
revestimento asfáltico. Por fim, deve-se dar início ao desenvolvimento de um modelo de previsão de
desempenho para as camadas recicladas estudadas.
Palavras-chave: Misturas asfálticas recicladas; Camadas de base de pavimentos asfálticos;
Instrumentação de trechos experimentais; Pesagem em movimento.
1. INTRODUÇÃO
Os métodos de dimensionamento de pavimentos modernos têm como base análises
empírico-mecanísticas, que consistem na calibração de modelos teóricos baseados na
teoria da elasticidade, através de dados experimentais obtidos em campo e em
laboratório (Balbo, 2007). Com o uso desta calibração, tem-se o objetivo de avaliar
assertivamente o comportamento dos materiais sob condições reais e específicas da
construção dos pavimentos, como temperatura, solicitação do tráfego e umidade.
Com o objetivo de calibrar e validar os métodos de dimensionamento empíricomecanísticos e os parâmetros de desempenho dos materiais utilizados nos
pavimentos asfálticos, a instrumentação dessas estruturas tem uma grande
contribuição, pois permitem o monitoramento das respostas dos pavimentos sob
condições reais. Dentre as características que devem ser observadas, se destacam: (i)
o tráfego, volume de veículos, carga por eixo, tempo de aplicação de carga; (ii) as
propriedades dos materiais e as características das camadas, compactação, espessuras
das camadas, distribuição granulométrica, comportamento mecânico; (iii) o clima,
temperatura, umidade, precipitação, nível de lençol freático; e (iv) o nível de
manutenção e presença de irregularidades na pista.
As primeiras experiências com instrumentação de pistas de teste datam de 1962, em
Londres, onde se utilizaram piezômetros robustos para inferir a tensão vertical nas
camadas de base e de subleito sob o tráfego de uma roda com carga de 2.300lb
(1.043kg) (Selvaraj, 2012 apud Whiffin e Lister, 1962), sendo os dados obtidos
usados para calcular os módulos elásticos dos materiais utilizados. Considerado o
primeiro projeto de instrumentação dos EUA, a Pista de Teste de San Diego,
construída em 1966, já contava com um maior nível de instrumentação, onde foram
instaladas células de pressão, medidores de deformação (strain gauges), termopares e
medidores de umidade, posicionados em diferentes locais das camadas do pavimento
(Selvaraj, 2012 apud Hicks e Finn, 1970). As instrumentações de pavimentos mais
modernas seguem as mesmas tendências daquelas desenvolvidas em San Diego e têm
sido realizadas pelo Centro Nacional para Tecnologia de Asfalto dos Estados Unidos
(National Center for Asphalt Technology), pelo projeto de pesquisa Leopoldo da
Itália, entre outros.
Em 2004, o NCAT (Timm, 2009) construiu uma pista experimental tendo como
objetivos principais validar os modelos mecanicistas de análise estrutural de
pavimentos e desenvolver funções de transferência correlacionassem dados de campo
com a vida de fadiga de revestimentos asfálticos convencionais, além de estudar os
efeitos que podem influenciar a deterioração de pavimentos sob o ponto de vista
mecanicista. O projeto de pesquisa Leopoldo, da Itália (Leandri et al., 2013), propôs
a construção de um trecho experimental instrumentado, composto por seis seções que
utilizavam materiais tradicionais e alternativos, na cidade de Toscana. O objetivo era
monitorar a resposta do pavimento ao tráfego e às condições ambientais, bem como
avaliar o seu desempenho ao longo do tempo. Os dispositivos utilizados nessa
pesquisa foram células de carga, medidores de deformação, sensores de temperatura
e umidade, além de um sistema de pesagem em movimento, também conhecido
como WIM (do inglês weight-in-motion).
No Brasil, um projeto foi desenvolvido no estado de Santa Catarina a partir de 2007
(DNIT, 2008) pelo Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes (DNIT)
e pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), no qual se pretendia analisar:
as deformações na fibra inferior da camada asfáltica; as deformações nas diversas
camadas; as cargas transmitidas, causadas pelo tráfego de veículos; além das
características às quais as camadas estão sujeitas, como a umidade variável nas
camadas granulares e a mudança de temperatura nas misturas asfálticas.
Uma das metodologias de projeto de pavimentos flexíveis mais utilizadas no Brasil
procede com a determinação das espessuras necessárias das camadas para que não
ocorra: (i) ruptura por tensões verticais no subleito/reforço de subleito, (ii) fadiga da
camada asfáltica de revestimento por tensões de tração na fibra inferior desta, (iii)
fadiga da camada cimentada de base/ ou subbase, por tensão de tração na fibra
inferior, e (iv) fadiga estrutural por deflexões no topo do revestimento. Esses
modelos de fadiga adotados geralmente não são calibrados para condições de tráfego,
clima e materiais brasileiros, sendo em grande parte adotados os modelos mais
consagrados, como por exemplo, a equação proposta pela associação americana
Federal Highway Administration (FHWA), de 1976, para a fadiga de revestimentos
asfálticos. Para materiais relativamente novos, não há ainda modelos consagrados e
amplamente utilizados, como é o caso dos materiais reciclados. Poucos são os
trabalhos na literatura sobre eles, e os poucos que se encontram são estudos
laboratoriais, que necessitam ainda de calibração, como em Shu et al. (2007) e Yan
et al. (2010).
O desenvolvimento de um modelo de fadiga calibrado com as condições de campo é
de grande complexidade e exige um amplo conhecimento sobre os tipos de materiais,
os danos causados e os agentes causadores, além das inúmeras variáveis acerca das
condições de contorno que devem ser consideradas na definição dos dados utilizados
na formulação. O presente trabalho pretende apresentar ao meio técnico a
metodologia técnica desenvolvida para a instrumentação do trecho experimental
situado na Rodovia BR 381, Pista Sul. Esta etapa faz parte de um projeto de pesquisa
que tem como objetivo desenvolver no futuro, através da instrumentação do trecho
experimental citado, modelos de fadiga para as camadas recicladas, sendo calibrados
para as condições de tráfego, clima e materiais brasileiros.
2. INSTRUMENTAÇÃO DA AUTOPISTA FERNÃO DIAS (BR 381)
Para cumprir os objetivos propostos pela presente pesquisa, foi projetado um trecho
experimental construído na Autopista Fernão Dias (Rodovia BR 381). O local
escolhido para a construção do trecho experimental foi entre o km 947 e o km 948,
na pista sul (sentido de Belo Horizonte a São Paulo). A faixa 2 foi adotada para a
construção do trecho por possuir um tráfego mais pesado.
O projeto do trecho experimental, composto por quatro segmentos distintos, previa a
instrumentação das suas diferentes camadas, ao longo de todos esses segmentos. Os
sensores utilizados foram distribuídos nas diversas camadas do pavimento, a
depender de sua função.
2.1. Estruturas e materiais
Conforme mencionado anteriormente, o trecho experimental construído para o
presente estudo possui quatro segmentos de 100m de comprimento cada, e que se
diferenciam entre si pelo tipo de camada de base aplicada em cada um deles,
conforme será apresentado na sequência. O objetivo desse estudo era verificar como
os materiais reciclados utilizados como base atuam no desempenho mecânico de
pavimentos asfálticos, aliviando as tensões que são transmitidas ao longo de suas
diversas camadas. Sendo assim, foram construídos dois segmentos compostos por
camadas de base convencionais e amplamente utilizadas – brita graduada simples
(BGS) e brita graduada tratada com cimento (BGTC), caracterizando um pavimento
puramente flexível e outro semirrígido, respectivamente. Os outros dois segmentos
possuem em sua estrutura camadas de base constituídas por materiais asfálticos
reciclados (RAP, do inglês Reclaimed Asphalt Pavement): reciclado com emulsão e
reciclado com espuma de asfalto.
Os materiais utilizados em cada uma das camadas foram dosados em laboratório. Em
relação aos agregados, os mesmos são de origem granítica, sendo utilizados tanto nas
camadas granulares de BGS e BGTC, como na composição da camada de
revestimento asfáltico. As distribuições granulométricas das misturas adotadas
encontram-se na Figura 1. O ligante asfáltico utilizado na produção do concreto
asfáltico (CA) é de classificação CAP 30/45, enquanto que o ligante utilizado na
composição da camada de base reciclada com espuma de asfalto é de classificação
85/100. Na composição da camada de base reciclada com emulsão foi utilizada uma
emulsão asfáltica catiônica modificada por polímero.
100
(%) passante
80
60
BGS
BGTC
RAP
CA
40
20
0
0.01
0.1
1
10
Abertura de peneiras (mm)
Figura 1 – Distribuição granulométrica das misturas executadas
100
2.2. Layout da instrumentação
No que diz respeito à instrumentação das camadas que constituem os diversos
segmentos construídos, a Figura 2 apresenta um layout das quatro estruturas
instrumentadas no trecho experimental da rodovia Fernão Dias.
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 2 – Croqui com a instrumentação de cada segmento: (a) BGS, (b) BGTC, (c)
reciclado com emulsão e (d) reciclado com espuma
2.3. Sensores
Os sensores utilizados na instrumentação do pavimento do trecho experimental
podem ser divididos em quatro categorias distintas, de acordo com a funcionalidade
de cada um e com o tipo de dados que cada um deve adquirir: sensores de umidade,
sensores de temperatura, sensores de deformação (strain gauges) e células de
pressão.
Os sensores de umidade foram instalados nas camadas de base dos os segmentos,
menos no experimento com base em BGS. Isso foi feito devido à importante
influência que a variação no teor de água das camadas granulares exerce no seu
desempenho mecânico. A aquisição desses dados tem grande importância na criação
dos modelos de deterioração dos pavimentos. Foram utilizados sensores da marca
Campbell, do tipo CS616, conhecidos como reflectômetros de teor de água (Figura
3a). Esse sensor utiliza uma medição indireta para determinar o teor de água, que é
sensível à permissividade dielétrica dos materiais que estão em volta de seus bastões
de medição.
O princípio fundamental da operação do sensor de umidade é que um pulso
eletromagnético se propaga ao longo dos seus bastões em uma velocidade que
depende da permissividade dielétrica do material que está em volta do sensor. Com o
aumento no teor de água, essa velocidade de propagação diminui, uma vez que a
polarização das moléculas de água demanda tempo. O tempo de resposta do pulso
aplicado é então medido. Sendo assim, a calibração desse sensor é realizada através
de uma curva de calibração que relaciona o tempo de viagem do pulso de carga com
o teor de água, em volume.
Os sensores de temperatura, da marca Campbell tipo 108 (Figura 3b), foram
escolhidos para serem instalados apenas na camada de revestimento asfáltico, pois a
temperatura na faixa de serviço de campo tem grande influência apenas nesse tipo de
material, afetando seu desempenho. Considerando que a temperatura da camada de
revestimento, ou camada superficial, do pavimento deve ser a mesma ao longo de
todo o trecho experimental, apenas um segmento foi instrumentado com esse tipo de
sensor (uma vez que os revestimentos adotados foram os mesmos em termos de
material e espessura). Decidiu-se, no entanto, por posicioná-los em diferentes alturas
dentro da camada asfáltica, para se obter informações do gradiente de temperatura
que existe dentro dessa camada.
(a)
(b)
Figura 3 – Detalhamento relativo ao: (a) sensor de umidade e (b) sensor de
temperatura
Os strain gauges da Dynatest, do tipo PAST II AC, são transdutores específicos para
o uso em pavimentos asfálticos ou de concreto (Figura 4a). Possuem um formato em
H e podem ser instalados em qualquer direção. Na instrumentação do trecho
experimental relativo a esta pesquisa, esses sensores de deformação foram
posicionados ao longo das trilhas de roda interna e externa, e em diferentes alturas:
(i) no fundo das camadas de base hidraulicamente ligadas e (ii) no fundo das
camadas de revestimento asfáltico.
Os strain gauges são transdutores totalmente recobertos por uma tira de epóxi
reforçada com fibra de vidro, constituindo um material com baixa rigidez e elevada
flexibilidade e elevada resistência. As pontas da tira de epóxi são acopladas a um
suporte de aço inoxidável, o que garante a ligação mecânica apropriada com o
material da camada após sua instalação. Esses sensores são protegidos contra
deterioração mecânica e química devido às diversas camadas que servem para cobrilos. A combinação dos materiais utilizados nesse recobrimento garante uma
resistência à variação de temperatura de -30 a +150°C. Os mesmos são capazes de
resistir à fadiga por mais de 100 milhões de ciclos, ou aproximadamente 36 meses.
As células de pressão utilizadas fazem parte da série SOPT (Figura 4b), também da
Dynatest. Foram posicionadas no topo do subleito dos quatro segmentos, bem como
na base das camadas de base recicladas (referentes aos segmentos três e quatro,
constituídos por reciclado com emulsão e reciclado com espuma, respectivamente).
O objetivo do uso desse tipo de dispositivo era medir a tensão vertical que chega aos
diversos pontos a serem analisados, uma vez que esse parâmetro é essencial no
projeto de pavimentos asfálticos. Essas células são feitas de titânio puro, o que
garante uma máxima resistência mecânica e resistência à corrosão. As células são
ainda recobertas por epóxi e areia, o que garante seu desempenho em materiais de
graduação uniforme. São capazes de resistir à fadiga por mais de três milhões de
ciclos ou até 36 meses.
(a)
(b)
Figura 4 – Detalhe: (a) strain gauge e (b) célula de pressão
2.4. Sistema de aquisição
Para a aquisição das respostas lidas pelos sensores, foi selecionado e adquirido o
sistema PMX da Hottinger Baldwin Messetechnik (HBM Brasil), que possui 16
canais, sincronização automáticas dos sensores registrados em cada placa, taxa de
amostragem de 19.200Hz e frequência de aquisição de até 2kHz. Tal sistema trabalha
com várias configurações de sensores, dos tipos: (i) ponte completa de Wheatstone,
(ii) meia ponte de Wheatston, (iii) frequencímetros, (iv) resistores, (v) transdutores e
(vi) etc. A Figura 5 apresenta o sistema de aquisição adquirido para o presente
projeto e a situação de operação no campo, com o sistema instalado, em operação.
(a)
(b)
Figura 5 – Sistema de aquisição dos dados: (a) visão geral e (b) operação do sistema
instalado em campo
3. EXECUÇÃO DO TRECHO EXPERIMENTAL
A execução do trecho experimental foi iniciada no final do mês de novembro e
concluída no início do mês de dezembro, em 2014. A primeira atividade da
construção foi o serviço de fresagem da camada de revestimento asfáltico
preexistente na rodovia. A fresadora utilizada tinha uma produção de
aproximadamente 100m por hora, com espessura de fresagem de 5cm. A espessura
total fresada foi de 37cm (o que corresponde à camada de revestimento asfáltico
antiga existente e parte da camada de base existente) e a largura da fresagem era de
1,27m, aproximadamente. O material fresado (RAP) foi estocado em pilhas no
entorno do canteiro de obra e utilizado posteriormente para a composição das
camadas recicladas na base. A Figura 6 ilustra o esquema de fresagem e
armazenamento do material.
(a)
(b)
Figura 6 – Fresagem do revestimento asfáltico preexistente: (a) despejo do material
fresado em caminhões e (b) pilhas de material fresado para reutilização
Os primeiros sensores, referentes ao primeiro segmento (composto pela camada de
base de BGS), foram posicionados aproximadamente no ponto médio do
comprimento total do segmento. Para a colocação tanto do sensor de umidade como
da célula de pressão no topo do subleito do segmento em questão, foi realizado um
procedimento de abertura desta camada, abrindo-se uma caixa de aproximadamente
15cm de altura e 50cm² de área (Figura 7a). Antes de cobrir os sensores com o
material de solo da camada, foi realizado um procedimento que consistiu em aplicar
uma camada de material fino em cima dos sensores para evitar que os mesmos
fossem danificados através da ação de partículas mais graúdas (Figura 7b). Deve-se
atentar para o cuidado ao nivelamento da célula de carga, onde esta deve ser
perfeitamente assentada sem desníveis que venham a provocar interpretações de
leituras equivocadas.
(a)
(b)
Figura 7 – Primeiro segmento: (a) posicionamento do sensor de umidade e da célula
de pressão e (b) utilização da material fino para cobrar os sensores
Após a colocação dos primeiros sensores, a camada de base composta por BGS foi
aplicada e compactada. Após o fim da compactação dessa camada, os strain gauges e
o sensor de umidade referentes às camadas de CA e BGS respectivamente, foram
posicionados, com o auxílio de uma massa composta por pedrisco e água para que
eles pudessem ser bem fixados dentro do pavimento. No segmento 2, referente à base
em BGTC, a instrumentação foi instalada na fibra inferior da camada (no topo do
remanescente), sob uma mistura de pedrisco, cimento e água, na consistência de
pasta para que esta apresentasse uma perfeita condição de alinhamento (Figura 8a).
Em relação ao segmento com camada de base composta por reciclado com emulsão,
os strain gauges e o sensor de umidade foram posicionados e, em seguida, cobertos
por uma mistura de material fresado fino com emulsão (Figura 8b). A compactação
desse material em cima dos sensores e dos cabos foi feita de forma manual, tendo-se
o cuidado para não danificar os instrumentos.
(a)
(b)
Figura 8 – Instrumentação das camadas de base: (a) camada de BGTC e (b) camada
de reciclado com emulsão
Para a instalação dos sensores referentes à camada de base composta por reciclado
com espuma de asfalto, a Figura 9 ilustra o procedimento adotado. Os sensores foram
cobertos por material fino de fresado com adição de água, enquanto que seus cabos
foram cobertos por uma mistura de cimento e água, para melhorar a fixação dos
mesmos na camada. Foi adotado um processo de compactação manual para que os
sensores não fossem danificados por esforços muito elevados.
(a)
(b)
Figura 9 – Instrumentação da camada de fresado com espuma de asfalto: (a)
compactação manual e (b) aspecto geral dos sensores posicionados
Ao fim da aplicação e compactação das camadas de base, foi dado início ao processo
de aplicação da camada de CA: (i) aplicação da massa asfáltica, (ii) abertura de
caixas para colocação dos strain gauges e sensores de temperatura e respectivos
cabos e, por fim, colocação de massa asfáltica em cima dos cabos e sensores (Figura
10), (iii) peneiramento manual da mistura, tendo cuidado para que partículas graúdas
não tivessem contato direto com os sensores e (iv) compactação manual das áreas
onde eles se localizavam. Por fim, os rolos compactadores foram utilizados.
(a)
(b)
Figura 10 – Aplicação da mistura asfáltica: (a) colocação e (b) detalhe dos sensores
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Esta pesquisa, que ainda se encontra em fase inicial, tem como objetivo principal
desenvolver modelos de previsão de desempenho de pavimentos asfálticos
compostos por diferentes tipos de camadas de base. O uso da técnica de
instrumentação em um trecho experimental tem como objetivo final fornecer dados
reais de um pavimento, a serem utilizados para a calibração dos modelos propostos.
Por ainda não existir na literatura modelos de desempenho que considerem
especificamente o uso de camadas recicladas na composição de camadas de base,
esta pesquisa pode se tornar uma referência em relação ao tema abordado.
Como sugestão para pesquisas similares a serem desenvolvidas no futuro, os autores
deste trabalho indicam que deve haver um cuidado especial durante a construção do
pavimento e sua consequente instrumentação. A instalação dos diferentes sensores
requer um trabalho minucioso e delicado. Deve-se tomar cuidado com o
posicionamento correto dos sensores, incluindo a angulação e a nivelação desses
instrumentos. Outro cuidado importante a ser tomado é durante a compactação das
camadas, uma vez que o peso dos compactadores pode danificar os sensores. O ideal
é realizar uma compactação manual nos pontos de instalação de cada sensor, sem a
utilização de rolos em cima desses locais específicos.
AGRADECIMENTOS
Agradecimentos são devidos à ANTT pelo financiamento desta pesquisa, à Autopista Fernão Dias e
ao Centro de Desenvolvimento Tecnológico da Arteris pelo apoio no desenvolvimento do projeto, e à
CAPES e ao CNPq pelo apoio financeiro em forma de bolsa de pesquisa aos autores deste trabalho.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes (2008) Projeto de Instrumentação para
Medição de Deformação do Pavimento. Brasília, DF.
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Leandri, P.; Bacci, R.; Di Natale, A.; Rocchio, P. e Losa, M. (2013) Appropriate and Reliable Use of
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Selvaraj, S.I. (2012) Review on the Use of Instrumented Pavement Test Data in Validating Flexible
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Transportation Studies Changsha, China.
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Recycled Asphalt Mixture. Construction and Building Materials.
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and Foam Cold Recycled Mixes. Construction and Building Materials.
Whiffin, A.C. e Lister, N.W. (1962) The Application of Elastic Theory to Flexible Pavements.
Proceedings of the First International Conference on the Structural Design of Asphalt
Pavements, Ann Arbor, Michigan.