Reflexão sobre a relação entre resultados de FWD e Viga Benkelman Lilian Ribeiro de Rezende Universidade Federal de Goiás, [email protected] Francisco Hélio Caitano Pessoa Instituto Federal de Brasília, [email protected] José Camapum de Carvalho Universidade de Brasília, Brasília, Brasil, [email protected] RESUMO: As camadas e mesmo as estruturas de pavimento são comumente avaliadas a partir de ensaios de Viga Benkelman e por meio do ensaio FWD (Falling Weight Deflectometer). No entanto, essas duas técnicas de ensaio geralmente conduzem a resultados distintos. Este artigo busca analisar a relação entre os resultados obtidos pelas duas técnicas de ensaio em trechos experimentais. Esses ensaios foram realizados em um trecho experimental cuja estrutura era composta por revestimento em tratamento superficial com capa selante, base e subleito. Em termo de base, o trecho experimental se dividiu em subtrechos com as seguintes composições: base de solo fino, base de solo fino com geotêxtil na face superior, base de solo fino com geotêxtil na face inferior, base de solo fino envelopada com geotêxtil, base em misturas de solo fino-cal, base em solo-brita e base em expurgo de escavação em rocha. O artigo apresenta a comparação entre os resultados obtidos a partir dos dois ensaios, mostrando que a relação entre eles está associada ao modo como a estrutura de pavimento é solicitada e depende também dos materiais constituintes da estrutura de pavimento. PALAVRAS-CHAVE: Correlação, Trechos Experimentais, Adensamento. 1 INTRODUÇÃO A estrutura de pavimento submete-se ao longo de sua vida útil a solicitações oriundas de ações indiretas e diretas de variações de energia. As ações indiretas são principalmente aquelas oriundas das variações climáticas e as diretas oriundas do tráfego de veículos. Geralmente, o que se avalia em campo é a estrutura de pavimento em função das solicitações oriundas de ações diretas. Isso é feito por meio de ensaios como os de Viga Benkelman e FWD (Falling Weight Deflectometer). No entanto, tais avaliações são influenciadas por aquelas solicitações oriundas de ações indiretas devido ao clima presentes no momento do ensaio. Em estruturas de pavimento flexíveis, a temperatura é o principal agente climático atuando sobre o revestimento e a umidade, função das precipitações, da posição do freático, da hidrogeologia e do próprio estado do revestimento, aquele que atua sobre as demais camadas inclusive o subleito. Enquanto a ação direta é perfeitamente definível no momento do ensaio, a indireta é função do clima em um determinado período que o antecede, período esse cuja influência depende por sua vez de uma série de fatores, como nível e distribuição das precipitações, morfologia e configuração geométrica do local (exemplos: corte ou aterro, trecho curvo ou linear, área urbana ou rural). A avaliação estrutural dos pavimentos asfálticos devido às ações diretas pode ser feita por métodos destrutivos, semidestrutivos e não destrutivos. Nos métodos destrutivos são feitas análises de campo ou retiradas amostras para estudos em laboratório ou ainda removidas camadas para a realização de ensaios como o de placa em camadas pré-definidas. Nos métodos semidestrutivos, a avaliação do comportamento estrutural é feita in situ, gerando algum dano na estrutura de pavimento. Já nos métodos não destrutivos, o estudo é feito preservando-se a integridade da estrutura de pavimento. Este artigo analisará as técnicas não destrutivas de campo correspondentes ao ensaio de viga Benkelman e ao ensaio FWD. 2 SUBTRECHOS ESTUDADOS O estudo foi realizado em um trecho experimental da DF 205 Oeste apresentando baixo volume de tráfego (VDM aproximadamente igual a 200 veículos). Ele foi executado em agosto de 1998 e possui 480 m de extensão. Sua estrutura é composta de subleito, base compactada na energia Proctor Intermediário e revestimento em tratamento superficial duplo (TSD) com capa selante. O trecho foi dividido em subtrechos onde variouse o material componente da base (Tabela 1). Tabela 1 – Divisão do trecho experimental segundo as camadas de base (REZENDE, 1999) SubExtenSubBase Revestrecho são (m) leito (20 cm) timento Solo-brita 1 80 Corte (1:4) Aterro 2 80 Expurgo Aterro 3 80 Solo fino 4 80 Corte Solo-cal (2%) Solo fino TSD com geotêxtil 5 40 Corte com entre base e capa revestimento selante Solo fino com geotêxtil 6 40 Corte entre subleito e base Solo fino 7 40 Corte com envelopado Nas camadas de base de solo fino, solo fino com adição de 2% de cal, solo-brita e naquelas onde se usou geotêxtil, o solo fino usado foi um solo argiloso encontrado no próprio local da obra, classificado no Sistema Unificado como MH, na AASHTO como A-7-5 e na classificação MCT como LG’. O subtrecho em solo fino foi executado segundo o procedimento proposto por Villibor (1981) e Villibor et al. (2000), sendo que nesse caso não foi executa a chamada camada de bloqueio ou “pé-de-moleque”. Após o espalhamento e ajuste da umidade a camada de base de solo fino foi compactada com rolo péde-carneiro vibratório, com espessura um pouco superior a especificada em projeto de modo a possibilitar a realização do acabamento após o período de cura realizado com exposição ao ar e ao sol por um período superior a 48h para provocar a perda de cerca de 30 a 40% do teor de umidade de compactação. A secagem levou a uma intensa contração da base, desenvolvendo trincas com abertura de 3,0 a 6,0 mm e formando, como consequência, placas quadrangulares com aproximadamente 15 cm x 15 cm. Após essa etapa de cura, a base foi umedecida para posterior corte de acabamento da mesma no qual as trincas de grande abertura são preenchidas com o próprio material proveniente do corte. Executou-se em seguida uma imprimadura ligante com uso de emulsão asfáltica de ruptura rápida, misturada com 40% de água, na taxa de 1,0 a 1,4 l/m2 não se permitindo o tráfego sobre a superfície imprimada. Cabe destacar que a penetração da emulsão nas trincas preenchidas com o solo fino proveniente do acabamento e mesmo naquelas que tenham permanecido sem preenchimento gera suas colmatações. Na camada de base com incorporação de 2% cal usou-se uma cal hidratada do tipo CH-I (Tabela 2). A mistura solo-cal foi previamente feita na jazida de solo fino. Após a compactação dessa camada de base e sua imprimadura com emulsão asfáltica de ruptura rápida, diluída em 40% de água, na taxa de 1,0 a 1,4 l/m2, aguardou-se um período de cura de aproximadamente sete dias para depois executar a camada de revestimento. A camada de base em solo-brita era constituída de uma mistura de 80% de pó de pedra, pedrisco e brita com graduação variando entre 1,2 mm e 9,5 mm, com 20% do solo fino já definido. A mistura solo-brita foi previamente feita na jazida de solo fino e após espalhamento na pista compactado com rolo liso vibratório). Tabela 2 - Características físico-químicas da cal hidratada (REZENDE, 1999) Parâmetros CaO total MgO Perda ao fogo CO2 CaO disponível Fe2O3 Al2O3 SiO2 S SO3 Óxidos totais Óxidos não hidratados Retido na peneira 0,6 mm Retido na peneira 0,075 mm Valores (%) 72,80 0,50 24,60 1,50 66,10 0,30 0,40 1,20 0,09 0,40 97,5 0,20 0,00 3,50 Nos subtrechos onde se utilizou geotêxtil, teve-se um duplo objetivo: reforçar a estrutura do pavimento e evitar a penetração de água na base por infiltração a partir do revestimento ou por ascensão capilar a partir do subleito. Estudou-se o uso do geotêxtil em três situações em relação à camada de base: envelopando toda a base de solo fino, recobrindo a camada de base de solo fino e sob a camada de base de solo fino. Para tanto optou-se por fazer uso de geotêxteis não tecidos com gramatura menor como o Bidim OP-20, Bidim XT-4 e o Geogrim GR-06 que é um geotêxtil composto de material reciclado. As principais características desses geotêxteis utilizados estão apresentadas na Tabela 3 e foram fornecidas pelo fabricante. de CM-30 impossibilitou a compactação do geotêxtil tanto com rolo liso como com rolo pneumático. Após a cura por 24 horas, executou-se o espalhamento do solo fino sobre a camada inferior do geotêxtil e procedeu-se a sua compactação. Depois de compactada a base de solo fino e executados os ensaios de campo, realizou-se a imprimação de todas as bases do subtrecho experimental com CM-30 e esperouse a cura de 72 h. No subtrecho com geotêxtil entre a base e o revestimento, aplicou-se a emulsão RR-2C numa taxa de 0,5 l/m2 para promover a ligação entre a manta e a base imprimada. Nesse caso possou-se em seguida um rolo liso CA-15 sobre a manta. No subtrecho envelopado, depois de finalizada a colocação do geotêxtil sobre a base, aplicou-se novamente a emulsão numa taxa maior (1,2 l/m2) e iniciou-se a execução do revestimento. No subtrecho com base executada com expurgo de pedreira, o material utilizado foi proveniente da pedreira Contagem - DF, localizada aproximadamente a 12 km da obra. Todo o processo executivo foi realizado da forma convencional. No entanto, na fase de espalhamento do material na pista, excluiu-se as frações com diâmetro superior a 10 cm. Tabela 3 - Características dos geotêxteis (REZENDE, 1999) Propriedade OP-20 XT-4 GR-06 Gramatura (g/cm2) 200 180 200 Espessura nominal (mm) 2,0 1,9 2,0 Porosidade (%) 93 93 93 Retenção de asfalto (l/m2) 2,0 2,0 2,0 3 ENSAIOS REALIZADOS Para cumprir a função impermeabilizante os geotêxteis foram impregnados com asfalto diluído de petróleo (CM-30) onde o querosene é o diluente, ou emulsão asfáltica (RR-2C) onde a água é o diluente. Nos subtrechos onde existe geotêxtil entre o subleito e a base, o subleito foi imprimado com CM-30 a uma temperatura de 65 oC numa taxa de 0,9 l/m2. Depois das mantas totalmente abertas e sem rugas executou-se a segunda imprimação com CM-30 a uma temperatura de 40 oC e taxa de 1,2 l/m2. A utilização dessa taxa Em laboratório, foram realizados os seguintes ensaios: A execução dos subtrechos experiemtais envolveu nas fazes de projeto, acompanhamento da execução e monitoramento subsequente a execução de ensaios de laboratório e de campo. Granulometria, limites de liquidez e plasticidade; Ensaios da metodologia MCT de classificação de solos; Compactação, expansão e CBR; Sucção segundo o método do papel filtro. Foram ainda realizadas microscopias de varredura cabendo destaque nessas análises o fato da cal gerar certa desagregação do solo fino utilizado conforme mostram as Figuras 1, solo fino compactado dinamicamente na umidade ótima da energia Proctor intermediária, e 2, solo-cal compactado dinamicamente na umidade ótima da energia Proctor intermediária. Falling Weight Deflectometer (FWD) - PRO 273/96 (DNER,1996); Dynamic Cone Penetration - DCP; Pressiômetro Pencel; Ground Penetration Radar - GPR (somente no Trecho Experimental 1); Efetuou-se ainda identificação periódica de defeitos. Neste artigo serão discutidos apenas, e de modo comparativo, os resultados de ensaios de campo obtidos a partir da viga Benkelman e do ensaio de FWD para as etapas que complementaram a realização desses dois ensaios. Detalhes sobre os demais resultados de ensaios poderão ser vistos em Rezende (1999) e Rezende (2003). Figura 1 – Solo fino compactado na umidade ótima da energia Proctor intermediária. 4 ANÁLISE COMPARATIVA DOS RESULTADOS DE VIGA BENKELMAN E FWD OBTIDOS Figura 2 – Solo-cal compactado na umidade ótima da energia Proctor intermediária. Durante a execução dos subtrechos experimentais, foram realizados ensaios in situ em cada camada do pavimento. Depois, eles foram realizados periodicamente para verificar o comportamento do pavimento ao longo do tempo e a influência das variações climáticas e de tráfego. Dentre os ensaios realizados destacase: Frasco de areia; CBR in situ; Prova de carga sobre placa; viga Benkelman – ME 24-75 (DNER,1975); Antes de se discutir comparativamente os resultados, cabe discorrer ainda que suscintamente sobre o clima regional e sobre o nível de precipitação registrado na região quando da realização dos ensaios: etapa 1 outubro de 2000 e etapa 2 – agosto de 2001. Com relação à precipitação pluviométrica a região do Distrito Federal, na qual se insere o trecho experimental analisado, apresenta sob a forma de totais mensais, um regime de chuvas característico da região dos cerrados, ou seja, com duas estações bem definidas, um verão chuvoso e um inverno seco (BAPTISTA, 1999). A Tabela 4 apresenta as precipitações médias oriundas da EMBRAPA – Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária e do INMET - Instituto Nacional de Meteorologia. Na etapa 1 os dois ensaios Viga Benkelman e FWD, ao serem realizados no mesmo mês, apresentavam em termos de umidade condições semelhantes. No entanto, para a etapa 2, os ensaios de FWD foram realizados no mês de agosto e, portanto, em condições de umidade da estrutura de pavimento provavelmente inferiores àquelas em que se realizou os ensaios de viga Benkelmen, uma vez que esses só foram realizados no mês de outubro. Logo, na etapa 2, parte das diferenças entre os resultados dos dois ensaios Os resultados apresentados por Rezende (2003) mostram que existe tanto para as bases em solo fino como para aquelas em material granular (solo-brita e expurgo de pedreira) uma relação quase que direta entre os índices de precipitação médios e a umidade média dos materiais. Cabe ainda destacar que conforme indicado na Tabela 1, os subtrechos executados com base de solo fino e de expurgo apresentavam o subleito composto de aterro e nos demais casos tratava-se de subleito em corte. Rezende (2003) observou que as umidades de subleito dos trechos em aterro eram mais influenciadas pelas precipitações que aquelas em corte. É evidente que tal observação se restringe ao local do estudo devendo ser evitada sua extrapolação para outras localidades sem a devida verificação. As Figuras 3 e 4 apresentam as bacias de deformação obtidas a partir da viga Benkelman e as Figuras 5 e 6, as obtidas a partir do ensaio de FWD. Observa-se nas Figuras 3 e 4 oriundas dos ensaios com a viga Benkelman que ocorre um ponto de inflexão a uma distância entre 50 cm e 70 cm do local de medida da deflexão máxima. Já nos ensaios FWD (Figuras 5 e 6), esse ponto se localiza a aproximadamente 30 cm do ponto de deflexão máxima, local onde é aplicada a carga dinâmica. Logo, depreende-se desses resultados que para as configurações estruturais de pavimento analisadas, as bacias de deflexão oriundas da viga Benkelman e do FWD são distintas. Nos resultados de viga Benkelman, a mistura de solo-brita sempre apresentou a menor deflexão máxima. Na primeira etapa realizada em outubro de 2000 a maior deflexão máxima 0 25 50 75 Distância (cm) 100 125 150 175 200 225 0 10 Deslocamento (x 0,01 mm) Tabela 4 – Precipitações médias mensais (REZENDE, 2003) Período do Estudo Precipitação (mm) Etapa Mês/ano EMBRAPA INMET 1 Outubro/2000 54,9 88,4 2 Agosto/2001 32,4 0,0 2 Outubro/2001 77,3 119,8 foi registrada para o subtrecho com base de solo fino com geotêxtil na parte inferior. Já na segunda etapa realizada em outubro de 2001, os subtrechos com base de solo fino, base de solo fino envelopada com geotêxtil e base de expurgo de pedreira apresentaram a maior deflexão máxima. 20 30 40 50 Solo-brita Expurgo Solo fino Solo-cal Solo fino geotêxtil superior Solo fino geotêxtil inferior Solo fino envelopado 60 70 80 90 Figura 3 – Bacias de deslocamento obtidas com a viga Benkelman em outubro de 2000, etapa 1 (REZENDE, 2003) Distância (cm) 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 0 10 Deslocamento (x 0,01 mm) podem ser devidas as essas prováveis diferenças de umidades. No entanto, para os fins pretendidos neste artigo, essa diferença não deve intervir de modo marcante nas análises. 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Solo-brita Expurgo Solo fino Solo-cal Solo fino geotêxtil superior Solo fino geotêxtil inferior Solo fino envelopado 110 Figura 4 – Bacias de deslocamento obtidas com a viga Benkelman em outubro de 2001, etapa 2 (REZENDE, 2003) Já nos resultados oriundos do FWD as menores deflexões máximas foram obtidas para o solo-brita e solo-cal e as maiores para os subtrechos com base em solo fino e em expurgo de pedreira. Mas é importante salientar que nas duas etapas e em especial na primeira, as deflexões medidas com o FWD foram muito semelhantes para as três configurações de base, o que aponta para o fato de que essa técnica de ensaio tem seus resultados afetados pela presença do geotêxtil. Distância (cm) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Desclocamento (x 0,01 mm) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Expurgo Solo fino Solo-cal Solo fino geotêxtil superior Solo fino geotêxtil inferior Solo fino envelopado Solo-brita 100 Figura 5 – Bacias de deslocamento obtidas a partir do FWD em outubro de 2000, etapa 1 (REZENDE, 2003) Figura 7 – Deslocamentos provenientes da viga Benkelman x os provenientes do FWD, etapa 1 Distância (cm) Desclocamento (x 0,01 mm) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Expurgo Solo Fino Solo-cal Solo fino geotêxtil superior Solo fino geotêxtil inferior Solo fino envelopado Solo-brita Figura 6 – Bacias de deslocamento obtidas a partir do FWD em agosto de 2001, etapa 2 (REZENDE, 2003) As Figuras 7 e 8 apresentam os resultados dos deslocamentos oriundos da viga Benkelman em relação aos provenientes do FWD até a distância de 120 cm do ponto de aplicação da carga máxima e energia dinâmica, respectivamente. Nessas figuras, a linha tracejada indica os pontos onde os resultados oriundos dos dois ensaios seriam iguais. Levando-se em conta essa linha, percebe-se que os resultados dos dois ensaios só se aproximam um do outro nos pontos de aplicação da carga máxima e mesmo assim tal aproximação depende dos materiais que compõem a estrutura de pavimento. Figura 8 – Deslocamentos provenientes da viga Benkelman x os provenientes do FWD, etapa 2. Para os subtrechos com bases de expurgo e de solo fino com e sem a interposição de geotêxtil, as deflexões máximas oriundas do FWD tenderam a superar as provenientes da viga Benkelman. Já para o subtrecho em solocal, as deflexões máximas oriundas da viga Benkelman foram superiores àquelas oriundas do FWB e para o subtrecho em solo-brita, esse comportamento também ocorreu na etapa 1, mas na dois os resultados foram similares. Se comparadas as Figuras 7 e 8 com as definidoras das bacias de deflexão mostradas nas Figuras 3 a 6, verifica-se que o ponte de inflexão nas Figuras 3 a 6 correspondem ao ponto de inflexão das Figura 7 e 8. Cabe, no entanto, destacar que no trecho após a inflexão nas Figuras 3 a 6, aparecem nas Figuras 7 e 8 resultados muito distintos entre os dois ensaios, ou seja, por mais que as deflexões máximas se aproximem nos dois ensaios, as bacias de deflexão são muito distintas entre eles. Para explicar essas diferenças nas bacias de deflexão faz-se necessário considerar não só o tipo de energia que as gera como também a forma como essa energia atua durante a realização dos ensaios. No ensaio de viga Benkelman, as deflexões são medidas em fase de descarregamento enquanto no FWD ela se dá em fase de carregamento. Quando se solicita um solo contendo finos como é o caso das estruturas de pavimento analisadas, em que mesmo para o expurgo de pedreira se tem a contribuição do subleito argiloso, se a umidade do solo encontra-se abaixo da linha ótima geralmente não ocorre geração de pressão neutra positiva. No entanto, se a umidade encontra-se acima da linha ótima, a tendência é gerar pressões neutras positivas, mas com presença de grande compressão no sistema. Com o alívio das tensões a estrutura tende a expandir refletindose em deslocamentos significativos. Provavelmente, é esse o efeito que conduz a valores mais significativos dos deslocamentos quando se afasta do ponto de aplicação da carga máxima. Esse mesmo sistema de oclusão pode impedir a propagação de energia nos ensaios de FWD atenuação que é aparentemente auxiliada no caso de presença de geotêxtil. Os resultados de deslocamentos mais relevantes de deflexão máxima registrados para as bases de solo fino com ou sem geotêxtil, podem estar atrelados ao fato de que no ensaio de viga Benkelman permaneçam deformações residuais oriundas do próprio modo como é feito o ensaio. Pessoa (2012) associa a diferença entre os resultados dos dois ensaios ao ensaio de adensamento considerando que no ensaio de viga Benkelman as deformações sendo medidas em fase de descarga seriam superiores às oriundas do FWD correspondentes à fase de carga. 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS Com os resultados apresentados neste artigo, conclui-se que a relação entre as deflexões medidas nos ensaios de viga Benkelman e FWD são função dos materiais que compõem a estrutura do pavimento e na localização do ponto de aplicação de carga em relação ao local da medida realizada. Os resultados mostram ainda que devido aos mecanismos distintos de atuação das energias aplicadas para se avaliar as bacias de deflexão, os dois sistemas de controle, viga Benkelman e FWD, oferecem respostas distintas em especial quando o ponto se afasta daquele correspondente à deflexão máxima. Assim, considera-se que são necessários mais estudos envolvendo outras configurações de estruturas de pavimento para que se conclua de modo mais preciso sobre a melhor opção de ensaio para se definir as deflexões máximas e sobretudo para a definição das bacias de deflexão uma vez que nos subtrechos analisados elas foram muito distintas. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq, à CAPES pelo apoio dado para a realização dessa pesquisa. REFERÊNCIAS BAPTISTA, G.M.M. (1999). Caracterização Climatológica do Distrito Federal. CD-ROM Inventário Hidrogeológico e dos Recursos Hídricos Superficiais do Distrito Federal, SEMATEC/MMA, Brasília, DF. INMET (2002). Precipitação Anual (www.inmet.gov.br). Homepage do Instituto Nacional de Meteorologia, 29/jan/2002. PESSOA, F.H.C. (2012). Avaliação funcional e estrutural de trechos de rodovias no Distrito Federal construídos com diferentes materiais. Brasília, DF: UnB. Tese de Doutorado G.TD-78/2012, Programa de Pós-Graduação em Geotecnia, Universidade de Brasília, 210 fl. REZENDE, L.R. (1999). Técnicas alternativas para a construção de bases de pavimentos rodoviários. Dissertação de mestrado, G.DM-055A/99, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 169p. REZENDE, L.R. (2003). Estudo do comportamento de materiais alternativos utilizados em estruturas de pavimentos flexíveis. Brasília, DF: UnB. Tese de Doutorado G.TD-014A/03, Programa de PósGraduação em Geotecnia, Universidade de Brasília, 372 fl. VILLIBOR, D.F. (1981). Pavimentos econômicos. Novas considerações. Tese de Doutoramento. Departamento de Vias de Transportes e Topografia. Escola de Engenharia de São Carlos da USP, São Carlos, SP, 224p. VILLIBOR, D.F., NOGAMI, J.S., BELIGNI, M. & CINCERRE, J.R. (2000). Pavimentos com solos lateríticos e gestão de manutenção de vias urbanas. Associação Brasileira de Pavimentação/ Universidade Federal de Uberlândia, São Paulo, SP, 138p.