32a Reunião de Pavimentação
Brasília
ESTUDO EXPERIMENTAL DO DESEMPENHO DE PAVIMENTOS
FLEXÍVEIS EM CONCRETO ASFÁLTICO: CONSTRUÇÃO E
INSTRUMENTAÇÃO DE SEÇÕES-TESTE
Fernando Pugliero Gonçalves1
Jorge Augusto Pereira Ceratti1
Régis Martins Rodrigues2
Luiz Somacal Neto3
1
Universidade Federal do Rio Grande do Sul – UFRGS
Curso de Pós-Graduação em Engenharia Civil – CPGEC
Av. Osvaldo Aranha, 99/30 Andar
Porto Alegre – RS – Brasil
CEP: 90035190
E-mail: [email protected] e [email protected]
Fone: 051 3167049
Fax: 051 3163999
Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA
São José dos Campos – SP – Brasil
2
E-mail: [email protected]
3
Departamento Autônomo de Estradas de Rodagem do Estado do Rio Grande do Sul
Av. Guaiba, 154 - Assunção
Porto Alegre - RS - Brasil
CEP: 91740760
Fone: 051 2671617
Fax: 051 2671609
ESTUDO EXPERIMENTAL DO DESEMPENHO DE PAVIMENTOS
FLEXÍVEIS EM CONCRETO ASFÁLTICO: CONSTRUÇÃO E
INSTRUMENTAÇÃO DE SEÇÕES-TESTE
Palavras-chave: pavimentos, misturas asfálticas, ensaios acelerados, instrumentação.
RESUMO
Apresenta-se o estado atual de desenvolvimento de uma pesquisa cujo propósito principal é a
investigação do desempenho oferecido por estruturas de pavimentos flexíveis em concreto
asfáltico. Neste sentido, até o presente momento, foram executadas seis (06) seções-teste com
diferentes tipos e espessuras de revestimentos asfálticos. Tais seções foram instrumentadas
com medidores de deformação e com células de pressão total e serão submetidas a ensaios
acelerados com um simulador linear de tráfego. Dentre os parâmetros definidos para
interpretação do desempenho dos pavimentos durante os ensaios acelerados em escala real
estão: deformação horizontal na face inferior das camadas asfálticas de revestimento, tensões
em pontos críticos da estrutura e deformação vertical do solo de subleito. Neste trabalho,
fundamentalmente, são apresentadas as atividades referentes a execução e a instrumentação
das seções experimentais.
1. INTRODUÇÃO
Um pavimento flexível com revestimento em concreto asfáltico deteriora-se gradualmente ao
longo do tempo devido a dois mecanismos diretamente associados à passagem repetida das
cargas do tráfego: o trincamento por fadiga das camadas asfálticas e os afundamentos em
trilha de roda decorrentes do acúmulo de deformações plásticas em todas as camadas da
estrutura. As condições ambientais a que o pavimento está sujeito, onde se incluem as
condições de temperatura do ar, a insolação, a pluviometria e as condições de drenagem subsuperficial e profunda, afetam as velocidades com que a degradação estrutural se processa,
por influírem nas propriedades mecânicas e de durabilidade dos materiais das camadas do
pavimento e por gerarem tensões quando a estrutura tende a restringir movimentações
volumétricas de natureza térmica ou de variação de umidade.
De maneira geral, o dimensionamento estrutural de um pavimento flexível tem sido feito
aplicando-se métodos de origem empírica que definem a espessura total necessária para que
as camadas de subleito e de reforço do subleito sejam adequadamente protegidas contra a
geração excessiva de deformações plásticas, ao mesmo tempo que estipulam, com base no
tráfego de projeto, as espessuras mínimas das demais camadas, desde que os materiais
empregados atendam a determinadas especificações. Esses métodos apresentam as vantagens
da simplicidade de aplicação e de refletirem desempenhos reais observados em pavimentos
em serviço. Tem sido notório, contudo, que a extrapolação desses métodos para condições
fora das que lhes deram origem leva a sub-dimensionamentos ou super-dimensionamentos.
Este fato deu origem a um grande número de pesquisas no sentido de se obter modelos de
previsão de desempenho (Rodrigues, 2000, e Witczack et al. 1998). Somente através de
modelos deste tipo se pode efetuar projetos considerando o uso de materiais para os quais não
se tem experiência de campo suficiente para a elaboração de um modelo empírico adequado.
Neste contexto, apresenta-se o estado atual de desenvolvimento de uma pesquisa cujo
propósito principal é o de investigar o desempenho de pavimentos flexíveis em concreto
asfáltico. Sendo que nesta, deverá ser estudado o comportamento de misturas asfálticas
convencionais (CBUQ) e modificadas com polímeros (CAM) sob ensaios realizados em
laboratório e ensaios acelerados efetuados em escala real. No presente trabalho, são descritas
as etapas de execução e de instrumentação de seis seções experimentais implantadas na Área
de Pesquisas e Testes de Pavimentos da UFRGS-DAER/RS. Tais seções-teste terão o seu
desempenho monitorado em termos da evolução de mecanismos principais de degradação
durante a realização de ensaios acelerados in situ com um simulador linear de tráfego.
Também, são apresentados os parâmetros principais obtidos na fase de projeto das misturas
asfálticas utilizadas.
2. PROJETO DO EXPERIMENTO
O planejamento do experimento inclui a realização de estudos de laboratório com vistas a se
poder caracterizar e selecionar as misturas asfálticas utilizadas na construção das seções
experimentais. Tais ensaios, listados na seqüência, foram desenvolvidas nos laboratórios de
pavimentação da UFRGS e do DAER/RS: dosagem através do método Marshall, ensaio
dinâmico de compressão diametral a cargas repetidas para determinação do módulo de
resiliência, determinação da resistência à tração por compressão diametral. Também, as
misturas concebidas serão submetidas a ensaios de fadiga, afundamento em trilha de roda,
desgaste, condutividade hidráulica e envelhecimento.
A variável dependente, a ser quantificada com base no monitoramento do desempenho
oferecido pelos pavimentos no campo, é a vida útil oferecida. Sendo, esta, definida como o
tempo necessário para que as cargas aplicadas pelo tráfego imposto ao pavimento através do
simulador de tráfego provoquem níveis de deterioração acima dos quais o mesmo não mais
oferece condições aceitáveis de conforto ao rolamento e de segurança para o usuário. Na
seqüência, estão apresentados os fatores controláveis eleitos para investigação na fase de
estudos no campo:
Espessura da camada de revestimento asfáltico (H): é um fator fixo a três níveis: 4, 6 e 8
cm;
Carga de eixo (C): é um fator fixo a três níveis: 82 , 100 e 130 kN;.
Tipo de mistura asfáltica (M): é um fator fixo a dois níveis (concreto asfáltico
convencional e modificado com polímeros).
Para que seja possível se levar em conta a não-linearidade das relações entre as variáveis
dependentes e os fatores controláveis os níveis foram combinados como mostra a matriz
experimental, derivada com auxílio do software Statistica, apresentada na Tabela 1. Nesta,
pode-se ver que o experimento definido ficou bem equilibrado. Os números –1, 0 e 1
representam os níveis baixo, médio e alto de cada fator, respectivamente. No projeto em
questão tem-se três fatores controláveis, sendo: dois a três níveis (carga aplicada e espessura
do revestimento) e um terceiro a dois níveis (tipo de mistura). Para ter-se um projeto cruzado
seriam necessários os resultados de pelo menos 18 testes, sem incluir repetições. Devido às
restrições intrínsecas à pesquisa em desenvolvimento, serão ensaiadas 12 setores sendo dois
em cada pista experimental.
3. CARACTERIZAÇÃO DAS MISTURAS ASFÁLTICAS
Primeiramente, foi realizado um estudo de laboratório com vistas a caracterização dos
materiais a serem utilizados. Foram executados os ensaios preconizados pelo Método
Marshall, adotando-se uma curva granulométrica enquadrada na Faixa B da especificação
ESP-16/91 do DAER/RS (Figura 1). Na seqüência, para as diferentes composições, foram
realizados ensaios de módulo de resiliência e resistência à tração. Os resultados obtidos nos
ensaios realizados e na determinação dos parâmetros do Método Marshall para as misturas
concebidas estão apresentados na Figura 2. O teor ótimo de ligante adotado foi de 5,0 %.
Sendo, sua determinação estabelecida com base numa análise integrada dos resultados
derivados e levando-se em consideração a situação na qual as misturas asfálticas estarão
submetidas no campo durante a aplicação das cargas pelo simulador linear de tráfego.
Os ligantes utilizados na composição das misturas asfálticas foram o CAP-20 e o
BETUFLEX (asfalto modificado produzido pela Ipiranga Asfaltos S.A.). Durante a execução
das seções experimentais foram moldados corpos de prova os quais deverão ser ensaiados
para determinação das leis de fadiga, verificação do comportamento quanto a ocorrência de
deformações permanentes, módulo de resiliência e resistência à tração.
4. EXECUÇÃO DAS SEÇÕES EXPERIMENTAIS
A execução das seções-teste foi concluída no dia dois de setembro de 2000. No que diz
respeito aos pavimentos das pistas experimentais destacam-se os seguintes aspectos:
Foram executadas seis pistas experimentais. Sendo três com revestimento constituído por
mistura asfáltica convencional e três com mistura asfáltica modificada com polímeros;
As espessuras das camadas de revestimento são 4, 6 e 8 cm;
A camada de reforço do subleito existente na Área de Pesquisas e Testes de Pavimentos
UFRGS-DAER foi mantida da maneira como se encontra atualmente, após a solicitação
das seções experimentais com basalto alterado;
As camadas granulares de base e de sub-base são constituídas de brita graduada com
granulometria compatível com a classificação Faixa B e Classe A do DAER-RS;
As espessuras das camadas de base de todas as seções são iguais (30 cm de brita
graduada).
5. INSTRUMENTAÇÃO DOS PAVIMENTOS
Durante a execução das pistas experimentais foram instalados instrumentos configurados com
o propósito de permitirem a investigação de respostas fundamentais dos pavimentos quando
estes forem submetidos às cargas repetidas do simulador de tráfego. Tais respostas incluem a
medição de tensões e deformações no interior das camadas dos pavimentos. O grupo principal
de sensores utilizado é constituído por células de pressão total e extensômetros de resistência
elétrica. Os locais para instalação dos instrumentos incluem pontos críticos ao longo da
profundidade do pavimento, conforme a representação esquemática mostrada na Figura 3.
Para os extensômetros de resistência elétrica foram adotadas duas configurações: roseta a
0
45 e H-gage (Figuras 4 e 5). Foram instalados quatro (04) medidores de deformação vertical,
conforme mostrado na Figura 6, quarenta (40) medidores de deformação horizontal e dezoito
(18) células de pressão total, todos da marca Kyowa. Sendo que seis células foram instaladas
com o propósito de permitirem o monitoramento do acréscimo das tensões horizontais e
verticais com a passagem dos rolos compactadores no interior das camadas granulares de base
e de sub-base.
As camadas granulares de base e de sub-base foram compactadas através da aplicação de
rolos dos tipo vibratório e de pneus. Foram realizadas medidas em intervalos correspondentes
a cada passagem dos equipamentos de compactação. Sendo registrados os efeitos sob o
carregamento dinâmico e as respostas lidas imediatamente após a retirada da carga imposta
pelo rolo compactador. Os locais de instalação das células de pressão total para investigação
das tensões verticais e horizontais ocasionadas durante a compactação da brita graduada estão
mostrados na Figura 7. Algumas leituras registradas imediatamente após cada passagem do rolo
compactador estão mostradas na Figura 8.
Os dispositivos configurados para a instalação das células de pressão total no interior das
camadas de brita graduada estão mostrados nas Figuras 9 e 10. Vale destacar que a calibração
dos intrumentos utilizados no campo foi realizada em laboratório nos mesmos materiais e tipo
de configuração adotada para as leituras realizadas durante a compactação das camadas do
pavimento. Os procedimentos adotados para calibração das células de pressão total em
laboratório estão descritos em Gonçalves, et al., 2000.
Durante a instalação dos sensores e a execução do revestimento asfáltico foram adotados
procedimentos com vistas a protegê-los evitando que os mesmos fossem danificados pelos
equipamentos pesados. Dentre os cuidados observados destacam-se: limpeza da superfície de
instalação, utilização de areia fina e de emulsão asfáltica para o assentamento, proteção dos
cabos elétricos e lançamento manual da massa asfáltica sobre os sensores e os cabos elétricos.
Para a leitura das respostas durante os ensaios a serem realizados no campo foi desenvolvido
um sistema de aquisição de dados com as seguintes características principais: (1) o sistema
desenvolvido para a calibração dos instrumentos em laboratório também será utilizado para as
leituras no campo e (2) o sistema configurado permite uma taxa de aquisição de dados
elevada.
O sistema de aquisição de dados configurado é formado por uma placa amplificadora e
uma conversora A/D (analógico para digital). As principais características da placa
amplificadora são: Marca ComputerBoards (tipo CIO-SSH16); Possui 4 canais de leitura
(padrão) expansível até 16 canais (foram instalados 12 canais); Tempo de aquisição de 4uS;
Taxa máxima de aquisição de 250Khz; Amplificação de: 1x, 10x, 100x, 200x, 300x, 500x,
600x, 700x, 800x e Precisão: 0,01% ± 1 bit. O ganho aplicado foi ajustado individualmente
para cada instrumento.
A fonte de alimentação utilizada possui as seguintes características (a) saída simétrica de 0
a 30 volts ajustáveis (b) saída independente de 5 volts; (c) corrente máxima de saída de 2A e
(c) estabilidade e baixo nível de ruído. Estas características garantem confiabilidade para a
utilização da fonte em circuitos de instrumentação. Os sensores do tipo extensômetros de
resistência elétrica ou strain gages de 120 Ohms, instalados para determinação da deformação
horizontal na face inferior do revestimento asfáltico, são medidos em circuito tipo ponte de
Wheatstone. Sendo que para se completar a ponte utilizou-se, além do sensor inserido na
camada asfáltica, outros três (03) strain gages com características similares os quais foram
colados numa superfície metálica, fazendo-se assim um perfeito balanceamento do circuito.
Nas atividades de aquisição dos dados estão sendo utilizados vários softwares, dentre os
quais destacam-se: Microsoft Excel, Microsoft Windows 98 e Microsoft Word. Os programas
de controle foram desenvolvidos em um software comercial chamado HP-VEE, desenvolvido
pela Hewlett Packard. Tal software está disponível especificamente para aquisição de dados e
controle de processos e suas principais características são: (1) programação visual (2) permite
a utilização de sub-rotinas pré-programadas e (3) facilita a interface com outros aplicativos.
Até o momento, nesta pesquisa, foram desenvolvidos dois programas em HP-VEE. Sendo um
destes para aquisição de dados sob carregamento estático e o outro para aquisição sob
carregamento dinâmico.
As principais características das células de pressão total instaladas estão mostradas na
Tabela 2. O processo de montagem, calibração e as técnicas adotadas para a instalação dos
sensores no interior dos pavimentos estão descritos em Gonçalves, 2000.
6. CONCLUSÃO
Foram apresentadas algumas das atividades realizadas no sentido de se viabilizar o
desenvolvimento de um projeto de pesquisa cujo objetivo principal é a investigação do
desempenho a ser oferecido por misturas asfálticas convencionais e modificadas com
polímeros quando estas forem submetidas a ensaios acelerados em verdadeira grandeza com
um simulador linear de tráfego. Tal pesquisa está em andamento na Área de Pesquisas e
Testes de Pavimentos - UFRGS/DAER. Até o momento, o estado de desenvolvimento dos
trabalhos poder ser sintetizado pelo cumprimento das seguintes etapas: (1) Planejamento do
experimento; (2) Caracterização dos materiais das camadas de base, sub-base e subleito; (3)
Projeto das misturas asfálticas e realização de ensaios em laboratório; (4) Construção e
instrumentação de seis pistas experimentais; (5) Calibração de células de pressão total em
diferentes meios (ar, areia, argila e brita graduada) no laboratório e; (6) Desenvolvimento de
um sistema de aquisição de dados para instrumentação das seções experimentais em
verdadeira grandeza.
Prevê-se que o início dos ensaios acelerados nas pistas experimentais executadas deverá
ocorrer no mês de outubro de 2000.
7. AGRADECIMENTOS
Aos auxiliares de pesquisa, técnicos e pesquisadores envolvidos no desenvolvimento deste
estudo e ao CNPq pelo suporte financeiro destinado. Em especial, nosso agradecimento, a
Ipiranga Asfaltos S.A. e a Concessionária da Rodovia Osório Porto Alegre S.A. pelo apoio e
engajamento na execução das pistas experimentais.
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CERATTI, J. A., NÚÑEZ, W. P., GEHLING, W. Y., OLIVEIRA, J. A. - A Full-Scale Study
of Rutting of Thin Pavements - Transportation Research Board, 79 th Annual Meeting,
January 9-13, 2000, Washington, D. C.
GONÇALVES, F. P. - Seminário de Doutorado, CPGEC/UFRGS, Porto Alegre, Junho de
2000.
GONÇALVES, F. P.; CERATTI, J. P. E NETO, L. S. - Investigação do Desempenho de
Misturas Asfálticas Convencionais e Modificadas com Polímeros: Proposição de um
Estudo Envolvendo Ensaios Acelerados de Pavimentos com um Simulador Linear de
Tráfego. Simpósio Internacional de Manutenção e Restauração de Pavimentos e Controle
Tecnológico - Instituto Mackenzie, São Paulo, S. P., maio, 2000.
RODRIGUES, R. M. - Performance Prediction Models for Highway and Airport Pavements
in Brasil - Final Report - FAPESP, April 2000.
WITCZACK, M. W., VON QUINTUS, H. L. AND SHWARTZ, C. W. - Superpave Suport
and Performance Models Management: Evaluation of the SHRP Performance Models
System – http://www.ence.umd.edu/superpave - 1998.
Tabela 1 - Matriz experimental – Estudo de campo
Pista
Trilha
M
H
C
M H
C MH MC HC MHC
1
1
CBUQ
4
130
1
-1
1
-1
1
-1
-1
1
2
CBUQ
4
82
1
-1
-1
-1
-1
1
1
2
1
CAM
4
130 -1
-1
1
1
-1
-1
1
2
2
CAM
4
82
-1
-1
-1
1
1
1
-1
3
1
CAM
6
130 -1
0
1
0
-1
0
0
3
2
CAM
6
120 -1
0
-1
0
1
0
0
4
1
CBUQ
6
130
1
0
1
0
1
0
0
4
2
CBUQ
6
120
1
0
-1
0
-1
0
0
5
1
CBUQ
8
130
1
1
1
1
1
1
1
5
2
CBUQ
8
100
1
1
-1
1
-1
-1
-1
6
1
CAM
8
130 -1
1
1
-1
-1
1
-1
6
2
CAM
8
100 -1
1
-1
-1
1
-1
1
Tabela 2 - Características das células de pressão total
Capacidade de
carga (kgf/cm2)
2
5
10
Diâm.
(mm)
94
94
30
Espessura Vexc. máx.
Diâmetro
Camada a ser
(mm)
(volts)
sensível (mm)
instalada
18.2
10
80
Subleito
18.2
10
80
Base e sub-base
9
4
27
Base
D istrib u ição G ran u lom étrica
120,0
Porcentagem que passa
100,0
L im ite in ferio r
C en tro d a faixa
L im ite su p erio r
Fa ixa ad ota d a
80,0
60,0
40,0
20,0
0,0
3/4"
1/2"
3/8"
n4
n8
n 30
n 50
n 100
A bertu ra da s peneiras
Figura 1 - Composição granulométrica das misturas asfálticas
n 200
2,44
7,0
CAM
CAP-20
6,0
CAM
2,43
vazios (%)
Densidade Aparente
5,0
2,42
CAP-20
Vv (cap-20) = -2,02x + 15,27
R2 = 0,9873
Vv (cam) = -2,26x + 16,37
4,0
R2 = 0,9905
3,0
2,41
2,0
1,0
2,4
4,5
5
5,5
6
4,5
6,5
5
5,5
6
6,5
% de asfalto
% de asfalto
16,8
CAM
CAP-20
CAM
13,5
CAP-20
16,6
16,4
3
2
VAM (cap-20) = 0,3333x - 5,6714x + 32,252x - 44,88
2
R = 0,9631
Fluência (1/100")
Vazios no Agregado Mineral (%)
12,5
16,2
11,5
F (cam) = 1,2975x1,2377
R2 = 0,9345
10,5
16,0
9,5
3
2
VAM (cam) = 0,6667x - 11x + 60,133x - 92,8
2
R =1
15,8
0,5495
F (cap-20) = 3,4869x
2
R = 0,9609
8,5
15,6
4,5
5
5,5
6
7,5
6,5
4,5
% de asfalto
5
5,5
6
6,5
% de asfalto
1400
90
C AM
C AP-20
1350
CAM
CAP-20
1300
85
Estabilidade (kgf)
Relação betume vazios (%)
1250
80
R BV (cam ) = 12,658x 1,0471
2
R = 0,9944
75
R BV (cap-20) = 14,458x 0,9606
R 2 = 0,9944
70
1200
E (cam) = -133,33x 3 + 2243,7x 2 - 12509x + 24318
R 2 = 0,9948
1150
E(cap-20) = 136,67x 3 - 2118,1x 2 + 10580x - 15798
R 2 = 0,9147
1100
1050
1000
65
950
900
60
4,5
5
5,5
6
4,5
6,5
5
% de asfalto
3800
6
6,5
1,3
3600
1,25
3400
1,2
CAM
CAP - 20
Resistência à Tração (MPa)
Módulo de Resiliência (MPa)
5,5
% de asfalto
3200
-1,5008
MR (cap-20) = 35194x
R2 = 0,9564
3000
2800
-1,4961
MR (cam) = 34282x
R2 = 0,8173
2600
2400
CAM
CAP - 20
1,15
1,1
1,05
1
0,95
0,9
2200
0,85
2000
0,8
4
4,5
5
5,5
6
6,5
7
4,5
5
% de asfalto
Figura 2 - Parâmetros das misturas asfálticas
5,5
% de asfalto
6
6,5
350 cm
2000 cm
LEGENDA
Extensômetro de resistência elétrica
2
Célu la de pressão total - 10 kgf/c m
2
Célu la de pressão total - 5 kgf/cm
2
Célu la de pressão total - 2 kgf/cm
SEÇÃO TRANSVERSAL
SEÇÃO LONGITUDINAL
Figura 3 – Representação esquemática de uma seção-teste instrumentada
Figura 4 - Instalação de extensômetros de resistência elétrica na face inferior da camada
asfáltica - Roseta a 450
Figura 5 - Instalação de extensômetros de resistência elétrica na face inferior da camada
asfáltica - H-gage
Figura 6 - Instalação de medidores de deformação vertical no subleito
A
B
C
D
E
F
B ita g r a dua da
B ita g r a dua da
So lo a r g ilo so
A - C élula co m cap acida d e d e carga d e 0 ,5 M P a - P osição horizo ntal
B - C élula co m cap acida d e d e carga d e 0 ,5 M P a - P osição v ertical
C - C élula co m cap acida d e d e carga d e 1 ,0 M P a - P osição horizo ntal
D - C élula co m cap acida d e d e carga d e 1 ,0 M P a - P osição v ertical
E - C élula co m cap acida d e d e carga d e 1 ,0 M P a - P osição horizo ntal
F - C élula co m cap acida d e d e carga d e 1 ,0 M P a - P osição v ertical
Figura 7 – Locais de instalação das células de pressão total no interior da brita graduada
500
450
400
350
300
250
200
Leituras (mV)
150
100
50
0
-50
0
10
20
30
40
50
60
-100
-150
-200
-250
-300
-350
Direção horizontal
Direção vertical
-400
-450
Número de passagens do rolo compactador
Figura 8 – Resultados obtidos em leituras realizadas após cada passagem do rolo
compactador
Figura 9 – Instalação de célula de pressão total para medição de tensões horizontais durante
a compactação da brita graduada
Figura 10 – Instalação de célula de pressão total para medição de tensões verticais durante a
compactação da brita graduada