44ª RAPv – REUNIÃO ANUAL DE PAVIMENTAÇÃO

E

18º ENACOR – ENCONTRO NACIONAL DE CONSERVAÇÃO RODOVIÁRIA

ISSN 1807-5568 RAPv

Foz do Iguaçu, PR – de 18 a 21 de Agosto de 2015.

DESEMPENHO DE BASE DE BRITA GRADUADA TRATADA COM

CIMENTO EM TRECHO MONITORADO DE SERGIPE

Rodrigo da Silva Nascimento

i; Airton Teles de Mendonça

ii & Fernando Silva Albuquerque

iii.

Resumo:

O monitoramento do desempenho de pavimentos é um importante recurso utilizado na gerência de pavimentos,

essencial para o conhecimento dos principais mecanismos de dano nas estruturas de pavimentos. Este trabalho tem por

objetivo trazer os primeiros resultados da pesquisa de campo para estudar os mecanismos de dano em base de brita

graduada tratada com cimento (BGTC), aplicada em pavimento asfáltico de um trecho monitorado do estado de

Sergipe. A pesquisa está baseada na obtenção dos parâmetros de desempenho de seções de pavimentos rodoviários. Os

fatores considerados foram a idade do pavimento, o tráfego, clima local e defeitos de superfície. Foi observado que a

ruptura da camada de BGTC foi devido à fadiga da mesma. Obteve-se também uma linha de tendência relacionando o

efeito acumulado do tráfego de cargas e a porcentagem de trincas detectadas no trecho em cada monitoramento

realizado.

Palavras-chave: BGTC, Trecho monitorado, Desempenho de pavimentos.

Abstract:

The monitoring of pavement performance is an important tool used in the management of pavements, essential for the

understanding of the main damage mechanisms in pavement structures. This work aims to bring the first field survey

results to study the damage mechanisms in graded gravel base treated with cement (BGTC) applied in asphalt pavement

of a monitored section of the state of Sergipe. The research is based on achieving the performance parameters of road

pavement sections. The factors considered were age pavement, traffic, local weather and surface distress. It has been

observed that disruption of BGTC layer was due to fatigue thereof. Obtained also a trend line linking the cumulative

effect of traffic loads and the percentage of cracks detected in the stretch in each monitoring carried out.

Keywords: BGTC, monitored stretch, pavement performance.

INTRODUÇÃO

O tráfego comercial no Brasil tem sofrido aumento significativo em volume e magnitude de cargas.

Estas mudanças têm afetado a vida útil dos pavimentos, levando a apresentar precocemente defeitos

tais como trincas, panelas e deformações, incompatíveis com o conforto, segurança e durabilidade

requeridos para uma rodovia pavimentada. Conhecer o desempenho estrutural e funcional de

pavimentos e diagnosticar as causas do encurtamento da vida de serviço é fundamental para o

desenvolvimento do Brasil.

Dentro dessa temática, muitos países investem em pesquisas na busca de pavimentos mais

econômicos e mais eficazes dentro do período de vida útil, sendo a AASHO Road Test, nos Estados

Unidos da América, reconhecido como o primeiro conjunto de pistas monitoradas que alimentou

com novas ideias os conceitos de pavimentação (BALBO, 2007).

Através do monitoramento de trechos pavimentados os engenheiros aprimoraram os conhecimentos

sobre: as propriedades e o comportamento dos materiais como componentes dos pavimentos; o

desempenho estrutural dos pavimentos formados por camadas de materiais de diversos tipos e

rigidezes diferentes; aprimoramento de técnicas construtivas; uso de novos materiais; e a

interferência das condições climáticas locais e do tráfego real (DNIT, 2004).

Modelos de previsão de desempenho são ferramentas matemáticas que preveem a evolução com o

tempo dos defeitos de superfície ou do nível de serventia, sob as condições climáticas e de tráfego a

que o pavimento está submetido, partindo das características do pavimento e suas condições atuais

(estruturais, funcionais e de degradação superficial) (GONÇALVES, 1999).

Os modelos de previsão de desempenho de pavimentos mais acurados são aqueles desenvolvidos

diretamente a partir de dados de campo sistematicamente coletados e analisados, sendo seu uso

como modelo restrito ao ambiente de avaliação (PATERSON, 1987).

Com o objetivo de avaliar o desempenho dos pavimentos asfálticos na região Nordeste do Brasil,

particularmente no Estado de Sergipe, foi monitorado trechos na BR-101/SE, onde o clima é

tropical úmido e o tráfego é classificado como pesado. Pretende-se contribuir com estudos que

permitam entender como os pavimentos executados e projetados por métodos de dimensionamento

de pavimento tradicionalmente utilizados no Brasil tem o seu desempenho afetado pelo tráfego,

materiais e condições climáticas locais. Desta forma, a experiência obtida pode servir para futuros

projetos de pavimentação na região Nordeste.

O objetivo do presente trabalho é avaliar o desempenho estrutural da Base de Brita Graduada

Tratada com Cimento (BGTC) executada em trecho monitorado da rodovia BR-101 em Sergipe,

quando comparado a modelos de previsão de desempenho existentes na bibliografia consultada.

Modelos de previsão de desempenho de pavimentos

Modelos de previsão de desempenho de pavimentos são ferramentas que têm a finalidade de prever

como deverão variar ao longo do tempo as condições do pavimento de uma via, a partir do

conhecimento das condições atuais, projetando a deterioração temporal do pavimento em função

das solicitações do tráfego. Permitem a caracterização da vida remanescente em função dos níveis

de aceitação estabelecidos (VALE, 2008).

A complexidade da estrutura do pavimento torna difícil a previsão do seu desempenho futuro. As

necessidades futuras de manutenção só podem ser previstas dentro de um sistema de gerência de

pavimentos que utilize modelos de previsão de desempenho com acurácia e confiabilidade

(FRITZEN, 2005).

Existem vários modelos de previsão de desempenho para pavimentos baseados em premissas e

condições de contorno diferenciadas. Eles são classificados usualmente de acordo com a origem

em: empíricos; mecanísticos e mecanísticos-empíricos (VALE, 2008; HAAS et al., 1994).

Quanto à aplicação, os modelos podem ser diferenciados como aplicados a parâmetros funcionais e

estruturais.

Modelos de previsão de desempenho para dano em bases cimentadas

O trincamento por fadiga de uma base cimentada tem grande influência no comportamento de um

pavimento semi-rígido (FRANCO, 2007).

Pretorius, a partir de ensaios de laboratório em 1970, desenvolveu o modelo conhecido como

modelo log-log do Corpo dos Engenheiros do Exército Norte-Americano (USACE) (RODRIGUES,

1998). Este modelo está apresentado a seguir:

⁄ (01)

Outro modelo utilizado é o semilog do USACE (1970) representado na expressão:

(02)

Onde:

Nf é o número de repetições de carga que levam ao trincamento e à ruptura; e

εt é a deformação de tração no fundo da camada cimentada (x10-6

).

Ceratti (1991) obteve curvas de fadiga para seis misturas diferentes de solo-cimento ensaiadas com

modo de carregamento à flexão. A equação que expressa à curva de fadiga em função da

deformação de tração inicial imposta ao material com os parâmetros está apresentada a seguir:

(03)

Onde:

Nf é o número de repetições de carga que levam ao trincamento e ruptura;

εt é a deformação inicial de tração imposta ao material; e

a e b são parâmetros experimentais. No Método de Dimensionamento Mecanístico-Empírico de

Pavimentos Asfálticos (SISPAV) adota-se os valores de 125,63 e -14,92 para os parâmetros a e b,

respectivamente.

Na África do Sul os pesquisadores desenvolveram modelos de previsão de desempenho para as

bases cimentadas os quais incorporaram ao método Sul-africano de dimensionamento (SAPEM,

2013). São consideradas três situações: inicio do trincamento no topo da camada; esmagamento

avançado no topo da camada; e a fadiga efetiva da camada.

Para Início do Trincamento e Esmagamento Avançado da Camada foi utilizado o modelo:

⁄ (

)

(04)

Onde:

Nci/ca: é o número de repetições de carga que leva ao início do trincamento (crack initiation) ou ao

esmagamento avançado (crushing advanced);

σv: é a tensão de compressão vertical no topo da camada em Kpa;

UCS: resistência a compressão não confinada em Kpa, valores recomendados na Tabela 1; e

a e b constantes, dadas na Tabela 2.

Tabela 1. Módulos Elásticos e propriedades dos materiais cimentados utilizados no método de dimensionamento

Sul-africano

Classe Inicial Módulo (MPa) Deformação na

Ruptura (Ɛb)

UCS

(KPa)

Classe de

Equivalência

granular

Modulo

(MPa)

C3 2000 125 2250 EG4 300

C4 1500 145 1125 EG5 200

Tabela 2. Constantes relacionadas ao nível de dano ao final do período de projeto

Nível de Confiabilidade Esmagamento Inicial Esmagamento avançado Fadiga Efetiva

A b a b c d

95% (A) 8,216 1,21 8,894 1,31 7,06 7,86

90% (B) 7,706 1,31 8,384 1,23 6,87 7,66

80% C 7,506 1,1 8184 1,2 6,84 7,63

50% (D) 7,386 1,09 9,064 1,19 6,72 7,49

Para Vida de Fadiga Efetiva foi utilizado o seguinte modelo:

(

)

(05) Onde:

Neff: é o número de repetições de carga que leva à fadiga da camada;

SF: fator de correção para propagação da trinca em função da espessura da camada (Tabela 3);

ε: deformação específica de tração;

εb: deformação de ruptura, valores recomendados na Tabela 1;

c e d: constantes, valores na Tabela 2; e

t: espessura da camada.

Tabela 3. Fator de ajuste em função da espessura da camada de base

Espessura Fator de Ajuste

< 102 mm 1

102 mm a 319 mm 10(0,00285t-0,293)

> 419 mm 8

CARACTERÍSTICAS DOS TRECHOS MONITORADOS

Os trechos selecionados para monitoramento são em pavimento asfáltico, pertencentes ao Lote 3.1

do projeto da duplicação da rodovia BR-101/SE, no segmento km 93,4 ao km 123,0, em tangente,

com boa drenagem e pequenas declividades longitudinais. Os trechos, pelo seu clima, são

representativos da faixa litorânea do Estado de Sergipe.

Os trechos monitorados apresentam tráfego intenso, com participação significativa de veículos

comerciais. A sua magnitude permite que os parâmetros avaliados sejam representativos dos efeitos

danosos que o mesmo exerce na vida útil dos pavimentos.

Para a situação do projeto, considerando pista dupla, considerou-se a faixa da direita, com 80% do

tráfego pesado, correspondendo a 40% do volume total da rodovia (DNIT, 2009).

Para o cálculo do fator médio de veículo (Fv) adotaram os valores do VMDs obtidos pela Lei da

Balança, considerando, conforme dados obtidos em algumas rodovias, um percentual de 26% de

veículos vazios, valor esse que, pelo conhecimento local, parece ser bem representativo do trecho

em estudo (DNIT, 2009). Nas Figuras 1 e 2 estão apresentadas as projeções, para o número N do

sub-trecho, pelas metodologias da AASHTO e do Corpo de Engenheiros dos Estados Unidos

(USACE) (DNIT, 2006), respectivamente.

Figura 1. NAASHTO para os Trechos Monitorados

Figura 2. Nusace para os Trechos Monitorados

Segundo a classificação de Wladimir Köppen (1936) o clima é do tipo tropical com estação seca de

verão (As). Os meses mais chuvosos concentram-se entre abril e agosto, enquanto os mais secos

estão entre janeiro e março e entre setembro e dezembro (ver figura 03). No tempo de observação, a

temperatura média máxima foi registrada em fevereiro de 2012 (31,10C) e a mínima em novembro

de 2013 (ver figura 04).

Figura 3. Pluviometria nos anos 2012, 2013 e 2014 em Aracaju.

Figura 4. Temperaturas Médias Mensais nos anos 2012, 2013 e 2014 em Aracaju.

O Trecho Monitorado objeto deste estudo é um pavimento asfáltico novo, com extensão de 280 m,

localizado no município de São Cristóvão, representando o pavimento semirrígido.

As características mecânicas das camadas deste pavimento foram obtidas após o pavimento

executado e antes da abertura ao tráfego. Foram executadas janelas na pista de rolamento e colhidas

amostras representativas de camada do pavimento, incluindo o subleito. Para o revestimento foram

retiradas amostras (CPs) através de sondas rotativas para avaliação estrutural pelo Método

Destrutivo.

Os Módulos de Resiliência obtidas em Laboratório e a resistência à tração das misturas asfálticas do

trecho estão apresentados na Tabela 4.

Tabela 4. Módulos de Resiliência e Resistência à Tração das Camadas Asfálticas do Trecho Monitorado.

MR - Trecho Monitorado

Capa Binder

MR Médio (MPa) 4273 9.308

RT (Mpa) 1,49 2,03

MR/RT 2864 4583

Para as camadas de subleito e sub-base as melhores correlações do MR foram com o somatório das

tensões principais () coerentes com os solos areno-argilosos. O MR da base cimentada apresentou

uma ótima correlação com a tensão desvio (R2

próximo a um), mas com K2 = 1.

Figura 5. Módulo de Resiliência do Subleito do Trecho Monitorado (somatório das tensões principais)

Figura 6. Módulo de Resiliência da Sub-base do Trecho Monitorado (somatório das tensões principais)

Figura 7. Módulo de Resiliência da Base do Trecho Monitorado (tensão desvio)

Resumidamente, os tipos de materiais, espessuras das camadas e suas características mecânicas são

apresentadas na Tabela 5.

Tabela 5. Características Elásticas do Pavimento do trecho monitorado.

Estrutura MR Laboratório

(MPa) Coef. de Poisson

Capa - CBUQ c/SBS Fx C do DNIT - 5 cm MR = 4273 0,3

Binder - CBUQ Fx B do DNIT - 7,5 cm MR = 9309 0,3

Base em BGTC - 15 cm MR = 12652σd 1,0071

0,25

Sub-base A-2-4 - 15 cm MR = 309,3Ѳ-0,181

0,35

Subleito A-2-6 MR = 207,7Ѳ-0,267

0,45

METODOLOGIA

Inicialmente, foram obtidos os módulos de resiliência (MR) de cada uma das camadas do

pavimento através de ensaios laboratoriais das amostras colhidas em campo. Os módulos de

resiliência para as camadas de BGTC, sub-base de solo e para o subleito seguiram os procedimentos

da norma DNIT 134/2010-ME. Para as misturas asfálticas (camada de binder e revestimento com

ligante modificado com SBS) foi utilizada a norma DNIT 135/2010-ME.

Foi feita uma comparação do comportamento observado em campo, nos monitoramentos de

trincamentos realizados em 4 datas diferentes (a cada 6 meses), com a vida de fadiga prevista pelo

modelo de fadiga do método de projeto mecanístico da República da Sul-africana (SAPEM, 2013) e

com o modelo de fadiga de Ceratti (1991). Para aplicação deste modelo foi necessário o cálculo de

tensões e deformações para a estrutura de projeto, utilizando as características elásticas, obtidas nos

ensaios de laboratório, no software EverStress 5.0, um dos módulos do Everseries 5.0 do

Departamento de Transportes do Estado de Washington (EUA).

O objetivo desta comparação foi confirmar ou não a aplicabilidade destes modelos de previsão de

desempenho, além de estabelecer uma linha de tendência descrevendo a evolução de trincamentos

observados em campo.

As análises de fadiga dos pavimentos foram feitas considerando as condições no início da vida útil.

Para tanto, foram utilizados os valores dos módulos de resiliência encontrados nos ensaios

laboratoriais.

As tensões e deformações foram determinadas utilizando o programa computacional EverStress 5.0

em pontos pré-determinados localizados sob a roda e entre rodas de um eixo simples de rodas

duplas de 10750 kg (carga legal no Brasil mais desvio de 7,5%).

Para determinação do desempenho do pavimento foram utilizados os métodos de projeto

mecanicista-empírico Sul-africano e o SisPav. O método Sul-africano foi desenvolvido através de

experimentos do comportamento do pavimento em campo, utilizando de simuladores de tráfego

com controle de carga e consequentes respostas elásticas, onde o surgimento e crescimento de

trincas e deformações plásticas foram avaliados (SAPEM, 2013). O SisPav é um programa de

dimensionamento mecanístico-empírico desenvolvido por Franco (2007), que leva em consideração

ensaios de laboratório, o clima, os materiais de pavimentação e o tráfego. Leva em consideração

também:

Variação sazonal do tráfego no período de projeto;

Análise para diversos eixos com variação lateral;

Materiais de comportamento elástico linear e não linear;

Modelos de previsão de danos a partir de base de dados brasileiros, incluindo o modelo de

Ceratti (1991) para bases cimentadas;

Parâmetros dos materiais e bacias deflectométricas para o controle de execução no campo; e

Análise da confiabilidade

RESULTADOS

As avaliações na base cimentada foram realizadas levando-se em consideração a deformação de

tração calculada para a base da camada (Figura 9). Os resultados da aplicação do modelo de

previsão de desempenho para fadiga, descrito em SAPEM (2013) estão transcritos na Tabela 10.

Para esta análise foi utilizado um nível de confiabilidade de 95%, devido à categoria da via ser "A".

Tabela 6. Danos previstos pelo Método da República Sul-africana para a camada de Base de BGTC para o Efeito

de Fadiga

εt (10^6)m/m Nf Durabilidade

35,0 3,92E+06 1,291 anos

Verifica-se que a estimativa de durabilidade da camada cimentada é muito reduzida, com o efeito de

fadiga começando em pouco tempo após a abertura ao tráfego (menos de dois anos). O alto nível de

trincamento desta camada além de refletir as trincas para as camadas asfálticas sobrejacentes,

facilita a entrada de água no pavimento, acelerando os afundamentos plásticos e o fim da vida de

serviço. Talvez uma melhor dosagem da BGTC ou uma solução em pavimento invertido, onde uma

camada granular delgada seria inserida entre a BGTC e as camadas de misturas asfálticas,

aumentaria a vida de fadiga desta camada ou impediria a propagação de trincas da base da camada

cimentada para o revestimento, respectivamente.

A análise executada pelo Método de Dimensionamento Mecanístico-empírico de Pavimentos

Asfálticos – SISPAV (FRANCO, 2007) versão 2.0.8.0, avaliou os danos acumulados no pavimento.

O resumo dos resultados fornecido pelo software está apresentado na Figura 8. O resumo da análise

de danos acumulados está apresentado na Tabela 7.

Tabela 7 Resumo de danos obtidos pelo SISPAV.

Eixo Fadiga

2ª Camada

Tensão Máxima

Subleito %

1 0,000 0,000 619,874

2 0,000 0,093 124,019

3 0,000 0,270 5,070

4 0,000 0,127 1,844

5 0,000 0,000 12,144

Total: 0,000 0,489 762,951

Com os dados desta análise conclui-se que o pavimento acumula danos de 762,9% comprometendo

seu período de vida útil que deveria ser de 10 anos e é de apenas 1,3 anos.

Por este método o pavimento entraria em colapso por fadiga precocemente, o que realmente ocorreu

na prática, com resultado muito semelhante ao obtido com o modelo do SAPEM (2013).

O gráfico da figura 9 mostra a linha de tendência da relação entre % de trincas levantadas no trecho

monitorado e a evolução do número N ao longo dos anos. Analisando o gráfico vê-se que o

percentual de trincas cresce exponencialmente em relação ao N acumulado. O que demonstra

claramente a importância das cargas que atuam no pavimento em seu desempenho ao longo do

tempo, onde o incremento de danos por fadiga ao pavimento cresce geometricamente com o

acúmulo da ação do carregamento. Os dados de percentual de trincamento levantados durante a

pesquisa comprovaram o grave comprometimento da vida útil do pavimento, uma vez que em

menos de dois anos o trecho já apresentava trincamentos refletidos À superfície do revestimento.

Figura 8 Resumo da análise do trecho obtida pelo SISPAV

Figura 9 Linha de tendência entre % de trincas e a evolução do número N.

CONCLUSÕES

O modelo de fadiga do método de projeto mecanístico da República da Sul-africana (SAPEM,

2013) e o Método de Dimensionamento Mecanístico-empírico de Pavimentos Asfálticos – SISPAV

(FRANCO, 2007) se mostraram eficazes na obtenção da previsão de vida útil do pavimento. Os

mesmos foram capazes de identificar em seus modelos os danos ao pavimento que foram

observados em campo nos monitoramentos de trincamentos feitos ao longo de dois anos. Em ambos

os modelos a base cimentada apresentou rompimento por fadiga antes do segundo ano de vida útil.

Este comportamento pôde ser observado em campo quando foram detectadas trincas com a

presença de finos bombeados, provenientes da base para a superfície do revestimento.

O desempenho estrutural deficiente pode ser atribuído à concepção para a estrutura do pavimento,

como um pavimento semirrígido, com camada cimentada em contato diretamente com o

revestimento asfáltico. A interação entre estas duas camadas do pavimento não se mostrou eficiente,

uma vez que o baixo desempenho à fadiga da BGTC promove o rápido surgimento de trincas que

logo são refletidas para o revestimento, causando evolução do trincamento na superfície do

pavimento e facilitando a infiltração de água de chuva para camadas subjacentes.

Os dois métodos de análise poderiam servir como ponto de partida para projetos mecanicistas de

pavimentos asfálticos com camadas cimentadas no Brasil. Contudo, é de suma importância o

estabelecimento de modelos de previsão de desempenho para dano por fadiga regionalizados para

camadas cimentadas.

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Grande, Paraíba.

%trincas = 0,0486.EXP(6,0.10-07.Nacum)R² = 0,77

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

% d

e T

Rin

ca

s

N acumulado (AASHTO)

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Tese (Doutorado) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo.

i Mestrando em Engenharia Civil – UFS / Analista em Infraestrutura de Transportes DNIT – SE (rodrigo.nascimento@dnit.gov.br)

ii Mestrando em Engenharia Civil – UFS / Engenheiro DNIT – SE (airton.teles@dnit.gov.br)

iii Professor Departamento de Engenharia Civil – UFS (albuquerque.f.s@ufs.br)