No processo de aprendizagem, nós engenheiros estudamos diversas disciplinas que ditam o comportamento de estruturas, como a resistência dos materiais e a teoria das estruturas. No dimensionamento de qualquer estrutura existe um critério de falha, definido para que quando o carregamento solicitante for maior que admissível ocorre a falha do elemento estrutural.
Os pavimentos, assim como estruturas de vigas e pilares, também assumem critérios de ruptura para dimensionamento da estrutura. Entretando, os pavimentos apresentam uma particularidade que muitos consideram como previlégio e que, muitas vezes, é utilizado como justificativa para as negligências que ocorrem nesse tipo de estrutura.
Qual é esta particularidade? Bom, os pavimentos não caem! Mas, não fique feliz pois eles afundam! Nesse artigo vamos discutir como e por que ocorre o afundamento de pavimentos.
O que é a Deformação Permanente de Pavimentos Asfálticos?
A deformação permanente é um dos defeitos estruturais de pavimentos flexíveis (se você não conhece quais são os defeitos de pavimentos, Clique aqui), e também um dos defeitos mais comuns que ocorrem em pavimentos. Contudo, a deformação permanente pode ocorrer em pavimentos por alguns fatores.
O primeiro fator que leva a formação de deformações permanentes nos pavimentos é a densificação adicional gerada pelo tráfego. A densificação ocorre após a liberação do tráfego no pavimento, em um período chamado de consolidação, onde a passagem dos eixos de veículos geram esforços no pavimento que reduzem o volume de vazios.
O segundo fator que resulta na formação de deformações permanentes é uma combinação do fluxo da mistura asfáltica com o dano causado pelos veículos. Nas misturas asfálticas, como o material apresenta um comportamento viscoelástico (leia mais sobre isso, clique aqui), quando o pavimento é solicitado por uma carga qualquer ocorre a deformação da estrutura, sendo que após a atuação da carga parte da deformação é recuperada de forma praticamente instantânea (parcela elástica) e parte é recuperada em função do tempo (parcela viscosa). Contudo, uma parte dessa deformação não é recuperada e se acumula ao longo do tempo, chamada de fluência da mistura asfáltica.
A deformação permanente ocorre apenas no revestimento asfáltico?
A deformação permanente é um defeito estrutural, ou seja causado pelo tráfego, e pode ocorrer tanto no revestimento como também nas demais camadas do pavimento. O método de dimensionamento do DNER (1981) e atual DNIT (Leia sobre este método de dimensionamento, clique aqui) considera a proteção do subleito, evitando dessa forma a ruptura por cisalhamento e consequentemente a deformação permanente das camadas.
Além da ruptura por cisalhamento, outro fator que pode levar as camadas de pavimentos apresentarem deformação permanente é a densificação do tráfego conforme mencionado. O erro no número de passagens de rolo compactador em camadas granulares, ou a compactação fora da umidade ótima, pode resultar em vazios na mistura que serão consolidados pelo tráfego. Nas camadas inferiores do pavimento, a ação da água ou o bombeamento de finos pode também influenciar para o afundamento da camada, a qual ocorre pela desestruturação e o aumento dos vazios.
Ou seja, a deformação permanente não é um defeito exclusivo dos revestimentos asfálticos e pode ocorrer também em pavimentos que apresentam apenas camadas granulares, como ocorre por exemplo na mineração e no agronegócio. A Figura 3 ilustra a deformação permanente em camadas granulares.
Como medir a deformação permanente das misturas asfálticas em laboratório?
Existem alguns ensaios para medir a resistência dos materiais a deformação permanente ao longo de determinado período ou de um certo número de ciclos. Aqui daremos ênfase em 2 principais ensaios e em simuladores de tráfego.
Ensaio Creep Estático
O ensaio de Creep Estático, ou fluência estático, é um ensaio simples utilizado para mensurar a deformação permanente. Segundo Bernucci et al (2008) este ensaio é utilizado no Brasil com aplicação de uma carga em compressão, contudo pode ser realizado também com torção, flexão ou tração.
O ensaio consiste na aplicação do carregamento estático por um certo período de tempo em um corpo de prova cilíndrico, sendo que pode ser moldado em laboratório ou extraído de campo. O corpo de prova possui diâmetro de 101mm e altura de 51mm com tolerância de 2mm.
Segundo o Departamento de Transportes do Texas (TxDOT Tex-231-F) o corpo de prova deve ser permanecer em estufa a 40°C durante um período de 3 a 5 horas para garantir equilíbrio térmico. Após esse período, o corpo de prova passa por um carregamento inicial o qual tem como objetivo uniformizar o contato com a prensa. O carregamento inicial consiste de 3 ciclos de carga com aplicação 556N, sendo 1 minuto de aplicação de carga e 1 minuto de descanso por ciclo.
Em seguida, o ensaio pode ser realizado com a aplicação da carga de 556N pelo período de 1 hora no corpo de prova. Após esse período, o carregamento é retirado e o CP repousa por 10minutos, sendo que nesse período ocorre a recuperação de uma parcela das deformações. Durante o ensaio, o deslocamento é lido com extensômetros acoplados no CP ou na própria placa de carregamento, resultando no gráfico do ensaio conforme Figura 5.
Ensaio Creep Dinâmico
O ensaio creep dinâmico consiste na aplicação de pulsos de carga ao corpo de prova com critérios definidos, tais como frequência, tempo de aplicação de carga, temperatura e intervalo entre aplicações da carga. No Brasil, o ensaio creep dinâmico ou uniaxial de carga repetida é especificado pela DNIT 184/2018, onde o corpo de prova é preparado segundo a DNIT 178/2018 com diâmetro de 102mm e altura de 150mm, admitindo variação de 2mm e 2,5mm, respectivamente.
Antes de iniciar o ensaio, o corpo de prova deve ser colocado em estufa a uma temperatura de 60°C por período mínimo de 3 horas, para que o equilíbrio térmico seja alcançado. Assim como ocorre no creep estático, um carregamento inicial de 10,2kPa é aplicado por 1 minuto. Após o carregamento inicial, inicia-se o carregamento cíclico com aplicação da carga durante 0,1 segundos e repouso de 0,9 segundos. O carregamento cíclico é mantido até que o final do ensaio, o qual é caracterizado pela ruptura do corpo de prova (zona terciária) ou pelo período de 2 horas. A magnitude da carga varia de 10,2kPa até 204kPa.
A Figura 6 ilustra as zonas do gráfico deformação por ciclos de carga. A zona primária é aquela em que a taxa de deformação diminui em função dos ciclos, com elevada taxa de queda, sendo que é a deformação permanente nesta zona é em decorrência da consolidação e da fluência. A zona secundária é aquela em que a taxa de deformação continua diminuindo mas com redução, e a deformação permanente é devido a fluência da mistura asfáltica. A zona terciária é a região que caracteriza o cisalhamento da mistura asfáltica, com aumento exponencial da deformação permanente.
O limite entre a zona secundária e zona terciária é definida pela taxa mínima de deformação permanente, sendo assim determinado o Flow Number (FN).
Simulador de Tráfego de Laboratório
Uma outra forma de analisar se uma mistura apresenta boa resistência a deformações permanentes é através de simuladores de tráfego. O uso de simuladores representa uma forma de análise mais próxima daquilo que a mistura estará submetida em campo, contudo, a análise de laboratório precisa de calibração para a previsão de desempenho.
Um exemplo de simulador utilizado é aquele desenvolvido no laboratório francês (Laboratoire Central des Ponts et Chaussées), abreviado por Simulador LCPC. Neste simulador, a mistura é inicialmente compactada na mesa compactadora, o qual consiste na compactação por amassamento com um pneu de carga e pressão de inflação regulável. A placa compactada possui 500mm de comprimento e 180mm de largura (dimensão padrão), sendo que a espessura pode ser 50mm e 100mm.
O ensaio de deformação permanente segue a especificação francesa NF P 98-253-1. O simulador apresenta 2 rodas, sendo uma de cada lado do equipamento, onde a carga e a pressão podem ser ajustadas. O ensaio é realizado em 2 placas simultaneamente, sendo que o afundamento é medido em diversos pontos da placa (transversal e longitudinal), e em temperatura de 60°C. A Figura 7 ilustra a mesa compactadora e o simulador de tráfego.
A Figura 8 ilustra o gráfico obtido no simulador de tráfefo LCPC, através da análise de uma mistura asfáltica com ligante não modificado e outra mistura asfáltica com ligante modificado por polímeros.
O que influencia na resistência a deformação permanente?
O principal fator que influencia na resistência a deformação permanente das misturas asfálticas é a distribuição granulométrica da mistura, bem como o modo como esses agregados estão distribuídos no material. O intertravamento dos agregados aumenta a resistência ao cisalhamento das misturas asfálticas, melhorando seu desempenho a fadiga.
Isso pode ser observado por exemplo com o uso de misturas asfálticas do tipo Stone Matrix Asphalt (SMA), o qual você pode conhecer mais clicando aqui. A Figura 9 ilustra a comparação entre distribuição granulométrica do SMA e do CBUQ.
Chowdari et al (2017) analisaram 15 diferentes misturas asfálticas, variando 10 diferentes faixas granulométricas, energia de compactação e o tipo de ligante, conforme Tabela 1. Sendo as 3 primeiras faixas granulométricas segundo especificação da Índia, faixa 4 com especificação do Texas, faixa 5 um Gap Graded, faixa 6 próxima a densidade máxima com agregado nominal máximo de 19mm e as 4 últimas faixas granulométricas são variações da especificação da Índia.
As misturas foram moldadas com 7% de vazios e analisadas no simulador de tráfego, obtendo o gráfico da Figura 10. Observa-se nas misturas M11 e M12 que o aumento da energia de compactação diminui o afundamento. Nas misturas M11 e M14 observa-se que o uso de um ligante de menor viscosidade (maior penetração) piora o desempenho da mistura. Nas misturas M5 e M15 o uso de um ligante do tipo asfalto borracha melhora o desempenho da mistura asfáltica quanto a deformação permanente. Na mistura M1 e M11 a dosagem Superpave apresentou desempenho melhor que a mesma mistura com dosagem Marshall.
Bahia, Tashman e Sefidmazgi (2013) utilizaram o software iPAS para análise da estrutura interna das misturas asfálticas através de imagens e verificar a influência de alguns parâmetros na deformação permanente das misturas asfálticas. Os pesquisadores analisaram o número de agregados, número de agregados em contato, comprimento de contato entre agregados, o vetor magnitude e o ângulo do plano de contato. A Figura 11 ilustra 3 misturas asfálticas analisadas por imagens pelos autores.
Os autores analisaram a correlação entre os parâmetros de imagem observadas e o Flow Number de diversas misturas asfálticas. Bahia, Tashman e Sefidmazgi (2013) observaram que o número de agregados em contato, bem como o comprimento de contato, apresentam forte correlação conforme Figura 12. Entretanto, o vetor magnitude e o ângulo de orientação do plano de contato não apresentam boa correlação com o valor de FN, conforme Figura 13.
Além disso, os autores observaram que o uso de ligantes modificados influenciam e melhoram o desempenho de deformação permanente das misturas, pois estes afetam a estrutura interna da mistura devido as propriedades reológicas dos ligantes. Este tipo de influência pode ser observada também na classificação Superpave, através do valor de Jnr (Se quiser conhecer a classificação Superpave, clique aqui)
Ou seja, não apenas os agregados mas também o ligante tem influência nesse comportamento. Como mencionado nesse artigo, o afundamento de trilha de roda pode ser causado também por erro estrutural e, dessa forma, é sempre importante a análise global. Um bom projeto estrutural com um projeto ruim de mistura asfáltica não será eficiente. Da mesma forma, um bom projeto de mistura com um projeto estrutural ruim levará a problemas estruturais.
O que achou das deformações permanentes e dos métodos para mensurar? Ficou com alguma dúvida? Deixe nos comentários que terei o maior prazer em responde-lo! Não esqueça de seguir o Além da Inércia para receber por email a notificação dos próximos artigos!
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Referências Bibliográficas:
BAHIA, H. TASHMAN, L. SEFIDMAZGI, N.R. INTERNAL STRUCTURE CHARACTERIZATION OF ASPHALT MIXTURES FOR RUTTING PERFORMANCE USING IMAGING ANALYSIS. ROAD MATERIALS AND PAVEMENT DESIGN, JUNE, 2012.
BERNUCCI, L.B; MOTTA, L.M.G; CERATTI, J.A.P; SOARES, J.B. “PAVIMENTAÇÃO ASFÁLTICA: FORMAÇÃO BÁSICA PARA ENGENHEIROS”. RIO DE JANEIRO, 2008
Chowdari, K.S; Radhakrishnan, G.V; Sudhakar Reddy & Rajib Chattaraj. EVALUATION OF WHEEL TRACKING AND FIELD RUTTING SUSCEPTIBILITY OF DENSE BITUMINOUS MIXES. ROAD MATERIALS AND PAVEMENT DESIGN, 2017.
MEDINA, J; MOTTA, L.M.G. “MECÂNICA DOS PAVIMENTOS. RIO DE JANEIRO, 2015.
VALE, A.F. MÉTODO DE USO DE SIMULADORES DE TRÁFEGO LINEAR MÓVEL DE PISTAS PARA A DETERMINAÇÃO DE COMPORTAMENTO E PREVISÃO DE DESEMPENHO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS. Tese de Doutorado: EPUSP. São Paulo, 2008.