pavimentaÇÃo asfÁltica · rio de janeiro 2008 liedi bariani bernucci laura maria goretti da...

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  • Rio de Janeiro

    2008

    Liedi Bariani Bernucci

    Laura Maria Goretti da Motta

    Jorge Augusto Pereira Ceratti

    Jorge Barbosa Soares

    Pavimentao asflticaFormao bsica para engenheiros

    3. Reimpresso

    2010

  • PAtRoCinAdoReS

    Petrobras Petrleo Brasileiro S. A.

    Petrobras distribuidora

    Abeda Associao Brasileira das empresas distribuidoras de Asfaltos

    Copyright 2007 Liedi Bariani Bernucci, Laura Maria Goretti da Motta,

    Jorge Augusto Pereira Ceratti e Jorge Barbosa Soares

    P338 Pavimentao asfltica : formao bsica para engenheiros / Liedi Bariani Bernucci... [et al.]. Rio de Janeiro : PetRoBRAS: ABedA,2006.504 f. : il.

    inclui Bibliografias.Patrocnio PetRoBRAS

    1. Asfalto. 2. Pavimentao. 3. Revestimento asfltico. 4. Mistura.i. Bernucci, Liedi Bariani. ii. Motta, Laura Maria Goretti da. iii. Ceratti,Jorge Augusto Pereira. iV. Soares, Jorge Barbosa.

    Cdd 625.85

    CooRdenAo de PRoduo

    trama Criaes de Arte

    PRoJeto GRFiCo e diAGRAMAo

    Anita Slade

    Sonia Goulart

    deSenhoS

    Rogrio Corra Alves

    ReViSo de texto

    Mariflor Rocha

    CAPA

    Clube de idias

    iMPReSSo

    Grfica imprinta

    Ficha catalogrfica elaborada pela Petrobras / Biblioteca dos Servios Compartilhados

  • APRESENTAO

    tendo em vista a necessidade premente de melhoria da qualidade das rodovias brasileiras e a importncia da ampliao da infra-estrutura de transportes, a Pe-trleo Brasileiro S.A., a Petrobras distribuidora S.A. e a Associao Brasileira das empresas distribuidoras de Asfaltos Abeda vm investindo no desenvolvimento de novos produtos asflticos e de modernas tcnicas de pavimentao. Para efeti-vamente aplicar estes novos materiais e a recente tecnologia, preciso promover a capacitao de recursos humanos.

    Assim, essas empresas, unidas em um empreendimento inovador, conceberam uma ao para contribuir na formao de engenheiros civis na rea de pavimenta-o: o Proasfalto Programa Asfalto na universidade. este projeto arrojado foi criado para disponibilizar material didtico para aulas de graduao de pavimentao visan-do oferecer slidos conceitos tericos e uma viso prtica da tecnologia asfltica.

    Para a elaborao do projeto didtico, foram convidados quatro professores de renomadas instituies de ensino superior do Brasil. iniciou-se ento o projeto que, aps excelente trabalho dos professores Liedi Bariani Bernucci, da universidade de So Paulo, Laura Maria Goretti da Motta, da universidade Federal do Rio de Janei-ro, Jorge Augusto Pereira Ceratti, da universidade Federal do Rio Grande do Sul, e Jorge Barbosa Soares, da universidade Federal do Cear, resultou no lanamento deste importante documento.

    o livro Pavimentao Asfltica descreve os materiais usados em pavimentao e suas propriedades, alm de apresentar as tcnicas de execuo, de avaliao e de restaurao de pavimentao. A forma clara e didtica como o livro apresenta o tema o transforma em uma excelente referncia sobre pavimentao e permite que ele atenda s necessidades tanto dos iniciantes no assunto quanto dos que j atuam na rea.

    A universidade Petrobras, co-editora do livro Pavimentao Asfltica, sente-se honrada em participar deste projeto e cumprimenta os autores pela importante ini-ciativa de estabelecer uma bibliografia de consulta permanente sobre o tema.

    Petrleo Brasileiro S.A. PetrobrasPetrobras distribuidora S.A. AsfaltosAbeda Associao Brasileira das empresas distribuidoras de Asfaltos

  • PReFCio 7

    1 Introduo 9

    1.1 PAViMento do Ponto de ViStA eStRutuRAL e FunCionAL 9

    1.2 uM BReVe hiStRiCo dA PAViMentAo 11

    1.3 SituAo AtuAL dA PAViMentAo no BRASiL 20

    1.4 ConSideRAeS FinAiS 22

    BiBLioGRAFiA CitAdA e ConSuLtAdA 24

    2 Ligantes asflticos 25

    2.1 intRoduo 25

    2.2 ASFALto 26

    2.3 eSPeCiFiCAeS BRASiLeiRAS 58

    2.4 ASFALto ModiFiCAdo PoR PoLMeRo 59

    2.5 eMuLSo ASFLtiCA 81

    2.6 ASFALto diLudo 96

    2.7 ASFALto-eSPuMA 97

    2.8 AGenteS ReJuVeneSCedoReS 99

    2.9 o PRoGRAMA ShRP 100

    BiBLioGRAFiA CitAdA e ConSuLtAdA 110

    3 Agregados 115

    3.1 intRoduo 115

    3.2 CLASSiFiCAo doS AGReGAdoS 116

    3.3 PRoduo de AGReGAdoS BRitAdoS 124

    3.4 CARACteRStiCAS teCnoLGiCAS iMPoRtAnteS doS AGReGAdoS PARA PAViMentAo ASFLtiCA 129

    3.5 CARACteRiZAo de AGReGAdoS SeGundo o ShRP 150

    BiBLioGRAFiA CitAdA e ConSuLtAdA 154

    SumRiO

  • 4 Tipos de revestimentos asflticos 157

    4.1 intRoduo 157

    4.2 MiStuRAS uSinAdAS 158

    4.3 MiStuRAS IN SITU eM uSinAS MVeiS 185

    4.4 MiStuRAS ASFLtiCAS ReCiCLAdAS 188

    4.5 tRAtAMentoS SuPeRFiCiAiS 191

    BiBLioGRAFiA CitAdA e ConSuLtAdA 200

    5 Dosagem de diferentes tipos de revestimento 205

    5.1 intRoduo 205

    5.2 deFinieS de MASSAS eSPeCFiCAS PARA MiStuRAS ASFLtiCAS 207

    5.3 MiStuRAS ASFLtiCAS A Quente 217

    5.4 doSAGeM de MiStuRAS A FRio 253

    5.5 MiStuRAS ReCiCLAdAS A Quente 256

    5.6 tRAtAMento SuPeRFiCiAL 263

    5.7 MiCRoRReVeStiMento e LAMA ASFLtiCA 269

    BiBLioGRAFiA CitAdA e ConSuLtAdA 281

    6 Propriedades mecnicas das misturas asflticas 287

    6.1 intRoduo 287

    6.2 enSAioS ConVenCionAiS 288

    6.3 enSAioS de MduLo 290

    6.4 enSAioS de RuPtuRA 308

    6.5 enSAioS de deFoRMAo PeRMAnente 316

    6.6 enSAioS CoMPLeMentAReS 327

    BiBLioGRAFiA CitAdA e ConSuLtAdA 332

    7 Materiais e estruturas de pavimentos asflticos 337

    7.1 intRoduo 337

    7.2 PRoPRiedAdeS doS MAteRiAiS de BASe, SuB-BASe e ReFoRo do SuBLeito 339

    7.3 MAteRiAiS de BASe, SuB-BASe e ReFoRo do SuBLeito 352

    7.4 ALGuMAS eStRutuRAS tPiCAS de PAViMentoS ASFLtiCoS 365

    BiBLioGRAFiA CitAdA e ConSuLtAdA 369

    8 Tcnicas executivas de revestimentos asflticos 373

    8.1 intRoduo 373

    8.2 uSinAS ASFLtiCAS 373

  • 8.3 tRAnSPoRte e LAnAMento de MiStuRAS ASFLtiCAS 384

    8.4 CoMPACtAo 389

    8.5 exeCuo de tRAtAMentoS SuPeRFiCiAiS PoR PenetRAo 393

    8.6 exeCuo de LAMAS e MiCRoRReVeStiMentoS ASFLtiCoS 397

    8.7 ConSideRAeS FinAiS 401

    BiBLioGRAFiA CitAdA e ConSuLtAdA 402

    9 Diagnstico de defeitos, avaliao funcional e de aderncia 403

    9.1 intRoduo 403

    9.2 SeRVentiA 405

    9.3 iRReGuLARidAde LonGitudinAL 407

    9.4 deFeitoS de SuPeRFCie 413

    9.5 AVALiAo oBJetiVA de SuPeRFCie PeLA deteRMinAo do iGG 424

    9.6 AVALiAo de AdeRnCiA eM PiStAS MoLhAdAS 429

    9.7 AVALiAo de Rudo PRoVoCAdo PeLo tRFeGo 435

    BiBLioGRAFiA CitAdA e ConSuLtAdA 438

    10 Avaliao estrutural de pavimentos asflticos 441

    10.1 intRoduo 441

    10.2 MtodoS de AVALiAo eStRutuRAL 443

    10.3 eQuiPAMentoS de AVALiAo eStRutuRAL no-deStRutiVA 445

    10.4 noeS de RetRoAnLiSe 453

    10.5 SiMuLAdoReS de tRFeGo 457

    10.6 ConSideRAeS FinAiS 460

    BiBLioGRAFiA CitAdA e ConSuLtAdA 461

    11 Tcnicas de restaurao asfltica 463

    11.1 intRoduo 463

    11.2 tCniCAS de ReStAuRAo de PAViMentoS CoM PRoBLeMAS FunCionAiS 466

    11.3 tCniCAS de ReStAuRAo de PAViMentoS CoM PRoBLeMAS eStRutuRAiS 468

    11.4 ConSideRAeS SoBRe o tRinCAMento PoR ReFLexo 469

    BiBLioGRAFiA CitAdA e ConSuLtAdA 475

    ndiCe de FiGuRAS 477

    ndiCe de tABeLAS 486

    ndiCe ReMiSSiVo de teRMoS 490

    ndiCe ReMiSSiVo dAS BiBLioGRAFiAS 496

  • 7

    PREFCiO

    este livro tem por objetivo principal contribuir para a formao do aluno na rea de pavimentao asfltica, dos cursos de engenharia Civil de universidades e faculda-des do pas. o projeto deste livro integra o Programa Asfalto na universidade, con-cebido em conjunto com a Petrobras e a Abeda, nossos parceiros e patrocinadores, para apoiar o ensino de graduao, disponibilizando material bibliogrfico adicional aos estudantes e aos docentes de disciplinas de infra-estrutura de transportes. os autores acreditam que seu contedo possa ser tambm til a engenheiros e a tc-nicos da rea de pavimentao e, no aspecto de organizao do conhecimento, a ps-graduandos.

    A elaborao deste livro em muito assemelha-se construo de uma estrada, e os autores o vem como mais uma via na incessante busca de novos horizontes. estradas preexistentes influenciam o traado de novas rodovias, assim como a pre-existncia de diversos materiais bibliogrficos contribuiu para o projeto deste livro. os autores procuraram ao mximo trafegar por diversas referncias, devidamente reconhecidas no texto, e esto cientes de que muitos outros caminhos precisam ser percorridos para uma viagem mais plena.

    Como em qualquer projeto de engenharia, decises foram tomadas com vistas delimitao do trabalho. Foram enfocados tpicos julgados menos disponveis na li-teratura tcnica brasileira sobre materiais de pavimentao principalmente no que se refere aos ligantes asflticos e aos tipos e propriedades das misturas asflticas , tcnicas executivas e de avaliao de desempenho, bem como as diretrizes para a restaurao asfltica de pavimentos. esses assuntos foram considerados pelos autores de grande valia para a construo do conhecimento sobre pavimentao na academia. os autores reconhecem a limitao do escopo deste livro e recomendam fortemente que os estudantes busquem bibliografia complementar que enriquea seus conhecimentos, enveredando tambm pelos caminhos do projeto de dimensio-namento das estruturas de pavimentos e de restauraes, da mecnica dos pavi-mentos, da geotecnia, do projeto de trfego e de drenagem, das tcnicas de controle tecnolgico, da gerncia de pavimentos etc. todas essas reas do saber afins pa-vimentao do embasamentos aos conceitos necessrios para termos pavimentos rodovirios, aeroporturios e urbanos mais econmicos, com melhor desempenho e mais durveis para cada situao.

    Como toda obra de pavimentao, no faltou neste caso a consultoria e o contro-le de qualidade, exercidos com competncia e elegncia pelos cole gas aqui reconhe-cidos por seus valiosos comentrios e sugestes: dra. Leni Figueiredo Mathias Leite

  • e eng. Luis Alberto do nascimento (Centro de Pesquisa da Petrobras), eng. ilonir Antonio tonial (Petrobras distribuidora), eng. Armando Morilha Jnior (Abeda), Prof. dr. Glauco tlio Pessa Fabbri (escola de engenharia de So Carlos/univer-sidade de So Paulo), Prof. Srgio Armando de S e Benevides (universidade Fe-deral do Cear), Prof. lvaro Vieira (instituto Militar de engenharia) e eng. Alfredo Monteiro de Castro neto (desenvolvimento Rodovirio S.A.).

    A experincia de escrever este livro a oito mos foi deveras enriquecedora, construindo-o em camadas, com materiais convencionais e alternativos, cuida-dosamente analisados, compatibilizando-se sempre as espessuras das camadas e a qualidade dos materiais. no livro, competncias e disponibilidades de tempo foram devidamente dosadas entre os quatro autores. um elemento presente foi o uso de textos anteriormente escritos pelos quatro autores em co-autoria com seus respectivos alunos e colegas de trabalho, sendo estes devidamente referen-ciados.

    Por fim, tal qual uma estrada, por melhor que tenha sido o projeto e a execu-o, esta obra est sujeita a falhas, e o olhar atento dos pares ajudar a realizar a manuteno no momento apropriado. o avano do conhecimento na fascinante rea de pavimentao segue em alta velocidade e, portanto, alguns trechos da obra talvez meream restaurao num futuro no distante. novos trechos devem surgir. Aos autores e aos leitores cabe permanecer viajando nas mais diversas es-tradas, em busca de paisagens que ampliem o horizonte do conhecimento. Aqui, espera-se ter pavimentado mais uma via para servir de suporte a uma melhor compreenso da engenharia rodoviria. Que esta via estimule novas vias, da mesma forma que uma estrada possibilita a construo de outras tantas.

    os autores

    notA iMPoRtAnte: os quatro autores participaram na seleo do contedo, na organizao e na redao de todos os onze captulos, e consideram suas respec-tivas contribuies ao livro equilibradas. A ordem relativa co-autoria levou em considerao to somente a coordenao da produo do livro.

  • 6.1 INTRODUO

    A caracterizao de materiais de pavimentao uma tarefa complexa em virtude das propriedades desses materiais dependerem de diversos fatores, entre eles: meio ambien-te, magnitude, tempo de aplicao e freqncia das cargas dos veculos, e estado de tenses. No caso das misturas asflticas, o envelhecimento gradativo devido oxidao do ligante aumenta a complexidade, j que difcil a simulao desse fenmeno em laboratrio para a devida caracterizao do material. Diante disso, a caracterizao das misturas requer um balano apropriado entre rigor e praticidade, uma vez que nem todas as variveis podem ser consideradas simultaneamente, pelo menos no no estgio atual de conhecimento. Privilegiam-se ento os aspectos considerados de maior relevncia para previso do comportamento das misturas asflticas em campo.

    Nos primeiros dois teros do sculo XX, a caracterizao das misturas, bem como dos outros materiais de pavimentao, era estritamente emprica, correspondendo s abordagens de dimensionamento dos pavimentos tal como o mtodo do CBR ou o m-todo da AASHTO at 1986. Para as misturas asflticas, os ensaios consagrados nessas abordagens foram o de estabilidade Marshall e o de estabilidade Hveem. No Brasil, o primeiro ainda extensamente usado, principalmente no meio tcnico. Embora esses ensaios sejam prticos e importantes quando se considera o desenvolvimento da pavi-mentao, no so apropriados para condies de servio distintas das para os quais eles foram desenvolvidos, nem teis para a previso de desempenho dos pavimentos (Roberts et al., 1996).

    Observa-se, principalmente a partir da dcada de 1970, maior utilizao de mtodos de dimensionamento de pavimentos que buscam compatibilizar as aes solicitantes do trfego com a capacidade dos materiais por meio da anlise estrutural de sistemas em camadas (Yoder e Witczak, 1975; Huang, 1993, 2003; Medina, 1997). Para a soluo de problemas estruturais, por mtodos numricos ou analticos, necessrio que se defi-nam basicamente: a geometria do problema, as condies de contorno (carga e desloca-mento) e as propriedades dos materiais, geralmente determinadas em laboratrio (Allen e Haisler, 1985). Os modelos constitutivos comumente adotados na anlise estrutural de pavimentos asflticos so: (i) elstico linear para a camada de revestimento, e (ii) elstico no-linear para as camadas subjacentes.

    6Propriedades mecnicas

    das misturas asflticas

  • 288 Pavimentao asfltica: formao bsica para engenheiros

    Numa abordagem mecanstica, os resultados da anlise estrutural dos pavimentos tenses, deformaes e deslocamentos so comparados com critrios de dimensiona-mento predefinidos de modo a evitar os principais tipos de defeitos, principalmente trin-camento por fadiga e deformao permanente (no Brasil no h maiores preocupaes com trincamento trmico). Esses critrios podem ser estabelecidos a partir de valores limites de resistncia dos materiais (Motta, 1991; Benevides, 2000).

    No caso de misturas, resultados do ensaio de vida de fadiga tm sido usados com freqncia como critrio de dimensionamento (Pinto, 1991). As cargas usadas nesse ensaio, por sua vez, so determinadas em funo de outro ensaio limite, o de resistncia trao esttica, comumente realizado de forma indireta devido maior simplicidade. Por possuir um modo de falha definido, ele tambm tem sido usado como parmetro de controle na dosagem de misturas, em substituio estabilidade Marshall, conforme apresentado no Captulo 5.

    Alm da vida de fadiga, importante a caracterizao das misturas de modo a evitar deformaes permanentes. Ensaios de simulao de trfego em laboratrio tm sido usados para este fim geralmente utilizando corpos-de-prova prismticos. Para os labo-ratrios que no dispem desses equipamentos, um ensaio de realizao simples o de creep, que possibilita ainda a determinao de propriedades viscoelsticas das misturas (Souza e Soares, 2003). A importncia dessas propriedades permitir a caracterizao do comportamento estrutural em funo do tempo e da taxa de aplicao de carga (ou deslocamento) (Schapery, 1969, 1974; Christensen, 1982).

    Neste captulo so descritos os ensaios mecnicos para caracterizao de mistu-ras asflticas. Os diversos ensaios discutidos so categorizados conforme indicao a seguir: ensaios convencionais: estabilidade Marshall; ensaios de mdulo: mdulo de resilincia; mdulo complexo (mdulo dinmico); ensaios de ruptura: resistncia trao indireta; vida de fadiga (compresso diame-

    tral, flexo); ensaio de deformao permanente: simulador de trfego de laboratrio; compresso

    ou trao axial esttica (creep); compresso ou trao axial de carga repetida; ensaios complementares: Cntabro; dano por umidade induzida.

    6.2 ENSAIOS CONVENCIONAIS

    Estabilidade MarshallO ensaio Marshall, j apresentado no Captulo 5, reapresentado aqui para compor este captulo que trata das propriedades mecnicas. Foi criado na dcada de 1940 pelo Corpo de Engenheiros dos Estados Unidos (United States Corps of Engineers Usace), a partir de conceitos desenvolvidos pelo engenheiro Bruce Marshall do Departamento de Estradas do Estado do Mississipi (Roberts et al., 1996). O ensaio compe um procedi-

  • 289Propriedades mecnicas das misturas asflticas

    mento de dosagem para misturas asflticas, que faz uso ainda de parmetros volumtri-cos da mistura, conforme descrito no Captulo 5.

    O ensaio consiste da aplicao de uma carga de compresso sobre o corpo-de-pro-va cilndrico regular, denominado corpo-de-prova Marshall, de 100mm de dimetro e 63,5mm de altura. Essa carga aplicada no corpo-de-prova por meio de cabeotes cur-vos padronizados, como indicado na Figura 6.1(a). A temperatura do ensaio de 60C e a taxa de carregamento de 5cm/minuto. Em geral a parte superior da prensa fixa e o prato inferior se desloca para cima conforme a taxa mencionada. Devido resistncia do material ensaiado, necessria uma fora crescente para manter o prato inferior movendo-se na taxa especificada. Esta fora cresce at um determinado ponto em que ocorre uma perda de estabilidade do material, causada por deslocamento ou quebra de agregados. A carga mxima correspondente a este ponto denominada estabilidade Marshall e expressa em unidade de fora (no Brasil, tipicamente em kgf, ou ainda N nas normas recentes). O deslocamento vertical total do prato, correspondente ao ponto de carga mxima, denominado fluncia, expressa em unidade de deslocamento (no Brasil, tipicamente em mm). Esses parmetros so indicados na Figura 6.1(b) que pode ser obtida num equipamento que permita o registro automtico da carga e do deslocamento como o mostrado na Figura 6.1(a).

    Figura 6.1 Exemplo de equipamento e resultado do ensaio de estabilidade Marshall

    (a) Exemplo de prensa Marshall (b) Curva do ensaio

  • 290 Pavimentao asfltica: formao bsica para engenheiros

    6.3 ENSAIOS DE MDULO

    Um bom projeto de pavimento aquele que combina os materiais e as espessuras das camadas conforme a rigidez de cada uma dessas camadas, de modo a propiciar uma resposta estrutural do conjunto condizente com as solicitaes do trfego. Essa resposta definir a vida til do conjunto da estrutura. Diferentes parmetros de rigidez tm sido utilizados para tentar caracterizar o comportamento mecnico das misturas asflticas. A importncia do conhecimento da rigidez dos materiais do revestimento e das subcama-das possibilitar a anlise da estrutura global do pavimento, que produz como resposta as tenses, as deformaes e os deslocamentos do sistema em camadas. Sistemas em camadas como os pavimentos esto sujeitos a cargas transientes provenientes do movimento dos veculos, o que gera tenses verticais com formas de onda senoidais (Barksdale, 1971), entre outras. A tenso aplicada na superfcie funo da magnitude do carregamento.

    Devido ao comportamento viscoelstico do ligante asfltico (Goodrich, 1991; Pinto, 1991; Park e Kim, 1998; Lee e Kim, 1998; Taira e Fabri 2001; Daniel e Kim, 2002; Souza e Soares, 2003), a resposta do revestimento diferente para carregamentos es-tticos e dinmicos. Mesmo quando se considera a mesma magnitude de carregamento (esttico e dinmico), o material viscoelstico apresenta maior rigidez para carregamen-tos com menor durao de aplicao do pulso de carga e menor rigidez para carrega-mentos com maior durao, sendo o limite o carregamento esttico. A durao do pulso de carga est relacionada com a velocidade dos veculos.

    Outro fator importante a freqncia de aplicao de pulsos de carga consecutivos, que quanto maior significa que menor o tempo decorrido entre um pico de carga e o subseqente; a freqncia de carga tambm um fator determinante na resposta dos materiais asflticos. A temperatura tambm outro fator de grande influncia no comportamento mecnico das misturas, podendo a rigidez variar em at uma ordem de grandeza (Fonseca, 1995), sendo que, para baixas temperaturas, a rigidez tende a au-mentar, com reduo da parcela viscosa e diminuio do ngulo de fase. Com o aumento da temperatura, a rigidez cai.

    Materiais que apresentam comportamento elstico linear (rigidez independente do estado de tenses) podem ser caracterizados por dois parmetros: mdulo de Young ou mdulo de elasticidade, e coeficiente de Poisson (Love, 1944). Embora apresentem comportamento reconhecidamente viscoelstico, as misturas asflticas podem ser con-sideradas elsticas se a carga aplicada for pequena em relao resistncia (tenso de ruptura) do material, e o carregamento for repetido por ciclos suficientemente longos (Huang, 1993). Admitir a hiptese de que o comportamento das misturas asflticas seja elstico linear, possibilita a anlise simplificada de sistemas de camadas por meio de solues analticas ou numricas.

    O termo mdulo tem sido usado de forma pouco rigorosa no meio de pavimentao pois existem conceitos bastante distintos para ele. Mamlouk e Sarofim (1988) apresen-

  • 291Propriedades mecnicas das misturas asflticas

    tam uma discusso sobre os seguintes tipos de mdulo: (i) mdulo de Young; (ii) mdulo de cisalhamento; (iii) mdulo de compressibilidade, hidrosttico ou de elasticidade do volume (bulk modulus); (iv) mdulo complexo; (v) mdulo dinmico; (vi) mdulo de resi-lincia; (vii) mdulo obtido pelo nomograma da Shell. Uma apresentao completa des-ses diversos mdulos est alm do escopo deste livro. Para ficar restrita aos parmetros utilizados no Brasil esta seo tem como foco o mdulo de resilincia com carregamento por compresso diametral e os mdulos complexo e dinmico como possibilidades futu-ras de uso.

    6.3.1 Mdulo de resilinciaOs estudos sobre o comportamento resiliente dos materiais usados em pavimentao foram iniciados na dcada de 1930 com Francis Hveem, que foi o primeiro a relacionar as deformaes recuperveis (resilincia) com as fissuras surgidas nos revestimentos as-flticos. Foi ele tambm quem adotou o termo resilincia, que definido classicamente como energia armazenada num corpo deformado elasticamente, a qual devolvida quando cessam as tenses causadoras das deformaes. Hveem criou um equipamen-to chamado estabilmetro para medir essas deformaes verticais atravs de sensores eletromecnicos (strain gages). O nome mdulo de resilincia (resilient modulus em ingls) foi criado para que no fosse confundido com o mdulo de Young, determinado estaticamente (Hveem, 1955).

    Tayebali et al. (1993) realizaram ensaios para a avaliao de mdulos de resilincia das misturas asflticas utilizando ensaios de flexo, carregamento axial e compresso diametral, concluindo que os valores obtidos com ensaios de compresso diametral as-sumem valores superiores aos obtidos com ensaios de flexo e axiais. Os valores obtidos nos ensaios de flexo e de carregamento axial so relativamente semelhantes. Resultados semelhantes com relao aos ensaios de flexo e compresso diametral foram obtidos no Brasil por Pinto (1991).

    O ensaio de mdulo de resilincia (MR) em misturas asflticas padronizado no pas pela DNER-ME 133/94 (DNER, 1994). Encontra-se atualmente em elaborao uma proposio de especificao ABNT do ensaio de mdulo de resilincia, com base na norma do DNER, no mbito da Comisso de Asfalto do Instituto Brasileiro de Petrleo e Gs (IBP) da qual os autores fazem parte. Estes participam igualmente de um grupo de trabalho na ASTM responsvel pela reviso da norma norte-americana correspondente. A partir da experincia adquirida pelos autores neste ensaio, algumas alteraes j vm sendo utilizadas e propostas nas revises da norma, sendo comentadas ao longo do presente texto.

    O ensaio de MR em misturas asflticas realizado aplicando-se uma carga repetida-mente no plano diametral vertical de um corpo-de-prova cilndrico regular. Essa carga gera uma tenso de trao transversalmente ao plano de aplicao da carga. Mede-se ento o deslocamento diametral recupervel na direo horizontal correspondente ten-so gerada, numa dada temperatura (T). Os corpos-de-prova cilndricos so de aproxima-

  • 292 Pavimentao asfltica: formao bsica para engenheiros

    damente 100mm de dimetro e 63,5mm de altura no caso de corpos-de-prova moldados no compactador Marshall, ou de 100mm de dimetro e altura entre 35mm e 65mm, extrados de pista ou de amostras de maiores dimenses.

    O carregamento diametral, representado esquematicamente na Figura 6.2(a), gera um estado biaxial de tenses, esquematicamente representado na Figura 6.2(b), que governado pela expresso 6.1.

    (6.1)

    Onde:ex = deformao de trao no dimetro horizontal;sx = tenso horizontal;sy = tenso vertical;m = coeficiente de Poisson;MR = mdulo de resilincia.

    (a) Esquema de carregamento no ensaio de MR

    Figura 6.2 Ilustrao do ensaio de compresso diametral e estado de tenses gerado

    A distribuio de tenses dentro de um disco comprimido por duas cargas pontuais diametralmente opostas foi considerada por Timoshenko e Goodier (1951), sendo poste-riormente proposta a soluo considerando-se o efeito do friso (Hondros, 1959), confor-me indicam as expresses (6.2) e (6.3):

    (b) Estado biaxial de tenses (Medina e Motta, 2005)

    y yx =,trao

    2P d 4x d+4x

    2P

    6Pbd

    2P 4dd+4x

    1 2P

    y =,compresso2P 2 2 1

    d2y d+2y d+ x x

    6P

    y =,compresso x =,trao

    bd

    bd

    bd

    bdbd

    b

  • 293Propriedades mecnicas das misturas asflticas

    (6.2)

    (6.3)

    Onde:P = fora aplicada por unidade de espessura do cilindro (P = 2pt);p = presso uniformemente distribuda na rea de contato friso-cilindro;2t = largura do friso;a = arcsen t/R;y = y/R;y = distncia vertical a partir do eixo horizontal que passa no centro do corpo-de-prova;R = raio do corpo-de-prova.

    Nas misturas asflticas o coeficiente de Poisson pode ser considerado independente do tipo de carregamento, variando apenas com a temperatura. O seu valor varia entre 0,35 para baixas temperaturas e 0,50 para altas temperaturas (Von Quintus et al., 1991). No Brasil comum se assumir o valor de 0,30.

    Na proposio de norma norte-americana atualmente em elaborao pela ASTM, os deslocamentos verticais e horizontais so medidos, e calculado o valor para o coe-ficiente. Para isso so utilizados LVDTs (linear variable differential transformers), nas duas faces do corpo-de-prova, alinhados ortogonalmente entre si, conforme ilustrado na Figura 6.3.

    Figura 6.3 Arranjo dos LVDTs para medidas de deslocamentos horizontais e verticais

  • 294 Pavimentao asfltica: formao bsica para engenheiros

    Ensaio de mdulo de resilincia norma brasileiraA realizao do ensaio de MR em misturas asflticas no Brasil se baseia nas recomen-daes da DNER-ME 133/94 (DNER, 1994). De forma sucinta, so apresentados os equipamentos descritos nesta norma e alguns aspectos importantes das condies do ensaio.Aparelhagem Sistema pneumtico de carregamento, composto de: regulador de presso para aplicao da carga vertical repetida; vlvula de transmisso da carga vertical; cilindro de presso e pisto de carga; dispositivo mecnico digital timer para controle do tempo de abertura da vlvula e

    freqncia de aplicao da carga vertical.

    Sistema de medio de deslocamento do corpo-de-prova constitudo de:1

    dois transdutores mecnicos-eletromagnticos tipo LVDT; suporte para fixao dos LVDTs na amostra; oscilgrafo e amplificador com caractersticas apropriadas para uso com os transdu-

    tores LVDTs.

    Estrutura de suporte com acessrios.

    Montagem do conjunto corpo-de-prova, frisos e LVDTs posicionar o corpo-de-prova no interior do suporte para fixao dos transdutores; colocar o corpo-de-prova na base da estrutura de suporte, entre dois cabeotes cur-

    vos (frisos metlicos); fixar e ajustar os transdutores LVDTs; observar o perfeito assentamento do pisto de carga e dos cabeotes no corpo-de-

    prova.

    Vale lembrar que atualmente existem no pas equipamentos, como o visto na Figura 6.4, que j incorporam todo o aparato necessrio realizao do ensaio, inclusive con-tando com um sistema eletrnico de aquisio de dados que converte as leituras reali-zadas pelos LVDTs em valores digitais e transfere-as para um microcomputador onde feita a visualizao dos resultados. Esse procedimento era feito no passado de maneira manual, atravs da leitura dos resultados impressos por oscilgrafo, em rolos de papel milimetrado.

    1 O princpio de funcionamento dos LVDTs consiste em transformar as deformaes durante o carregamento repe-tido em potencial eltrico, cujo valor lido atravs de conversores analgicos digitais e ento passado para o com-putador. Uma pr-calibrao necessria, a fim de correlacionar as deformaes com os valores dos registros.

  • 295Propriedades mecnicas das misturas asflticas

    A Figura 6.5 mostra dois arranjos experimentais possveis para a instalao dos frisos metlicos para a aplicao da carga e colocao dos LVDTs para a medida de desloca-mentos recuperveis, podendo ser arranjo com dois ou apenas um nico LVDT.

    Figura 6.4 Exemplos de equipamento para ensaio de compresso diametral de carga repetida

    Figura 6.5 Exemplos de arranjos experimentais para a colocao dos medidores de deslocamento ao corpo-de-prova para o ensaio de MR

    (a) Corpo-de-prova com dois LVDTs (b) Corpo-de-prova com um nico LVDT

    Condies de ensaio e registros Fase de condicionamento do corpo-de-prova: Aplicar 200 vezes uma carga vertical repetida (P) diametralmente no corpo-de-prova,

    de modo a se obter uma tenso (st) menor ou igual a 30% da resistncia trao determinada no ensaio de compresso diametral esttico.2 Recomenda-se a aplicao da menor carga (P), capaz de fornecer um registro compatvel com a preciso dos

    2 Atualmente diversos laboratrios tm aplicado poucas repeties de carga inicialmente, da ordem de poucas dezenas de aplicaes, e tenses da ordem de 10 a 20% da resistncia trao por compresso diametral.

    Friso metlico

    LVDT

    Friso metlico preso em suporte

    LVDT

  • 296 Pavimentao asfltica: formao bsica para engenheiros

    conversores analgicos digitais responsveis pelas leituras dos LVDTs (recomenda-se uma sensibilidade mnima de 2,5x10-4mm). A freqncia de aplicao da carga (P) de 60 ciclos por minuto, com o tempo de aplicao de carga de 0,10 segundo3 e, portanto, com 0,90 segundo de repouso ou descarregamento (Figura 6.6).

    Registro dos deslocamentos lidos pelos LVDTs aps 300, 400 e 500 aplicaes de carga (P).4

    3 A forma adotada atualmente do pulso de carga aproximadamente semi-senoidal.4 Alguns procedimentos tm adotado apenas algumas dezenas de aplicaes de carga para a leitura dos deslocamentos.5 Atualmente tem sido utilizada a temperatura de 25C como referncia para o ensaio de mdulo de resi-lincia. possvel, no entanto, a realizao do ensaio em outras temperaturas mais baixas ou ligeiramente mais elevadas para analisar principalmente a importncia da variao do comportamento das misturas asflticas dependentes da variao de temperatura.

    Figura 6.6 Durao dos tempos de carregamento e repouso

    Com os valores de carga aplicada e deslocamentos horizontais recuperveis obtidos calculado o mdulo de resilincia por meio da expresso 6.4.

    (6.4)

    Onde:MR = mdulo de resilincia, MPa;P = carga vertical repetida aplicada diretamente no corpo-de-prova, N; = deslocamento elstico ou resiliente registrado para 300, 400 e 500 aplicaes da carga (P), mm;H = altura do corpo de prova, mm;m = coeficiente de Poisson.

    A norma DNER-ME 133/94 apresenta as seguintes notas: 1. Recomenda-se o valor de 0,30 para o coeficiente de Poisson. 2. O MR do corpo-de-prova ensaiado ser a mdia aritmtica dos valores determinados

    a 300, 400 e 500 aplicaes de carga (P). 3. Quando a temperatura de ensaio no for especificada, o MR dever ser determinado

    na temperatura de 30C 1C.5

  • 297Propriedades mecnicas das misturas asflticas

    Neste procedimento de ensaio, os deslocamentos considerados so os recuperveis (resilientes). Mesmo nos ensaios conduzidos com nveis de carregamento de 5% da ten-so de ruptura ainda so perceptveis deslocamentos plsticos (deslocamento permanen-te ilustrado na Figura 6.7) que no devem ser contabilizados no clculo do MR. Faz-se para isto um desconto nos deslocamentos lidos atravs de duas tangentes que passam pelas partes retilneas do registro deste parmetro. Na interseo das duas tangentes que se mede a parcela elstica a ser usada no clculo do mdulo de resilincia.

    Figura 6.7 Parcelas dos deslocamentos resilientes e permanentes registrados durante ensaios de mdulo de resilincia

    Algumas diferenas entre a metodologia de ensaio preconizada pelo DNER e as atual-mente em reviso pelo IBP-ABNT e pela ASTM so destacadas a seguir.

    O coeficiente de Poisson (m) no ser atribudo, mas sim calculado atravs da expres-so 6.5, com base nos resultados das medidas de deslocamento horizontal e vertical, conforme indicado na Figura 6.3.

    (6.5)

    Onde:dh, dv= deslocamentos horizontais e verticais, respectivamente, medidos em uma faixa correspondente a trs quartos do dimetro do corpo-de-prova.

    O pulso de carga deve ter a forma da funo (Harversine function), mos-trada na Figura 6.8.

  • 298 Pavimentao asfltica: formao bsica para engenheiros

    A proposio deste formato de pulso deve-se ao fato de estudos terem mostrado que a forma de onda prescrita a equivalente ao carregamento proveniente da passagem dos pneus dos veculos.

    Na norma norte-americana em reviso estuda-se utilizar uma metodologia particular para o clculo dos deslocamentos instantneos e deslocamentos totais, subdividindo o pulso de deslocamento nas seguintes partes, mostradas na Figura 6.9.

    Figura 6.8 Forma do pulso de carregamento (adaptado de NCHRP-285)

    Figura 6.9 Subdivises do pulso de deslocamento

  • 299Propriedades mecnicas das misturas asflticas

    Para os deslocamentos instantneos so determinadas as regresses para as trs pores da curva de deslocamento, conforme descrito a seguir (Figura 6.10): regresso linear na poro reta do caminho de descarregamento; regresso na poro curva que liga o caminho de descarregamento poro de recu-

    perao de modo a se obter uma equao hiperblica do tipo ;

    regresso na poro de recuperao nos intervalos de 40% a 90% (intervalo reco-mendado) do perodo de descanso de maneira a produzir uma equao hiperblica como mostrada acima. Uma tangente a esta hiprbole deve ser obtida no ponto cor-respondente a 55% (ponto recomendado) do perodo de descanso.

    Duas equaes lineares, uma do caminho de descarregamento e outra da reta tan-gente hiprbole na poro de recuperao, devem ser resolvidas para determinao do ponto de interseo.

    Figura 6.10 Regresses das pores de descarregamento do pulso de deslocamento

    O ponto na curva hiperblica correspondente ao tempo coordenado (valor no eixo x) da interseo selecionado para determinar o deslocamento instantneo pela sua sub-trao do pico de deslocamento (Figura 6.11).

  • 300 Pavimentao asfltica: formao bsica para engenheiros

    O clculo do deslocamento total consiste em medir-se o valor obtido atravs da mdia dos valores de deslocamento no perodo entre 85% e 95% do perodo de descanso, pelo pico de deslocamento (Figura 6.12).

    De posse dos deslocamentos resilientes instantneo e total, calcula-se o mdulo de resilincia do material considerando o deslocamento instantneo e pode-se tambm cal-cular um mdulo com base no deslocamento total. Quanto mais prximos forem estes dois mdulos, mais rpida a recuperao elstica do material quando submetido ao

    Figura 6.11 Deslocamento resiliente instantneo

    Figura 6.12 Deslocamento resiliente total

  • 301Propriedades mecnicas das misturas asflticas

    de cargas (Brito, 2006). No caso de vias de elevado volume de trfego, importante que estes dois valores sejam o mais prximo possvel, podendo-se modificar o arranjo dos agregados ou a escolha do ligante para atender este requisito.

    Para materiais viscoelsticos, o MR varia tanto com o tempo de aplicao da carga como com o tempo de repouso, uma vez que o deslocamento recupervel depende dos dois. Vale ressaltar que, para materiais viscoelsticos lineares, embora o deslocamento total varie com o nmero de ciclos de aplicao de carga devido ao acmulo de deslo-camentos no-recuperveis, o deslocamento recupervel deve se manter constante ao longo dos ciclos. Souza e Soares (2003) mostraram atravs do mtodo dos elementos finitos (MEF) que a resposta estrutural de um pavimento asfltico sob a ao de uma carga semi-senoidal obtida atravs de um modelo elstico, para o qual se assumiu um mdulo de Young igual ao MR, se aproxima da resposta obtida pelo modelo viscoelstico para um tempo de carregamento de 0,1s, o que esperado, uma vez que o MR deter-minado em laboratrio para um tempo de carregamento de 0,1s.

    O MR no representa, portanto, um parmetro puramente elstico para misturas asfl-ticas, uma vez que no seu clculo associado a um dado pulso de carregamento, desenvol-vem-se deformaes viscoelsticas que so parcialmente contabilizadas como deformaes elsticas. A viscoelasticidade de misturas asflticas no tratada aqui de forma conceitual, sendo o leitor referido a Souza (2005) para uma melhor compreenso do assunto.

    O mdulo de resilincia de misturas asflticas a quente varia com: o tipo de mistura (CA, SMA, CPA etc. ver Captulo 4), a faixa granulomtrica, o tipo de ligante asfltico, as propriedades volumtricas, a energia de compactao, com a temperatura de com-pactao, com a temperatura de ensaio entre outras variveis. possvel dosar uma mistura asfltica para se obter um determinado MR, conforme solicitado ou especificado em projeto (Marques, 2004; Marques e Motta, 2006).

    A dosagem Marshall e Superpave para energias equivalentes fornecem teores de li-gante de projeto similares, porm em termos de MR e RT podem apresentar valores di-ferentes pois as estruturas do esqueleto mineral geradas pela compactao por impacto (Marshall) e por amassamento (Superpave) so distintas e interferem no valor dessas propriedades mecnicas (Nascimento et al., 2006).

    Valores tpicos, como ordem de grandeza para simples orientao do leitor, podem ser considerados na faixa de 2.000 a 8.000MPa para concretos asflticos a 25oC, sendo os menores correspondentes a misturas com asfaltos modificados por polmeros ou por borracha e os maiores a misturas com asfaltos de consistncia dura. Deve-se ainda con-siderar a influncia da distribuio granulomtrica e do tamanho mximo de agregado.

    Apenas como ilustrao, valores mdios de mdulos de resilincia de diferentes mis-turas asflticas j investigadas no pas so apresentados na Tabela 6.1. Outro parmetro que consta na tabela a resistncia trao esttica, parmetro discutido mais adiante na seo 6.4.1. Os valores so dados em MPa e a 25oC. Na ltima coluna apresenta-se a razo entre esses parmetros, que vem sendo usada como um indicador da vida de fadiga de misturas uma vez que agrega informaes de rigidez e resistncia, sendo

  • 302 Pavimentao asfltica: formao bsica para engenheiros

    TAbELA 6.1 MDULOS DE RESILINCIA E RESISTNCIA DE MISTURAS INVESTIgADAS NO PAS (25C)

    Caractersticas Faixa (publicao) MR (MPa) RT (MPa) MR/RT

    Concreto asfltico CAP 30/45Concreto asfltico CAP 50/60Concreto asfltico CAP 85/100

    Faixa C(Soares et al., 2000)

    3.6283.0331.488

    1,090,890,44

    3.3463.4253.376

    Concreto asfltico CAP 30/45Concreto asfltico CAP 50/60Concreto asfltico CAP 85/100

    Faixa B(Soares et al., 2000)

    5.1054.4251.654

    0,820,730,21

    6.2016.0627.755

    Misturas densas (moldadas em usina)Concreto asfltico 1Concreto asfltico 2AAUQ1AAUQ2

    Faixa C(Rede Asfalto, 2005) 2.651

    2.2971.8251.683

    0,850,670,520,72

    3.1193.4283.5102.338

    Misturas densas (moldadas em laboratrio)Concreto asfltico 1Concreto asfltico 2AAUQ1AAUQ2

    Faixa C(Rede Asfalto, 2005) 3.609

    3.0261.7861.682

    1,261,231,020,81

    2.8642.4601.7512.077

    SMA 12,5mmSMA 9,5mm

    (Vasconcelos, 2004) 4.7473.367

    0,980,82

    4.8444.106

    Concreto asfltico de referncia Com 0% fresadoCom 10% fresadoCom 30% fresadoCom 50% fresado

    Faixa C(Lima, 2003)

    3.2004.7767.5248.901

    1,201,301,301,60

    2.6673.6745.7875.663

    Concreto asfltico de referncia Asfalto-borracha (mido)Agregado-borracha (seco)

    Faixa C(Pinheiro, 2004)

    3.6472.3932.452

    0,970,500,80

    3.7604.7863.065

    mais desejvel um valor pequeno da razo, dado que com freqncia busca-se (i) baixa rigidez para evitar elevada absoro de tenses que levem ao trincamento prematuro do revestimento, e (ii) alta resistncia trao, uma vez que em geral uma maior re-sistncia na ruptura tambm associada a uma maior resistncia fadiga. A tabela em questo apresenta dados de misturas convencionais densas com diferentes CAPs, concretos asflticos e AAUQs moldados tanto em usina como em laboratrio, misturas com material fresado, misturas em asfalto-borracha processos seco e mido, misturas com escria de aciaria, misturas com agregados convencionais e granulometrias des-contnuas. As informaes de caracterizao dos materiais, teor de ligante, bem como outros parmetros mecnicos dessas misturas podem ser encontradas nos trabalhos publicados listados na tabela.

    Misturas de mdulo elevado (EME ver Captulo 4) podem apresentar MR em mdia na faixa de 12.000 a 20.000MPa, e destinam-se exclusivamente camada de base, caracterizando o comportamento da estrutura como um pavimento semi-rgido do ponto de vista de deformabilidade.

  • 303Propriedades mecnicas das misturas asflticas

    Deve-se realar que os mdulos de resilincia das misturas asflticas variam ao longo do tempo devido ao envelhecimento do ligante asfltico, o que causa um enrijecimento do ligante e conseqente aumento de rigidez dos revestimentos.

    6.3.2 Mdulo complexoDesde a dcada de 1960 o mdulo complexo vem sendo pesquisado como uma alterna-tiva ao mdulo de resilincia na caracterizao de misturas asflticas. Papazian (1962) realizou um ensaio aplicando tenses axiais senoidais a um corpo-de-prova, e medindo os deslocamentos correspondentes. Os ensaios foram conduzidos a temperaturas contro-ladas e variadas freqncias de carregamento, concluindo-se que os conceitos de viscoe-lasticidade poderiam ser aplicados no desenvolvimento e no estudo do desempenho dos pavimentos asflticos (Daniel et al., 1998).

    Na dcada seguinte foram realizados experimentos com diversas formas de carrega-mento e os estudos indicaram que as maiores diferenas eram observadas no ngulo de fase (diferena entre o pulso de tenso e o pulso de deformao). Witczack e Root (1974), e Bonnaure et al. (1977) observaram ainda que os ensaios conduzidos sob forma de trao-compresso so mais representativos do comportamento em campo. Nesses estudos o mdulo complexo foi determinado atravs de ensaios de flexo de corpos-de-prova trapezoidais que eram fixos em uma extremidade e sujeitos a um carregamento senoidal na outra extremidade.

    A importncia de se considerar a viscoelasticidade das misturas, bem como a possi-bilidade de contabilizar os efeitos de diferentes temperaturas e freqncias de carrega-mento, faz com que o mdulo complexo (E*) venha sendo usado preferencialmente no exterior. O ensaio de mdulo complexo pode ser usado para determinar tanto as carac-tersticas elsticas quanto as propriedades viscoelsticas lineares do material (Christen-sen, 1982).

    Em misturas asflticas, esse parmetro obtido usualmente por meio de um carre-gamento senoidal aplicado axialmente em corpos-de-prova cilndricos (ASTM D 3497). O procedimento repetido para diferentes temperaturas e freqncias de carregamento com o intuito de se construir uma curva mestra que incorpore os efeitos das duas vari-veis citadas, tempo (t) e temperatura (Francken e Partl, 1996).

    O correto entendimento do ensaio requer o conhecimento de alguns conceitos de vis-coelasticidade linear. Para o caso de carregamento senoidal unidimensional, a tenso (s) representada pela seguinte expresso:

    (6.6)

    Onde:s0 = amplitude da tenso;w = velocidade angular, a qual relacionada com a freqncia f por:

    (6.7)

  • 304 Pavimentao asfltica: formao bsica para engenheiros

    A deformao harmnica pode ento ser descrita da seguinte forma:

    (6.8)

    Onde:e0 = amplitude de deformao; d = ngulo de fase relacionado com o atraso da deformao em relao tenso.

    O ngulo de fase, apontado na Figura 6.13, um indicador das propriedades viscosas do material. Para um material puramente elstico, d = 0, e para materiais puramente viscosos, d = 90.

    A relao entre as amplitudes de tenso e deformao define o valor absoluto do mdulo complexo. Este valor conhecido como mdulo dinmico e dado pela seguinte expresso (Ferry, 1980):

    (6.9)

    A componente em fase com o carregamento chamada de mdulo de armazenamen-to (storage modulus), e tem relao com a resposta elstica do material:

    (6.10)

    A componente defasada define o mdulo de perda (loss modulus) e tem relao com a resposta viscosa do material:

    (6.11)

    Figura 6.13 Desenho esquemtico do comportamento viscoelstico sob carregamento harmnico

  • 305Propriedades mecnicas das misturas asflticas

    Uma simplificao do que foi mostrado anteriormente pode ser conseguida se as ten-ses e deformaes forem expressas na forma complexa:

    (6.12)

    E a deformao resultante:

    (6.13)

    Das expresses 6.12 e 6.13 tem-se o mdulo complexo:

    (6.14)

    A Figura 6.14 ilustra dois equipamentos para a determinao do mdulo complexo, o americano (ASTM D 3497) e o francs (NF 98-260-2).

    A anlise dos dados provenientes do ensaio de mdulo complexo envolve a gerao de curvas mestras. A curva mestra de uma mistura asfltica permite que comparaes sejam feitas sobre uma faixa de freqncias e temperaturas, pois construda utilizando-se o princpio da superposio tempo-temperatura (Ferry, 1980). Este princpio permite que os dados coletados a diferentes temperaturas sejam deslocados horizontalmente relativamente a uma temperatura de referncia (Figura 6.15).

    Figura 6.14 Exemplos de equipamentos usados na determinao do mdulo complexo

    (a) Equipamento americano triaxial (ASTM D 3497)

    (b) Equipamento francs com corpo-de-prova trapezoidal (NF 98-260-2)

  • 306 Pavimentao asfltica: formao bsica para engenheiros

    O projeto NCHRP I-37A responsvel pela criao do novo mtodo de dimensionamento de pavimentos da AASHTO (2002 Design guide for new and rehabilitated pavements) utiliza como parmetro de clculo de tenses e deformaes, o mdulo dinmico, ou seja o valor absoluto do mdulo complexo, |E*|, por este ser representativo das propriedades elsticas de um material viscoelstico linear submetido a um carregamento senoidal.

    O mdulo complexo e, em conseqncia, o mdulo dinmico podem ser obtidos atra-vs de ensaios ou de modelos de previso. Estes ltimos so equaes derivadas da anlise estatstica de valores obtidos previamente por meio de ensaio. Uma das equaes tem como valores de entrada: a freqncia do ensaio, a viscosidade do ligante, o per-centual de vazios e a viscosidade do ligante. Os modelos de previso aplicam-se a todos os tipos de misturas bem como a ligantes convencionais e modificados. O modelo de previso adotado pelo mtodo de dimensionamento da AASHTO (2002) o seguinte:

    (6.15)Onde:E = mdulo dinmico, em 105 psi;n = viscosidade do ligante, em 106 poise;f = freqncia de carregamento, em Hz;Va = percentual de vazios na mistura, em volume;Vbeff = percentual de ligante efetivo, em volume;p34 = percentual retido na peneira de , em peso total do agregado;p38 = percentual retido na peneira de 3/8, em peso total do agregado;p4 = percentual retido na peneira no 4, em peso total do agregado;p200 = percentual retido na peneira de no 200, em peso total do agregado.

    Figura 6.15 Curva mestra de mdulo dinmico

  • 307Propriedades mecnicas das misturas asflticas

    Na ASTM D 3497 so prescritas as temperaturas de ensaio (5, 25 e 40C), bem como as freqncias de carregamento para cada temperatura (1; 4 e 16Hz). O ensaio conduzido sob carregamento uniaxial de compresso em corpos-de-prova de 100mm de dimetro por 150mm de altura.

    Para a correta realizao do ensaio necessrio que o corpo-de-prova esteja com suas faces regularizadas e paralelas para que no haja concentrao de tenses. Para garantir esse paralelismo em geral recomenda-se serrar as duas faces do corpo-de-prova, conforme a Figura 6.16. Outra questo diz respeito variao do volume de vazios ao longo das sees transversais do corpo-de-prova. Para resolver isso, recomenda-se que seja moldado um corpo-de-prova com dimenses maiores e depois devidamente extrado por sonda rotativa o corpo-de-prova no qual ser realizado o ensaio (Figura 6.17). Por

    Figura 6.16 Serragem da face do corpo-de-prova

    Dispositivo de fixao

    Colar de reteno

    Figura 6.17 Retirada do ncleo do corpo-de-prova

    (a) Extratora (b) Removido o ncleo central do corpo-de-prova

  • 308 Pavimentao asfltica: formao bsica para engenheiros

    exemplo, pode-se extrair um corpo-de-prova de 100mm de dimetro a partir de um de 150mm moldado no compactador giratrio. A Figura 6.18 mostra o esquema de realiza-o do ensaio numa prensa universal.

    6.4 ENSAIOS DE RUPTURA

    6.4.1 Resistncia trao estticaA resistncia trao (RT) tem se mostrado um importante parmetro para a caracteri-zao de materiais como o concreto de cimento Portland e misturas asflticas. Devido dificuldade de se obter a resistncia trao diretamente, diversos mtodos indiretos tm sido desenvolvidos para a sua determinao (Carneiro, 1943; Hawkes e Mellor, 1970; Roberts, 1977; Lama & Vutukuri, 1978).

    O ensaio brasileiro de compresso diametral para determinao indireta da RT foi desenvolvido pelo professor Lobo Carneiro no Rio de Janeiro para concreto de cimento Portland (Carneiro, 1943). A configurao desse ensaio considera a aplicao de duas foras concentradas e diametralmente opostas de compresso em um cilindro que ge-ram, ao longo do dimetro solicitado, tenses de trao uniformes perpendiculares a esse dimetro (ver Figura 6.2b). Este ensaio se tornou muito popular no mundo todo no so-mente pela facilidade e rapidez de execuo, mas tambm pelo fato de utilizar o mesmo corpo-de-prova cilndrico e o mesmo equipamento usado para a obteno da resistncia compresso do concreto de cimento Portland. O ensaio tambm tem sido adotado des-de 1972 para a caracterizao de misturas asflticas, porm com a aplicao das foras atravs de frisos de carga no corpo-de-prova cilndrico Marshall convencional, visto que eles apresentam superfcie lateral irregular e so bem mais deformveis.

    Figura 6.18 Exemplo da realizao do ensaio em uma mquina universal

  • 309Propriedades mecnicas das misturas asflticas

    No ensaio de resistncia compresso diametral em misturas asflticas, a aplicao das foras se d atravs de frisos metlicos de 12,7mm de largura com curvatura ade-quada ao corpo-de-prova cilndrico (Figura 6.19). A ASTM D 4123-82 (1982) e o DNER (1994) no consideram a influncia destes frisos no clculo da RT. De acordo com a expresso usada por estas entidades, assume-se comportamento unicamente elstico durante o ensaio e a ruptura do corpo-de-prova ao longo do dimetro solicitado sendo devida unicamente s tenses de trao uniformes geradas.

    Um cilindro solicitado diametralmente por cargas concentradas de compresso gera uma tenso de trao uniforme por unidade de espessura (sxx) perpendicularmente ao dimetro solicitado, que dada pela expresso:

    (6.16)

    Onde:

    sxx = tenso de trao uniforme na direo-x (positiva);P = fora aplicada por unidade de espessura do cilindro;R = raio do cilindro; D = dimetro do cilindro.

    A norma ABNT NBR 15087/2004 define os passos e equipamento utilizado no en-saio, conforme descrio a seguir e Figura 6.20. A aparelhagem necessria para o ensaio consiste de: prensa mecnica calibrada com sensibilidade inferior ou igual a 20N, com mbolo

    movimentando-se a uma velocidade de 0,80,1mm/s Figura 6.20(a); sistema capaz de manter, de forma controlada, a temperatura de ensaio em

    25C0,5C em compartimento, cmara ou ambiente laboratorial que comporte a prensa mecnica e possa abrigar vrios corpos-de-prova conjuntamente;

    dispositivo de posicionamento e centralizao de corpo-de-prova Figura 6.20(b); paqumetro e termmetro.

    Figura 6.19 Esquema do ensaio de compresso diametral

    a Corda do friso (12,7mm)P Carga aplicada

  • 310 Pavimentao asfltica: formao bsica para engenheiros

    O corpo-de-prova destinado ao ensaio pode ser obtido diretamente do campo por extrao atravs de sonda rotativa ou fabricado em laboratrio, de forma cilndrica, com altura entre 35mm a 70mm e dimetro de 1002mm. O procedimento o seguinte: medir a altura (H) do corpo-de-prova com o paqumetro, em quatro posies diame-

    tralmente opostas (adotar como altura a mdia aritmtica das quatro leituras); medir o dimetro (D) do corpo-de-prova com o paqumetro, em trs posies parale-

    las (adotar como dimetro o valor da mdia aritmtica das trs leituras); manter o corpo-de-prova apoiado sobre uma geratriz em compartimento com tem-

    peratura controlada de 25C, por no mnimo 4 horas. Alternativamente podem ser consideradas outras temperaturas, dependendo dos requisitos de projeto;

    posicionar o corpo-de-prova no dispositivo centralizador e levar prensa; ajustar os pratos da prensa at que seja obtida uma leve compresso; aplicar a carga progressivamente, com uma velocidade de deslocamento de

    0,80,1mm/s, at que se d a ruptura, por separao das duas metades do corpo-de-prova, segundo o plano diametral vertical;

    com o valor da carga de ruptura (P) obtido, a RT calculada atravs da expresso (6.16).

    O aumento da largura do friso para a mesma fora P aplicada reduz a tenso de tra-o solicitante. O efeito da largura do friso na resistncia de corpos-de-prova de misturas asflticas a diferentes temperaturas discutido em Falco e Soares (2002). As tenses normais ao longo do dimetro solicitado considerando-se o efeito do friso so avaliadas pelas expresses 6.2 e 6.3.

    As deformaes perpendiculares ao dimetro solicitado so calculadas a partir da lei de Hooke (Timoshenko e Goodier, 1951). Para os estados planos de deformao e tenso, so apresentadas as expresses 6.17 e 6.18, respectivamente:

    (a) Prensa (b) Exemplo de dispositivo centralizador

    Figura 6.20 Exemplo de equipamento para ensaio de RT

    Clula de carga

    Corpo-de-prova

    Apoio

    Prensa Marshall

    Sistema de aquisio de dados

  • 311Propriedades mecnicas das misturas asflticas

    (6.17)

    (6.18)

    Onde:E = mdulo de elasticidade do material; = coeficiente de Poisson.

    De acordo com as normas vigentes (ABNT NBR 15087 e DNER-ME 138), o clculo da RT pela expresso 6.16 para misturas asflticas assume que o corpo-de-prova rompe devido tenso de trao uniforme gerada ao longo do dimetro solicitado que se iguala tenso mxima admissvel do material (sadm= RT), que est em regime elstico du-rante todo o ensaio.

    A resistncia trao por compresso diametral RT j faz parte de algumas especifica-es de misturas asflticas como mostrado no Captulo 4. Para ilustrao, a norma DNIT 031/2004-ES especifica o valor de RT mnimo de 0,6MPa para concretos asflticos.

    Valores tpicos de RT para misturas asflticas a quente recm-moldadas ou logo aps a construo em pista situam-se na mdia entre 0,5 MPa e 2,0MPa. Alguns resultados de RT constam ilustrativamente na Tabela 6.1 anteriormente apresentada. Misturas asfl-ticas drenantes, ou seja, misturas para constiturem CPA tendem a mostrar valores mais baixos, da ordem de 0,5 a 0,8MPa; misturas asflticas tipo SMA situam-se geralmente entre 0,8 a 1,2MPa; misturas de mdulo elevado EME, por sua vez, dada a consistncia muito dura do ligante asfltico, exibem RT da ordem de 2,0 a 3,0MPa.

    medida que as misturas asflticas envelhecem em pista, a RT aumenta, o que nem sempre representa vantagem, pois tambm perde sua flexibilidade, ou seja, aumenta seu mdulo de resilincia.

    H uma boa correlao entre MR e RT para cada tipo de mistura asfltica, ou seja, no h uma relao universal, porm particularizada para cada famlia de composio granulomtrica e de ligantes. Essa relao permanece constante, no entanto, com o pas-sar do tempo, ou seja, com o envelhecimento.

    6.4.2 Vida de fadigaEnquanto cargas monotnicas (caso do ensaio de compresso diametral) produzem um dano (trincas) continuamente crescente nos materiais, cargas cclicas produzem danos intermitentes, ou seja, na fase de carregamento o dano cresce, enquanto na fase de descarregamento o dano mantm-se constante, desconsiderando o fenmeno de resela-gem das trincas (healing em ingls).

    Assim sendo, cargas cclicas produzem falhas nos materiais para valores de tenso mais baixos do que aqueles obtidos na ruptura em ensaios estticos, porm a mesma carga aplicada diversas vezes. Esse fenmeno chamado fadiga e definido como (ASTM, 1979): o processo da mudana estrutural permanente, progressiva e localiza-da que ocorre em um ponto do material sujeito a tenses de amplitudes variveis que

  • 312 Pavimentao asfltica: formao bsica para engenheiros

    produzem as fissuras que conduzem para totalizar a falha aps um determinado nmero de ciclos. Vale salientar que esse um problema no-linear que ocorre em diversos materiais, ou seja, o dano produzido no primeiro ciclo diferente do dano produzido no segundo ciclo e assim sucessivamente.

    A fadiga ocorre por meio de aes mecnicas e/ou trmicas que no parecem crticas por si, se comparadas resistncia sob carregamento monotnico, mas na verdade so decisivas para a vida til do material. Em uma estrutura sujeita a carregamento cclico, diversos estgios convencionalmente divididos podem ser diferenciados durante um pro-cesso de fadiga, conforme ilustra a Figura 6.21. Regio I: onde as primeiras mudanas microestruturais ocorrem; formam-se micro-

    fissuras; a densidade dos deslocamentos cresce e as zonas de danos irreversveis se iniciam.

    Regio II: caracterizada pelas macrofissuras originadas da coalescncia das micro-fissuras.

    Regio III: crescimento das macrofissuras conduzindo rapidamente ao colapso total.

    A vida de fadiga de uma mistura asfltica definida em termos de vida de fratura (Nf) ou vida de servio (NS). A primeira se refere ao nmero total de aplicaes de uma certa carga necessria fratura completa da amostra e a segunda (NS) ao nmero total de aplicaes dessa mesma carga que reduza o desempenho ou a rigidez inicial da amostra a um nvel preestabelecido.

    O ensaio laboratorial de vida de fadiga tradicionalmente realizado no pas para defi-nio do nmero de repeties de carga feito por compresso diametral tenso con-trolada (TC), sendo a carga aplicada numa freqncia de 1Hz atravs de equipamento pneumtico (Pinto, 1991; Rodrigues, 1991; Medina, 1997). Como comentado na seo anterior, pode-se considerar que o ensaio em compresso diametral gera um estado

    Figura 6.21 Estgios existentes num processo de fadiga

  • 313Propriedades mecnicas das misturas asflticas

    biaxial de tenso em um corpo-de-prova cilndrico Marshall convencional. No decorrer do ensaio de fadiga, a deformao de trao aumenta at o rompimento completo do corpo-de-prova. Esse tipo de ensaio compatvel com a caracterizao de materiais de revestimentos asflticos mais espessos em decorrncia da predominncia de absor-o das tenses pelo revestimento com relao s camadas subjacentes (Pinto, 1991; Huang, 1993).

    No caso de ensaio deformao controlada (DC), a simulao corresponde a re-vestimentos mais delgados uma vez que nestes h maior contribuio das subcamadas na absoro das tenses solicitantes. Segundo Huang (1993), em revestimentos com espessuras inferiores a 50mm, no acontece um decrscimo suficiente na rigidez, quan-tificada pelo mdulo de rigidez por flexo (So) (SHRP, 1994a), de modo a causar uma variao no nvel de deformao ao longo dos diversos carregamentos. Nesse ensaio, a deformao mantida constante enquanto a tenso inicial no corpo-de-prova diminui at o fim do ensaio. Alguns autores admitem que o limite de ruptura corresponde reduo em 50% do S0 inicial da mistura (Epps e Monismith, 1969; Pronk e Hopman, 1990; Tayebali et al., 1993).

    Para a determinao da vida de fadiga pode ser utilizado o mesmo equipamento de determinao do mdulo de resilincia Figura 6.22(a), ou ainda corpos-de-prova trape-zoidais como comum na Frana (Rowe, 1993) Figura 6.22(b) ou barras prismticas Figura 6.22(c).

    Figura 6.22 Exemplos de equipamentos para ensaios de fadiga

    (a) Compresso diametral de corpos-de-prova cilndricos

    (b) Flexo de corpos-de-prova trapezoidais

    (c) Flexo de barras prismticas ou vigas

    Embora ainda no normatizado, o ensaio de fadiga tem sido largamente realizado no pas, geralmente compresso diametral sob tenso e temperatura controladas. Utiliza-se uma freqncia de 60 aplicaes por minuto com 0,10 segundo de durao do car-regamento repetido. Para manter a temperatura controlada utiliza-se uma cmara com sistemas de aquecimento e refrigerao ligados a um termostato.

    Para cada mistura ensaiada determinam-se as relaes entre o nmero de repeties ruptura e o nvel de tenses atuantes (conforme ilustrado na Figura 6.23 para trs misturas com distintas faixas granulomtricas):

  • 314 Pavimentao asfltica: formao bsica para engenheiros

    ou (6.19)

    Onde:N = nmero de repeties do carregamento necessrio ruptura completa da amostra (vida de fadiga);st = tenso de trao repetida solicitante;Ds = diferena algbrica entre as tenses horizontal (de trao) e vertical (de compresso) no centro da amostra (Figura 6.24);ki, ni = constantes obtidas na regresso linear dos pares N e st (ou Ds) determinados em ensaios, em escalas logartmicas.

    Observe-se que no ensaio de fadiga a tenso controlada descrita considera a tenso solicitante no corpo-de-prova como constante, o que apenas uma aproximao, uma vez que o carregamento constante ao longo do ensaio no traduzido em uma tenso

    Figura 6.23 Vida de fadiga considerando diferentes faixas granulomtricas

    Figura 6.24 Representao das tenses no centro da amostra de um corpo-de-prova cilndrico

  • 315Propriedades mecnicas das misturas asflticas

    solicitante constante. As tenses no corpo-de-prova, que podem ser calculadas por meio das expresses 6.2 e 6.3, admitem que o corpo-de-prova seja constitudo de material elstico, isotrpico e sem dano. Isto uma aproximao durante o ensaio de fadiga, uma vez que medida que o carregamento repetido, h dano progressivo no corpo-de-pro-va, alm do fato de que as misturas asflticas so materiais claramente inelsticos.

    O modelo usado quando se faz o ensaio de fadiga a deformao controlada leva em conta a deformao de trao medida no centro do corpo-de-prova (et):

    (6.20)

    No mtodo mecanstico de dimensionamento de pavimentos usado no Brasil, a dife-rena entre tenso mxima de compresso e de trao na fibra inferior do revestimento (s) considerada o principal fator desencadeador do trincamento por fadiga do reves-timento em campo, quando se trata de utilizar como critrio resultados de laboratrio obtidos com ensaios TC em compresso diametral. As tenses calculadas servem de entrada de dados nas curvas de fadiga geradas a partir do nmero de golpes de carga at a ruptura para diversos nveis de s. Relaciona-se ento o nmero N determinado a partir do trfego previsto com o nmero de golpes em laboratrio por um fator labora-trio-campo FLC. Pinto (1991) mostrou diferenas importantes entre FLC para ensaios a flexo e a compresso diametral, em funo da porcentagem de rea trincada que se admite ao final da vida do pavimento, e ainda questes ligadas ao tempo de aplicao da carga e freqncia. De acordo com Carpenter et al. (2003), o limite de ruptura no concreto asfltico deve ser o correspondente quele quando a mistura comea a apre-sentar as primeiras microtrincas. Os mesmos autores observaram que para nveis de deformao de trao inferiores a 7010-6, a vida de fadiga de um concreto asfltico no afetada e, portanto, a mistura resiste ao trincamento por fadiga durante o perodo de projeto.

    Independente do ensaio ou modelo adotado comum o uso de FLCs devido di-ficuldade de se considerar determinados fatores nos ensaios e no clculo das tenses geradas nos corpos-de-prova. Pode-se ressaltar a no considerao do envelhecimento da mistura e da progresso do dano no material durante o ensaio, alm de aspectos presentes no campo no simulados em laboratrio como variao trmica, presena de cargas estocsticas e a ocorrncia do fenmeno de recuperao de trincas em virtude da ausncia de cargas em alguns perodos (Kim et al., 1990; Rodrigues, 1991; Kim e Little, 1995; Kim e Lee, 1995; Kim et al., 1997; Little et al., 1999; Balbo, 2000).

    Portanto, o ensaio de fadiga tem sido usado mais comumente para fins de compara-o entre misturas. Contudo, mesmo nesse caso, preciso cautela para uma concluso direta somente a partir das curvas, pois o estado de tenses gerado em cada situao depende da estrutura e do valor do MR das camadas constituintes dos pavimentos (Mot-(Mot-ta, 1991; Pinto, 1991; Medina, 1997). H uma tendncia, no adequada na maioria das

  • 316 Pavimentao asfltica: formao bsica para engenheiros

    vezes, de se considerar, ao se comparar duas misturas, a curva de maior k como a de maior vida de fadiga. Isto seria vlido somente se o st (ou s) gerado fosse o mesmo. Esta condio de maiores ks neste tipo de ensaio quase sempre esto associados a maiores MRs. Mas misturas com maiores MRs absorvem mais tenses numa estrutura de pavimentos e, portanto, os nveis de tenso de trao para comparao das vidas de fadiga de duas misturas devem ser correspondentes a cada caso estudado.

    No ensaio convencionalmente realizado, consideram-se as tenses relativas ao incio do ensaio (1 ciclo), portanto, sem ainda o acmulo de dano, alm de assumir o material como elstico linear e homogneo. importante entender que, com o dano progressivo, as tenses que ocorrem internamente no corpo-de-prova sofrem alteraes, afinal a car-ga do ensaio permanece a mesma e a rigidez da mistura reduzida devido s trincas que se formam e coalescem. Procurando aprofundar o entendimento do fenmeno de evo-luo do dano por fadiga em laboratrio, outros estudos apresentam critrios diversos de ruptura que no o rompimento completo do corpo-de-prova (Dijk, 1975; Phandnavis e Swaminathan, 1997; Ghuzlan e Carpenter, 2000; Carpenter et al., 2003). Critrios como a deformao crtica de trao; diferentes relaes entre esta e a deformao inicial; energia dissipada e ainda relaes entre a energia dissipada e a energia dissipa-da inicial vm sendo apresentados como potenciais indicativos de ruptura da mistura (Loureiro, 2003). No entanto, o nmero de golpes continua sendo, no ensaio tenso controlada, o parmetro de comparao e previso da vida de fadiga das misturas as-flticas estudadas no Brasil.

    6.5 ENSAIOS DE DEFORMAO PERMANENTE

    Deformao permanente um dos defeitos mais comuns da pavimentao asfltica, podendo ser atribuda ao revestimento Figura 6.25(a), ou s subcamadas Figura 6.25(b), ou ainda a uma combinao de efeitos. As camadas no-asflticas abaixo do revestimento podem apresentar deformaes permanentes principalmente por densifi-cao adicional pelo trfego e por ruptura ao cisalhamento. Esses problemas podem ser evitados por uma seleo dos materiais e compactao adequada e um bom projeto

    Figura 6.25 Deformaes permanentes em pavimentos asflticos

    (a) No revestimento (trilha de roda esquerda) (b) No sistema

  • 317Propriedades mecnicas das misturas asflticas

    estrutural de forma a limitar as tenses atuantes aos nveis admissveis e seguros. Neste captulo, trata-se exclusivamente da situao esquematicamente apresentada

    na Figura 6.25(a) e apresentam-se os ensaios que tm sido utilizados na tentativa de prevenir essa falha especfica nas misturas asflticas. A deformao permanente em misturas asflticas ocorre devido a uma combinao do fluxo do material (viscoelstico ou viscoplstico) e do dano neste material, representado pela formao e propagao de trincas. A capacidade de uma mistura de resistir a esse tipo de deformao depende de diversos fatores, entre os quais, a consistncia do ligante e a volumetria da mistura (agregados e ligantes).

    Entre os ensaios existentes para estudar a deformao permanente de misturas asfl-ticas destacam-se os seguintes (Shell, 2003): ensaios fundamentais: triaxial com carregamento repetido e compresso uniaxial no-

    confinada (creep esttico e creep dinmico); ensaios de simulao: simuladores de laboratrio.

    O ensaio triaxial possui a vantagem de reproduzir uma condio de tenso multiaxial mais prxima da condio existente em campo. Neste caso as deformaes precisam ser monitoradas nos sentidos vertical e horizontal. Trata-se de um ensaio de realizao complexa e que no vem sendo usado no Brasil, nem mesmo em pesquisas acadmicas. Os demais ensaios mencionados so descritos mais detalhadamente a seguir.

    6.5.1 Creep esttico (ou simplesmente creep)O ensaio mais simples para o estudo da deformao permanente de misturas o chama-do ensaio de creep. Embora no Brasil esse ensaio venha sendo realizado atravs da apli-cao de cargas compressivas, da a denominao brasileira de ensaio de compresso uniaxial, o ensaio de creep tambm pode ser realizado atravs da aplicao de cargas de toro, flexo e trao, como em Daniel e Kim (2002), por exemplo. O ensaio sem confinamento foi aplicado em misturas asflticas nos anos 70 pela Shell (Hill, 1973) e ganhou bastante aceitao devido sua simplicidade de preparao de corpos-de-prova e de execuo do ensaio.

    Em sua verso esttica, o ensaio consiste da aplicao ao longo do tempo de uma carga de compresso esttica e contnua em um corpo-de-prova geralmente cilndrico re-gular (como o Marshall, por exemplo). Essa compresso uniaxial executada no sentido axial (vertical) conforme ilustrado na Figura 6.26(a). A simplicidade e o custo do ensaio so tais que comum a sua realizao em vrios corpos-de-prova simultaneamente Figura 6.26(b). O corpo-de-prova destinado ao ensaio pode ser obtido diretamente do campo por extrao atravs de sonda rotativa ou fabricado em laboratrio. Uma exigncia importante que as faces do corpo-de-prova sejam perfeitamente paralelas e perpendiculares ao sentido de aplicao da carga, de modo que a carga seja aplicada uniaxialmente. Costuma-se aplicar um pr-carregamento nas amostras antes do ensaio de modo a permitir que as placas obtenham mais uniformidade no contato, incluindo as

  • 318 Pavimentao asfltica: formao bsica para engenheiros

    extremidades da amostra. Antes da execuo dos ensaios, em geral os corpos-de-prova ficam mantidos por um perodo superior a 2 horas na temperatura especificada para garantia de equilbrio trmico em toda a amostra.

    O tempo de aplicao da carga pode variar, e embora ainda no haja um consenso sobre o assunto, a tendncia de que a durao do ensaio seja de 1 hora (Shell, 2003). A intervalos predeterminados de tempo, a critrio de cada pesquisador, efetuada a medio do deslocamento axial sofrido pela amostra devido ao carregamento esttico. Essas medidas podem ser lidas com extensmetros acoplados s placas de carregamen-to Figura 6.27(a), ou diretamente aos corpos-de-prova Figura 6.27(b). Neste segundo caso (b), destaque-se o recente trabalho de Viana et al. (2003) para facilitar a fixao dos LVDTs nos corpos-de-prova, tornando de menor importncia a questo do paralelismo das faces do corpo-de-prova, problema existente no caso do outro tipo de medio (a).

    No atual estgio de desenvolvimento do ensaio de creep no Brasil, as informaes ge-radas no ensaio, incluindo a fase de descarregamento Figura 6.28(a), so devidamente registradas por meio de sistemas automatizados de aquisio de dados Figura 6.28(b).

    Devido aplicao da carga esttica, o corpo-de-prova deforma at se estabilizar ou romper (na verdade trata-se de um estado avanado de dano). Essa ruptura nem sempre visvel, havendo vrios critrios para defini-la como, por exemplo, quando se ul-trapassa uma deformao relativa de 0,008mm/mm, ao final de 1 hora, ento a mistura asfltica no adequada para resistir s deformaes permanentes.

    No que diz respeito ao parmetro obtido no ensaio de creep, trata-se fundamental-mente do histrico de deformao ao longo do perodo de ensaio, ou seja, e(t). Decor-rente deste parmetro obtm-se a denominada funo fluncia (creep compliance), dada pela expresso 6.21.

    (6.21)

    Onde:D(t) = funo fluncia;e(t) = deformao em funo do tempo;s0 = tenso constante aplicada.

    A expresso 6.21 bastante importante na soluo de determinados problemas en-volvendo materiais como as misturas asflticas (materiais viscoelsticos lineares). Isto se deve ao fato de que com a funo fluncia se pode obter o histrico de deformao em qualquer configurao geomtrica e de contorno, desde que se conhea o histrico de tenso, s(t). Numa analogia simples, a funo fluncia corresponderia ao inverso do m-dulo de elasticidade, porm agora como uma funo do tempo. Souza (2005) apresenta uma discusso completa sobre a utilizao da funo fluncia para soluo de problemas de valor de contorno que incluem materiais viscoelsticos.

    A Figura 6.29 representa um grfico tpico da funo fluncia, que possui a mesma forma do grfico da deformao ao longo do tempo, j que a tenso aplicada constante. No exemplo da Figura 6.29 (extrada de Souza e Soares, 2003), nota-se como a curva

  • 319Propriedades mecnicas das misturas asflticas

    (b) Conjunto de corpos-de-prova

    (a) Sobre a placa de carregamento (b) Acoplados ao corpo-de-prova

    (b) Tela do sistema de aquisio de dados

    Figura 6.26 Exemplos de equipamentos e arranjos experimentais para o ensaio de creep

    (a) Um corpo-de-prova isolado

    Figura 6.27 Posicionamento dos LVDTs para registro de deslocamento axial no ensaio de creep

    (a) Tenses s e deformaes e

    Figura 6.28 Informaes do ensaio de creep

  • 320 Pavimentao asfltica: formao bsica para engenheiros

    experimental pode ser perfeitamente ajustada por uma srie de Prony, que uma srie matemtica bastante usada para representar a funo fluncia de materiais viscoelsti-cos (Park et al., 1996; Kim et al., 1997).

    6.5.2 Creep dinmicoFinn et al. (1983), na investigao da relao dos resultados de ensaios de creep est-tico com deformaes permanentes em campo, recomendaram a considerao de um ensaio de carga repetida. importante notar que tal procedimento no usual na me-cnica dos materiais, uma vez que o ensaio de creep justamente caracterizado pelo estado uniforme e contnuo de tenso. Contudo, mais recentemente foi evidenciado que o carregamento esttico no refletia claramente o melhoramento de desempenho devido incorporao de modificadores no ligante, sendo isto detectado nos ensaios de carre-gamento repetido (Valkering et al., 1990). Vale salientar que essa no-deteco do efeito dos modificadores pode ser uma limitao do equipamento usado e no da concepo do ensaio de creep esttico. Afinal a maioria dos modificadores pode ser considerada representada por slidos elsticos, sendo que o seu efeito se evidencia melhor na parte bem inicial da curva da funo fluncia, ou seja, em tempos to pequenos (da ordem de milsimos de segundos) que no foram capturados pelo sistema de aquisio de dados da mquina utilizada.

    O ensaio de creep dinmico consiste na aplicao de pulsos de carga ao corpo-de-prova, a uma determinada freqncia, tempo de aplicao de carga e intervalo entre as aplicaes das cargas, a uma temperatura especificada. A Figura 6.30 mostra um exemplo de carregamento empregado em ensaio de creep de carga repetida. Tem como objetivo a medio da deformao permanente acumulada.

    Durante a realizao do ensaio, o corpo-de-prova submetido aplicao de uma carga de compresso axial transiente. Em geral a seguinte combinao tem sido mais empregada: cada carregamento geralmente tem uma durao de 0,10 segundo e os in-tervalos entre as aplicaes de carga so de 0,90 segundo, aplicados a uma freqn cia

    Figura 6.29 Funo fluncia e respectivo ajuste para a srie de Prony (Souza e Soares, 2003)

  • 321Propriedades mecnicas das misturas asflticas

    Figura 6.30 Carregamento e deformao no ensaio de creep dinmico

    Tenso

    Deformao

    Tempo

    ciclo = 1 ou 2 ou 4st Tempo de carregamento = 0,1 ou 0,2s

    Deformaoresidual

    Deformao

    Pr-carregamento

    Deformaototal

    1KPa

    100KPa

    de 1Hz. Este ciclo repetido 3.600 vezes para cada corpo-de-prova ensaiado, resultan-do em 1 hora de ensaio. Assim como no ensaio esttico, para medir os deslocamen-tos ocorridos nos corpos-de-prova durante os ensaios, utilizam-se transdutores LVDTs. Dividindo-se o deslocamento absoluto (h) pela altura inicial do corpo-de-prova (hcp) obtm-se o deslocamento permanente relativo, tambm denominado de deformao re-lativa (erel). Embora no seja um termo usado no meio de mecnica dos materiais, comum no meio de pavimentao referncia ao mdulo de creep dinmico (Ec), que a tenso aplicada, s, dividida pelo deslocamento relativo (erel(t)), conforme apresentado na expresso (6.22):

    (6.22)

    6.5.3 Simuladores de trfego de laboratrioUma outra forma de determinao da deformao permanente em misturas asflticas por meio do uso de simuladores de trfego. Existem diversos tipos de simuladores: (i) em laboratrio; e (ii) em verdadeira grandeza. Esses equipamentos permitem uma inves-tigao mais prxima da realidade, porm em geral tambm acarretam a necessidade do uso de fatores laboratrio-campo para previses de deformao permanente in situ ou do estabelecimento de limites de deformao permanente em laboratrio por anlises empricas de resultados em campo.

    No que diz respeito aos ensaios de simulao em laboratrio, o Brasil possui no mo-mento apenas dois equipamentos: (i) um francs desenvolvido pelo LCPC (Laboratoire Central des Ponts et Chausses) que fica no Laboratrio de Tecnologia de Pavimentao da Escola Politcnica da USP (Figura 6.31); e (ii) um norte-americano Asphalt Pave-ment Analyzer (APA) de propriedade da BR Distribuidora (Figura 6.34).

    No conjunto de equipamentos franceses do LCPC, a mistura asfltica primeira-mente compactada atravs de amassamento por roda de pneu com cargas e presso de inflao regulveis, na temperatura de projeto, realizada por equipamento denominado

  • 322 Pavimentao asfltica: formao bsica para engenheiros

    mesa compactadora Figura 6.31(a). A compactao segue a especificao francesa NF P 98-250-2 (AFNOR, 1991a) e produz uma placa compactada de mistura asfl-tica nas dimenses padro de 500mm de comprimento e 180mm de largura, havendo placas com 50 e com 100mm de espessura Figura 6.31(b). O ensaio de deformao permanente, propriamente dito, segue a especificao francesa NF P 98-253-1 (AFNOR, 1991b) e feito em um equipamento munido de roda pneumtica, cuja presso do pneu e carga no eixo so controlveis, assim como a temperatura tambm regulvel, empre-gando-se em geral 60oC para acelerar o processo Figura 6.31(c). O ensaio realizado em duas placas simultaneamente, colocadas uma em cada lado do equipamento, munido de um eixo com dois pneumticos. O pneumtico fica permanentemente em contato com a placa asfltica e aplica carregamento em movimento longitudinal de ida e vinda, em ciclos de 1Hz. Mede-se o afundamento na trilha de roda em diversos pontos a cada de-terminado nmero de solicitaes. Freqentemente so usados 1.000, 3.000, 10.000, 20.000 e 30.000 ciclos. A Figura 6.31(d) mostra um aspecto de uma mistura asfltica muito deformada aps o ensaio.

    O resultado do ensaio dado em termos de afundamento em milmetros ou como um percentual da altura da placa original. A Figura 6.32(a) ilustra os resultados do ensaio

    (a) Mesa compactadora LCPC de placas de misturas asflticas

    (b) Placa de mistura asfltica compactada

    (c) Simulador de trfego LCPC (d) Placa aps ensaio de deformao permanente

    Figura 6.31 Conjunto de mesa compactadora e simulador de trfego LCPC para ensaios de deformao permanente em laboratrio

  • 323Propriedades mecnicas das misturas asflticas

    a 60C para duas misturas SMA Stone Matrix Asphalt (Captulo 4), com diferentes tamanhos de agregado, no caso, tamanho mximo nominal TMN de 9,5 e de 12,5mm (Vasconcelos, 2004). A deformao permanente aos 30.000 ciclos de ambas misturas em SMA de cerca de 6%, que um resultado bom, demonstrando a resistncia for-mao de afundamentos deste tipo de revestimento asfltico.

    A Figura 6.32(b) mostra, por sua vez, resultados de afundamento em trilha de roda no simulador francs de duas areias-asfalto com CAP 20, sendo uma bem-graduada e outra uniforme. Observe-se que a graduao das misturas exerce um papel fundamental no comportamento deformao permanente. A areia uniforme mostra uma deformao de cerca de 6mm (ou 12%) aps apenas 1.000 ciclos e a areia bem-graduada mostra valor aproximadamente igual aps 30.000 ciclos. Alm disso, a temperatura de ensaio da areia uniforme foi de 50oC, 10oC abaixo do especificado no ensaio, o que contribuiu para suportar mais ciclos que se fosse testada a 60oC.

    (a) Duas misturas asflticas tipo SMA

    (b) Duas areias-asfalto a quente

    Figura 6.32 Resultados de deformao permanente de misturas asflticas no ensaio de simulador de trfego LCPC

  • 324 Pavimentao asfltica: formao bsica para engenheiros

    Alm dos aspectos comparativos entre misturas no que diz respeito resistncia deformao permanente, o ensaio pode ser usado para investigar o efeito de fatores diversos no comportamento mecnico. A Figura 6.33 ilustra o efeito do teor de asfalto no afundamento, bem como o efeito da substituio do asfalto convencional CAP 20 (similar ao atual CAP 50/70), pelo convencional mais duro CAP 40 (similar ao atual CAP 30/45) ou ainda por asfaltos modificados com polmero (AMP SBS; AMP SBR ou AMP EVA) e por borracha (asfalto-borracha) mantendo-se a mesma graduao e natureza de agregados (Bernucci et al., 2002). Observa-se a importncia de manuteno do teor de ligante de projeto (no caso 5,6%) durante a usinagem e o efeito do excesso de ligante, favorecendo a fluncia e a formao de afundamentos. O tipo de asfalto outro fator im-portante nos projetos quando se procura combater a deformao permanente. A mistura passa a ser mais resistente deformao permanente com o aumento de viscosidade do ligante e, adicionalmente, com o efeito benfico do retorno elstico na reduo da energia de deformao.

    No caso do APA Figura 6.34(a), o procedimento possui similaridades com o LCPC. A compactao, contudo, por vibrao Figura 6.34(b). A carga transmitida pla-ca por meio de mangotes de borracha preenchidos por ar, em vez de pneus Figura 6.34(c). O equipamento permite a saturao com gua dos corpos-de-prova para avaliar o seu efeito deletrio durante o ensaio Figura 6.34(d). A placa em seguida retirada do equipamento Figura 6.34(e), sendo medido o afundamento Figura 6.34(f).

    Acima foram descritos os ensaios de simulao laboratorial existentes no Brasil. H ainda outros equipamentos como o instalado no Laboratrio Nacional de Engenharia Civil LNEC, em Portugal, ilustrado na Figura 6.35. Esse equipamento fica numa cmara de temperatura controlada e executa um nmero tambm predefinido de passagens de roda

    0%

    5%

    10%

    15%

    20%

    25%

    30%

    35%

    40%

    45%

    5,0 5,2 5,4 5,6 5,8 6,0 6,2

    % de asfalto na mistura

    %de

    defo

    rma

    ope

    rman

    ente

    emtri

    lha

    dero

    da

    AMP EVA

    CAP 40

    CAP 20

    AMP SBRAMP SBS

    asfalto-borracha

    Figura 6.33 Percentual de afundamento versus teor de asfalto para 30.000 ciclos no simulador de trfego LCPC (bernucci et al., 2002)

  • 325Propriedades mecnicas das misturas asflticas

    (a) Viso geral do simulador (b) Compactador

    (c) Carregamento sobre placa por meio do mangote

    (d) Carregamento em meio saturado

    (e) Placa deformada sendo desmoldada

    (f) Afundamento da placa

    Figura 6.34 Compactador e simulador APA (Fotos: Petrobras Distribuidora)

  • 326 Pavimentao asfltica: formao bsica para engenheiros

    rgidas, com peso predefinido. A idia a mesma j descrita anteriormente, ou seja, de comparar misturas quanto capacidade de resistir deformao permanente.

    A Figura 6.36 mostra o simulador instalado na Universidade da Carolina do Nor-te, onde importantes trabalhos cientficos sobre a caracterizao mecnica de misturas asflticas vm sendo desenvolvidos. Este equipamento possui rodas que atuam direta-mente numa laje de mistura colocada sobre uma plataforma. So seis rodas atuando em seqncia na placa investigada. Ao fim da passagem na laje, cada roda sobe e move-se no sentido contrrio por cima das rodas que ento esto atuando na laje. Diversas plata-formas vm sendo testadas de modo a simular mais proximamente situaes de campo. Alm de solos, materiais como borracha tm sido usados como plataforma, produzindo falhas na laje de mistura bastante similares s encontradas em campo.

    Existem simuladores em verdadeira grandeza; so equipamentos com a capacidade de imprimir a um pavimento experimental, em apenas algumas semanas ou meses, cargas relativas a um tempo de servio de 10 a 20 anos. Tais equipamentos aplicam solicitaes diretamente sobre a estrutura do pavimento 24 horas/dia, 7 dias/semana durante quantas semanas sejam necessrias. Diferentemente da maioria dos equipamen-

    (a) Cmara de temperatura controlada

    (b) Equipamento (c) Detalhe da simulao

    Figura 6.35 Simulador do Laboratrio Nacional de Engenharia Civil LNEC, Portugal

    Figura 6.36 Simulador da Universidade da Carolina do Norte

  • 327Propriedades mecnicas das misturas asflticas

    tos de laboratrio, esses simuladores tm a capacidade de avaliar no s o revestimento asfltico, mas toda a estrutura do pavimento, verificando o comportamento resultante da interao entre as diversas camadas que compem os pavimentos asflticos. Embora te-nham a vantagem de permitir que sejam avaliados projetos de pavimentos sob condies de trfego e clima reais, h ainda a limitao de no ser considerado o envelhecimento do ligante e a auto-recuperao de trincas que se d no longo prazo. Estes sero comen-tados no Captulo 10.

    6.6 ENSAIOS COMPLEMENTARES

    Alm dos ensaios mecnicos j descritos, vm sendo bastante utilizados para a caracteri-zao mecnica de misturas outros ensaios, aqui denominados ensaios complementares. Tratam-se de ensaios empricos que, contudo, fornecem informaes importantes no obtidas a partir dos ensaios mecnicos convencionais. Os dois principais ensaios que vm sendo usados no Brasil so descritos a seguir.

    6.6.1 Desgaste CntabroO arrancamento progressivo de agregados da capa de rolamento por efeito do atrito pneu-pavimento denominado desgaste (Santana, 1993), sendo uma patologia comum em revestimentos brasileiros (CNT, 2004). O ensaio usualmente realizado para deter-minao de resistncia desagregao o ensaio Cntabro. Esse ensaio foi originado no Centro de Estudios de Carreteras e Universitat Politcnica de Catalunya na Espanha objetivando avaliar o comportamento de misturas asflticas quanto perda de material. A norma DNER-ME 383/99, baseada na norma espanhola (NTL, 1986), consiste na anlise das massas de corpos-de-prova Marshall de misturas asflticas drenantes ou po-rosas, submetidos ao aparelho de abraso Los Angeles Figura 6.37(a). Apesar de sua concepo estar relacionada aos pavimentos drenantes, o ensaio de desgaste Cntabro pode ser estendido para outros tipos de misturas asflticas (ABNT-NBR 15140/2004).

    Os principais passos do ensaio so os seguintes: (i) pesar inicialmente o corpo-de-pro-va Marshall (M1); (ii) colocar no aparelho de abraso Los Angeles sem as esferas de ao Figura 6.37(b); (iii) condicionado a 25C, efetuar 300 revolues na velocidade angular de 30rpm; (iv) pesar novamente o corpo-de-prova (M2), ilustrado na Figura 6.37(c). O desgaste C