A DEFORMABILIDADE EM MISTURAS ASFÁLTICAS

O material apresentado neste capítulo foi retirado de MARQUES (2004) que é a tese de doutoramento do presente autor. No item 2.1 de MARQUES (2004) é feita a revisão de literatura sobre módulos de deformabilidade de misturas asfálticas. Grande parte do texto, figuras e expressões foram mantidos conforme o original, porém a seqüência de itens foi simplificada. Por se tratar do mesmo autor, as referências bibliográficas aqui citadas foram consultadas durante a feitura do trabalho original. Para maiores detalhes e informações sugere-se consultar diretamente em MARQUES (2004) uma vez que estas notas de aulas têm um caráter informativo geral para o curso de graduação.

A previsão das tensões e deformações provenientes do tráfego e do clima que atuam na estrutura de um pavimento é feita por métodos de cálculo que levam em consideração os esforços atuantes e as características de deformabilidade dos materiais que compõem o pavimento. O conhecimento das respostas estruturais dos materiais (misturas asfálticas e solos) às tensões impostas é modernamente obtido pelo Módulo de Resiliência (MR) que pode ser estabelecido por ensaios de laboratório. Para se efetuar a análise de deformabilidade de uma estrutura é necessário conhecer as relações entre tensão e deformação de seus materiais constituintes. Sob esse enfoque reside o princípio da mecânica dos pavimentos. O módulo de deformabilidade dos materiais que compõem as camadas do pavimento e do subleito é um dos elementos mais importantes para este fim.

Segundo MEDINA (1997), tanto o pavimento quanto o subleito estão sujeitos a uma solicitação dinâmica provenientes de cargas de diferentes intensidades e variadas frequências ao longo do dia e do ano. Os ensaios de carga repetida procuram reproduzir estas condições (dinâmicas) de campo, com a amplitude e o tempo de pulso do carregamento dependendo da velocidade do veículo e da profundidade que se deseja calcular as tensões e deformações. O Módulo de Resiliência MR é análogo ao módulo de elasticidade E, sendo ambos definidos como relação entre tensão (s) e deformação (e). A diferença é que o Módulo de Resiliência é determinado em ensaio de carga repetida. Valores de pico das tensões e das deformações recuperáveis que ocorrem nos ensaios são usados para calcular a constante elástica resiliente.

Para FONSECA (1995), existem vários procedimentos de laboratório para se analisar o comportamento dinâmico de misturas betuminosas, podendo-se citar: (a) módulo complexo (dinâmico); (b) o módulo elástico (flexão) e (c) módulo diametral (resiliente ou indireto). Estes procedimentos de testes não produzem valores de módulos equivalentes apesar de definirem de maneira comum o módulo como sendo uma razão entre a tensão dinâmica aplicada e a correspondente deformação recuperável. A determinação do Módulo de Resiliência de concreto asfáltico pode ser feita por vários tipos de ensaios de cargas repetidas. Os ensaios mais comumente usados são os seguintes:

1. ensaio de tração uniaxial
2. ensaio de compressão uniaxial
3. ensaio de flexão em viga
4. ensaio de tração diametral indireta
5. ensaio de compressão triaxial

Segundo BARKSDALE et al (1997) as camadas constituintes de um pavimento têm seções anisotrópicas nas quais as propriedades nas direções radiais são iguais, mas na direção vertical são diferentes. Daí a variedade de ensaios para tentar avaliar as propriedades mecânicas ao longo da altura das camadas. WALLACE e MONISMITH (1980) dizem que para uma descrição adequada das características resilientes de um material, são requeridos cinco parâmetros:

1. deformação vertical devido a um incremento na tensão vertical
2. deformação radial devido a um incremento na tensão vertical
3. deformação radial devido a um incremento na tensão radial
4. deformação vertical devido a um incremento na tensão radial
5. deformação radial devido a um incremento na tensão radial em uma direção perpendicular à deformação.

Estes autores afirmam que o ensaio triaxial mede o primeiro e às vezes o segundo parâmetro, ao passo que o ensaio diametral mede uma composição do terceiro e do quinto parâmetro com peso aproximadamente igual sendo dado para cada parâmetro.

Segundo LOBO CARNEIRO (1996), a necessidade de se determinar a resistência à tração do concreto foi inicialmente para pistas de estradas de rodagem, onde o concreto normalmente não é armado e trabalha à tração por flexão. No Brasil sempre se adotou para ensaiar o concreto a resistência a compressão de corpos-de-prova cilíndricos, e para o controle da resistência à tração, o ensaio por flexão de vigotas. Este foi usado no controle das pistas de vários aeroportos utilizados para envio de carga e pessoal da América para a Europa durante a 2ª Guerra Mundial, como os de Natal e Recife.

Até 1942 ensaiava-se o concreto a tração unicamente pelo método das vigotas e foi então que surgiu um fato novo, um fato fortuito segundo LOBO CARNEIRO (1996), que se não fosse o caso de uma igreja talvez ele nunca tivesse se preocupado com o problema. Surgiu a necessidade de ser retirada da sua posição original uma igreja que ficava na rua de São Pedro para a construção da atual Avenida Presidente Vargas na cidade do Rio de Janeiro. O eixo da Avenida. Presidente Vargas deveria ser colocado em rigoroso alinhamento com a Av. do Mangue e para isto foi necessário pegar três ruas paralelas a Rua da Alfândega, uma dela era a rua de São Pedro.

A igreja ficava na esquina da rua São Pedro com a rua dos Ourives, atual rua Miguel Couto e era chamada igreja de São Pedro dos Clérigos. Era uma igreja histórica, muito importante, com estilo barroco do século XVIII, a primeira igreja construída no Brasil com planta elíptica, curvilínea, não retangular, a segunda é a Igreja do Rosário dos Pretos em Ouro Preto (LOBO CARNEIRO, 1996) Segundo o relato de LOBO CARNEIRO (1996), a empresa Estacas Franki fez uma proposta de transportar a igreja da rua de São Pedro para a outra esquina, a aproximadamente dez metros, fazendo rolar a igreja sobre rolos de concreto.

Como as paredes da igreja tinham em torno de um metro de espessura, a ideia inicial consistia em ir demolindo a parte inferior das paredes e substituindo-as por concreto. Ao final deste processo, toda a base das paredes ficaria com uma fita de concreto debaixo da qual estariam rolos de concreto e a igreja seria empurrada por meio de macacos. A opção por rolos de concreto se deu pelo fato da empresa de estacas já ter feito semelhante serviço na Europa com rolos de aço, mas durante a guerra (1943) era difícil obter este material, então teve-se a ideia de fazer rolos de concreto, mas não se sabia calcular a capacidade cortante de um rolo de concreto.

Por intermédio e sugestão do professor Dirceu Veloso a empresa de estaqueamento solicitou ao Instituto Nacional de Tecnologia (INT), que fizesse ensaios nesses rolos de concreto. No INT, o professor Lobo Carneiro iniciava sua carreira, e para sua surpresa, o rolo de concreto se abriu em duas metades ao ser submetido ao carregamento na máquina de compressão na posição diametral. Ele relata que achou aquela situação muito estranha e foi buscar a compreensão do fato em livros de teoria da elasticidade e diz “ já que a ruptura se dá segundo esse estudo por tração, eu tive a ideia de usar os mesmos corpos cilíndricos de concreto que se usa para determinar a resistência a compressão na condição vertical, colocados deitados sobre a maquina e determinar a resistência a tração”.

Surgiu assim a idéia deste ensaio que é hoje em dia conhecido como ensaio de tração indireta ou ensaio de resistência a tração por compressão diametral. Segundo LOBO CARNEIRO (1996) os franceses chamam de ensaio de fendilhamento, mas em todo o mundo ele é conhecido como “Brasilian test”, ensaio brasileiro. O professor Lobo Carneiro apresentou este ensaio na 5ª reunião da Associação Brasileira de Normas Técnicas, de 20 a 23 de setembro de 1943.

Ele frisa a importância deste evento e conseqüentemente a data de sua realização (setembro de 1943) porque 10 anos depois foi descoberto que um japonês, chamado Akazawa, tinha apresentado a mesma proposta de ensaio no Japão, dois meses depois em novembro de 1943. Naquela época não havia comunicação entre o Japão e o Brasil e só se soube deste fato 10 anos depois. Ainda em 1943 o diretor do INT foi convidado para ir a Paris com mais 14 diretores dos grandes laboratórios de pesquisa sobre estruturas e materiais do mundo para fundar uma associação que recebeu o nome de RILEM – Reunião Internacional de Laboratórios de Ensaios de Materiais.

Ele pediu então ao professor Lobo carneiro que traduzisse para o Francês o artigo apresentado na reunião da ABNT, e o levou e distribuiu aos chefes dos principais laboratórios do mundo. O outro autor do artigo era Aguinaldo Barcelos. O método foi adotado pela ASTM em 1966, após ter sido provisório desde 1962. Também foi adotado pelo Comitê Europeu do Concreto em 1964 e pela RILEM em 1966, tornando-se método internacional adotado pela ISO (International Standart Organization) através do método ISO 4108 de 1980. No Brasil este ensaio é regulamentado pelo DNIT por meio do método de ensaio DNER ME138/94.

Este método de ensaio prescreva o modo pelo qual se determina a resistência à tração, de corpos-de-prova cilíndricos de misturas asfálticas, através do ensaio de compressão diametral. Um esquema do ensaio pode ser visto na figura 51. Como os níveis de tensões de tração ao longo do plano diametral vertical são relativamente uniformes pode-se calcular a tensão de tração pela seguinte expressão:

Figura 51- Ensaio de Tração Indireta para misturas asfálticas

Segundo PINTO e PREUSSLER (1980) o ensaio de tração indireta ou compressão diametral, conhecido como "ensaio brasileiro", desenvolvido por Lobo Carneiro e Barcellos no Brasil e independentemente por Akazawa no Japão, para determinar a resistência à tração de corpos-de-prova de concreto de cimento, através de solicitação estática também passou a ser usado internacionalmente para determinação do módulo de elasticidade dinâmico de misturas betuminosas e materiais cimentados a partir da década de 70.

O ensaio dinâmico consiste em se solicitar uma amostra cilíndrica, por uma carga de compressão F distribuída ao longo de duas geratrizes opostas, sob frisos de cargas, e medir as deformações resilientes D ao longo do diâmetro horizontal, perpendicular à carga F aplicada repetidamente (Figura 1). As deformações diametrais e horizontais são medidas através de medidores eletromecânicos tipo LVDT. (PINTO e PREUSSLER, 1980). Este tipo de medida da relação s x e passou a ser designado de módulo de resiliência ou resiliente.

O Módulo de Resiliência é definido pela expressão:

No plano diametral horizontal e perpendicular a carga F, conforme visto na figura 52, ocorrem as tensões x e y, expressas por:

Figura 52 - Tensões de Tração e Compressão no Plano Diametral Horizontal no ensaio de compressão diametral.

As expressões para a deformação ex no diâmetro horizontal é a seguinte:

Ao se integrar a expressão acima no intervalo de (-d/2 , +d/2) e considerando um diâmetro de 10,16 cm, obtém-se o deslocamento total D:

No plano diametral vertical também ocorrem tensões x e y, conforme pode ser visto na figura 53 expressas por:

Figura 53 - Tensões de Tração de Compressão no Plano Diametral Vertical no ensaio de compressão diametral

O módulo de elasticidade ou resiliente de amostras cilíndricas de diâmetro conhecido quando submetidas ao ensaio de compressão diametral por meio de um friso curvo pode ser calculado pelas seguintes expressões:

O ensaio de Módulo de Resiliência tornou-se rotineiro em muitos laboratórios por representar uma propriedade fundamental das misturas asfálticas na estimativa da vida de fadiga e para os dimensionamentos racionais, sendo de uso generalizado em todo o mundo (MOTTA, 1998). No Brasil, os procedimentos para execução do ensaio do módulo de resiliência em misturas asfálticas são fixados pela norma DNER ME 133/94. Atualmente, a Comissão de Asfalto do Instituto Brasileiro do Petróleo (IBP) está atualizando e padronizando os procedimentos executivos na elaboração de uma nova norma brasileira para o ensaio de módulo de resiliência.

Segundo MEDINA e MOTTA (20005) o estado de tensões em um elemento do subleito ou camada do pavimento varia com a posição da carga móvel. Quando esta se posiciona verticalmente acima do elemento, têm-se as tensões normais principais horizontais e verticais ( 3 = h e 1 = v) conforme figura 54.

Figura 54 – Variações de Tensões Causadas por uma Carga Móvel

O ensaio triaxial é feito a tensão confinante constante ( 3) e a tensão vertical variável ( 1) da seguinte forma:

Onde d é a tensão de desvio variável

O módulo de resiliência (MR) de misturas asfálticas obtido do equipamento ora solicitado é determinado através de ensaios dinâmicos de compressão diametral a cargas repetidas por tração indireta e obtido pela relação entre a tensão de tração normal ao plano vertical diametral e a respectiva deformação específica resiliente nesse plano. Neste item serão mostrados detalhes do equipamento pretendido como montagem, preparação, execução e obtenção dos resultados de interesse. As informações aqui contidas foram extraídas de MARQUES (2004) que trabalhou com este equipamento no qual foi apoiada toda a sua tese de doutorado.

a) O Equipamento:

O equipamento é constituído das seguintes partes:

• Prensa constituída por montantes, base e cabeça, com calha de apoio e friso de aplicação de carga.
• Sistema pneumático com controle automatizado dos carregamentos e aquisição de dados.
• Sistema de medição de deformação (deslocamento diametral horizontal) do corpo de prova, constituído de: dois transdutores mecano-eletromagnéticos tipo LVDT (linear variable differential transformer) de contato; quadro suporte para fixação dos transdutores, preso por garras ao longo dos diâmetros horizontais das faces do corpo de prova cilíndrico.
• Sistema de controle e aquisição de dados constituído por micro-computador equipado com software especialmente desenvolvido para controle e execução de ensaios em misturas asfálticas como módulo de resiliência, fadiga, creep estático e creep dinâmico (figura 55)
• Sistema automático para controle de temperatura, constituído de câmara climática, sensor tipo termopar e regulador elétrico que permite variar a temperatura numa faixa de 5°C a 80°C. Os sistemas de carregamento e medição são operados no interior da câmara.

b) Montagem do ensaio:

A montagem do equipamento e a fixação dos corpos-de-prova para a execução do ensaio segue os seguintes passos:

• Prender o quadro-suporte por meio de duas garras nas faces externas do corpo de prova cilíndrico que se encontra apoiado horizontalmente segundo uma diretriz.
• Colocar o corpo-de-prova na base do pórtico metálico, apoiado no friso côncavo inferior
• Assentar o pistão de carga com o friso superior em contato com o corpo de prova diametralmente oposto ao friso inferior.
• Fixar e ajustar os transdutores LVDTs de modo a obter a leitura inicial dentro da faixa linear.

Na figura 56 pode ser vista uma sequência dos procedimentos de montagem do ensaio do módulo de resiliência e a figura 57 destaca um ensaio sendo realizado mostrando em detalhes o pórtico metálico (A) e a câmara de ensaios com controle de temperatura (B).

Figura 57 – Visão completa de um ensaio de módulo de resiliência em misturas asfálticas.

c) Aplicação do carregamento repetido:

Todo o processo de aplicação das cargas repetidas pelo pistão de cargas é controlado por um software especialmente desenvolvido para a realização dos ensaios de cargas repetidas. O primeiro passo é preencher os dados de informação do ensaio na tela inicial do programa, tais como: número da amostra, origem, número do corpo de prova, diâmetro e altura do corpo de prova, temperatura, etc. Nesta tela também aparecem registradas as constantes dos LVDTs utilizados, e as constantes para a correção da pressão do pistão. Um exemplo desta tela pode ser visto na figura 58.

d) Determinação do valor do módulo de resiliência:

Segundo MEDINA (1997) o módulo de resiliência pode ser expresso em função da força vertical aplicada, do deslocamento horizontal medido, do coeficiente de Poisson do material e das dimensões do corpo de prova. Utiliza-se a expressão (6), mostrada anteriormente, para a definição do módulo de resiliência em corpos de prova com 10,16 cm de diâmetro.

Ao ser aplicado o carregamento, os valores do deslocamento resiliente horizontal do corpo-de-prova são captados pelos LVDTs. O valor da força vertical efetivamente aplicada é calculado pelo sistema. A altura do corpo de prova é fornecida pelo operador na fase inicial de identificação da amostra. O coeficiente de Poisson também é definido pelo operador na fase da aplicação de carga. O módulo de resiliência só é registrado quando o valor do deslocamento é superior a um valor mínimo dependente da sensibilidade do LVDTs ( 0,003 mm). Ao se atingir este valor mínimo de deslocamento, o sistema faz o registro do MR dos 5 ou 10 golpes seguintes. O número de golpes registrados depende da % de variação que se estabeleceu para os valores obtidos nos deslocamentos seguidos. Após a aplicação dos golpes da primeira fase, o sistema é pausado por 10 segundos e uma nova sequência de golpes é aplicada. São feitas 3 fases de aplicação de carregamento para a definição do valor do MR para um corpo-de-prova. O valor médio das três fases de determinações é indicado como o valor final do MR para o corpo de prova ensaiado. A figura 59 mostra o resultado final obtido para um ensaio de MR feito em um corpo-de-prova.

Figura 59 – Exemplo de uma tela de apresentação final do resultado do ensaio de módulo de resiliência.

O equipamento para determinação do módulo de resiliência de solos e agregados é o mesmo já descrito anteriormente ou seja, as partes constituintes são as mesmas acrescentado-se apenas a câmara triaxial de carregamento repetido de grandes dimensões. Este componente é utilizado no lugar da prensa de aplicação de cargas descrita no item 10.6. O sistema pneumático com controle automatizado dos carregamentos e aquisição de dados é o mesmo já descrito. O sistema de controle e aquisição de dados também é o mesmo já descrito em que um módulo especial para ensaios em solos e agregados é disponibilizado.

Desta forma o sistema completo do equipamento executa 5 ensaios diferentes: 4 em misturas asfálticas (módulo de resiliência, fadiga, creep estático e creep dinâmico) e um em solos e agregados (ensaio triaxial de cargas repetidas). Sistema de medição de deformação (deslocamento axial vertical) do corpo de prova difere um pouco daquele descrito para misturas asfálticas. Neste caso os transdutores mecano-eletromagnéticos tipo LVDT (linear variable differential transformer) são fixados no cabeçote do corpo-de-prova e os mesmos têm ligação com o exterior da câmara. Na figura 60 pode ser visto o porte metálico (A) e a câmara de compressão triaxial de carregamento repetido.

Figura 60 – Detalhe da câmara triaxial de carregamento repetido

a) Execução do ensaio:

O ensaio triaxial de cargas repetidas inicia-se com a preparação dos corpos-de-prova que geralmente são obtidos por compactação por impacto em molde tripartidos verticalmente. Após a compactação é determinada a massa do corpo-de-prova. Os passos seguintes podem ser assim resumidos:

• Colocar o corpo-de-prova (CP) sobre uma pedra porosa ainda envolvido pelo molde cilíndrico tripartido;
• Desmoldar as três partes do cilindro
• Envolver o CO com uma membrana de borracha
• Colocar o CP sobre a base da célula triaxial
• Fixar os LVDTs ao cabeçote
• Colocar o cilindro da célula triaxial
• Assentar a tampa da célula triaxial nas hastes
• Conectar a haste ao pistão de carga
• Encaixar os mangotes de ar comprimido para aplicação das tensões desvio e confinante
• Ligar o ar comprimido
• Ligar sistema de aquisição e reprodução de dados
• Fazer ajuste fino dos LVDTs com o auxilio das hastes rosqueadas
• Iniciar o condicionamento com aplicação de 500 pulso de carga em 3 estágios de aplicação de tensão desvio e confinante
• Ajustar novamente os LVDTs e iniciar o ensaio
• Aplicar 18 ciclos de carga com 10 aplicações de carga por ciclo
• Após aplicação do último ciclo de cargas verificar os valores e gráficos no monitor
•  Retirar o CP e coloca-lo em uma cuba metálica, verificar a massa e leva-lo para estufa
• Determinar a umidade do CP

b) Determinação do valor do módulo de resiliência:

Diferentemente do ensaio em misturas asfálticas, o valor do módulo de resiliência não é um valor único. Para cada ciclo em cada uma das 10 aplicações de carga, o par de valores de tensão de desvio e tensão confinante é utilizado para obtenção do módulo de resiliência através da aplicação da equação (9). Com isto se obtém o valor do módulo de resiliência como uma função da tensão de desvio, da tensão confinante ou de ambas. Dependendo do tipo de solo (argilosos ou finos e granulares ou arenosos) se utilizam modelos de desempenho para o módulo de resiliência. O modelo que tem sido normalmente empregado para retratar o comportamento de um solo granular é o seguinte:

O esquema da figura 61 mostra a representação típica da classificação resiliente de solos granulares segundo o modelo acima descrito.

O comportamento dos solos finos normalmente é retratado por modelos que correlacionam o módulo de resiliência com a tensão de desvio ( d) através das seguintes expressões:

Uma representação típica do módulo de resiliência para solos finos pode ser vista na figura 62.