Ação das condições climáticas

Os pavimentos não estão sujeitos apenas às solicitações das cargas de tráfego. O meio físico no qual estão inseridos também interfere no desempenho e na duração da vida útil da estrutura. A temperatura e a umidade são variáveis que podem afetar significativamente as propriedades dos materiais presentes nas camadas do pavimento e no subleito, influenciando diretamente na capacidade de suporte da estrutura (FRANCO, 2007).

A água pode penetrar no pavimento de diversas formas e influenciar a umidade nas camadas, tais como: infiltração de água da chuva através de trincas presentes no revestimento ou pelos bordos da pista sem revestimento, variação do nível do lençol freático, ou por meio de transferência de umidade entre as camadas devido às variações de temperatura (SILVA, 2009). A Figura 10 apresenta um esquema com os possíveis acessos de água no pavimento.

Figura 10 – Possíveis acessos de água no pavimento.

Fonte: Silva (2009).

Os efeitos causados pela umidade podem alterar diretamente o comportamento mecânico da estrutura do pavimento, pois os materiais que não são estabilizados quimicamente com cimento ou asfalto, como os materiais granulares e solos finos, são

sensíveis a esta variação (FRANCO, 2007). Dessa forma, o aumento da umidade nas camadas inferiores do pavimento provoca uma variação no comportamento resiliente destes materiais. No revestimento asfáltico, a ação da água colabora no efeito da intemperização da mistura asfáltica (MEDINA E MOTTA, 2015).

Segundo Kim (2009), a temperatura atua na estrutura do pavimento através de dois efeitos mecânicos principais: a mudança da rigidez do material asfáltico e o desenvolvimento de tensões e deformações durante as mudanças de temperatura. A mistura asfáltica, por ser um material com comportamento viscoelástico, possui comportamento mecânico distinto de acordo com a temperatura em que se encontra. Além disso, as mudanças de temperatura geram efeito de dilatação ou contração térmica na mistura asfáltica, podendo levar a trincamento térmico.

As misturas asfálticas, de maneira geral, tem baixa condutividade térmica e, por serem corpos negros, apresentam elevada absorção da radiação solar na superfície. A baixa condutividade térmica faz com que o calor recebido não seja transmitido na mesma proporção, criando altas tensões térmicas no material. Tal característica, aliada à alta absorção solar induz o desenvolvimento de elevados gradientes térmicos, com temperatura decrescente com a profundidade. Com o entardecer ou precipitação na superfície, ocorre a inversão destes gradientes térmicos. Assim, conhecer a variação diária e sazonal de temperatura do pavimento permite que sejam avaliadas as mudanças nas propriedades físicas e mecânicas dos materiais ao longo do ano (MOTTA, 1979).

Nas camadas superiores do pavimento, a temperatura varia constantemente devido a diversos fatores, incluindo a temperatura ambiente, a radiação solar, a velocidade do vento e a refletância da superfície do pavimento (DIEFENDERFER et al., 2006). A temperatura da superfície do revestimento responde quase instantaneamente às variações de temperatura da atmosfera. No entanto, quanto maior a profundidade considerada, maior o tempo gasto para atingir a temperatura máxima (ou mínima) em relação à superfície e menores são as variações térmicas diárias. Tal fato pode ser observado nos resultados das medições realizadas por Motta (1979) no painel experimental instalado na COPPE, apresentado na Figura 11.

Nota-se que na superfície, a variação de temperatura foi de 36ºC em um dia. Com o aumento da profundidade a variação diminui, chegando a 7ºC a 20 cm de profundidade.

Assim, quanto maior a profundidade, menor a influência das variações rápidas de insolação e temperatura do ar (MOTTA, 1979).

Figura 11 – Temperatura x profundidade, a cada 2 horas (24/09/1978).

Fonte: Motta (1979 apud MEDINA E MOTTA, 2015).

A Figura 12 apresenta o gradiente de temperatura registrado por Park et al. (2001) no dia 30 de julho de 1998 em um trecho experimental em Michigan.

Figura 12 – Mudança de temperatura em função da profundidade e do tempo em Michigan.

Pode-se observar que a variação de temperatura na superfície é significativamente maior do que a 25 cm de profundidade. Além disso, observa-se que o gradiente de temperatura no pavimento apresenta comportamento distinto de acordo com o período do dia. No período das 13h às 17h, a temperatura na superfície é maior do que nas outras profundidades do pavimento. No entanto, no período das 21h às 10h30min ocorre o inverso, a superfície apresenta temperatura menor do que as outras profundidades.

Verifica-se que a temperatura no pavimento asfáltico varia em função da profundidade e do tempo. Abaixo de uma certa profundidade, a temperatura sofre pouca alteração com o tempo. Porém, mais próximo da superfície, a variação é maior devido à absorção da radiação solar que ocorre durante o dia e à radiação do calor armazenado para a atmosfera durante a noite. A amplitude de variação de temperatura apresentada em um determinado dia depende da quantidade de nuvens, da velocidade do vento e da época do ano (que influencia o ângulo dos raios solares) (DRUMM E MEIER, 2003).

Chong et al. (2009) desenvolveram um modelo analítico para descrever a transferência de calor no pavimento e estimar o perfil de temperatura no pavimento, considerando uma estrutura unidimensional com duas camadas. A Figura 13 mostra o perfil de temperatura em diferentes horários do dia. É possível observar que em profundidades menores ocorre maior variação de temperatura ao longo do dia.

Figura 13 – Perfil de temperatura em diferentes horários do dia.

Zheng et al. (2017) avaliaram o efeito da variação da temperatura do pavimento nas deflexões medidas em três trechos experimentais com pavimento semirrígido na província de Henan, na China. A estrutura dos trechos monitorados está apresentada na Figura 14.

Figura 14 – Estrutura dos trechos monitorados.

Fonte: Adaptado de Zheng et al. (2017).

Foi medida a temperatura no pavimento em diferentes profundidades (20, 35, 70 e 250 mm) durante um dia inteiro em cada estação do ano. Os dados foram coletados para cada hora do dia. A Figura 15 apresenta a relação entre a temperatura medida no pavimento 1 e a temperatura do ar ao longo do dia.

Pode-se observar que, para o pavimento analisado, a amplitude das flutuações de temperatura foi gradualmente reduzida com o aumento da profundidade, até se estabilizar próximo a 25 cm. Além disso, nota-se que a temperatura medida a 2 cm de profundidade foi maior do que nas outras profundidades no período das 9h às 18h. Porém, entre 00h e 07h o comportamento foi inverso, sendo a menor temperatura registrada a 2 cm de profundidade.

AC-16F 30 mm Modificada AK13 40 mm Modificada AK13 40 mm

AC20 50 mm AC20 90 mm AC25 60 mm AC25 120 mm Macadame estabilizado com 6% de cimento 140 mm Macadame estabilizado com 5% de cimento 300 mm Macadame estabilizado com 5% de cimento 340 mm Macadame estabilizado com 5% de cimento 140 mm Macadame estabilizado com 4% de cimento 160 mm

Pavimento 1 Pavimento 2 Pavimento 3

Camada asfáltica Base AC-10C 40 mm Macadame estabilizado com 3% de cimento Macadame estabilizado com 3% de cimento 200 mm 200 mm

Figura 15 – Temperatura medida no pavimento 1 e temperatura do ar.

Fonte: Adaptado de Zheng et al. (2017).

Para verificar a influência da temperatura na deflexão do pavimento, foram feitos levantamentos com o equipamento Dynatest 8000 FWD ao longo de um dia com intervalos de uma hora, durante diferentes períodos do ano. A partir dos dados coletados, foi verificada a relação entre a deflexão máxima e a temperatura do pavimento para cada trecho experimental, conforme apresentado na Figura 16. As espessuras indicadas na legenda se referrem às camadas de revestimento asfáltico de cada trecho.

Figura 16 – Relação entre deflexão máxima e temperatura do pavimento.

Observa-se que quanto maior a temperatura do pavimento maior a deflexão máxima medida em campo, nos três trechos experimentais analisados. Assim, Zheng et al. (2017) ressaltam a importância de se considerar a temperatura do pavimento para analisar a deflexão máxima, pois este parâmetro é afetado significativamente pela temperatura.

Além da alteração na viscosidade do ligante, que influencia na rigidez da mistura asfálticas, as solicitações climáticas também ocasionam a oxidação do ligante asfáltico. Durante a vida de serviço, a oxidação ocorre como um resultado de fatores ambientais, como temperatura, umidade e oxigênio disponível na atmosfera. Dessa forma, a taxa de oxidação diminui com a profundidade do pavimento, gerando gradiente de viscosidade na camada asfáltica. A oxidação do ligante aumenta a rigidez e a viscosidade do concreto asfáltico, fazendo com que o material perca a sua ductilidade e se torne mais frágil com o tempo. Assim, com a atuação das cargas de tráfego, o concreto asfáltico oxidado se torna mais propenso a apresentar dano por fadiga (ABU AL-RUB et al., 2013).