3.2. ANÁLISE MECANÍSTICA DOS PAVIMENTOS
3.2.3. Módulo Resiliente por meio de Ensaios de Cargas Repetidas
A deformabilidade resiliente das camadas do pavimento e do subleito condicionam a vida de fadiga das camadas superficiais mais rijas (revestimento de concreto asfáltico, base de solo- cimento) sujeitas a flexão (Medina e Motta, 2005). A fase de fadiga, caracterizada como a última etapa da vida útil do pavimento, faz-se sentir por um crescimento acelerado de deflexões, que se exteriorizam por meio de fissuras, trincas e acúmulo de deformações permanentes.
Objetivando-se analisar as características de deformabilidade dos materiais que compõem a estrutura dos pavimentos rodoviários sob condições que simulem as solicitações do tráfego, foram desenvolvidos equipamentos para realização de ensaios de cargas repetidas nos materiais constituintes dos pavimentos.
Os ensaios de carga repetida em que a força aplicada atua sempre no mesmo sentido de compressão, de zero a um máximo e depois diminui até anular-se, ou atingir um patamar inferior, para atuar novamente após pequeno intervalo de repouso, procuram reproduzir as condições de campo. A amplitude e o tempo de pulso dependem da velocidade do veículo e da profundidade em que se calculam as tensões e deformações produzidas. A freqüência espelha o fluxo de veículos (Medina e Motta, 2005).
Dentre os ensaios de cargas repetidas, destaca-se o ensaio triaxial de cargas repetidas, introduzido nos estudos de pavimentação pelo Prof. H. Bolton Seed na década de 50, na Universidade da Berkeley, Califórnia, EUA. O primeiro equipamento para realização deste ensaio foi instalado no Brasil em 1977, na COPPE/UFRJ (Figura 3.1).
Os ensaios triaxiais de cargas repetidas, os quais visam reproduzir em laboratório as condições de carregamento impostas aos materiais constituintes do pavimento pelas cargas de tráfego, são divididos basicamente em duas fases. A primeira delas, chamada fase de condicionamento, objetiva eliminar ou minimizar os efeitos das deformações plásticas e da história de tensões no valor do módulo de resiliência. É, na verdade, uma seqüência de carregamentos dinâmicos que permite dotar o material de uma condição de pré-adensamento (Ferreira, 2002). A determinação dos valores de Módulo de Resiliência (MR) dos materiais é objeto da segunda parte do ensaio, onde para cada par de tensões σ1 (tensão principal maior) e σ3 (tensão confinante) aplicado medem-se as deformações resilientes.
- 26- Figura 3.1 – Esquema do primeiro equipamento de ensaios triaxiais de carga repetida da COPPE/UFRJ
de 1977 (Medina e Motta, 2005)
A Norma DNER-ME 131/94 (Solos – determinação do módulo de resiliência) preconiza a metodologia de ensaio para a determinação dos módulos de resiliência de solos, para várias tensões aplicadas, a partir da utilização de um aparato triaxial de cargas repetidas. Conforme esta norma, o aparato triaxial cíclico para determinação dos módulos resilientes dos solos compõe-se basicamente por:
● Célula triaxial;
● Sistema pneumático de carregamento, formado por reguladores de pressão para aplicação da tensão desvio (σd) e da tensão confinante (σ3), válvula de transmissão do carregamento vertical, um cilindro de pressão e pistão de carga.
● Dispositivo mecânico digital para controle do tempo de abertura da válvula e freqüência de aplicação do carregamento;
● Sistema de vácuo que permite verificar a integridade das membranas que envolvem a amostra;
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● Sistema de medição de deformações da amostra, constituído por um par de transdutores mecânico-eletromagnéticos tipo LVDT’s (linear variable differential transformer) acoplados ao corpo-de-prova. Vale ressaltar que a Norma AASHTO T307-99 (Determining the Resilient Modulus of Soils and Aggregate Materials) indica que as deformações sejam medidas pelos LVDT’s instalados externamente no pistão de carga. Ainda, o sistema de medição das deformações é constituído por um oscilógrafo e um amplificador. O princípio de funcionamento dos transdutores LVDT’s consiste em transformar as deformações axiais durante o carregamento repetido em potencial elétrico, cujo valor é registrado em um oscilógrafo.
Figura 3.2 - Registro oscilográfico do ensaio de cargas repetidas (Medina, 1997)
A partir do ensaio triaxial de cargas repetidas, define-se o módulo resiliente, MR, como:
1
ε
σ
d R M = (3.1) onde: dσ
é a tensão desvio (σ
1-σ
3); 1ε
ouε
r é a deformação resiliente (recuperável) axial do corpo-de-prova.A deformação resiliente
ε
r é determinada por meio da seguinte formulação:0 r h h ε =∆ (3.2) onde: h
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0
h é o comprimento inicial de referência do corpo-de-prova ensaiado.
Ainda, a deformação total apresentada pelo corpo-de-prova ensaiado é composta, além da parcela de deformação resiliente, por uma parcela de deformação plástica ou permanente.
t r p
ε =ε +ε (3.3)
Segundo Medina e Motta (2005), na maioria dos solos de bom comportamento resiliente e nas umidades de ensaio próximas da umidade ótima, as deformações plásticas ao longo do ensaio triaxial para medida do módulo de resiliência são muito pequenas, da ordem de milímetros.
Além das deformações axiais costumeiramente determinadas pelo ensaio triaxial de cargas repetidas, a utilização de LVDT’s horizontais no aparato triaxial de cargas repetidas permite medir os deslocamentos radiais ou horizontais dos corpos-de-prova ensaiados, com os quais se determina o Coeficiente de Poisson ν.
De acordo com Medina e Motta (2005), os ensaios pioneiros de carga repetidas realizados no Brasil, os quais fundamentaram o desenvolvimento da norma DNER-ME 131/94 (Solos –
determinação do módulo de resiliência), consideravam os pares de tensões σd e σ3
utilizados no ensaio para a determinação do módulo resiliente diferente para solos do tipo arenoso e/ou solos do tipo argiloso. O modelo de ensaio inicialmente proposto para os solos argilosos, adotando estados de tensões correspondentes a um único nível de tensão confinante para 7 níveis de tensão desvio, desconsideravam a importância da tensão de confinamento, além de levar em alguns casos à ruptura do corpo-de-prova por conta de uma relação de tensão elevadas, em que se tem falta de confinamento e um excesso de tensão vertical. Este modelo de ensaio foi proposto por serem os solos argilosos mais dependentes da tensão desvio do que da confinante, mas o acúmulo de experiência possibilitou a percepção de que não é usual decidir antecipadamente o efeito da granulometria do material no comportamento resiliente.
Desde 1990, considerando-se que não há justificativa em adotar os estados de tensão propostos para os solos argilosos, tem-se utilizado nos ensaios triaxiais de carga repetida os valores de tensões definidos para os solos arenosos, independente da quantidade de finos da amostra (Motta et al., 1990).
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A norma americana de ensaio AASHTO T 307/99 (Standard method of test for Determining the Resilient Modulus of Soils and Aggregate Materials), padronizando a metodologia de obtenção do Módulo Resiliente dos diversos materiais constituintes do pavimento a partir de ensaios triaxiais de carga repetidas, divide os pares de tensões aplicados no ensaio de acordo com o material ensaiado. Medina e Motta (2005) ressaltam que as tensões utilizadas nos ensaios com os solos classificados por esta metodologia como Tipo 1 (materiais destinados a camadas de bases e sub-bases e os de subleito que apresentem menos de 70% passando na peneira de 2mm e no máximo 20% passando na peneira de 75µm e índice de plasticidade menor que 10) são muito próximas às tensões padronizadas pela norma DNER-ME 131/94 para ensaios com solos arenosos, as quais vêm sendo utilizadas desde a década de 90, particularmente pela COPPE/UFRJ, para ensaios tanto em solos arenosos quanto argilosos. No entanto, todos os solos que se destinam ao subleito e que não se incluam na definição Tipo 1 dada pela metodologia AASHTO T 307/99, são classificação como Tipo 2 e são submetidos a pares de tensões diferentes daqueles propostos para os solos Tipo 1 durante o ensaio.
É importante observar que a metodologia AASHTO fundamenta os ensaios triaxiais de carga repetida a partir da escolha de pares de tensões em função do tipo de camada e da granulometria do material. Ao fazer uma prévia classificação dos materiais antes da execução dos ensaios, esta metodologia apresenta deficiência semelhante à verificada na Norma DNER- ME 131/94, uma vez que, adotando estados de tensão variáveis em função dos materiais, impossibilita correlacionar o comportamento resiliente de diferentes materiais.