INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO
Departamento de Engenharia Civil e Arquitectura
CONSTRUÇÃO E MANUTENÇÃO DE INFRA-ESTRUTURAS DE TRANSPORTES
Módulo B – Pavimentação
Folhas da Disciplina (versão provisória)
NOTA PRÉVIA
Disponibiliza-se aos alunos uma primeira versão das folhas da disciplina de Construção e Manutenção de Infra-estruturas de Transportes relativas ao Módulo B de Pavimentação. Estas folhas baseiam-se integralmente no Capítulo X – Pavimentação – das Folhas de Estradas da disciplina de Vias de Comunicação, elaboradas pelo autor e editadas pela primeira vez em 1999. Espera-se que o presente documento seja a génese de umas folhas mais adequadas ao conteúdo programático da actual disciplina e que possa reflectir os desenvolvimentos mais recentes no domínio não só das estradas mas também das restantes infra-estruturas de transportes.
IST, Lisboa, 2 de Janeiro de 2009.
PAVIMENTAÇÃO
1 – Função e características gerais dos pavimentos rodoviários
A superfície que resulta das terraplenagens não possui, em geral, características compatíveis com as condições necessárias à circulação dos veículos nem adequadas para fazer face à acção dos agentes atmosféricos. Assim, o pavimento é a estrutura (superestrutura) constituída por camadas de materiais apropriados que se constrói sobre o terreno (infra-estrutura), de forma a suportar directamente as acções do tráfego e dos agentes atmosféricos.
Segundo o Vocabulário de Estradas e Aeródromos [1], o pavimento é a “parte
da estrada, rua ou pista que suporta directamente o tráfego e transmite as respectivas solicitações à infra-estrutura: terreno, obras de arte, etc. Pode ser constituído por uma ou mais camadas, tendo no caso mais geral uma camada de desgaste e camadas de fundação. Cada uma destas camadas pode ser composta e construída por várias camadas elementares.”
Esta definição é, fundamentalmente, de natureza estrutural. Contudo, o aumento verificado nas últimas décadas dos volumes de tráfego, quer de ligeiros quer de pesados, e das velocidades de circulação praticadas, fizeram ressaltar a importância de que o pavimento deve constituir, também, uma adequada superfície para que a circulação dos veículos se processe com qualidade (conforto, segurança, etc.) para os seus utentes.
No âmbito da disciplina dá-se maior ênfase aos pavimentos rodoviários (estradas, áreas de estacionamento, etc.), embora existam outros tipos de pavimentos como, por exemplo, os pavimentos de aeródromos.
De acordo com o atrás referido, as funções de um pavimento devem satisfazer critérios de comportamento estrutural e de comportamento funcional: o pavimento deve ser concebido para proporcionar a capacidade de carga correspondente às solicitações previsíveis e constituir uma superfície onde o tráfego possa circular de forma segura, cómoda e eficiente, dentro de limites de custo de construção e conservação aceitáveis, e para um determinado período de vida.
Os pavimentos são, genericamente, estruturas como outras estudadas no âmbito da engenharia civil, mas com a particularidade de serem constituídas por camadas sobrepostas e construídas com materiais de características mecânicas mais difíceis de quantificar do que as dos materiais tradicionalmente utilizados noutros tipos de estruturas, nomeadamente o aço, o betão armado ou mesmo a madeira. De facto, os materiais usados na pavimentação exibem comportamentos diversos, como sejam, do tipo visco-elástico (função da temperatura e dos tempos de aplicação de carga), no caso dos materiais betuminosos, ou função do estado de tensão, como é o caso dos módulos de deformabilidade dos materiais granulares.
Na fig. 1 apresenta-se o corte esquemático de uma estrutura tipo de pavimento indicando-se a designação dada às diversas camadas que a constituem e também à sua
fundação, de acordo com terminologia adoptada em Portugal[2,3]. De um modo geral,
o pavimento é constituído por camadas de superfície (camada de desgaste e camada de regularização ou ligação) e camadas de fundação (camada de base e camada de sub-base). A fundação do pavimento é constituída pela camada de leito do pavimento e pelo conjunto dos terrenos subjacentes (até à profundidade de cerca de 1,0 m abaixo da cota do pavimento para efeitos de dimensionamento) que condicionam o seu comportamento [3]. A superfície superior da camada de leito do pavimento onde assenta o pavimento designa-se por plataforma de apoio do pavimento.
Camada de desgaste
Camada de regularização ou de ligação Camada de base
Camada de sub-base
Leito do pavimento
Aterro ou terreno natural 1 m
Superfície do pavimento
Plataforma
Pavimento
Fundação do pavimento
A camada de desgaste é a camada superior do pavimento que está directamente sujeita ao tráfego e aos agentes atmosféricos. Assim, esta camada deve garantir a circulação dos veículos em condições de segurança (resistência à derrapagem, visibilidade, etc.), conforto (óptico, acústico e dinâmico) e economia (em termos de consumo de combustíveis, desgaste de veículos, consumo de pneus e tempo de viagem).
A camada de base e a camada de sub-base têm como função principal a degradação das cargas transmitidas directamente à camada de desgaste, de modo a que cheguem à fundação do pavimento com valores compatíveis com a capacidade de carga desta.
A camada de leito do pavimento visa adaptar as características aleatórias e dispersas dos materiais existentes nas camadas superiores dos aterros, ou dos materiais “in situ” nas escavações, às características mecânicas, geométricas, hidráulicas e térmicas, consideradas como hipóteses no projecto da estrutura do pavimento. As camadas de leito do pavimento podem ser realizadas em solos arenosos seleccionados, seixos, e material granular de granulometria extensa [3]. Pode-se, ainda, considerar a hipótese de construir camadas de leito do pavimento em solos tratados com cal ou com ligantes hidráulicos (cimento), para obter a fundação pretendida.
Os terrenos subjacentes ao pavimento ou existem em escavação (terreno natural) ou em aterro. Em escavação, a fundação inclui os terrenos encontrados “in situ” que, nalguns casos, poderão não ter características geotécnicas adequadas e, portanto, necessitarem de ser substituídos ou tratados. Os terrenos em escavação deverão ser caracterizados até uma profundidade abaixo da cota da rasante que seja suficiente para conhecer todos os materiais que irão condicionar o comportamento do pavimento. Em aterro, os terrenos ou materiais em que irá assentar a camada de leito do pavimento constituem a chamada parte superior do aterro. Pela posição que estes materiais ocupam no aterro, devem utilizar-se os de melhor qualidade de entre os disponíveis em obra, de modo a conseguirem-se as melhores características possíveis para a fundação do pavimento a um baixo custo.
Os tipos de pavimentos mais frequentes (fig. 2) são os pavimentos flexíveis, rígidos e semi-rígidos. Esta classificação baseia-se, essencialmente, no tipo de materiais utilizados na construção das camadas. Nos pavimentos flexíveis utilizam-se materiais
superfície e também, com frequência, na camada de base (fig. 2-a). Os pavimentos
rígidos são constituídos, essencialmente, por uma laje de betão de elevada resistência
(armada ou não armada), com as funções atribuídas às camadas de desgaste e de base, assente normalmente sobre camada tratada com ligante hidráulico (cimento) (fig. 2-b). Os pavimentos semi-rígidos são constituídos por camada superior tratada com ligante hidrocarbonado sobre camada tratada com ligante hidráulico.
1 2 3 4 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 a) b) Legenda 1 - superfície do terreno natural
2 - aterro
3 - leito do pavimento
4 - berma (camadas de base e de superfície) 5 - camada de sub-base
6 - camada de base
7 - camadas de desgaste e de regularização
8 - laje de betão (armada ou não) 9 - plataforma de apoio do pavimento 10 - terreno natural
11 - pavimento 12 - valeta
13 - faixa de rodagem 14 - plataforma (da estrada)
Fig. 2 - Constituição da estrutura de um pavimento: a) flexível; b) rígido (adaptado de
[14])
A principal diferença entre os dois primeiros tipos de pavimentos - flexíveis e rígidos - baseia-se no modo como é suportada e distribuída a carga sobre a fundação (fig. 3). Nos pavimentos flexíveis são, fundamentalmente, a camada de base e a camada de sub-base que suportam as cargas transmitidas pelos veículos. A deformabilidade destas camadas traduz-se numa certa concentração e intensidade das pressões no solo de fundação. No caso dos pavimentos rígidos, é a laje de grande resistência e rigidez que desempenha a função de suporte e, por isso, as pressões no solo são, em geral, menores que nos pavimentos flexíveis, embora actuando numa área maior. Os pavimentos semi-rígidos apresentam comportamento de pavimento rígido e flexível, atendendo à composição das respectivas camadas.
Os pavimentos em calçada, constituídos por blocos de pedra assentes à mão e batidos com maço manual, também considerados de tipo flexível, estão actualmente em desuso, com excepção no que se refere à sua utilização em passeios.
Pavimento flexível Pavimento rígido
Fig. 3 - Distribuição aproximada de tensões verticais na fundação de um pavimento [4]
Na fase de concepção do pavimento são definidas soluções estruturais possíveis para o pavimento, que depois serão analisadas na fase de dimensionamento. A opção por determinada solução de pavimentação deve resultar da ponderação de diversos factores externos, como por exemplo: o tipo e importância da via, o tipo e intensidade do tráfego, as características geomorfológicas e geológicas da região, as características geotécnicas dos materiais disponíveis, as condições de aprovisionamento, as condições climáticas e condições económicas.
Uma vez seleccionado um dado tipo de pavimento, o dimensionamento do
pavimento consiste em calcular as espessuras das camadas e especificar as
características dos materiais dessas camadas, de forma a limitar, durante a vida de projecto, a ocorrência de degradações estruturais.
Os pavimentos são dimensionados para um determinado período de
dimensionamento que é o período de tempo durante o qual o pavimento deve assegurar
adequadas condições de circulação do tráfego (segurança, economia e conforto), minimizando a necessidade de obras de grande conservação nesse período. Para os pavimentos flexíveis e semi-rígidos consideram-se períodos de dimensionamento da ordem de 20 anos. Para os pavimentos rígidos, o período adoptado é em geral superior (30 anos).
Os primeiros métodos de dimensionamento de pavimentos eram métodos
empíricos, baseados na aplicação directa de resultados obtidos na observação do
comportamento de pavimentos em trechos piloto. O desenvolvimento de técnicas de ensaio para caracterização mecânica dos materiais e de meios de cálculo automático criou as condições necessárias ao aparecimento de métodos do tipo racional baseados na análise estrutural, também conhecidos por métodos estruturais ou analítico-empíricos. Estes métodos utilizam modelos de comportamento estrutural que, a partir da geometria e das características mecânicas das camadas constituintes do pavimento, e do tipo de carga aplicada à superfície do pavimento, calculam as tensões, deformações e deslocamentos em qualquer ponto da estrutura do pavimento. Os valores obtidos deverão satisfazer determinados critérios de dimensionamento com o objectivo de evitar que o pavimento atinja certos estados de ruína durante o período de dimensionamento. As principais fases do dimensionamento estrutural de pavimentos são esquematizadas na fig. 4.
Recolha de dados Concepção do pavimento
Modelo de comportamento estrutural. Cálculo σ/ε.
Análise dos modos de degradação.
Avaliação de resistência Critérios de dimensionamento Alterar geometria Alterar materiais Não Sim Análise do projecto σ, ε satisfaz critério?
Fig. 4 - Principais fases do dimensionamento estrutural de pavimentos [2]
Os principais dados para o dimensionamento estrutural são: o tráfego que irá utilizar o pavimento durante o período de dimensionamento; as condições climáticas; as condições de fundação; e as propriedades dos materiais a utilizar nas várias camadas do pavimento.
As estradas são utilizadas por uma grande diversidade de veículos com diferentes dimensões e tipos de suspensão, circulando a velocidades diferentes e transportando cargas variadas. No dimensionamento de pavimentos rodoviários é usualmente considerado apenas o efeito do tráfego de veículos pesados.
As condições ambientais mais importantes no dimensionamento de pavimentos são a temperatura e a pluviosidade. Estas condições, para além de afectarem as propriedades mecânicas dos materiais, podem também constituir uma solicitação a considerar no cálculo, como é o caso da temperatura no dimensionamento dos pavimentos semi-rígidos e rígidos.
As condições de fundação, em especial da camada de leito do pavimento, são importantes no comportamento da estrutura do pavimento e na escolha do tipo de pavimento a construir, como já se referiu. É sempre recomendável optar-se pelas melhores soluções de fundação, segundo critérios técnicos e económicos razoáveis, mesmo que tal exija a substituição ou tratamento dos materiais locais. Este procedimento permitirá não só reduzir a espessura das camadas superiores do pavimento, que são construídas com materiais mais nobres e caros, à custa de materiais mais baratos, mas também tornar eficientes as intervenções de alterações ou reforços das camadas superiores após a construção.
Na fase de estudo prévio é possível recorrer a manuais de concepção de
pavimentos na forma de catálogo, com o objectivo de apoiar e orientar a concepção das
estruturas de pavimentos e respectivas fundações. É o caso do “Manual de Concepção de Pavimentos para a Rede Rodoviária Nacional” da Junta Autónoma de Estradas [3] em que se propõem estruturas tipo para pavimentos flexíveis, semi-rígidos e rígidos, a considerar em novos traçados da rede rodoviária nacional. Estas estruturas foram estabelecidas para determinadas condições relativas ao tráfego, condições climáticas, condições de fundação e materiais de pavimentação. Entre as diversas soluções de pavimentação propostas, deve ser escolhida a mais adequada a cada caso concreto, com base em considerações técnico-económicas, prazos de execução e exigências futuras do pavimento. Apresenta-se em anexo, como exemplo, algumas das estruturas tipo propostas pelo referido manual.
A importância fundamental que os pavimentos têm na estrada é devida, também, quer ao investimento que representam em relação à totalidade da obra (seja uma obra nova, seja uma obra de beneficiação), quer à avaliação da qualidade de estrada que é feita pelos utentes, baseada fundamentalmente na regularidade do pavimento e no seu estado de conservação. O planeamento e acompanhamento da construção assumem, portanto, primordial importância na perspectiva de garantia de qualidade dos pavimentos. Parte das degradações que ocorrem nos pavimentos podem ser evitadas se se acompanhar a sua construção com a realização de estudos adequados, referentes aos materiais e aos processos construtivos. Nos anos mais recentes, a necessidade de optimização das características dos pavimentos e dos custos tem motivado a aplicação de novos materiais e processos construtivos, que fazem apelo a uma nova filososfia de qualidade
A observação do comportamento do pavimento após a sua entrada em serviço, por vezes acompanhada de instrumentação, é importante para permitir não só adoptar atempadamente as medidas de conservação necessárias, mas também para calibrar métodos de dimensionamento e modelos de comportamento utilizados no projecto de pavimentos.
A chamada gestão da conservação dos pavimentos enquadra-se nestas preocupações e visa, em suma, garantir a qualidade dos mesmos ao longo da sua vida útil, utilizando-se da melhor forma os recursos financeiros das administrações rodoviárias.
2 – Elementos sobre pavimentos flexíveis
Os pavimentos flexíveis são constituídos em geral por camadas de superfície em materiais granulares aglutinados com ligante hidrocarbonado (betume asfáltico), e camadas de base e de sub-base em materiais granulares não tratados. É frequente adoptarem-se duas camadas de superfície de constituição diferente: uma camada inferior, camada de regularização ou de ligação, constituída por agregado de maiores dimensões e menos rica em ligante; e uma camada superior, a camada de desgaste propriamente dita. Entre estas camadas aplica-se uma rega de colagem betuminosa para assegurar a aderência. Actualmente, assiste-se à construção de camadas de base em material granular tratado com ligante hidrocarbonado, como se verá adiante.
Os materiais utilizados na construção das camadas dos pavimentos flexíveis são predominantemente materiais granulares, ligados ou não com ligante hidrocarbonado. No caso de ser utilizado ligante, os materiais designam-se por misturas betuminosas.
A maior parte dos materiais granulares utilizados nas camadas de base e de sub-base são materiais naturais obtidos a partir de diferentes rochas, através de britagem ou não. O comportamento mecânico destes materiais depende, sobretudo, das suas características intrínsecas (natureza, forma, propriedades físicas, granulometria, e quantidade de elementos britados) e das condições de estado (compacidade, teor em água e estado de tensão). Os materiais granulares mais utilizados são, então, designados por: material britado de granulometria extensa recomposto em central; material britado de granulometria extensa sem recomposição designado correntemente por “tout-venant”; material não britado de granulometria extensa [3]. Admite-se, ainda, que possam ser utilizados solos granulares seleccionados na camada de sub-base.
Existem dois tipos principais de ligantes betuminosos: o betume e o alcatrão [4]. O betume é, basicamente, uma mistura de hidrocarbonetos de origem natural ou artificial, ou de ambas, frequentemente acompanhados pelos seus derivados não metálicos. Entre os diversos betumes, o betume utilizado para fins rodoviários é o betume asfáltico de origem petrolífera. O alcatrão é um produto betuminoso semi-sólido ou líquido, resultante da pirogenação de materiais orgânicos (hulha, lenhite, madeira, etc.).
A aplicação dos betumes asfálticos às temperaturas ordinárias só é possível na forma fluída por aquecimento, fluxagem (betumes fluidificados) ou emulsionamento (emulsões betuminosas). Os betumes fluidificados resultam da dissolução dos betumes em solventes adequados. As emulsões betuminosas obtêm-se por dispersão do betume em água através de um agente emulsionante que garante a estabilidade da emulsão. Recentemente, tem-se verificado a incorporação de certos polímeros no betume dando origem a betumes modificados, que se caracterizam por menor susceptibilidade térmica e maior resistência às deformações permanentes e fadiga. A escolha do tipo de betume a utilizar em cada caso depende de múltiplos factores, tais como o objectivo a atingir, o clima e o tipo de agregado a usar.
As misturas betuminosas são constituídas por agregado, por betume com a função de ligante e de impermeabilização, e por ar existente nos vazios. As suas propriedades dependem fortemente das proporções volumétricas relativas destas três componentes, bem como das características específicas do agregado e do ligante. A viscosidade é uma das propriedades mais importantes do betume, pelo que o comportamento mecânico das misturas betuminosas depende, entre outros aspectos, da temperatura a que estas se encontram e do tempo de actuação das cargas. As principais misturas betuminosas, aplicadas tradicionalmente nas camadas de regularização e de desgaste e, mais recentemente, nas camadas de base, são misturas betuminosas a quente [3]. Existem, ainda, as misturas betuminosas a frio constituídas por inertes e emulsão betuminosa, para as quais não é necessário aquecer previamente os inertes. A mistura é colocada à temperatura ambiente.
Dado que a camada de sub-base se encontra relativamente afastada da superfície de aplicação das cargas, aceita-se que esta camada seja construída com materiais de qualidade inferior à dos materiais utilizados nas camadas superiores dos pavimentos e, portanto, mais baratos. É vulgar utilizar na sub-base materiais como o saibro, a areia ou materiais granulares de granulometria extensa sem recomposição (“tout-venant”) [3]. Em algumas situações, poderá ser considerado técnico-economicamente justificado construir camadas de sub-base em solos tratados com cal ou em solos tratados com cimento (eventualmente também com cal).
A camada de base deve ser constituída por agregados de natureza e granulometria compatíveis com a resistência aos esforços tangenciais e ao esmagamento
devido às solicitações do tráfego. Esta resistência é conferida não só pelo agregado mas também pelo efeito da adição de saibro ou de betume. No primeiro caso, têm-se os macadames hidráulicos, e no segundo caso a aplicação de betume dá origem às penetrações betuminosas, impregnações betuminosas e macadames betuminosos.
As camadas de base em macadame hidráulico, actualmente em desuso, são constituídas por uma ou duas camadas de brita de granulometria uniforme, compactadas e estabilizadas com saibro que é espalhado sobre as mesmas. A penetração betuminosa consiste numa camada compactada de agregado de granulometria adequada em que se faz penetrar em toda a espessura da mesma o betume, espalhando-se posteriormente areia ou um agregado de recobrimento (gravilha) e compactando. Quando o ligante não atinge toda a espessura da camada, tem-se uma semi-penetração betuminosa. As impregnações betuminosas consistem na rega superficial de betume, suficientemente líquido, sobre a camada de base em agregado de granulometria extensa compactada. Este tratamento favorece a adesão entre a base e a camada superior e aglutina e impermeabiliza a parte superior da camada. As camadas de base em misturas betuminosas são designadas correntemente por macadames betuminosos.
Na camada de regularização ou de ligação utilizam-se, sobretudo, misturas betuminosas densas, caracterizadas por uma baixa porosidade.
A camada de desgaste pode ser um revestimento superficial betuminoso ou um betão betuminoso. No primeiro caso, a camada de desgaste destina-se apenas a garantir uma superfície regular e impermeável. No segundo caso, sobretudo para camadas espessas, a camada assegurará já uma repartição importante das cargas.
Os revestimentos superficiais betuminosos são obtidos por espalhamento sucessivo do ligante betuminoso e agregado de dimensões apropriadas (areia ou gravilha), seguido de compactação. Esta técnica aplica-se sobre bases em semi-penetração betuminosa.
O betão betuminoso é uma mistura betuminosa de porosidade baixa, constituída por agregado grosso (pedra britada), finos (areia ou finos de pedreira) e “filler” (cimento ou pó de calcário) uniformemente misturados, utilizando-se betume asfáltico como ligante.
A necessidade de aumentar a durabilidade dos pavimentos face à acção agressiva do tráfego e das condições atmosféricas, associada ao grande incremento da construção rodoviária, determinou o desenvolvimento de novos materiais para camadas de superfície, recorrendo quase sempre a ligantes modificados [5]. Entre estes materiais, figuram as misturas betuminosas drenantes, as misturas betuminosas rugosas e os microaglomerados betuminosos a frio. As misturas betuminosas drenantes visam essencialmente melhorar o comportamento funcional, garantindo a drenagem da água superficial para as bermas e condições de conforto óptico (ausência de projecção de água) e acústico (no exterior e no interior do veículo) face à circulação dos veículos. As misturas betuminosas rugosas garantem, sobretudo, uma elevada aderência entre o pneu e o pavimento, melhorando, por isso, a resistência à derrapagem em tempo chuvoso e para velocidades elevadas. Os microaglomerados betuminosos a frio são aplicados na recuperação das características superficiais dos pavimentos, em alternativa a soluções de conservação superficial tradicionais, em que o objectivo da intervenção não é o reforço estrutural.
Os métodos empíricos de dimensionamento de pavimentos flexíveis permitem estimar a espessura das camadas do pavimento em função do solo de fundação, caracterizado por meio de um ensaio de resistência, como é o caso do Método de CBR (“California Bearing Ratio”), apresentado em 1938, ou apenas por ensaios de identificação geotécnica, como é o caso do Método do Índice de Grupo, desenvolvido
em 1945 [6, 7]. Na década de 50, começaram a surgir outros métodos que, embora
empíricos, são baseados nos resultados de ensaios experimentais, como por exemplo, o Método do “Road Research Laboratory” (“Road Note 29”) e o Método do “Asphalt Institute” [2,6], incorporando já explicitamente as solicitações acumuladas do tráfego.
Actualmente, o dimensionamento de pavimentos flexíveis baseia-se em métodos
do tipo racional. Um dos modelos de comportamento estrutural mais utilizado em
pavimentos flexíveis é o modelo de multi-camadas apresentado por Burmister, em 1945, que assimila o pavimento a um conjunto de camadas horizontais, contínuas, homogéneas, isotrópicas e elásticas, assentes num meio semi-infinito, em cuja superfície actua uma carga uniformemente distribuída numa área circular (fig. 5).
Os programas de cálculo automático baseados no modelo de Burmister são os meios de cálculo mais utilizados pela sua facilidade de utilização e por serem menos exigentes em termos computacionais. O método dos elementos finitos, muito utilizado em investigação, tem sido reconhecido como a técnica mais adequada à análise estrutural de pavimentos, pois permite ter em conta aspectos não contemplados pelos métodos tradicionais.
r p h1, E1, ν1 h2, E2, ν2 En, νn Camadas elásticas Simetria de revolução σz σr σθ Interface: aderência ou deslizamento
Fig. 5 - Modelo de Burmister [15]
Os critérios de dimensionamento considerados em pavimentos flexíveis são o
fendilhamento por fadiga das camadas betuminosas e o aparecimento de deformações
permanentes à superfície dos pavimentos (fig. 6). A ruína por fadiga manifesta-se pelo aparecimento de fissuração em malha sensivelmente regular, designada por “pele de crocodilo” [1] e é consequência da aplicação repetida de extensões de tracção nas camadas betuminosas provocadas pela passagem dos veículos. A ocorrência de
rodeiras (sulcos longitudinais produzidos pelas rodas dos veículos nos pavimentos [1])
é considerada o outro estado de ruína dos pavimentos flexíveis e resulta da acumulação, à superfície do pavimento, de deformações permanentes que ocorrem na fundação, nas camadas granulares e nas camadas betuminosas.
Fendilhamento Camadas betuminosas Camadas granulares Fundação De fo r m a ç õ e s pe r m a n e n te s
A caracterização dos materiais é feita através de relações tensões-extensões obtidas por via experimental em ensaios realizados em condições que se possam considerar representativas do pavimento a dimensionar.
A fig. 7 exemplifica, simplificadamente, o tipo de diagramas de distribuição de tensões e temperaturas em profundidade que é possível ter num pavimento flexível solicitado à superfície pela carga de uma roda.
p
Compressão Tracção Compressão
eixo neutro P Temperatura (aumento) Camadas betuminosas Camadas granulares Fundação a) b) c) d) a) Estrutura do pavimento
b) Distribuição de tensões verticais segundo a vertical da roda c) Distribuição de tensões horizontais segundo a vertical da roda d) Distribuição de temperaturas em profundidade
Fig. 7 - Distribuição de tensões e temperaturas em profundidade num pavimento
flexível[17]
Os aspectos mais importantes da execução de pavimentos flexíveis estão relacionados com a construção de camadas de materiais granulares e de camadas de misturas betuminosas.
As operações de espalhamento e compactação são fundamentais na execução de camadas granulares [8]. O espalhamento deve ser feito a toda a largura da plataforma, sem juntas de trabalho, e de forma a evitar a segregação dos agregados, o que pode ser conseguido através da molhagem dos agregados antes do espalhamento. A compactação das camadas granulares é feita com cilindros vibradores de rasto liso.
As fases principais de execução de camadas de misturas betuminosas a quente, quer sejam misturas tradicionais quer sejam misturas especiais, são o fabrico,
transporte, espalhamento e compactação das misturas [9,10]. O fabrico das misturas betuminosas é realizado em centrais onde se processa o pré-doseamento, o aquecimento e a secagem dos agregados, bem como o controlo granulométrico, doseamento e mistura dos constituintes. O transporte das misturas betuminosas das centrais para a obra é feito em camiões basculantes de caixa metálica. Antes do espalhamento, é feita a preparação da superfície que consiste, primeiramente, na limpeza para facilitar a acção do aglutinante e, posteriormente, na aplicação de um tratamento betuminoso. Sobre camada granular, esse tratamento é uma rega de impregnação, e sobre camada betuminosa, é uma rega de colagem.
O espalhamento das misturas betuminosas pode ser manual ou com máquina pavimentadora que assegura simultaneamente o espalhamento, segundo uma certa largura e espessura da camada, e o acabamento. A escolha do processo de espalhamento mais adequado a cada caso deverá ter em conta o tipo de obra, o perfil longitudinal e transversal, o tipo de camada a construir e, consequentemente, o tipo de nivelamento a utilizar para atingir a regularidade pretendida.
A máquina pavimentadora é constituída por uma barra vibradora que assegura, durante o espalhamento, uma compactação ligeira da mistura. Na fase de compactação são utilizados cilindros, escolhidos em função do tipo de mistura, da espessura da camada, da temperatura externa e da intensidade do vento. Na compactação de misturas betuminosas convencionais utilizam-se cilindros de rasto liso, com possibilidade de vibração, e cilindros de pneus.
A fig. 8 mostra a execução da camada de base em macadame betuminoso com máquina pavimentadora, no IC19 (1993).
3 – Elementos sobre pavimentos rígidos
Os pavimentos rígidos consistem basicamente numa laje de betão (que assegura as funções das camadas de desgaste e de base), assente sobre camada de sub-base ou directamente no leito do pavimento.
Os tipos de pavimentos rígidos mais correntes são [11]: pavimento em lajes de betão simples com juntas; pavimento em lajes de betão armado com juntas; pavimento em betão armado contínuo; pavimento em betão armado pré-esforçado; e pavimento em betão armado reforçado com fibras metálicas. Subjacente a esta classificação está, essencialmente, o tipo de mecanismo utilizado no controlo da fissuração do pavimento, aspecto extremamente importante nos pavimentos rígidos.
O pavimento constituído por lajes de betão simples possui juntas transversais de contracção cujo espaçamento, da ordem dos 3 a 5m, é definido de forma a que o comportamento do pavimento não seja influenciado pelas tensões devidas a variações de temperatura e/ou humidade no seu interior. Este tipo de pavimento é o que apresenta menor custo inicial e maior facilidade de construção.
A utilização de armadura (malhas em aço normalizadas) nos pavimentos em
lajes de betão armado com juntas tem como principal função controlar o aparecimento
das fissuras e, consequentemente, a sua abertura. Neste tipo de pavimento, as juntas transversais de contracção estão mais espaçadas (da ordem dos 10 a 15m).
No pavimento em betão armado contínuo, correntemente designado por BAC, a existência de armadura longitudinal contínua a todo o comprimento do pavimento, juntamente com o atrito entre a laje e a sub-base do pavimento, assegura o controlo da abertura das fissuras, pelo que não existem juntas transversais de contracção. Como no caso anterior, esta armadura não é considerada para efeitos estruturais.
Os pavimentos em betão armado pré-esforçado e em betão armado reforçado
com fibras metálicas têm utilização pouco frequente.
Uma das principais características dos pavimentos rígidos é a existência de
descontinuidades transversais ou longitudinais - juntas ou fissuras - impostas ou não
durante a construção, tal como se representa na fig. 9. Estas juntas têm como objectivo permitir a contracção e a dilatação do betão, sob a acção de variações de temperatura e de humidade, de modo a limitar a fendilhação - juntas de contracção e de dilatação - e
ligar partes do pavimento betonadas em tempos diferentes - juntas de construção. As juntas são dimensionadas e construídas de modo a garantir uma adequada capacidade de transferência de cargas, de uma para outra laje, o que pode ser conseguido através de várias soluções construtivas, como por exemplo, a interpenetração do agregado nos bordos das lajes, ligação tipo macho-fêmea ou varões de ligação / barras de transmissão de carga (“passadores”), actuando em conjunto ou isoladamente. Para além destas juntas, há ainda a considerar juntas de dilatação em determinadas situações particulares, como é o caso da vizinhança de obras de arte com algum desenvolvimento e no início de curvas de pequeno raio. Todas estas juntas são correntemente seladas com produtos adequados, de forma a ser garantida a estanqueidade relativamente à água exterior e a evitar a acumulação de detritos sólidos. Nos pavimentos em BAC não existem juntas transversais o que tem a vantagem de reduzir o risco de fissuração por atraso na serragem das juntas e de diminuir os custos de conservação essencialmente dependentes da reparação das juntas. Ao mesmo tempo, os níveis de conforto e economia para o utente são mais elevados.
Junta longitudinal Junta transversal
Lajes armadas
Junta longitudinal com varões de ligação
Junta transversal de contracção
Junta transversal
de contracção com passadores Lajes em betão simples
Os pavimentos rígidos têm por um lado um custo mais elevado, pois exigem um maior investimento inicial, mas por outro lado apresentam encargos de manutenção mais reduzidos do que pavimentos flexíveis equivalentes, para um período de vida maior. Por este facto, estes pavimentos são recomendados para vias de tráfego muito intenso, situação corrente em auto-estradas metropolitanas, em que é desejável reduzir ao mínimo as operações de conservação e, consequentemente, minimizar os custos e os incómodos para os utentes. Em vias sujeitas a tráfego intenso de veículos pesados, a solução de pavimento rígido poderá ser adequada por razões estruturais.
Os materiais de pavimentação mais utilizados nos pavimentos rígidos são as misturas com ligantes hidráulicos, nomeadamente os agregados de granulometria extensa com cimento, o betão pobre e, sobretudo, o betão de cimento com fins rodoviários, correntemente designado por betão “rodoviário” [3]. O ligante hidráulico normalmente utilizado é o cimento que deverá obedecer a características específicas, como por exemplo, a classe de resistência e o tempo de presa.
Quando o material tratado com ligante hidráulico é um agregado seleccionado que satisfaz a uma dada granulometria, obtém-se um agregado de granulometria
extensa tratado com cimento. A mistura do agregado com o ligante pode ser feita “in
situ” ou em central.
O betão pobre é um betão com teor em cimento inferior ao do betão utilizado em camada de desgaste e, como consequência, é caracterizado por ter menor resistência mecânica. A tecnologia de fabrico e os ensaios de controlo são idênticos aos utilizados no caso do betão convencional, o que o distingue de um agregado de granulometria extensa tratado com cimento. A sua colocação em obra faz-se, em geral, por vibração ou por compactação.
O betão “rodoviário” é um betão constituído por inertes finos (areia natural ou misturada com areias de britagem em determinadas proporções), agregados médio e grosso, cimento, água e, ainda, aditivos a considerar em cada caso, como por exemplo, plastificantes (maior trabalhabilidade) e modificadores de presa e do endurecimento. Este betão deverá garantir requisitos de resistência à flexão compatíveis com o dimensionamento estrutural, de durabilidade suficiente para suportar todas as solicitações durante a sua vida útil e de trabalhabilidade e composição adequadas ao equipamento de construção.
O comportamento das misturas com ligantes hidráulicos depende, essencialmente: da dosagem e do tipo de ligante; do tipo de agregado, das suas características físicas e da sua granulometria; da compacidade da mistura, e das condições de cura.
As exigências relativas à fundação dos pavimentos rígidos, nomeadamente no que se refere à camada de leito do pavimento, devem ser muito rigorosas por forma a assegurar-se a uniformidade no suporte do pavimento (evitando-se os indesejáveis assentamentos diferenciais e consequentemente os esforços na laje a eles associados), a controlar-se a expansibilidade dos solos de fundação e a limitarem-se os efeitos da existência de água no pavimento. Estas mesmas funções podem ser desempenhadas por uma camada de sub-base, construída com mistura de agregados com cimento ou em betão pobre.
Neste tipo de pavimentos é a laje de betão que, pela sua elevada rigidez, assegura a maior parte da resistência estrutural às cargas aplicadas à superfície pelas rodas dos veículos e que, simultaneamente, mais contribui para a degradação das tensões transmitidas ao solo de fundação. A contribuição da camada de sub-base e da fundação para a capacidade de suporte dos pavimentos rígidos é secundária. É corrente a intercalação de material entre a laje e a camada de sub-base, como por exemplo uma camada fina de material betuminoso, para evitar-se a transmissão à laje de betão das fendas existentes na camada de sub-base, evitar-se a erosão desta camada e obter-se uma plataforma com a regularidade geométrica que garanta boas condições de espalhamento e uma adequada execução da laje.
As características superficiais de um pavimento rígido são conferidas pela textura superficial (micro e macro-textura) e pela regularidade geométrica da laje de betão. Estas características são extremamente importantes de forma a serem asseguradas quer a drenagem superficial quer a resistência à derrapagem adequada para as velocidades de tráfego esperadas. A micro-textura é normalmente obtida impondo uma certa percentagem de areia siliciosa na composição do betão. A macro-textura, que é fundamental para garantir a aderência dos pneus principalmente quando o pavimento está molhado, pode ser conseguida por vários processos como a ranhuragem transversal (regular ou irregular), a ranhuragem longitudinal, a escovagem transversal, a
de uma destas soluções implica um compromisso entre o conforto e a segurança, atendendo a que uma superfície mais rugosa é mais segura mas provoca mais ruído.
O comportamento dos pavimentos rígidos é controlado fundamentalmente pelos níveis de tensões devidos ao tráfego, à retracção e às condições climatéricas, e pela existência de água no pavimento. Os métodos de dimensionamento de pavimentos rígidos têm como objectivo principal determinar a espessura mínima da laje, de modo a que as tensões de tracção por flexão na sua base sejam inferiores às tensões máximas admissíveis do betão, para o período de dimensionamento [11]. O Método da “Portland Cement Association” (P.C.A.) e o Método do “Centre de Recherches Routières” (C.R.R.) são exemplos de métodos de dimensionamento de pavimentos rígidos [11].
À semelhança do dimensionamento dos pavimentos flexíveis, a verificação da resistência de um pavimento rígido com base na análise estrutural assenta no cálculo dos estados de tensão, deformação e deslocamentos induzidos na laje do pavimento e na sua comparação com valores limites impostos pelos critérios de dimensionamento.
O modelo de laje de Westergaard, inicialmente desenvolvido em 1925, é considerado o modelo de comportamento
estrutural mais adequado para a análise
estrutural de pavimentos rígidos. Este modelo considera o pavimento como uma laje apoiada sobre apoios elásticos, tal como se representa na fig. 10. O método dos elementos finitos aplicado a este tipo de pavimentos é também uma poderosa ferramenta de cálculo alternativa, com a vantagem de permitir contemplar algumas das limitações impostas pelos meios de cálculo tradicionais, como por exemplo a existência de descontinuidades. r p h σv=K w Laje E, ν w=E h3 / (12 (1-ν2))
σv – tensão vertical no solo
w – deslocamento vertical da laje K – módulo de reacção do solo
Fig. 10 - Modelo de Westergaard [11]
Um dos critérios de dimensionamento de pavimentos rígidos está associado ao
fendilhamento por fadiga do betão, que resulta da aplicação repetida de tensões de
devidas quer à retracção (desenvolvidas durante e após o endurecimento do betão) quer às variações de temperatura e humidade no interior da própria laje, controlam a concepção das juntas de contracção e o dimensionamento da armadura longitudinal de controlo da fissuração.
O fenómeno de bombagem é a outra principal causa de degradação, que consiste na expulsão, sob pressão, da água existente na sub-base, no leito de pavimento ou sob o material das bermas através das juntas transversais, das fissuras ou da interface pavimento/berma (fig. 11). Este fenómeno é responsável pela erosão da fundação na zona das juntas que origina, consequentemente, o escalonamento das lajes (deformações permanentes) e o aparecimento de fendas transversais e de canto, por deficiência de apoio da laje.
Laje anterior Laje posterior
Finos acumulados Cavidade
Escalonamento
Fig. 11 - Fenómeno de bombagem em juntas de pavimentos rígidos [11]
A execução de pavimentos rígidos engloba, essencialmente, as operações de fabrico, transporte, colocação, compactação e acabamento do betão das camadas de desgaste e de sub-base [11,12].
As recomendações a seguir no fabrico e transporte do betão estão relacionadas, entre outros aspectos, com o armazenamento e dosagem dos materiais componentes, amassadura do betão, e modo de transporte. O betão é fabricado em central e transportado em camiões.
As operações de colocação, compactação e acabamento do betão devem ser executadas de modo a satisfazerem as tolerâncias em termos de espessura, resistência e regularidade compatíveis com os valores preconizados em projecto.
A laje em betão pode ser construída por dois processos: com a utilização de cofragens fixas; ou com recurso a equipamento de cofragens deslizantes. A utilização de cofragens deslizantes é recomendada em obras de certo volume e/ou extensão. O equipamento para execução da laje consiste, no essencial, numa espalhadora, com ou sem cofragens deslizantes e equipada com sistema de guiamento, com a função de espalhar, compactar, nivelar e regularizar uniformemente o betão,. A compactação do betão é feita por vibração. Após a construção da laje e antes de ser aplicado o tratamento de cura, é dada à superfície do pavimento uma textura homogénea, capaz de proporcionar ao tráfego boas condições de aderência.
Para retardar a perda de água durante a presa e o endurecimento do betão, controlando-se ao mesmo tempo a elevação excessiva da temperatura à superfície do betão resultante da exposição aos raios solares, são utilizados determinados produtos de cura.
Na fig. 12 apresenta-se a execução da laje em betão armado contínuo (BAC) do pavimento rígido do IC17 (1992). Esta laje foi construída sobre camada de sub-base em betão pobre.
BIBLIOGRAFIA
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Materiais granulares e misturas com ligantes hidráulicos e pozolânicos. Curso de Formação Avançada no Âmbito do Protocolo para a Formação JAE/IST. Instituto Superior Técnico, Lisboa.
[9] BARROS,R.; FONSECA,P. (1996). Processos construtivos: fabrico, espalhamento e
compactação. Misturas betuminosas. Curso de Formação Avançada no Âmbito do Protocolo para a Formação JAE/IST. Instituto Superior Técnico, Lisboa.
[10] CARDOSO, M. (1992). Misturas betuminosas a quente. Curso de Concepção e
Projecto de Infra-estruturas Rodoviárias. Instituto Superior Técnico, Lisboa.
[11] CARDOSO, M. (1992). Dimensionamento de pavimentos rígidos. Curso de
Concepção e Projecto de Infra-estruturas Rodoviárias. Instituto Superior Técnico, Lisboa.
[12] BARROS,R.; FONSECA,P. (1996). Processos construtivos: fabrico, espalhamento e
Âmbito do Protocolo para a Formação JAE/IST. Instituto Superior Técnico, Lisboa.
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[14] AASHTO (1986). “AASHTO Guide for Design of Pavement Structures”.
[15] ANTUNES, M. L. (1993). Avaliação da capacidade de carga de pavimentos
utilizando ensaios dinâmicos. Dissertação apresentada à Universidade Técnica de Lisboa para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Civil.
[16] AZEVEDO,M.C. (1996). Materiais de pavimentação: propriedades físico-químicas
e mecânicas. Misturas betuminosas. Curso de Formação Avançada no Âmbito do Protocolo para a Formação JAE/IST. Instituto Superior Técnico, Lisboa.
[17] FHWA (1984). “A program of study in pavement management” The Center for Transportation Research, University of Texas at Austin.
ANEXO
EXEMPLOS DE ESTRUTURAS DE PAVIMENTO propostas pelo
Manual de Concepção de Pavimentos para a Rede Rodoviária Nacional da JAE
Elementos do manual relativos às classes de tráfego, classes de fundação e materiais de pavimentação, necessários à interpretação das estruturas de pavimento:
Classes de Tráfego (Quadro 2.1)
Classe (TMDA)p T7 T6 T5 T4 T3 T2 T1 T0 <50 50-150 150-300 300-00 500-800 800-1200 1200-2000 >2000
(TMDA)p - tráfego médio diário anual de veículos pesados no ano de abertura,
por sentido e na via mais solicitada.
Classes de Fundação (Quadro 4.1)
Classe de Módulo da fundação (MPa) Classe de tráfego
fundação Gama Valor de cálculo
F1 F2 F3 F4 >30 a ≤50 >50 a ≤80 >80 a ≤150 >150 30 60 100 150 T5, T6 T3, T4, T5, T6 T1, T2, T3, T4, T5, T6 T1, T2, T3, T4, T5, T6
Materiais de Pavimentação (Quadros 5.1, 5.3 e 5.5)
Símbolo Designação Materiais granulares BGr BG SbG GN SS
Material britado recomposto em central
Material britado sem recomposição (“tout-venant”) (base) Material britado sem recomposição (“tout-venant”) (sub-base) Material não britado
Solo seleccionado
Misturas betuminosas fabricadas a quente MB
MB MBD
BD
Macadame betuminoso em camada de base
Macadame betuminoso em camada de regularização Mistura betuminosa densa em camada de regularização Betão betuminoso em camada de desgaste
Misturas com ligantes hidráulicos BC BP1 BP2 AGEC Sc Betão de cimento
Betão pobre de reduzida erodibilidade (vibrado ou cilindrado) Betão pobre (agregado recomposto em central)
Mistura com agregado não recomposto em central Solo-cimento fabricado em central
