Lídia Carolina da Luz
DESEMPENHO DE REVESTIMENTOS ASFÁLTICOS EXECUTADOS EM CAMADA SINGULAR E INTEGRADAS EM
RODOVIAS DE TRÁFEGO PESADO: SEGMENTOS MONITORADOS DE ARARANGUÁ
Dissertação de Mestrado submetida ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina para a obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil
Orientador: Prof. Dr. Glicério Trichês.
Florianópolis 2017
Ficha de identificação da obra elaborada pelo autor, através do Programa de Geração Automática da Biblioteca Universitária
Lídia Carolina da Luz
DESEMPENHO DE REVESTIMENTOS ASFÁLTICOS EXECUTADOS EM CAMADA SINGULAR E INTEGRADAS EM
RODOVIAS DE TRÁFEGO PESADO: SEGMENTOS MONITORADOS DE ARARANGUÁ
Esta Dissertação foi julgada adequada para obtenção do Título de Mestre em Engenharia Civil e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina.
Florianópolis, 9 de Outubro de 2017. ________________________
Prof. Glicério Trichês, Dr. Coordenador do Curso
Orientador Banca Examinadora:
________________________
Prof. Jorge Augusto Pereira Ceratti, Dr. (Videoconferência) Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul
________________________ Prof.ª Liseane Padilha Thives, Dr.ª Universidade Federal de Santa Catarina
________________________ Prof. João Victor Staub de Melo, Dr. Universidade Federal de Santa Catarina
Dedico este trabalho aos meus pais, João e Helena, ao meu esposo Rodolfo e à minha irmã Débora.
AGRADECIMENTOS
A Deus, pelo dom da vida, pelo seu amor incondicional e por me mostrar a cada dia que com paciência é possível alcançarmos todos os nossos objetivos.
Aos meus pais, João Manoel da Luz e Helena Richartz da Luz, que desde cedo se viram envolvidos na lida do campo, não tendo a oportunidade de estudar, mas mesmo assim colocaram meus estudos em primeiro lugar e sempre me incentivaram a seguir em frente. Muito obrigada pai e mãe, eu amo vocês!
Ao meu esposo, Rodolfo Wilvert Reitz, pelo amor, companheirismo e pela paciência (às vezes nem tanta).
À minha irmã, Débora Milena da Luz, que sempre foi meu maior exemplo de dedicação aos estudos.
Ao meu orientador, Prof. Glicério Trichês, pela amizade, por todos os ensinamentos compartilhados, pela confiança e pela paciência de ir de Floripa a Araranguá escutando sertanejo universitário.
As minhas amigas da graduação, que hoje também são mestrandas, Grazi, Fernanda, Priscila e Ingrid. Obrigada meninas pelo apoio, pela motivação e por compartilharem as alegrias e tristezas do mestrado.
Aos amigos do Laboratório de Pavimentação da UFSC: Allan, Drielle, Emanuelle, Jaqueline, Job, Matheus, Ramon, Sarvia e Vanessa. Em especial ao Adosindro, que sempre esteve disposto a me ajudar e tirar minhas dúvidas e ao Jonathan, pela ajuda com ensaios de laboratório. Por último mas não menos importante, agradeço a Gabi pela amizade que construímos no último ano e pela ajuda no desenvolvimento desta pesquisa.
A todos os professores que fizeram parte da minha vida.
À Rede Temática de Tecnologia em Asfalto/PETROBRAS, pelo apoio financeiro prestado ao Laboratório de Pavimentação da UFSC e pela bolsa de estudos a mim concedida.
Enfim, a todos que de uma forma ou de outra contribuíram para a realização desta dissertação.
RESUMO
Nos últimos anos, tem-se observado que rodovias em pavimento flexível, com alto volume de tráfego e dimensionadas pelo método vigente no Brasil, não têm atendido as solicitações do tráfego, resultando em perdas prematuras do desempenho do pavimento. Desde a década passada, o meio acadêmico acena para a necessidade de um procedimento de dimensionamento mais adequado à realidade técnico-científica do País, ao perfil da frota e magnitude das cargas transportadas, fundamentado em critérios mecanísticos e de desempenho dos materiais. Diante desse desafio, a PETROBRAS implantou em 2006 a Rede Temática de Tecnologia em Asfalto visando desenvolver um novo método brasileiro de dimensionamento de pavimentos flexíveis. Para tornar isso possível foram construídos trechos experimentais que estão permitindo o estabelecimento de um banco de dados com informações sobre o processo construtivo, a caracterização e o comportamento dos materiais, assim como, o desempenho do pavimento ao longo do tempo. Neste contexto, a presente pesquisa tem por objetivo realizar a avaliação do desempenho funcional e estrutural de três segmentos inseridos nas obras de duplicação da rodovia BR-101, no município de Araranguá/SC. Os segmentos apresentam estruturas semelhantes, diferenciando-se pela camada de revestimento. Em dois segmentos a espessura do revestimento foi executada com um tipo de mistura asfáltica (camada singular) e no terceiro segmento o revestimento foi executado com dois tipos de mistura asfáltica (camadas integradas), sendo utilizada na camada superior uma mistura resistente ao fenômeno de deformação permanente e na camada inferior empregou-se uma mistura resistente ao fenômeno de fadiga. O monitoramento sistemático realizado ao longo de três anos, a partir da abertura ao tráfego (2014), mostrou um melhor desempenho do segmento com revestimento em camadas integradas. Nos segmentos com revestimentos em camada singular o trincamento iniciou já no primeiro ano de abertura ao tráfego, indicando que efetivamente o método de dimensionamento e a forma de caracterizar misturas asfálticas não atendem ao tráfego incidente nas rodovias de tráfego pesado. Por fim, observou-se que a estimativa de vida útil realizada se aproxima do que ocorre nos segmentos monitorados em termos de porcentagem de área trincada no revestimento.
Palavras-chave: Pavimentação. Segmentos monitorados. Desempenho funcional. Desempenho estrutural. Fator laboratório/campo.
ABSTRACT
In recent years, it has been observed that flexible pavement roads designed by the current method in Brazil, have not endured the demands in areas of heavy traffic, resulting in premature loss of pavement performance. In the last decade, academia has shown the need for a pavement design better suited to the technical scientific reality of the country, for the fleet profile and the magnitude of the transported cargos, based on mechanistic criteria and material performance. In response to this challenge, PETROBRAS implemented the Rede Temática de Tecnologia em Asfalto in 2006, aiming at developing a new Brazilian design method of flexible pavements. In order to make this possible, experimental sections were constructed that allow the establishment of a database with information about the constructive process, material characterization and behavior as well as pavement performance over time. In this context, the present research has the purpose to perform an analysis of the functional and structural performance of three road segments inserted in the duplication construction of BR-101 highway, in the city of Araranguá/SC. The road segments have similar structures that are differentiated by the surface layer. In two of them, the surface was completely executed by one type of asphalt mixture (single layer) and in the third road segment, the surface layer was executed by two types of asphalt mixture (integrated layers), where the top of the asphalt layer was constructed with mixture to resist the rutting and the bottom layer was constructed with mixture to resist the fatigue cracking (bottom-up cracking). The systematic monitoring carried out over three years, since the opening of these three road segments (2014), showed a better performance of the segment with integrated layer. Cracking in the single-layer coating started in the first year of operation, indicating that the current design method and the way of characterizing asphalt mixtures do not serve the traffic demand on the well-traveled highways. Finally, it was observed that the estimated lifespan is close to what occurs in the monitored segments in terms of the cracked area percentage on the surface.
Keywords: Highways engineering. Monitored road segments. Functional performance. Structural Performance. Shift Factor.
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 – Variação da serventia com o tráfego ou com o tempo
decorrido de utilização da via. ... 38
Figura 2.2 – Evolução da porcentagem de área trincada no trecho monitorado B. ... 40
Figura 2.3 – Evolução da porcentagem de área trincada – Segmento 1. 41 Figura 2.4 – Estruturas avaliadas por Andrade (2017). ... 41
Figura 2.5 – Treliça metálica para medida dos afundamentos de trilha de roda. ... 42
Figura 2.6 – Perfilômetro a laser. ... 42
Figura 2.7 – Esquema da posicionamento e distância (em cm) entre os sensores do perfilômetro. ... 43
Figura 2.8 – Simulação da medida de afundamento de trilha de roda com o Perfilômetro a Laser. ... 43
Figura 2.9 – Evolução temporal do afundamento de trilha de roda médio do trecho monitorado B. ... 44
Figura 2.10 – Evolução do afundamento de trilha de roda em função do número N. ... 45
Figura 2.11 – Faixas de variação de IRI para diversas situações. ... 48
Figura 2.12 – Evolução do IRI médio do trecho monitorado B. ... 48
Figura 2.13 – Evolução do IRI nos segmentos de Andrade (2017). ... 49
Figura 2.14 – Deslocamento da água pelo pneu de acordo com o conceito das três zonas. ... 50
Figura 2.15 – Microtextura e macrotextura na superfície de um revestimento asfáltico. ... 51
Figura 2.16 – Tipos de superfície em função da classe de microtextura e macrotextura. ... 52
Figura 2.17 – Pêndulo Britânico utilizado no levantamento da microtextura nos Segmentos Monitorados de Araranguá... 53
Figura 2.18 – GripTester utilizado no levantamento da microtextura nos Segmentos Monitorados de Araranguá. ... 54
Figura 2.19 – Equipamentos para o ensaio de Mancha de Areia. ... 55
Figura 2.20 – Método de cálculo do MPD. ... 57
Figura 2.21 – Significado das diferentes áreas de um diagrama de atrito versus textura. ... 60
Figura 2.22 – Redução da resistência a derrapagem devido ao polimento causado pelo tráfego. ... 61
Figura 2.23 – Tendência de evolução do BPN para seções retas. ... 62
Figura 2.24 – Tendência de evolução do HS para seções retas. ... 63
Figura 2.26 – Fases da vida de um pavimento. ... 64
Figura 2.27 – FWD utilizado no levantamento deflectométrico em Araranguá. ... 66
Figura 2.28 – Evolução de d0 nos segmentos analisados por Andrade (2017). ... 69
Figura 2.29 – Diferentes bacias deflectométricas para uma mesma deflexão máxima. ... 69
Figura 2.30 – Raio de curvatura. ... 70
Figura 2.31 – Evolução do raio de curvatura médio nos segmentos analisados por Andrade (2017). ... 71
Figura 2.32 – Evolução do módulos de resiliência retroanalisados para o Segmento 1... 73
Figura 2.33 – Valores de módulo resiliente (Mr) à 25°C em função do tempo. ... 73
Figura 2.34 – Regiões Geológicas em Santa Catarina. ... 78
Figura 2.35 – Solicitação senoidal e defasagem δ da resposta dos materiais viscoelásticos. ... 83
Figura 2.36 – Representação de módulo complexo. ... 84
Figura 2.37 – Espaço Black de uma mistura asfáltica... 85
Figura 2.38 – Plano Cole-Cole de uma mistura asfáltica. ... 85
Figura 2.39 – Modelo reológico de Huet-Sayegh. ... 86
Figura 2.40 – Determinação do módulo infinito no espaço de Black. .. 87
Figura 2.41 – Modelo Huet-Sayegh no plano Cole-Cole. ... 87
Figura 2.42 – Deformação permanente por densificação (com variação de volume). ... 88
Figura 2.43 – Deformação permanente por cisalhamento (sem variação de volume). ... 89
Figura 2.44 – Tensões induzidas pelo tráfego (a) sentido transversal ao carregamento; (b) sentido longitudinal ao carregamento. ... 91
Figura 2.45 – Curva tensão deformação de materiais viscoeláticos. ... 93
Figura 2.46 – Comparativo do desempenho à deformação permanente de misturas convencional e modificada com borracha moída de pneu (BMP). ... 97
Figura 2.47 – Módulo resiliente de misturas densas convencional e modificada com asfalto-borracha. ... 97
Figura 2.48 – Resultados do ensaio de fadiga de misturas densas convencional e modificada com asfalto-borracha. ... 98
Figura 3.1 – Esquema do método da pesquisa. ... 101
Figura 3.2 – Localização dos segmentos. ... 102
Figura 3.4 – Levantamentos em 2014: (a) FWD; (b) Perfilômetro a Laser; (c) Grip Tester; (d) Mancha de areia. ... 106 Figura 3.5 – Esquema da Etapa 2. ... 107 Figura 3.6 – Configuração do carregamento (semieixo de roda dupla). ... 108 Figura 3.7 – Extração de corpo de prova: (a) Furo de onde foi retirado um corpo de prova e (b) Corpo de prova extraído. ... 115 Figura 3.8 – Levantamentos em 2017: (a) Inventário de defeitos de superfície; (b) Afundamento de trilha de roda; (c) Microtextura; (d) Macrotextura. ... 116 Figura 4.1 – Média dos afundamento de trilha de roda medidos em 2014 no Segmento Monitorado 01. ... 122 Figura 4.2 – Média dos afundamento de trilha de roda medidos em 2014 no Segmento Monitorado 02. ... 122 Figura 4.3 – Média dos afundamento de trilha de roda medidos em 2014 no Segmento Monitorado 03. ... 122 Figura 4.4 – Média do IRI medido em 2014 nos Segmentos Monitorados. ... 123 Figura 4.5 – Evolução das deflexões no Segmento Monitorado 01. ... 125 Figura 4.6 – Evolução das deflexões no Segmento Monitorado 02. ... 126 Figura 4.7 – Evolução das deflexões no Segmento Monitorado 03. ... 126 Figura 4.8 – Curvas de fadiga ... 129 Figura 4.9 – Modelo de Huet-Sayegh ajustado ao plano complexo (Cole-Cole) da mistura convencional de laboratório. ... 131 Figura 4.10 – Modelo de Huet-Sayegh ajustado ao plano complexo (Cole-Cole) da mistura modificada (BMP) de laboratório. ... 131 Figura 4.11 – Modelo de Huet-Sayegh ajustado ao plano complexo (Cole-Cole) da mistura convencional de campo. ... 132 Figura 4.12 – Modelo de Huet-Sayegh ajustado ao plano complexo (Cole-Cole) da mistura modificada (BMP) de campo. ... 132 Figura 4.13 – Determinação da espessura adequada dos segmentos com revestimento em camada singular (Segmentos 04 e 05)... 139 Figura 4.14 – Estimativa de vida útil com o aumento apenas da camada de mistura convencional. ... 140 Figura 4.15 – Determinação da espessura adequada do segmento com revestimento em camadas integradas (Segmento 03). ... 140 Figura 4.16 – PIB do Brasil de 2014 a 2017. ... 141 Figura 4.17 – Determinação da espessura adequada dos segmentos com revestimento em camada singular (Segmentos 04 e 05) para o número N atualizado. ... 146
Figura 4.18 – Determinação da espessura adequada do segmento com revestimento em camadas integradas (Segmento 03) para o número N atualizado. ... 147 Figura 4.19 – Área trincada na faixa direita dos Segmentos Monitorados. ... 148 Figura 4.20 – Afundamento de trilha de roda na faixa direita do Segmento Monitorado 05. ... 149 Figura 4.21 – Afundamento de trilha de roda na faixa direita do Segmento Monitorado 03. ... 150 Figura 4.22 – Afundamento de trilha de roda na faixa direita do Segmento Monitorado 04. ... 150 Figura 4.23 – Afundamento de trilha de roda por categorias. ... 151 Figura 4.24 – Índice de Gravidade Global dos Segmentos Monitorados. ... 152 Figura 4.25 – Área trincada na faixa direita dos Segmentos Monitorados. ... 153 Figura 4.26 – Afundamento de trilha de roda na faixa esquerda do Segmento Monitorado 05. ... 155 Figura 4.27 – Afundamento de trilha de roda na faixa direita do Segmento Monitorado 05. ... 155 Figura 4.28 – Afundamento de trilha de roda na faixa esquerda do Segmento Monitorado 03. ... 156 Figura 4.29 – Afundamento de trilha de roda na faixa direita do Segmento Monitorado 03. ... 156 Figura 4.30 – Afundamento de trilha de roda na faixa esquerda do Segmento Monitorado 04. ... 157 Figura 4.31 – Afundamento de trilha de roda na faixa direita do Segmento Monitorado 04. ... 157 Figura 4.32 – Afundamento de trilha de roda por categorias (Faixa esquerda). ... 158 Figura 4.33 – Afundamento de trilha de roda por categorias (Faixa direita). ... 159 Figura 4.34 – Índice de Gravidade Global dos Segmentos Monitorados. ... 160 Figura 4.35 – IRI dos Segmentos Monitorados. ... 160 Figura 4.36 – Grip Number (GN) médio dos Segmentos Monitorados. ... 161 Figura 4.37 – Macrotextura dos Segmentos Monitorados. ... 162 Figura 4.38 – Índice Internacional de Atrito (IFI) dos Segmentos Monitorados. ... 162 Figura 4.39 – Deflexões máximas no Segmento Monitorado 05. ... 163
Figura 4.40 – Deflexões máximas no Segmento Monitorado 03. ... 164
Figura 4.41 – Deflexões máximas no Segmento Monitorado 04. ... 164
Figura 4.42 – Raio de Curvatura das bacias deflectométricas do Segmento Monitorado 05. ... 165
Figura 4.43 – Raio de Curvatura das bacias deflectométricas do Segmento Monitorado 03. ... 166
Figura 4.44 – Raio de Curvatura das bacias deflectométricas do Segmento Monitorado 04. ... 166
Figura 4.45 – Área trincada na faixa direita dos Segmentos Monitorados. ... 170
Figura 4.46 – Afundamento de trilha de roda no Segmento Monitorado 05. ... 171
Figura 4.47 – Afundamento de trilha de roda no Segmento Monitorado 03. ... 171
Figura 4.48 – Afundamento de trilha de roda no Segmento Monitorado 04. ... 172
Figura 4.49 – Afundamento de trilha de roda por categorias. ... 173
Figura 4.50 – Índice de Gravidade Global dos Segmentos Monitorados. ... 174
Figura 4.51 – Evolução da porcentagem de área trincada na faixa direita dos segmentos em função do tempo. ... 175
Figura 4.52 – Evolução da porcentagem de área trincada na faixa direita dos segmentos em função do NUSACE. ... 175
Figura 4.53 – Evidência de que as trincas iniciam de baixo para cima. ... 176
Figura 4.54 – Evolução das trincas. ... 177
Figura 4.55 – Trincamento no Segmento 05 em julho de 2017. ... 177
Figura 4.56 – Trincamento no Segmento 03 em julho de 2017. ... 178
Figura 4.57 – Trincamento no Segmento 04 em julho de 2017. ... 178
Figura 4.58 – Evolução da porcentagem de área trincada na trilha de roda em função do tempo. ... 179
Figura 4.59 – Evolução da porcentagem de área trincada na trilha de roda em função do NUSACE. ... 179
Figura 4.60 – Comparação da evolução da porcentagem de área trincada com modelos de previsão de desempenho... 180
Figura 4.61 – Evolução do afundamento de trilha de roda médio em função do tempo. ... 181
Figura 4.62 – Evolução do afundamento de trilha de roda médio em função do NUSACE. ... 182
Figura 4.63 – Máximo afundamento de trilha de roda observado no Segmento 05. ... 183
Figura 4.64 – Máximo afundamento de trilha de roda observado no Segmento 03... 183 Figura 4.65 – Máximo afundamento de trilha de roda observado no Segmento 04... 183 Figura 4.66 – Comparação da evolução do afundamento de trilha de roda médio com modelos de previsão de desempenho – Segmento 05. ... 184 Figura 4.67 – Comparação da evolução do afundamento de trilha de roda médio com modelos de previsão de desempenho – Segmento 03. ... 184 Figura 4.68 – Comparação da evolução do afundamento de trilha de roda médio com modelos de previsão de desempenho – Segmento 04. ... 185 Figura 4.69 – Evolução do afundamento de trilha de roda médio em função do tempo. ... 186 Figura 4.70 – Evolução do afundamento de trilha de roda médio em função do NUSACE. ... 186 Figura 4.71 – Comparação da evolução do IGG com o modelo de previsão de desempenho de Marcon (1996). ... 187 Figura 4.72 – Evolução do IRI médio em função do tempo. ... 188 Figura 4.73 – Evolução do IRI médio em função do NUSACE. ... 188 Figura 4.74 – Comparação da evolução do IRI médio com modelos de previsão de desempenho – Segmento 05. ... 189 Figura 4.75 – Comparação da evolução do IRI médio com modelos de previsão de desempenho – Segmento 03. ... 190 Figura 4.76 – Comparação da evolução do IRI médio com modelos de previsão de desempenho – Segmento 04. ... 190 Figura 4.77 – Evolução do VRD médio em função do tempo. ... 191 Figura 4.78 – Evolução do VRD médio em função do NUSACE... 192 Figura 4.79 – Comparação da evolução do VRD médio com o modelo de previsão de desempenho de Mattos (2009) – Segmentos 04 e 05. . 192 Figura 4.80 – Comparação da evolução do VRD médio com o modelo de previsão de desempenho de Mattos (2009) – Segmento 03. ... 193 Figura 4.81 – Evolução do HS médio em função do tempo. ... 193 Figura 4.82 – Evolução do HS médio em função do NUSACE. ... 194 Figura 4.83 – Comparação da evolução do HS médio com o modelo de previsão de desempenho de Mattos (2009) – Segmentos 04 e 05. ... 195 Figura 4.84 – Comparação da evolução do HS médio com o modelo de previsão de desempenho de Mattos (2009) – Segmento 03. ... 195 Figura 4.85 – Evolução do IFI médio em função do tempo. ... 196 Figura 4.86 – Evolução do IFI médio em função do NUSACE. ... 196
Figura 4.87 – Evolução da deflexão média em função do tempo. ... 197 Figura 4.88 – Evolução da deflexão média em função do NUSACE. ... 197 Figura 4.89 – Tráfego acumulado versus porcentagem de área trincada em relação à área da trilha de roda – Segmento 05. ... 198 Figura 4.90 – Tráfego acumulado versus porcentagem de área trincada em relação à área da trilha de roda – Segmento 04. ... 200 Figura 4.91 – Determinação da espessura de revestimento adequada considerando como critério de fadiga 1%, 10% e 20% de área trincada na região da trilha de roda. ... 204 Figura 4.92 – Tráfego acumulado versus porcentagem de área trincada em relação à área da trilha de roda – Segmento 03. ... 205 Figura 4.93 – Determinação da espessura de revestimento adequada considerando como critério de fadiga 1%, de área trincada na região da trilha de roda. ... 207
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1– Níveis de avaliação da serventia. ... 37
Tabela 2.2 – Condições do pavimento em função do IGG. ... 39
Tabela 2.3 – Condições do pavimento em função de QI e IRI. ... 47
Tabela 2.4 – Condições do pavimento em função da microtextura. ... 53
Tabela 2.5 – Condições do pavimento em função da macrotextura. ... 56
Tabela 2.6 – Condições do pavimento em função do IFI. ... 60
Tabela 3.1 – Parâmetros elásticos das camadas de base, sub-base e subleito. ... 108
Tabela 4.1 – Características da aderência em 2014 – Mancha de Areia e Pêndulo Britânico. ... 124
Tabela 4.2 – Características da aderência em 2014 – Mancha e GripTester. ... 124
Tabela 4.3 – Média e desvio padrão das deflexões medidas em 2013 e 2014 (x 0,01 mm). ... 126
Tabela 4.4 – Módulos obtidos por retroanálise das bacias de deflexões. ... 127
Tabela 4.5 – Resultados dos ensaios de deformação permanente. ... 128
Tabela 4.6 – Parâmetros reológicos do modelo de Huet-Sayegh. ... 130
Tabela 4.7 – Resultados das simulações numéricas e previsão da vida útil à fadiga dos revestimentos. ... 134
Tabela 4.8 – Resultados das simulações numéricas e previsão da vida útil à fadiga dos revestimentos para estruturas com 17,0 cm de espessura. ... 137
Tabela 4.9 – Volume Médio Diário Anual (VMDA) de 2014 a 2017. 141 Tabela 4.10 – Volume Médio Diário Anual (VMDA) de 2018 a 2023. ... 142
Tabela 4.11 – Volume Médio Diário Anual (VMDA) estimado por Santos (2016). ... 142
Tabela 4.12 – Fatores de Veículo (FV) ... 143
Tabela 4.13 – Fatores de Veículo (FV) utilizado por Santos (2016). .. 143
Tabela 4.14 – Número N anual e acumulado determinados pelos métodos do USACE e da AASHTO... 144
Tabela 4.15 – Número N anual e acumulado determinados por Santos (2016) pelos métodos do USACE e da AASHTO. ... 145
Tabela 4.16 – N acumulado até a realização dos levantamentos. ... 145
Tabela 4.17 – Porcentagem de área trincada em relação à área total da faixa direita e em relação à área da trilha de roda na faixa direita dos segmentos. ... 148
Tabela 4.18 – Média e desvio padrão das medidas de afundamento de trilha de roda. ... 150 Tabela 4.19 – Média e desvio padrão da macrotextura, microtextura e do IFI... 153 Tabela 4.20 – Porcentagem de área trincada em relação à área total da faixa direita e em relação à área da trilha de roda na faixa direita dos segmentos. ... 154 Tabela 4.21 – Média e desvio padrão das medidas de afundamento de trilha de roda. ... 158 Tabela 4.22 – Média e desvio padrão das deflexões medidas (x 0,01 mm). ... 165 Tabela 4.23 – Módulos obtidos por retroanálise das bacias de deflexão medidas em 2016. ... 167 Tabela 4.24 – Resultados dos ensaios de módulo de resiliência e resistência à tração de mistura convencional. ... 168 Tabela 4.25 – Porcentagem de área trincada em relação à área total da faixa direita e em relação à área da trilha de roda na faixa direita dos segmentos. ... 170 Tabela 4.26 – Média e desvio padrão das medidas de afundamento de trilha de roda. ... 172 Tabela 4.27 – Média e desvio padrão da microtextura, macrotextura e do IFI... 174 Tabela 4.28 – Idade, tráfego acumulado e porcentagem de área trincada na trilha de roda – Segmento 05. ... 198 Tabela 4.29 – Fator Laboratório/campo para o aparecimento de 1% de área trincada no Segmento 05. ... 199 Tabela 4.30 – Fator laboratório/campo para o aparecimento de 10% de área trincada no Segmento 05. ... 199 Tabela 4.31 – Idade, tráfego acumulado e porcentagem de área trincada na trilha de roda – Segmento 04. ... 200 Tabela 4.32 – Fator laboratório/campo para o aparecimento de 1% de área trincada no Segmento 04. ... 201 Tabela 4.33 – Fator laboratório/campo para o aparecimento de 10% de área trincada no Segmento 04. ... 201 Tabela 4.34 – Fator laboratório/campo para o aparecimento de 20% de área trincada no Segmento 04. ... 202 Tabela 4.35 – Estimativa de vida útil com critério de fadiga para início do trincamento, 1%, 10% e 20% de área trincada. ... 203 Tabela 4.36 – Idade, tráfego acumulado e porcentagem de área trincada na trilha de roda – Segmento 03. ... 205
Tabela 4.37 – Fator laboratório/campo para o aparecimento de 1% de área trincada no Segmento 03. ... 206
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AASHTO – American Association of State Highway and Transportation Officials
ARTESP – Agência Reguladora de Serviços Públicos Delegados de Transporte do Estado de São Paulo
ASTM – American Society for Testing and Materials BMP – Borracha moída de pneu
BPN – British Pendulum (Tester) Number CAP – Cimento Asfáltico de Petróleo
CENPES – Centro de Pesquisas de Desenvolvimento Leopoldo Américo Miguez de Mello / Petrobras
CNT – Confederação Nacional do Transporte
COPPETEC – Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia
DNER – Departamento Nacional de Estradas de Rodagem (Extinto)
DNIT – Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes ETD – Estimated texture Depth
FWD – Falling Weight Deflectometer GN – Grip Number
HS – Altura média de mancha de areia IFI – International Friction Index
IFSTTAR – Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l’Aménagement et des Réseaux
IGG – Índice de Gravidade Global IRI – International Roughness Index ISC – Índice de Suporte Califórnia MPD – Mean Profile Depth
PNCT – Plano Nacional de Contagem de Tráfego QI – Quociente de Irregularidade
RC – Raio de Curvatura
UFRJ – Universidade Federal do Rio de Janeiro UFSC – Universidade Federal de Santa Catarina USACE – United States Army Corps of Engineers VRD – Valor de Resistência à Derrapagem VSA – Valor de Serventia Atual
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 31 1.1 OBJETIVOS ... 32 1.1.1 Objetivo geral ... 32 1.1.2 Objetivos específicos ... 33 1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 33 2 REVISÃO DE LITERATURA ... 35 2.1 SEGMENTOS MONITORADOS ... 35 2.2 AVALIAÇÃO DE PAVIMENTOS FLEXÍVEIS ... 36 2.2.1 Avaliação Funcional ... 36 2.2.1.1 Estado da superfície do pavimento... 36 2.2.1.1.1 Avaliação Subjetiva ... 37 2.2.1.1.2 Avaliação objetiva ... 38 2.2.1.2 Afundamento de trilha de roda ... 41 2.2.1.3 Irregularidade Longitudinal ... 45 2.2.1.4 Aderência pneu-pavimento ... 49 2.2.2 Avaliação Estrutural ... 63 2.2.2.1 Métodos de avaliação estrutural ... 65 2.2.2.2 Parâmetros de análise na avaliação estrutural ... 68
2.3 MODELOS DE PREVISÃO DE DESEMPENHO
DESENVOLVIDOS PARA PAVIMENTOS FLEXÍVEIS ... 73 2.3.1 Modelos de previsão de desempenho de Queiroz (1981) .. 74 2.3.2 Modelos de previsão de desempenho de Paterson (1987) 76 2.3.3 Modelos de previsão de desempenho de Marcon (1996) .. 77 2.3.4 Modelos de previsão de desempenho de Yshiba (2003) ... 79 2.3.5 Modelos de previsão de desempenho de Vitorello (2008) 80 2.3.6 Modelos de previsão de desempenho de Mattos (2009) ... 81
2.4 COMPORTAMENTO REOLÓGICO E MECÂNICO DE
MISTURAS DE CONCRETO ASFÁLTICO ... 82 2.4.1 Comportamento reológico ... 82
2.4.2 Deformação permanente ... 88 2.4.3 Comportamento à fadiga ... 90 2.5 FATOR LABORATÓRIO/CAMPO ... 93
2.6 REVESTIMENTOS EM CAMADAS SINGULAR E
INTEGRADAS ... 94 2.6.1 Misturas asfálticas modificadas por borracha de pneus . 96 2.7 RESUMO DA REVISÃO DE LITERATURA ... 98 3 MÉTODO DA PESQUISA... 101 3.1 ETAPA 1 – CARACTERIZAÇÃO DOS SEGMENTOS MONITORADOS: 2014 (ANO ZERO) ... 102 3.1.1 Informações gerais ... 102 3.1.2 Levantamentos realizados em 2014 ... 104 3.2 ETAPA 2 – SIMULAÇÕES NÚMERICAS E PREVISÃO DO DESEMPENHO À FADIGA ... 107 3.3 ETAPA 3 – ATUALIZAÇÃO DO TRÁFEGO ... 109 3.4 ETAPA 4 – AVALIAÇÃO EM 2015 ... 111 3.5 ETAPA 5 – AVALIAÇÃO EM 2016 ... 112 3.6 ETAPA 6 – AVALIAÇÃO EM 2017 ... 116 3.7 ETAPA 7 – EVOLUÇÃO TEMPORAL E MODELAÇÃO DO DESEMPENHO ... 118 3.8 ETAPA 8 – FATOR LABORATÓRIO/CAMPO ... 118
4 APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
121
4.1 ETAPA 1 – CARACTERIZAÇÃO DOS SEGMENTOS MONITORADOS: 2014 (ANO ZERO) ... 121 4.1.1 Condição Funcional: 2014 (Ano Zero) ... 121 4.1.1.1 Avaliação dos defeitos superficiais em 2014 ... 121 4.1.1.2 Avaliação do afundamento de trilha de roda em 2014 ... 121 4.1.1.3 Avaliação da irregularidade longitudinal em 2014 ... 123 4.1.1.4 Avaliação da aderência pneu-pavimento em 2014... 123 4.1.2 Condição Estrutural: 2014 (Ano Zero) ... 125
4.1.2.1 Levantamentos deflectométricos ... 125 4.1.2.2 Retroanálise ... 127 4.1.3 Comportamento à deformação permanente ... 127 4.1.4 Comportamento à Fadiga ... 128 4.2 ETAPA 2 – SIMULAÇÕES NÚMERICAS E PREVISÃO DO DESEMPENHO À FADIGA ... 130 4.2.1 Estimativa de vida útil ... 135 4.2.2 Análise comparativa da estimativa de vida útil dos segmentos em camada singular e integradas considerando espessura de revestimento de 17 cm ... 136 4.2.3 Espessura de revestimento adequada nos Segmentos Monitorados de Araranguá (N = 1,67x108) ... 138 4.3 ETAPA 3 – ATUALIZAÇÃO DO TRÁFEGO ... 141 4.3.1 Espessura de revestimento adequada nos Segmentos Monitorados de Araranguá (N = 8,02x107) ... 146 4.4 ETAPA 4 – AVALIAÇÃO EM 2015 ... 147 4.4.1 Condição Funcional em 2015 ... 147 4.4.1.1 Avaliação dos defeitos superficiais em 2015 ... 147 4.4.1.2 Avaliação do afundamento de trilha de roda em 2015 ... 149 4.4.1.3 Avaliação do Índice de Gravidade Global em 2015 ... 152 4.4.1.4 Avaliação da aderência pneu-pavimento em 2015 ... 152 4.5 ETAPA 5 – AVALIAÇÃO EM 2016 ... 153 4.5.1 Condição Funcional: 2016 ... 153 4.5.1.1 Avaliação dos defeitos superficiais em 2016 ... 153 4.5.1.2 Avaliação do afundamento de trilha de roda em 2016 ... 154 4.5.1.3 Avaliação da Índice de Gravidade Global em 2016 ... 159 4.5.1.4 Avaliação da irregularidade longitudinal em 2016 ... 160 4.5.1.5 Avaliação da aderência pneu-pavimento em 2016 ... 161 4.5.2 Condição Estrutural em 2016 ... 163 4.5.2.1 Avaliação das deflexões máximas em 2016 ... 163
4.5.2.2 Avaliação do raio de curvatura em 2016 ... 165 4.5.2.3 Retroanálise das bacias de deflexão ... 167 4.5.2.4 Comportamento mecânico ... 168 4.6 ETAPA 6 – AVALIAÇÕES EM 2017 ... 169 4.6.1 Condição Funcional: 2017 ... 169 4.6.1.1 Avaliação dos defeitos superficiais em 2017 ... 169 4.6.1.2 Avaliação do afundamento de trilha de roda em 2017 ... 171 4.6.1.3 Avaliação do Índice de Gravidade Global em 2017 ... 173 4.6.1.4 Avaliação da aderência pneu-pavimento em 2017... 174 4.7 ETAPA 7 – EVOLUÇÃO TEMPORAL E MODELAÇÃO DO DESEMPENHO ... 174 4.7.1 Área trincada... 174 4.7.2 Afundamento de trilha de roda ... 181 4.7.3 Evolução do Índice de Gravidade Global ... 185 4.7.4 Evolução da irregularidade longitudinal ... 188 4.7.5 Evolução da aderência pneu-pavimento ... 191 4.7.5.1 Evolução da microtextura ... 191 4.7.5.2 Evolução da macrotextura... 193 4.7.5.3 Evolução do IFI ... 195 4.7.6 Evolução da deflexão ... 197 4.8 ETAPA 8 – FATOR LABORATÓRIO/CAMPO ... 198 4.8.1 Segmentos com revestimento em camada singular ... 198 1.1.1 Segmento com revestimento em camadas integradas .... 204 5 CONCLUSÃO ... 209 REFERÊNCIAS ... 213 APÊNDICE A – DADOS BRUTOS COLETADOS EM 2015 ... 227 APÊNDICE B – DADOS BRUTOS COLETADOS EM 2016 ... 237 APÊNDICE C – DADOS BRUTOS COLETADOS EM 2017 ... 271 ANEXO A – CONTAGEM DE TRÁFEGO ... 297 ANEXO B – COMPONENTE VISCOSA (E2) DO MÓDULO COMPLEXO ... 303
1 INTRODUÇÃO
De acordo com a pesquisa realizada em 2016 pela Confederação Nacional do Transporte (CNT), no Brasil o meio rodoviário é responsável por 61,1% do transporte de cargas, seguido pelos meios ferroviário (20,7%), aquaviário (13,6%), dutoviário (4,2%) e aéreo (0,4%). Na matriz de transportes de passageiros, o meio rodoviário predomina com 95% de participação. Além disso, ele é o principal responsável pela integração com os demais meios do setor de transportes, sendo fundamental para o desenvolvimento socioeconômico do País.
Apesar da predominância e importância do meio rodoviário na matriz de transportes, dos 1.720.756 km de rodovias apenas 12,3% encontram-se pavimentadas (CNT, 2016). A pesquisa de 2016 da CNT mostrou ainda que dos 103.259 km avaliados 60.165 km (58,2%) apresentaram algum tipo de deficiência no pavimento, sendo que 34,6% foram classificados como de qualidade regular, 17,3% como ruins e 6,3% como péssimos. Desta forma, observa-se que a malha rodoviária avaliada encontra-se em uma situação crítica em termos de qualidade, o que resulta no aumentando do custo do transporte.
A falta de investimentos, o excesso de peso das cargas transportadas, o progressivo aumento da frota de caminhões tipo bitrem e rodotrem são fatores que contribuem para a degradação do pavimento das rodovias brasileiras. Associado a isso, tem-se um método empírico de dimensionamento de pavimentos flexíveis que contempla um eixo padrão de dimensionamento de 8,2 tf, enquanto a carga “legal” atual pode chegar a 10tf (+10% de tolerância). Além disso, as especificações para projeto e caracterização das misturas asfálticas não exigem a realização de qualquer ensaio de desempenho.
Neste cenário, a PETROBRAS implantou em 2006, em parceria com algumas universidades brasileiras, a Rede Temática de Tecnologia em Asfalto. O projeto foi dividido em duas etapas, onde na primeira etapa buscou-se melhorar a infraestrutura laboratorial das universidades, com a construção, ampliação e/ou reforma da área física e a aquisição de novos equipamentos. Na segunda etapa, a partir de 2009, foram construídos segmentos experimentais em algumas rodovias brasileiras, sendo realizado o acompanhamento do processo executivo e a coleta de materiais para posteriores ensaios em laboratório. Desde 2010 vem sendo realizado o monitoramento das condições funcionais e estruturais desses segmentos.
No estado de Santa Catarina, entre os anos de 2011 e 2012, foram executados nove segmentos, que desde a implantação estão sendo monitorados pelo Laboratório de Pavimentação da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Cinco desses segmentos estão localizados na rodovia BR-101, no Contorno de Araranguá, que consiste em uma rodovia com elevado volume de tráfego (8,02x107 USACE). Três segmentos situam-se no munícipio de Urubici, na rodovia SC-370, a qual apresenta baixo volume de tráfego (N = 1,77x106 USACE). E um segmento está localizado no município de Itapoá, na rodovia SC-416, que apresenta médio volume de tráfego (N = 3,90x107 USACE).
A presente pesquisa tem como objetivo o monitoramento e análise do desempenho funcional e estrutural dos segmentos situados no Contorno de Araranguá/SC. Entretanto, dos cinco segmentos apenas três fazem parte deste estudo. Isso em razão dos segmentos 01 e 02 terem recebido um camada de microrrevestimento após um ano da abertura ao tráfego. Com isso, a análise das condições do pavimento nesses segmentos ficou comprometida.
A estrutura dos três Segmentos Monitorados de Araranguá analisados é semelhante ao restante da obra, exceto a camada de revestimento do Segmento 03. Neste o revestimento foi construído aplicando-se a técnica de camadas integradas. Esta técnica consiste em implantar um revestimento em duas camadas de diferentes misturas asfálticas, onde a camada inferior seja resistente ao fenômeno de fadiga, dado o predomínio da formação das trincas por fadiga de baixo para cima (bottom-up cracking), e a camada superior apresenta resistência ao fenômeno de deformação permanente. Sendo assim, no Segmento 03 a camada superior do revestimento foi executada com mistura convencional e camada inferior com mistura modificada com borracha moída de pneu (BMP).
Os demais Segmentos Monitorados localizados no Contorno de Araranguá foram executados somente com mistura convencional (camada singular). Desta forma, neste estudo será possível avaliar a influência da presença da mistura modificada no desempenho do pavimento.
1.1 OBJETIVOS 1.1.1 Objetivo geral
Esta pesquisa tem como objetivo geral a avaliação do desempenho funcional e estrutural, desde a abertura ao tráfego (2014)
até o ano de 2017, de dois segmentos com revestimento em camada singular e um segmento com revestimento em camadas integradas, inseridos na rodovia BR-101, no município de Araranguá/SC.
1.1.2 Objetivos específicos
Para que o objetivo geral seja alcançado, foram estabelecidos os seguintes objetivos específicos:
Analisar a evolução da serventia do pavimento por meio de medidas de irregularidade longitudinal e do inventário de defeitos de superfície (trincas e afundamento de trilha de roda);
Analisar a evolução da segurança dos pavimentos quanto ao risco de derrapagem e hidroplanagem por meio das medidas da micro e macrotextura;
Analisar a evolução da condição estrutural por meio das medidas de deflexão;
Estimar a vida útil dos três segmentos a partir de modelos de fadiga obtidos de corpos de prova moldados em laboratório e corpos de prova extraídos de campo;
Comparar o desempenho do pavimento dos Segmentos Monitorados executados em camada singular com o desempenho daquele executado em camadas integradas;
Comparar o desempenho dos três Segmentos Monitorados com modelos de previsão de desempenho de pavimentos flexíveis;
Obter fatores laboratório-campo através de análise viscoelástica com base na caracterização reológica, no comportamento à fadiga no equipamento 4 pontos e nos resultados de desempenho observados em campo.
1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO
Com o objetivo de expor de maneira clara e ordenada todas as etapas da pesquisa, esta Dissertação foi estruturado em 6 capítulos: Capítulo 1 – Introdução
No primeiro capítulo são apresentados o tema da pesquisa e os seus objetivos, geral e específicos, que irão orientar a elaboração da pesquisa.
Capítulo 2 – Revisão de literatura
Este capítulo apresenta um revisão de literatura a respeito do tema em estudo. Para tanto, são abordados assuntos como segmentos monitorados, avaliação das condições funcionais e estruturais dos pavimentos, modelos de previsão de desempenho desenvolvidos no Brasil, comportamento reológico e mecânico de misturas asfálticas, fator laboratório/campo e por fim apresenta-se uma breve descrição de revestimentos em camadas singular e integradas. A bibliografia consultada proporciona embasamento para o desenvolvimento da pesquisa.
Capítulo 3 – Método da pesquisa
O Capítulo 3 expõe e detalha o método adotado para que os objetivos propostos no trabalho sejam atingidos.
Capítulo 4 – Apresentação e discussão dos resultados
No Capítulo 4, são apresentados, interpretados e discutidos os resultados obtidos nos procedimentos previamente definidos no método da pesquisa.
Capítulo 5 – Conclusões e recomendações para trabalhos futuros Neste capítulo retrata-se as principais conclusões obtidas acerca do objetivo da pesquisa e as perspectivas futuras para a continuação do estudo.
2 REVISÃO DE LITERATURA
2.1 SEGMENTOS MONITORADOS
De acordo com o Manual de Execução de Trechos Monitorados (RTA, 2010) um segmento monitorado consiste de um trecho construído sob determinadas condições, que será acompanhado sistematicamente segundo procedimentos pré-estabelecidos.
Para realizar o monitoramento de um pavimento é importante conhecer os materiais empregados, a espessura de cada camada, as técnicas construtivas adotadas, as condições geométricas transversais e longitudinais, entre outros elementos. Além disso, é necessário selecionar as variáveis cujos valores podem variar ao longo do tempo e que tenham influência significativa nas condições funcionais e estruturais do pavimento. Por fim, deve-se estabelecer a periodicidade das avaliações para cada parâmetro (BRASIL, 2004).
Ao longo dos anos diversos estudos foram conduzidos em segmentos monitorados, seja em pista experimental ou rodovias submetidas ao tráfego real, a fim de avaliar o desempenho dos pavimentos. Isso permitiu o desenvolvimento de novos conceitos e metodologias que hoje fundamentam muitos aspectos da infraestrutura de transportes, como os métodos de dimensionamento de pavimentos (ANDRADE, 2017).
Um dos estudos pioneiros de acompanhamento sistemático foi o experimento da American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) que ocorreu entre 1958 e 1960, na cidade de Ottawa, Illinois, EUA. Esse estudo promoveu um importante avanço do conhecimento na área de pavimentação, introduzindo conceitos como serventia, a concepção dos fatores de equivalência de carga e modelos de previsão de desempenho (ANDRADE, 2017).
No Brasil, o estudo mais recente em segmentos monitorados vem sendo realizado pela Rede Temática de Tecnologia em Asfalto. Nessa pesquisa, o monitoramento do comportamento do pavimento possibilita a análise do seu desempenho quanto aos aspectos funcionais e estruturais, permitindo o acompanhamento da evolução da deterioração do pavimento e a realização da estimativa da vida restante da estrutura. A partir dessas informações obtidas em campo, juntamente com resultados de ensaios de laboratório, o projeto objetiva criar um novo método de dimensionamento de pavimentos flexíveis.
2.2 AVALIAÇÃO DE PAVIMENTOS FLEXÍVEIS
Os pavimentos são dimensionados para resistirem por um determinado período, sendo que em cada um destes períodos ou “ciclos de vida” o pavimento inicia em uma condição perfeita até atingir uma condição ruim (BRASIL, 2006a). Por meio de avaliações das condições do pavimento é possível determinar seu estado de conservação atual, e assim, definir a necessidade de serviços de manutenção e restauração da rodovia (HAAS e HUDSON, 1978).
A avaliação das condições do pavimento é realizada através de inspeções de campo que visam descrever qualitativamente e quantitativamente a condição do pavimento. Essa avaliação pode basicamente ser dividida em dois tipos: avaliação funcional e a avaliação estrutural (PESSOA, 2013).
A avaliação funcional refere-se aos processos de identificação e caracterização de aspectos relacionados às condições da superfície de rolamento (NAKAHARA, 2005). Por sua vez, a avaliação estrutural está relacionada ao estado da estrutura do pavimento quanto à capacidade de suportar as cargas para o qual o pavimento foi projetado (FREITAS, 2001).
Essas avaliações têm igual importância e se complementam, pois problemas funcionais que se manifestam na superfície do pavimento podem surgir em decorrência de alguma deficiência estrutural.
2.2.1 Avaliação Funcional
A avaliação funcional tem por finalidade a caracterização do desempenho do pavimento sob o ponto de vista do usuário, especialmente quanto ao conforto e à segurança (BERNUCCI et al., 2010).
Para a análise do desempenho dos pavimentos quanto as suas condições funcionas são necessárias informações referentes aos defeitos de superfície, irregularidade longitudinal e aderência pneu-pavimento (microtextura e macrotextura).
2.2.1.1 Estado da superfície do pavimento
A avaliação do estado da superfície do pavimento pode ser feita de forma subjetiva e objetiva. Na avaliação subjetiva a condição do pavimento quanto ao conforto ao rolamento é determinada pela opinião de um grupo de avaliadores. Por outro lado, a avaliação objetiva define a
capacidade de oferecer rolamento confortável através da identificação e mensuração de defeitos superficiais e afundamentos de trilha de roda.
2.2.1.1.1 Avaliação Subjetiva
A norma DNIT 009/2003 – PRO (BRASIL, 2003d) define e fixa os procedimentos para realizar a avaliação subjetiva. Através dos métodos descritos nessa norma determina-se o padrão de serventia que o pavimento apresenta em um certo momento de sua vida, sendo este padrão denominado de Valor de Serventia Atual (VSA).
O VSA é uma atribuição numérica compreendida em uma escala de 0 a 5, dada pela média de notas de um grupo de avaliadores que percorrem o trecho sob análise dentro de um veículo de passeio. Nesse levantamento os avaliadores registrando suas opiniões sobre a capacidade do pavimento em atender às exigências do tráfego que sobre ele atua, quanto à suavidade e ao conforto. Os níveis de avaliação da serventia são apresentados na Tabela 2.1 (BRASIL, 2003d).
Tabela 2.1– Níveis de avaliação da serventia. Conceitos Faixa do VSA
Ótimo 4 – 5 Bom 3 – 4 Regular 2 – 3 Ruim 1 – 2 Péssimo 0 – 1 Fonte: Brasil (2003d)
Um pavimento bem executado apresentará um VSA elevado logo após a construção, em virtude das poucas irregularidades presentes na superfície. Porém, ao longo do tempo esse índice sofre redução devido ao tráfego e as intempéries. A Figura 2.1 ilustra a forma da curva do Valor de Serventia Atual versus tráfego ou tempo decorrido de utilização da via (BERNUCCI et al., 2010).
De acordo com Bernucci et al. (2010), quando o VSA atinge o limite de aceitabilidade apresentado na Figura 2.1, ou seja, nota 2,5 para vias de alto volume de tráfego e 2,0 para as demais, uma intervenção para manutenção corretiva deve ser realizada de modo a aumentar o índice. Caso não ocorra manutenção ou esta seja realizada de forma
inadequada, o VSA poderá atingir o limite de trafegabilidade, ou seja, nota 1,0. Neste caso será necessária a reconstrução do pavimento. Figura 2.1 – Variação da serventia com o tráfego ou com o tempo decorrido de utilização da via.
Fonte: Bernucci et al. (2010). 2.2.1.1.2 Avaliação objetiva
Para avaliar o estado da superfície do pavimento através da avaliação objetiva, deve-se seguir os procedimentos estabelecidos pela norma DNIT 006/2003 – PRO (BRASIL, 2003b). A avaliação objetiva é um técnica que defini o nível de serventia dos pavimentos rodoviários através do inventário de defeitos de superfície. Esse nível de serventia é quantificado pelo Índice de Gravidade Global (IGG).
Os tipos de defeitos registrados nos levantamentos estão definidos na norma DNIT 005/2003 – TER (BRASIL, 2003a), sendo estes: trincas (isoladas e interligadas), afundamento (plástico e de consolidação), ondulação ou corrugação, escorregamento, exsudação, desgaste e panelas ou buracos.
O levantamento de defeitos é realizado por amostragem através do caminhamento por estações de ensaio implantadas. Essas estações são delimitadas por uma área com 6 m de extensão sendo 3 m antes e 3 m após cada estação, e largura igual a da faixa avaliada. Nas rodovias de pista simples as estações localizam-se a cada 20 m, alternando em relação ao eixo da pista. Já nas rodovias de pista dupla as estações encontram-se a cada 20 m na faixa mais solicitada (BRASIL, 2003b).
Para calcular o índice IGG é necessário determinar a frequência de ocorrência de cada tipo de defeito e atribuir a cada um deles um fator de ponderação. Esses fatores de ponderação buscam mostrar a influência dos diferentes defeitos sobre a serventia do pavimento (BRASIL, 2003b).
A fim de conferir um conceito ao IGG que retrate o grau de degradação atingido, a norma DNIT 006/2003 (BRASIL, 2003b) estabelece a classificação mostrada na Tabela 2.2.
Tabela 2.2 – Condições do pavimento em função do IGG. Conceitos Limites Ótimo 0 < IGG ≤ 20 Bom 20 < IGG ≤ 40 Regular 40 < IGG ≤ 80 Ruim 80 < IGG ≤ 160 Péssimo IGG > 160 Fonte: Brasil (2003b).
Uma vez que o IGG permite classificar o estado geral do pavimento, esse índice torna-se um indicador para a tomada de decisão quanto a realização de intervenções de restauração (BRASIL, 2006a). No entanto, é importante destacar que o conceito atribuído ao IGG não deve substituir o valor calculado, visto que segmentos com mesmo conceito podem apresentar diferentes valores de IGG e, portanto, diferentes condições a serem consideradas caso seja necessária uma intervenção (BERNUCCI et al., 2010).
Páez (2015) acredita que o IGG apresenta uma caracterização pouco confiável do estado da superfície do pavimento, pois o método avalia somente 15% da área total do pavimento. Além disso, o cálculo do Índice de Gravidade Global não leva em consideração a extensão e o nível de severidade dos defeitos (exceto para as trincas), apenas o número de ocorrências (BENEVIDES, 2006).
Neste sentido, Bernucci et al. (2010) afirmam que para uma adequada caracterização do estado de superfície do pavimento é necessário um bom diagnóstico dos defeitos, com observações globais, identificando as causas que levaram às patologias.
Na avaliação das condições do pavimento quanto as defeitos de superfície, o levantamento quando realizado por toda extensão de um segmento, permite também a determinação da porcentagem de área
trincada. De acordo com Brasil (2006a), quando o trincamento por fadiga atinge mais de 20% da área analisada, indica que há comprometimento estrutural.
A Figura 2.2 mostra a evolução da porcentagem de área trincada de um trecho em pavimento flexível analisado por Mendonça (2014). Esse trecho está localizado na rodovia BR-101/SE, sendo o tráfego estimado para o período de projeto de 1,84x108 (USACE). Como pode ser visto na Figura 2.2, ao longo dos três levantamentos realizados houve um aumento da porcentagem de área trincada.
Figura 2.2 – Evolução da porcentagem de área trincada no trecho monitorado B.
Fonte: Mendonça (2014).
Andrade (2017) também verificou um aumento da porcentagem de área trinca ao longo do tempo no segmento em pavimento flexível (Segmento 1) por ele analisado, conforme mostra a Figura 2.3. Segundo o autor, a ocorrência muito precoce de trincamento pode ter ocorrido em virtude da estrutura apresentar baixa rigidez.
O estudo de Andrade (2017) foi realizado em 4 diferentes segmentos localizados na Rodovia Fernão Dias (BR-381), em Minas Gerais, com tráfego estimado para o período de projeto de 1,4x108 (USACE). Os segmentos analisados por Andrade (2017) apresentam estruturas idênticas, diferenciando-se apenas pelo material empregado na camada de base. Conforme mostra a Figura 2.4, no Segmento 1 a camada de base foi executada em Brita Graduada Simples (BGS), no Segmento 2 em Brita Graduada Tratada com Cimento (BGTC), no Segmento 3 a camada de base é constituída de material fresado (RAP) estabilizado com emulsão asfáltica e no Segmento 4 a camada de base é
composta por material fresado (RAP) estabilizado com espuma de asfalto.
Figura 2.3 – Evolução da porcentagem de área trincada – Segmento 1.
Fonte: Andrade (2017).
Figura 2.4 – Estruturas avaliadas por Andrade (2017).
Fonte: Andrade (2017).
2.2.1.2 Afundamento de trilha de roda
O afundamento de trilha de roda (ATR), ou flecha na trilha de roda, corresponde a depressão longitudinal na superfície do pavimento no local da trilha dos pneus dos veículos. Esse tipo de defeito pode ser causado pela fluência plástica de uma ou mais camadas do pavimento, sendo denominado de afundamento plástico da trilha. Pode também ocorrer devido à consolidação diferencial de camadas do pavimento,
sendo intitulado de afundamento de consolidação da trilha (BRASIL, 2003c).
A norma DNIT 007/2003 – TER (BRASIL, 2003c) estabelece que as medidas dos afundamentos de trilha de roda sejam executadas através de uma treliça metálica, padronizada, com 1,20 m de comprimento na base e dotada de uma régua móvel instalada em seu ponto médio, como a mostrada na Figura 2.5. Essas medidas devem ser realizadas em milímetros nas trilhas de roda interna (TRI) e externa (TRE), deslocando-se a treliça transversalmente dentro da trilha até obtenção da leitura máxima.
Figura 2.5 – Treliça metálica para medida dos afundamentos de trilha de roda.
Fonte: Bernucci et al. (2010).
Entretanto, outros equipamentos podem ser empregados na mensuração das flechas nas trilhas de roda, como o Perfilômetro a Laser. A Figura 2.6 apresenta o perfilômetro empregado nos levantamentos nos Segmentos Monitorados de Araranguá.
Figura 2.6 – Perfilômetro a laser.
O equipamento, Modelo CIBERLASER 5 módulos da empresa CIBERMÉTRICA, é composto por cinco módulos laser (L1, L2, L3, L4 e L5), conforme mostra a Figura 2.7, sendo esses módulos fixados em uma barra presa na parte frontal de um veículo. O funcionamento do sistema ocorre por triangulação, onde um feixe laser de média potência é orientado perpendicularmente ao pavimento, e tem sua posição registrada por um sensor especial para o qual o reflexo do laser no pavimento é direcionado (GTPA, 2016).
Figura 2.7 – Esquema da posicionamento e distância (em cm) entre os sensores do perfilômetro.
Fonte: GTPA (2016).
Neste procedimento o posicionamento dos sensores na barra simulam a medição com a treliça, como pode ser visto na Figura 2.8. O cálculo feito pelo equipamento para a determinação dos afundamentos de trilha de roda é mostrado nas Equações 2.1 e 2.2, respectivamente para trilha esquerda e direita (CERATTI; NÚÑEZ, 2010).
Figura 2.8 – Simulação da medida de afundamento de trilha de roda com o Perfilômetro a Laser.
Fonte: Adaptado de Ceratti e Núñez (2010). 𝐴𝑇𝑅𝑒𝑠𝑞𝑢𝑒𝑟𝑑𝑎= 𝐿1− (
𝐿2+ 𝐿3
𝐴𝑇𝑅𝑑𝑖𝑟𝑒𝑖𝑡𝑎= 𝐿5− ( 𝐿3+ 𝐿4
2 ) (2.2)
Os dados do perfilômetro são coletados de forma contínua a uma velocidade constante (35 km/h). As medidas obtidas são expressos a cada 20 m, sendo que cada determinação representa a média de aproximadamente 6000 aquisições contínuas do equipamento (GTPA, 2016).
Segundo o Manual de Restauração de Pavimento Asfálticos (BRASIL, 2006a), afundamentos de trilha de roda superiores a 12 mm indicam comprometimento estrutural.
A Figura 2.9 mostra a evolução temporal dos afundamentos de trilha de roda médio no trecho monitorado B (TMB) de Mendonça (2014). Nesse segmento os afundamentos de trilha de roda são baixos nos primeiros meses após a abertura ao tráfego. No entanto, ao longo do tempo os valores tendem a aumentar.
Figura 2.9 – Evolução temporal do afundamento de trilha de roda médio do trecho monitorado B.
Fonte: Mendonça (2014).
A evolução do afundamento de trilha de roda nos segmentos analisados por Andrade (2017) é apresentada na Figura 2.10. Verifica-se nas 4 estruturas um aumento dos afundamentos de trilha de roda médio ao longo do tempo de operação. Entretanto, é notório o significativo crescimento dos afundamentos no Segmento 1, executado com base em brita graduada (BGS). O autor associa esse demasiado aumento ao material utilizado na camada de base, visto que esse é o único elemento diferente entre as 4 estruturas.
Figura 2.10 – Evolução do afundamento de trilha de roda em função do número N.
Fonte: Andrade (2017).
2.2.1.3 Irregularidade Longitudinal
Conforme definido pela norma DNER-PRO 164/94 (BRASIL, 1994b) a irregularidade longitudinal consiste no somatório dos desvios da superfície da rodovia em relação a um plano de referência ideal de projeto geométrico, que afeta a dinâmica dos veículos, a qualidade do rolamento e as cargas dinâmicas sobre a via.
Haas et al. (1994) afirmam que as distorções na superfície do pavimento afetam a dinâmica dos veículos em movimento que, por sua vez, influenciam nos custos de operação, pois ocorre aumento no desgaste do veículo, no tempo de viagem e na manutenção. Além de provocar aumento nos custos de operação dos veículos, as distorções que dão origem as irregularidades também causam deslocamentos verticais e laterais dos veículos. O deslocamento vertical interfere no conforto do usuário e o deslocamento lateral provoca aumento da ação das cargas dinâmicas sobre a superfície do pavimento, que acelera a deterioração.
De acordo com Nakahara (2005), a irregularidade longitudinal pode ser causada por qualquer um dos seguinte fatores:
Técnicas construtivas, que implicam em algumas variações do perfil da rodovia;
Repetição de carga, que causam distorções por deformação plástica em uma ou mais camadas do pavimento;
Expansão por congelamento e variações volumétricas devido às contrações ou expansões do subleito;
Compactação inicial não uniforme.
As medidas de irregularidade longitudinal são realizadas paralelamente ao eixo longitudinal da rodovia e, em geral, sobre os locais onde as rodas passam com mais frequência, ou seja, coincidem com as regiões de trilhas de roda. A largura da linha de levantamento pode variar de alguns milímetros a centímetros, dependendo do tipo de dispositivo empregado na medição (BRASIL, 2011).
Diversos equipamentos e processos foram concebidos para obtenção do parâmetro de irregularidade da superfície do pavimento. Esses equipamentos podem genericamente ser enquadrados em quatro grupos: sistemas de medidas diretas do perfil, sistemas de medidas indiretas do perfil, sistemas baseados na reação do veículo (sistemas medidores tipo resposta) e sistemas de medida com sonda sem contato (BRASIL, 2006a).
Um exemplo de equipamento com sistema de medida com sonda sem contato é o Perfilômetro a Laser, utilizado no levantamento da irregularidade longitudinal dos Segmentos Monitorados de Araranguá. O perfil longitudinal gerado para determinação da irregularidade foi originado das medições nos módulos L1, L3 e L5 (Figura 2.7). A taxa de aquisição de dados com esse equipamento é de aproximadamente 4000 medidas/segundo, sendo que no processamento as medidas são geradas a cada 20 metros de extensão (GTPA, 2016).
Devido à diversidade de equipamentos para obtenção da irregularidade longitudinal, muitos índices foram criados buscando representar o quão irregular estaria determinado trecho do pavimento. Para resolver os problemas de comparação, de subjetividade e para separar a medida do medidor, foi desenvolvido um índice internacional de irregularidade longitudinal conhecido como International Roughness Index – IRI, expresso em m/km (BARELLA, 2008).
O IRI foi estabelecido como medida de irregularidade longitudinal em 1986 (HANSEN, 2008). Esse índice resume matematicamente o perfil longitudinal de uma rodovia sobre uma trilha de roda, e descreve a vibração induzida por um veículo que trafega sobre uma superfície irregular (NAKAHARA, 2005).
De acordo com Brasil (2006a), a escala padrão de medida da irregularidade no Brasil é o Quociente de Irregularidade – QI, expresso em contagem por quilômetro (cont./km). No entanto, existe atualmente uma tendência de se adotar o IRI, pois o índice QI não é usado em países desenvolvidos, o que prejudica as comparações diretas entre situações de malhas rodoviárias estrangeiras (BARELLA, 2008).
Para correlacionar os conceitos de QI e IRI o Manual de Restauração de Pavimentos Asfálticos (BRASIL, 2006a) apresenta a Equação 2.3.
𝑄𝐼 = 13 ∗ 𝐼𝑅𝐼 (2.3)
onde:
IRI = Índice de Irregularidade Internacional, em m/km; QI = Quociente de Irregularidade, em contagens/km.
A Tabela 2.3 apresenta os níveis de conceitos atribuíveis as condições de superfície em função de QI e IRI estabelecidos por Brasil (2006a).
Tabela 2.3 – Condições do pavimento em função de QI e IRI.
Conceito Limites QI IRI Excelente 13 < QI ≤ 25 1,0 < IRI ≤ 1,9 Bom 25 < QI ≤ 35 1,9 < IRI ≤ 2,7 Regular 35 < QI ≤ 45 2,7 < IRI ≤ 3,5 Ruim 45 < QI ≤ 60 3,5 < IRI ≤ 4,6 Péssimo QI > 60 IRI > 4,6
Fonte: Brasil (2006a)
Nos Estados Unidos a Federal Higway Administration (FHWA) aplica o termo “qualidade de operação aceitável” para pavimentos que apresentam IRI abaixo de 2,69 m/km (170 polegadas/milha) (FHWA, 2010). No Brasil, esse valor corresponderia a um pavimento com condição boa quanto a irregularidade longitudinal.
Pavimentos em condições normais apresentam após a sua construção uma condição ótima quanto à irregularidade (1,8 ≤ IRI ≤ 2,0). Porém, ao longo do tempo o pavimento vai se deteriorando até atingir uma condição limite regular/ruim (IRI = 3,5 a 4,0) (BRASIL,
2006a). A Figura 2.11 mostra as faixas de variação do IRI em diversas situações.
Figura 2.11 – Faixas de variação de IRI para diversas situações.
Fonte: Sayers e Karamihas (1998) apud Bernucci et al. (2010).
No estudo realizado por Mendonça (2014) na rodovia BR-101/SE, o monitoramento do IRI com Perfilômetro a Laser, mostrou que após a abertura ao tráfego ocorreu um crescimento do índice IRI no trecho monitorado B, como pode ser observado na Figura 2.12. De acordo com Mendonça (2014), os consideráveis valores de IRI estão associados a elevada porcentagem de área trincada, que permitiu a penetração da água na estrutura do pavimento originando o bombeamento de finos e deformações plásticas.
Figura 2.12 – Evolução do IRI médio do trecho monitorado B.
Andrade (2017), por sua vez, concluiu a partir das medidas obtidas com o equipamento MERLIN (Machine for Evaluating Roughness using Low-cost Instrumentation), que independente da estrutura analisada não ocorrem alterações significativas nos valores de IRI ao longo do tempo, como pode ser visto na Figura 2.13.
Figura 2.13 – Evolução do IRI nos segmentos de Andrade (2017).
Fonte: Andrade (2017).
Nota-se ainda que tanto no estudo de Mendonça (2014) quanto no de Andrade (2017) os valores do índice IRI apresentavam-se altos desde a abertura ao tráfego. Os autores associaram esses elevados valores do IRI aos métodos construtivos adotados.
2.2.1.4 Aderência pneu-pavimento
Quando se trata de segurança viária, a aderência produzida na interação pneu-pavimento é um dos principais aspectos a ser levado em conta, pois ela assegura a mobilidade e a dirigibilidade do veículo (APS, 2006).
Existem vários fatores que influenciam na aderência, dentre esses pode-se citar o grau de desgaste da superfície do pavimento, a pressão de enchimento e tipo dos pneus (estrutura, composição e qualidade da borracha), a velocidade de circulação, a presença de água ou outros tipos de depósitos existentes no pavimento (borracha, óleos, folhas, etc.) e a época do ano (temperatura, índice pluviométrico, etc) (COUCHINHO, 2011).
Desta forma, uma boa interação pneu-pavimento depende basicamente da qualidade da área de contato. A presença de algum elemento que atue como lubrificante entre o pneu e o pavimento, como a água, associada a velocidade do veículo pode ocasionar dois fenômenos: a hidroplanagem e a viscoplanagem. A hidroplanagem ocorre quando o pneu do veículo perde totalmente o contato com a superfície do pavimento devido a presença de uma lâmina de água com espessura superior a 0,76 mm. A viscoplanagem consiste na perda de aderência entre o pneu e o pavimento devido a uma película de água com espessuras inferior a 0,10 mm (MATTOS, 2009).
Para melhor compreensão do fenômeno da aderência em pista molhadas apresenta-se a Figura 2.14.
Figura 2.14 – Deslocamento da água pelo pneu de acordo com o conceito das três zonas.
Fonte: Aps (2006).
Como pode ser visto na Figura 2.14, o contato do pneu com o pavimento molhado evidencia a ocorrência de três zonas distintas (SILVA e RODRIGUES FILHO, 1981):
Zona 1 (Z1): denominada “zona molhada” é a região da área de contato em que o pneu em movimento empurra para frente a água, provocando a formação de uma onda;
Zona 2 (Z2): denominada “zona de transição ou intermediária” é a região da área de contado onde o pneu passa a ter contato parcial com o pavimento devido à uma pequena lâmina d’água;
