NICOLE DECKMANN CALLAI
ESTUDO MECANÍSTICO DE MISTURAS DE ARGILA LATERÍTICA E
AGREGADO MIÚDO PARA EMPREGO EM PAVIMENTOS
ECONÔMICOS
Ijuí 2017
NICOLE DECKMANN CALLAI
ESTUDO MECANÍSTICO DE MISTURAS DE ARGILA LATERÍTICA E
AGREGADO MIÚDO PARA EMPREGO EM PAVIMENTOS
ECONÔMICOS
Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Civil apresentado como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Civil.
Orientador: Prof. Me. Carlos Alberto Simões Pires Wayhs
Ijuí 2017
ESTUDO MECANÍSTICO DE MISTURAS DE ARGILA LATERÍTICA E
AGREGADO MIÚDO PARA EMPREGO EM PAVIMENTOS
ECONÔMICOS
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de ENGENHEIRO CIVIL e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora.
Ijuí, 04 de dezembro de 2017
Prof. Carlos Alberto Simões Pires Wayhs
Mestrado pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul - Orientador
Prof. Lia Geovana Sala
Coordenador do Curso de Engenharia Civil/UNIJUÍ
BANCA EXAMINADORA
Prof. Carlos Alberto Simões Pires Wayhs (UNIJUÍ)
Mestrado pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul
Prof. José Antônio Santana Echeverria (UNIJUÍ)
À minha mãe, Tania, pelo exemplo de ser humano e mulher, por ser minha inspiração e minha motivação todos os dias da minha vida.
Gostaria de agradecer, primeiramente, à minha mãe Tania, por ter me dado o privilégio da sua companhia durante 9 anos da minha vida e que, apesar de não me conformar com o curto período que vivi ao seu lado, foi o suficiente para que pudesse me ensinar tudo que sei, ou presumo saber, sobre a vida, já que me mostrou que nunca podemos nos convencer em achar que sabemos e, dessa forma, foi a pessoa mais sábia que já conheci.
Ao meu pai, Amauri, e minha avó, Olinda, minha segunda mãe, por terem me amado, protegido e incentivado durante todos esses anos.
Ao Felipe, companheiro de sempre e pra sempre, por segurar minha barra diversas vezes, por estar ao meu lado em absolutamente tudo e por representar, pra mim, o significado de lealdade e companheirismo.
Ao meu orientador, Carlos Wayhs, pelo interesse infinito pela arte da pesquisa, pelo prazer de ensinar e transmitir conhecimentos, pelo tempo dedicado para a realização desta pesquisa, inclusive nos finais de semana, e por ter se tornado mais que um professor, e sim, um amigo.
Ao Laboratório de Pavimentação da UFRGS, em especial ao funcionário Matheus, por ter cedido espaço e tempo para realização dos ensaios triaxiais das misturas.
À Natalia Mensch, por ter conseguido espaço no LAPAV para que realizássemos os ensaios, por oferecer sua casa para estadia dos integrantes do grupo durante os dias em Porto Alegre e pelos conhecimentos trocados.
Ao Laboratório de Engenharia Civil da UNIJUÍ, em especial ao laboratorista Luiz Donato, pela paciência em explicar os ensaios, pelo interesse em nos ajudar na análise dos resultados e por se apresentar sempre disponível quando precisássemos.
Aos colegas de pesquisa Anna, Bruna, Cláudio, Gabriela e Leonardo, pelo auxílio na execução dos ensaios, tempo dedicado ao andamento desta pesquisa e por terem tornado os objetivos deste trabalho realidade.
Ao MEC/SESu pela participação no Grupo PET e por proporcionar a oportunidade de inserção no universo da iniciação científica.
À Andressa, grande amiga feita durante a graduação, primeira pessoa que conheci na faculdade, caminhamos juntas desde o primeiro semestre e agora nos preparamos para concluir essa etapa da mesma forma que iniciamos, quero agradecer pela amizade, parceria e sintonia incríveis que tive a oportunidade de vivenciar e que espero estender para o resto da minha vida.
À Anna, pela amizade desde antes da graduação, pela parceria de pesquisa, troca interminável de conhecimentos e discussões a respeito dos materiais estudados, pela companhia e conversas diárias, no PET e fora dele, pelos diversos momentos compartilhados dentro e fora da faculdade, muito obrigada, que possamos conservar esse laço para a vida.
A todos os colegas que se tornaram amigos durante essa jornada acadêmica, Dirjan, Diego, Gabriela, Graciele, Liara e Priscila, pelos inúmeros momentos compartilhados dentro e fora da faculdade, pela criação de um vínculo indissociável denominado amizade, por meio do qual trocamos vivências, risadas e, por vezes, choros. A graduação não teria tido a menor graça sem vocês.
Às demais pessoas envolvidas indiretamente na realização deste trabalho ou na vivência acadêmica durante esses 5 anos, deixo aqui a minha profunda gratidão.
Pra quem tem pensamento forte, o impossível é só questão de opinião.
RESUMO
CALLAI, N. D. Estudo mecanístico de misturas de argila laterítica e agregado miúdo para
emprego em pavimentos econômicos. 2017. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de
Engenharia Civil, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2017.
Embora de significativa importância na composição da matriz de transportes brasileira, o setor rodoviário apresenta por volta de 78,6% de vias não pavimentadas, sendo 91,3% de jurisdição municipal, representadas, em sua maioria, por estradas vicinais e vias de tráfego leve a médio. Sendo o alto custo de implantação o principal fator limitante para a pavimentação de uma quantidade maior de vias, estudos têm sido desenvolvidos visando substituir os materiais onerosos tradicionalmente utilizados nas estruturas dos pavimentos por outros alternativos de baixo custo, preferencialmente regionais ou locais. Em face ao exposto, o presente trabalho tem por objetivo avaliar misturas de argila laterítica da cidade de Ijuí – RS e agregados miúdos como areia natural, areia industrial e resíduo da construção civil (RCC) moído fino, nas porcentagens em peso de 40% de agregado e 60% de solo, a fim de analisar suas propriedades de interesse para pavimentação econômica e definir a possibilidade de uso como bases em vias de tráfego leve a médio. Para tanto, as misturas foram analisadas quanto às propriedades apresentadas pela metodologia MCT e comportamento resiliente, e foram verificadas as espessuras necessárias para as camadas de base de pavimentos flexíveis compostas com os referidos materiais, por meio de método de dimensionamento mecanístico-empírico. Cada mistura foi ensaiada para duas configurações de tráfego distintas, uma com N = 3,03x106 e outra com N = 1,7x106. Para a primeira situação de tráfego, nenhuma das misturas apresentou espessura como camada de base que atendesse às condições de projeto, enquanto que, para a segunda configuração, somente as misturas ALA40% e ALAI40% atenderam às condições inseridas, apresentando, respectivamente, espessuras de 35 cm e 20 cm como camadas de base. Os resultados de dimensionamento obtidos pelo SisPav foram satisfatórios, portanto, para as condições de tráfego N < 1,8x106, embora as análises tenham sido realizadas com camadas de revestimento em CBUQ, e não em tratamentos superficiais, devido às limitações de acervo de materiais e espessuras disponíveis no software. Uma análise mais consistente seria obtida com programas que simulassem adequadamente as situações de revestimento necessárias para o enquadramento do pavimento como econômico.
Palavras-chave: Pavimentação de baixo custo. Materiais alternativos. Dimensionamento
CALLAI, N. D. Mechanistic study of lateritic clay mixtures with small aggregates for use
in economical pavements. 2017. Final Paper. Civil Engineering Course, Universidade
Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2017.
Although of significant importance in the composition of the Brazilian transport matrix, the road sector has 78.6% of unpaved roads, with 91.3% of municipal jurisdiction, mostly represented by secondary roads and light to medium traffic routes. The high cost of implantation is the main limiting factor for the paving of a greater number of roads, reason why studies have been developed aiming at replacing expensive materials traditionally used in pavement structures with other inexpensive alternatives, preferably regional or local ones. Based on that, the present work aims to evaluate lateritic clay mixtures of the city of Ijuí - RS and small aggregates such as natural sand, industrial sand and fine grained construction waste, in the percentages by weight of 40% of aggregate and 60% of soil, with the objective of analyzing their properties of interest for economic paving and defining the possibility of using as bases in light to medium traffic routes. For this, the mixtures were analyzed for the properties presented by the MCT methodology and resilient behavior, and the necessary thicknesses were verified for the base layers of flexible pavements composed with said materials, through a method of mechanistic-empirical design. Each mixture was tested for two different traffic configurations, one with N = 3,03x106, and another with N = 1,7x106. For the first traffic situation, none of the mixtures presented thickness as the base layer that met the design conditions, while for the second configuration, only the mixtures ALA40% and ALAI40% met the conditions inserted, presenting, respectively, thicknesses of 35 cm and 20 cm as base layers. The sizing results obtained by the SisPav were satisfactory for traffic conditions N < 1.8x106, although the analyzes were carried out with coating layers in CBUQ, and not with surface treatments, due to the limitations of material and thickness available in the software. A more consistent analysis would be obtained with programs that adequately simulate the coating situations necessary for the framing of the pavement as economical.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Pavimento rígido e suas camadas ... 23
Figura 2: Pavimento asfáltico e suas camadas ... 23
Figura 3: Classificação dos materiais pétreos... 24
Figura 4: Classificação dos materiais terrosos ... 26
Figura 5: Pavimento econômico - seção transversal (medidas em metros) ... 28
Figura 6: Ocorrência de solos lateríticos no Brasil... 29
Figura 7: Áreas para localização das misturas ALA ... 30
Figura 8: Terminologia do Sistema Unificado ... 32
Figura 9: Escala granulométrica utilizada pelo SUCS ... 32
Figura 10: Gráfico de plasticidade para solos finos ... 33
Figura 11: Esquema para classificação pelo SUCS ... 34
Figura 12: Classificação HRB/AASHTO ... 35
Figura 13: Gráfico para classificação MCT ... 40
Figura 14: Modelos de comportamento resiliente de solos em ensaios triaxiais ... 45
Figura 15: Fluxograma para dimensionamento mecanístico de pavimentos ... 52
Figura 16: Fluxograma do SisPav para dimensionamento de pavimentos flexíveis .... 54
Figura 17: Tela inicial do SisPav ... 55
Figura 18: Classificação MCT das misturas 40% ... 60
Figura 19: Delineamento da pesquisa ... 60
Figura 20: Talude de coleta do solo... 61
Figura 21: Areia natural ... 62
Figura 22: Areia industrial ... 63
Figura 23: RCC moído ... 64
Figura 24: Ensaio de sedimentação ... 66
Figura 25: Limites de Atterberg ... 67
Figura 26: Ensaio para determinação do limite de liquidez ... 67
Figura 27: Ensaio para determinação do limite de plasticidade ... 68
Figura 28: Aparelho compactador ... 69
Figura 29: Corpos de prova após compactação no ensaio M1 ... 70
Figura 30: Corpos de prova imersos para o ensaio M2 ... 71
Figura 31: Corpo de prova na prensa de rompimento ... 71
Figura 35: Sistema para ensaio de permeabilidade ... 76
Figura 36: Corpo de prova no ensaio de permeabilidade ... 77
Figura 37: Corpos de prova no ensaio M8 ... 79
Figura 38: Corpo de prova na câmara triaxial ... 81
Figura 39: Equipamento triaxial do LAPAV/UFRGS ... 81
Figura 40: Curva granulométrica do solo, agregados miúdos e misturas ... 85
Figura 41: Faixa granulométrica recomendada para bases de misturas ALA ... 86
Figura 42: Curvas de compactação das misturas na energia intermediária ... 89
Figura 43: Curvas do mini-CBR das misturas ... 91
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Peculiaridades mecânicas e hidráulicas dos solos tropicais ... 28
Tabela 2: Valores recomendados para bases de SAFL e misturas ALA ... 31
Tabela 3: Sequência de tensões de condicionamento ... 43
Tabela 4: Sequência de tensões para determinação do módulo de resiliência ... 44
Tabela 5: Modelos para comportamento resiliente de materiais de pavimentação ... 55
Tabela 6: Configuração de eixos e cargas legais máximas ... 56
Tabela 7: Composição granulométrica das misturas ... 85
Tabela 8: Material passante nas peneiras recomendadas por Villibor e Nogami ... 86
Tabela 9: Limites de consistência do solo e misturas ... 87
Tabela 10: Classificação tradicional do solo e misturas ... 88
Tabela 11: Umidade ótima e massa específica aparente seca máxima das misturas .... 90
Tabela 12: Mini-CBR, expansão e índices RIS e PSI das misturas ... 90
Tabela 13: Contração axial das misturas ... 93
Tabela 14: Infiltrabilidade e permeabilidade das misturas ... 94
Tabela 15: Coeficientes e classificação MCT do solo e misturas ... 95
Tabela 16: Resumo das propriedades MCT das misturas... 96
Tabela 17: Módulos de resiliência das misturas no ensaio triaxial dinâmico ... 98
Tabela 18: Modelagem do comportamento resiliente das misturas ... 99
Tabela 19: Composição do tráfego de vias vicinais próximas a Ijuí ... 102
Tabela 20: Tipos de eixo para os veículos apresentados pelo DAER ... 102
Tabela 21: Materiais utilizados na composição das estruturas ... 103
Tabela 22: Estruturas obtidas para as diferentes composições de tráfego ... 104
Tabela 23: Análise de danos pelo SisPav ... 105 Tabela 24: Previsão de vida útil por fadiga e ATR dos pavimentos dimensionados . 105
AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
ALA Argila laterítica e areia
ALAI Argila laterítica e areia industrial
ALARCC Argila laterítica e resíduo da construção civil
CAP Cimento asfáltico de petróleo
CBR California bearing ratio
CNPQ Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico
CNT Confederação Nacional do Transporte
DER Departamento de Estradas de Rodagem
DNER Departamento Nacional de Estradas de Rodagem
DNIT Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes
ES Especificação de serviço
EUA Estados Unidos da América
HRB Highway Research Board
IG Índice de grupo
IP Índice de plasticidade
ISC Índice de suporte Califórnia
LA Areias lateríticas LA’ Solo arenoso laterítico
LG’ Solo argiloso laterítico
LP Limite de plasticidade
MCT Miniatura compactada tropical
MCV Moisture condition value
ME Método de ensaio
MR Módulo de resiliência
NA Areias não lateríticas NA’ Solo arenoso não laterítico
NG’ Solo argiloso não laterítico
NS’ Solo siltoso não laterítico
PET Programa de Educação Tutorial
PSI Perda de suporte por imersão
RCC Resíduo da construção civil
SAFL Solo arenoso fino laterítico
SENAT Serviço Nacional de Aprendizagem do Transporte
SEST Serviço Social do Transporte
SLAD Solo laterítico e agregado descontínuo
SNV Sistema Nacional de Viação
SP São Paulo
SUCS Sistema Unificado de Classificação de Solos
TS Tratamento superficial
TSD Tratamento superficial duplo
1 Introdução ... 18 1.1 Contexto ... 18 1.2 Problema ... 20 1.2.1 Questões de Pesquisa ... 21 1.2.2 Objetivos de Pesquisa ... 21 1.2.3 Delimitação ... 21 2 Revisão da Literatura ... 22 2.1 Pavimento ... 22
2.2 Materiais utilizados em pavimentação ... 24
2.2.1 Materiais pétreos ... 24
2.2.2 Materiais terrosos ... 25
2.2.2.1 Solos tropicais ... 27
2.3 Pavimentos econômicos ... 28
2.4 Sistemas de classificação de solos ... 31
2.4.1 Sistema Unificado de Classificação de Solos – SUCS ... 31
2.4.2 Sistema Rodoviário de Classificação de Solos – HRB/AASHTO ... 34
2.4.3 Metodologia MCT ... 37
2.4.3.1 Classificação MCT ... 38
2.5 Mecânica dos pavimentos ... 40
2.5.1 Propriedades mecânicas dos materiais de pavimentação ... 40
2.5.1.1 Índice de Suporte Califórnia (ISC) ... 41
2.5.1.2 Resiliência ... 42
2.5.2 Modelos de desempenho de pavimentos asfálticos ... 46
2.5.2.1 Deformação limite no topo do subleito ... 47
2.5.2.2 Deformação permanente ... 48
2.5.2.3 Fadiga de misturas asfálticas ou bases cimentadas ... 48
2.6 Dimensionamento de pavimentos flexíveis ... 49
2.6.1 Dimensionamento pelo método mecanístico-empírico ... 51
2.6.2 Dimensionamento pelo SisPav ... 53
3 MÉTODO DE PESQUISA ... 59
3.1 Estratégia de pesquisa ... 59
3.2 Delineamento ... 59
3.3 Materiais utilizados ... 61
3.3.2 Areia natural ... 62
3.3.3 Areia industrial ... 62
3.3.4 Resíduo da Construção Civil – RCC ... 63
3.4 Ensaios laboratoriais ... 64
3.4.1 Ensaios de caracterização ... 64
3.4.1.1 Preparação das amostras ... 64
3.4.1.2 Análise granulométrica ... 65 3.4.1.3 Limites de consistência ... 66 3.4.2 Ensaios da metodologia MCT ... 68 3.4.2.1 Compactação mini-Proctor (M1) ... 68 3.4.2.2 Mini-CBR e expansão (M2) ... 70 3.4.2.3 Contração axial (M3) ... 73 3.4.2.4 Infiltrabilidade e permeabilidade (M4) ... 74 3.4.2.5 Compactação mini-MCV (M5) ... 78
3.4.2.6 Perda de massa por imersão (M8) ... 78
3.4.2.7 Classificação geotécnica MCT (M9) ... 79
3.4.3 Ensaio triaxial dinâmico ... 80
3.5 Dimensionamento de pavimento flexível ... 82
4 RESULTADOS ... 84 4.1 Ensaios de caracterização ... 84 4.1.1 Análise granulométrica ... 84 4.1.2 Limites de consistência ... 87 4.1.3 Classificação Tradicional ... 87 4.2 Ensaios da metodologia MCT ... 88 4.2.1 Compactação mini-Proctor (M1) ... 89 4.2.2 Mini-CBR e expansão (M2) ... 90 4.2.3 Contração axial (M3) ... 92 4.2.4 Infiltrabilidade e permeabilidade (M4) ... 93
4.2.5 Compactação mini-MCV (M5), perda de massa por imersão (M8) e classificação geotécnica MCT (M9) ... 94
4.2.6 Resumo das propriedades das misturas ... 96
4.3 Ensaio triaxial dinâmico ... 97
4.4 Dimensionamento de pavimentos flexíveis ... 99
4.4.1 Estrutura do pavimento ... 100
4.4.2 Tráfego ... 101
5 CONCLUSÃO ... 106 REFERÊNCIAS ... 109
1 INTRODUÇÃO
A presente pesquisa tem como tema o estudo de materiais alternativos locais para emprego em pavimentação econômica, na tentativa de propor soluções de menor custo e igualmente eficientes para projeto e execução de pavimentos flexíveis. Para tanto, foram analisadas três misturas do solo do Campus da UNIJUÍ – Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul, na cidade de Ijuí com agregados miúdos em relação às suas propriedades de interesse em pavimentação, e com os resultados foi realizado o dimensionamento e análise mecanística de um pavimento flexível cuja camada de base é composta pelos materiais em estudo.
1.1 Contexto
O setor rodoviário brasileiro se tornou foco das políticas de transportes a partir da segunda década do século XX, durante o governo de Washington Luiz, autor da célebre frase “Governar é abrir estradas”, que ditaria a postura governamental em relação ao setor nos anos subsequentes (BERNUCCI et al., 2006). Desde então, ocupa posição majoritária na composição da matriz de transportes brasileira, sendo responsável, atualmente, por cerca de 61% dos transportes de carga do país, segundo dados do Plano CNT de Transporte e Logística (CNT, 2014).
Embora de significativa importância para a economia nacional, a malha rodoviária brasileira não apresenta uma configuração satisfatória quanto à funcionalidade e qualidade técnica. Dados do Sistema Nacional de Viação – SNV (DNIT, 2015) informam que, do total de 1.720.755,7 km de rodovias existentes no Brasil, por volta de 78,6% não são pavimentadas, ou seja, 1.351.978,1 km. Das rodovias não pavimentadas, aproximadamente 91,3% são de jurisdição municipal, o que representa 1.234.918,3 km.
Complementando este cenário, conforme apontado pela Pesquisa CNT de Rodovias (CNT; SEST SENAT, 2016), de julho de 2006 a junho de 2016, a frota brasileira de veículos cresceu 110,4%, enquanto as rodovias federais apresentaram crescimento de apenas 11,7% no mesmo período. Fica evidente o descompasso entre a capacidade de escoamento das vias e a demanda crescente de utilização. A mesma fonte compara a densidade da malha rodoviária pavimentada brasileira com a de outros países de dimensão territorial semelhante: enquanto que, no Brasil, é encontrado o valor de 25 km de rodovias pavimentadas para cada 1000 km2
de área, nos Estados Unidos o índice é de 438,1 km/1000 km2, na China é de 359,9 km/1000 km2 e, na Rússia, 54,3 km/1000 km2.
Dentre os principais fatores responsáveis pela alta taxa de rodovias não pavimentadas, destaca-se o elevado custo de implantação das mesmas, oriundo dos materiais tradicionalmente utilizados em pavimentação, e a escassez de recursos públicos aliada a investimentos insuficientes em infraestrutura. Uma solução para proporcionar opções acessíveis de pavimentação para estradas municipais, principalmente as vicinais, seria, como afirmam Villibor e Nogami (2009), reduzir os custos de construção através do emprego de materiais locais na execução estrutural dos pavimentos. Tal proposta vem ao encontro do conceito de pavimentos econômicos introduzido por Nogami e Villibor (1995), ao definir como econômico o pavimento que, dentre outros quesitos, substitui bases tradicionais por bases constituídas de solo regional in natura ou em misturas com custos substancialmente inferiores às alternativas usuais.
Buscando reduzir os custos de implantação de rodovias, iniciaram-se pesquisas referentes ao assunto na UNIJUÍ no ano de 2012, por meio da criação do projeto de pesquisa institucional “Estudo de solo argiloso laterítico para uso em pavimentos econômicos” vinculado ao Grupo de Pesquisa em Novos Materiais e Tecnologias para Construção, cadastrado no Diretório de Grupos de Pesquisa do Brasil do CNPQ. Sendo esta uma pesquisa vinculada ao projeto, seus objetivos baseiam-se na caracterização e definição de comportamento de misturas utilizando o solo da cidade de Ijuí e agregados miúdos em diferentes porcentagens, para emprego como bases e sub-bases de pavimentos.
Para tanto, faz-se uso dos resultados encontrados por Bernardi (2013), quando estudou, na ocasião, misturas de argila laterítica com areia (ALA) nas porcentagens de 20%, 30% e 40% de agregado em peso, e Amaral (2015) e Buligon (2015), quando testaram a incorporação de areia industrial e RCC (resíduo da construção civil) moído, respectivamente, ao solo de Ijuí, nas mesmas porcentagens, originando as misturas ALAI – argila laterítica e areia industrial, e ALARCC – argila laterítica e resíduo da construção civil. Baseado nos resultados das misturas promissoras encontradas pelos autores mencionados – ALA40%, ALAI40% e ALARCC40%, serão realizados os ensaios que faltaram nas referidas dissertações, seja por falta de tempo ou técnica disponível em laboratório, e o dimensionamento e análise mecanística de um pavimento cuja base será constituída das misturas citadas, na procura por materiais alternativos
economicamente viáveis e que possam auxiliar na redução do déficit do sistema rodoviário brasileiro.
1.2 Problema
O solo da cidade de Ijuí, uma argila vermelha de alto índice de plasticidade, ao ser estudada por Wayhs (2004), foi apresentado como um material de alto teor de finos e cujo emprego nas camadas de bases e sub-bases de pavimentos de baixo volume de tráfego é possível, desde que estabilizado granulometricamente com agregados de granulação mais grossa. Baseado nisso, estudos realizados por Bernardi (2013), Amaral (2015) e Buligon (2015) comprovaram uma melhora significativa das propriedades da argila de Ijuí quando misturada com areia natural, areia industrial e RCC moído, respectivamente, nas porcentagens de 20%, 30% e 40%, com ênfase na mistura de 40% de agregado substituído, que apresentou os resultados mais promissores.
Villibor e Nogami (2009), ao criarem uma nova metodologia de classificação e análise de solos tropicais voltada para pavimentação, a metodologia MCT (abreviatura de miniatura, compactação e tropical), comprovaram a incapacidade das classificações tradicionais, SUCS (Sistema Unificado de Classificação de Solos) e a rodoviária HRB/AAHSTO, em representar corretamente o comportamento desses solos para uso em obras rodoviárias, classificações que foram utilizadas por Bernardi (2013), Amaral (2015) e Buligon (2015) na análise das propriedades das misturas estudadas. Portanto, verifica-se a necessidade de avaliação das misturas através da metodologia MCT, para obtenção da correta previsibilidade de comportamento em pavimentação de baixo custo.
Medina e Motta (2015) têm se dedicado, desde a década de 80, ao estudo de um novo método de dimensionamento de pavimentos, de natureza mecanística-empírica, tendo em vista as limitações do atual método utilizado no país, desenvolvido pelo engenheiro Murillo Lopes de Souza, baseado no critério do ISC (índice de suporte Califórnia) dos materiais utilizados nas camadas dos pavimentos, que já foi comprovado que não representa corretamente as respostas dos materiais às solicitações de tráfego. Da mesma maneira, a metodologia MCT classifica os solos aptos para uso em pavimentação sob a análise do parâmetro de resistência ISC, representado através do ensaio mini-CBR, havendo necessidade de um estudo mecanístico dos materiais classificados pela metodologia, para avaliação do comportamento oferecido enquanto bases e sub-bases de rodovias de baixo volume de tráfego.
1.2.1 Questões de Pesquisa
As misturas de argila laterítica e agregados miúdos classificam-se como aptas para emprego em pavimentação econômica?
Os resultados da metodologia MCT são coerentes com o comportamento observado pelas misturas em bases de pavimentos dimensionados por métodos mecanístico-empíricos?
1.2.2 Objetivos de Pesquisa
Como objetivo geral da presente pesquisa, tem-se a análise mecanística de pavimentos de baixo volume de tráfego dimensionados por métodos mecanístico-empíricos, fazendo uso das misturas de argila laterítica e agregados miúdos como materiais constituintes da camada de base. Os objetivos específicos são:
caracterizar as misturas ALA, ALAI e ALARCC por meio da metodologia MCT;
obter os modelos de comportamento resiliente das misturas com boa correlação;
realizar o dimensionamento mecanístico-empírico dos pavimentos fazendo uso das misturas como materiais de base;
comparar os resultados obtidos do dimensionamento com a previsão de comportamento fornecida pela metodologia MCT;
concluir a respeito da empregabilidade das referidas misturas em pavimentação de baixo custo.
1.2.3 Delimitação
Esta pesquisa pretende avaliar o comportamento das misturas ALA, ALAI e ALARCC com 40% de agregado miúdo quando empregadas como camada de base de pavimentos econômicos, por meio de dimensionamento mecanístico-empírico.
2 REVISÃO DA LITERATURA
Neste capítulo será apresentada a revisão bibliográfica dos assuntos relacionados ao tema da pesquisa, com base em autores que já trabalharam ou vêm trabalhando conceitos fundamentais para o desenvolvimento do projeto. Os tópicos a serem descritos abordam as temáticas de pavimentos flexíveis, pavimentos econômicos, mecânica dos solos e mecânica dos pavimentos.
2.1 Pavimento
Denomina-se pavimento, de acordo com Bernucci et al. (2006), uma estrutura composta de diferentes camadas cujas funções principais são resistir aos esforços verticais e horizontais oriundos do tráfego e propiciar ao usuário condições de conforto e segurança na rodagem. Balbo (2007) define como características responsáveis por propiciar conforto, a regularização da superfície de tráfego e a diminuição dos ruídos provocados pela ação dinâmica dos pneus. Quanto à segurança, destaca as propriedades aderentes que o revestimento deve oferecer, a fim de reduzir o risco de acidentes por ocasião de pista molhada ou úmida.
Conforme Bernucci et al. (2006), os pavimentos são classificados em dois tipos: rígidos, que possuem placas de concreto de cimento Portland, armadas ou não, como material de revestimento, e os flexíveis, cuja camada de revestimento é composta, basicamente, de uma mistura de agregados e ligante asfáltico. Os pavimentos rígidos, comumente chamados pavimentos de concreto-cimento, são constituídos de uma camada de sub-base sobre o subleito, e outra de revestimento sobre a sub-base. As placas de concreto exercem as funções de revestimento e base, simultaneamente. Bernucci et al. (2006) destacam que a espessura das camadas é definida em função da resistência à flexão das placas de concreto e da resistência oferecida pelas camadas subjacentes.
Já os pavimentos flexíveis, ainda segundo Bernucci et al. (2006), também denominados pavimentos asfálticos, são compostos de quatro camadas principais: reforço do subleito, sub-base, base e revestimento asfáltico, este último constituído de uma camada de rolamento – em contato permanente com os veículos de rodagem – e uma camada de ligação, também denominada binder. Estas assentam-se sobre o subleito, denominação dada ao solo devidamente regularizado existente no local.
Complementarmente, encontram-se na atual norma brasileira de pavimentação, a NBR 7207 (1982, apud MEDINA; MOTTA, 2015, p. 3), as seguintes definições:
Sub-base é a camada corretiva do subleito, ou complementar à base, quando por qualquer circunstância não seja aconselhável construir o pavimento diretamente sobre o leito obtido pela terraplenagem.
Base é uma camada destinada a resistir e distribuir os esforços verticais oriundos dos veículos sobre a qual se constrói um revestimento.
Revestimento é a camada, tanto quanto possível impermeável, que recebe diretamente a ação do rolamento dos veículos e destinada a, econômica e simultaneamente:
a) melhorar as condições do rolamento quanto à comodidade e segurança; b) resistir aos esforços horizontais que nele atuam, tonando mais durável a
superfície de rolamento.
Conforme Bernucci et al. (2006), a Figura 1 e a Figura 2 ilustram, respectivamente, um pavimento rígido e um flexível, com visualização de suas camadas. Dependendo do tráfego e características dos materiais constituintes, pode-se ter a exclusão de alguma delas.
Figura 1: Pavimento rígido e suas camadas
Fonte: Bernucci et al. (2006, p.10) Figura 2: Pavimento asfáltico e suas camadas
No Brasil, como mencionam Medina e Motta (2015), ocorreu um surto de pavimentos asfálticos com o desenvolvimento da indústria de refinação do petróleo, cujo resíduo betuminoso é produzido largamente. A facilidade e economia de execução, quando comparado aos pavimentos rígidos, justifica a predominância de pavimentos asfálticos na malha rodoviária atual.
2.2 Materiais utilizados em pavimentação
Senço (1997) afirma que a construção de um pavimento envolve o conhecimento tanto dos materiais constituintes de suas camadas, quanto daqueles que compõem o subleito e que possam interferir na construção de drenos, acostamentos, cortes e aterros. Serão apresentados somente os materiais utilizados na composição das camadas estruturais dos pavimentos, objetos foco do presente estudo.
2.2.1 Materiais pétreos
De acordo com DNIT (2006), materiais pétreos são os comumente conhecidos como agregados. Classificam-se de acordo com sua natureza, tamanho e distribuição dos grãos, conforme ilustrado na Figura 3.
Figura 3: Classificação dos materiais pétreos
Fonte: DNIT (2006, p. 78)
DNIT (2006) descreve que os agregados naturais são oriundos da ação do intemperismo ou processo de britagem das rochas, como o seixo rolado e pedregulhos, enquanto que os
artificias necessitam passar por um processamento físico ou químico para atingirem sua forma de utilização, tais como argila calcinada e argila expandida.
Em relação ao tamanho, DNIT (2006) especifica:
a) agregado graúdo: material retido na peneira nº 10 (2 mm), como britas, cascalhos, seixos, etc.;
b) agregado miúdo: material passante na peneira nº 10 (2 mm) e retido na peneira nº 200 (0,075 mm), como areia, pó-de-pedra, etc.;
c) agregado de enchimento (fíller): material que tem pelo menos 65% de passante na peneira nº 200 (0,075 mm), como cal extinta, cimento Portland, etc.
Por fim, quanto à graduação, são válidas as definições de DNIT (2006):
a) graduação densa: curva granulométrica bem graduada e contínua com quantidade de material fino suficiente para preencher os vazios entre partículas;
b) graduação aberta: curva granulométrica bem graduada e contínua com quantidade de material fino insuficiente para preencher os vazios entre partículas;
c) graduação tipo macadame: curva granulométrica uniforme, partículas de um único tamanho.
2.2.2 Materiais terrosos
Para DNIT (2006), materiais terrosos são, basicamente, solos. Genericamente, solos são conceituados como materiais resultantes da decomposição de rochas pela ação do intemperismo. Para fins de entendimento da engenharia rodoviária, considera-se solo “todo tipo de material orgânico ou inorgânico, inconsolidado ou parcialmente cimentado, encontrado na superfície da terra” (DNIT, 2006, p. 17). Simplificadamente, DNIT (2006) define solo como um material passível de extração com uso de pás, picaretas ou escavadeiras, sem necessidade de explosivos. A referida fonte classifica os solos de acordo com sua origem e tamanho dos grãos, como mostra a Figura 4.
Figura 4: Classificação dos materiais terrosos
Fonte: autoria própria (2017)
Quanto à origem, Pinto (2006) traz os seguintes conceitos:
a) solos residuais: resultantes da decomposição das rochas que se encontram no próprio local em que se formaram. Podem ser subdivididos, de acordo com a profundidade em que se encontram, em:
i. residuais maduros: não apresentam a estrutura original da rocha-mãe;
ii. saprolitos: apresenta a estrutura original da rocha-mãe mas perdeu a consistência de rocha;
iii. rocha alterada: podem ser encontrados grandes blocos da rocha original. b) solos transportados: foram deslocados até seu local atual por algum agente de
transporte. São subdivididos, de acordo com o agente transportador, em: i. coluvionares: ação da gravidade;
ii. aluviões ou alivionares: ação da água; iii. eólicos: ação do vento.
Em relação ao tamanho das partículas, a NBR 6502 (ABNT, 1995) assim define:
a) Pedregulho: fração de solo cujas partículas apresentam diâmetro entre 60 mm e 2 mm:
i. areia grossa: entre 2 mm e 0,60 mm; ii. areia fina: entre 0,2 mm e 0,06 mm.
c) Silte: diâmetros das partículas encontram-se entre 0,06 mm e 0,002 mm; d) Argila: partículas com diâmetros menores que 0,002 mm.
2.2.2.1 Solos tropicais
Para Nogami e Villibor (1995), um solo tropical é aquele dotado de peculiaridades comportamentais derivadas de seu processo de formação, através da atuação de variáveis geológicas e/ou pedológicas características das regiões tropicais úmidas. Subentende-se como região tropical aquela em que o clima atuante é tropical, cujas características, segundo Balbo (2007), são: temperatura anual média acima dos 20°C, índice pluviométrico acima de 1000 mm/ano e inexistência de possibilidade de congelamento do solo nos invernos.
Os solos tropicais são classificados em lateríticos e saprolíticos (VILLIBOR et al., 2009):
a) Lateríticos: solos superficiais, oriundos das partes bem drenadas de regiões tropicais úmidas, resultantes da transformação da parte superior do subsolo pela atuação do intemperismo, por processo denominado laterização.
b) Saprolíticos: solos resultantes da decomposição local da rocha matriz pela ação das intempéries (chuvas, insolação, geadas) e conservam, nitidamente, a estrutura da rocha que lhes deu origem. Constituem a parte subjacente à camada de solo superficial laterítico, aparecendo na superfície somente devido à erosão ou obras executadas pelo homem.
Sob o ponto de vista da pavimentação, Balbo (2007) define algumas propriedades mecânicas e hidráulicas apresentadas pelos solos tropicais que se caracterizam como de maior importância, sintetizadas na Tabela 1. As diferenças entre os solos lateríticos e saprolíticos resultam do processo de laterização, que possui, como peculiaridade mais importante, a presença de óxidos hidratados de ferro ou alumínio e minerais cauliníticos, que atuam proporcionando propriedades cimentantes ao solo e influenciando na sua coloração típica: vermelho, amarelo, marrom e alaranjado (VILLIBOR et al., 2009).
Tabela 1: Peculiaridades mecânicas e hidráulicas dos solos tropicais
PROPRIEDADE SOLOS LATERÍTICOS SOLOS SAPROLÍTICOS
Contração Elevada (argilas)
Baixa (areias)
Média a elevada
Expansão Baixa Baixa a elevada
Suporte a seco Elevado a muito elevado Médio a elevado
Permeabilidade Baixa Baixa a média
Fonte: adaptado de Nogami (1971, apud Balbo, 2007, p. 72) 2.3 Pavimentos econômicos
Nogami e Villibor (1995) trazem o conceito de pavimentos econômicos, posteriormente revisto em Villibor e Nogami (2009), como alternativa para redução dos custos de implantação de rodovias. Nesse contexto, um pavimento, para ser considerado econômico, deve:
a) utilizar base constituída de materiais in natura ou em misturas com pequenas porcentagens de agregado cujos custos executivos sejam significativamente menores quando comparados com bases tradicionais, tais como brita graduada, macadame hidráulico, solo-cimento, etc;
b) utilizar, na camada de revestimento, um tratamento superficial betuminoso duplo ou triplo com espessura máxima de 3 cm, muitas vezes de 1,5 cm;
c) suportar tráfegos tipo leve a médio com solicitações do eixo simples padrão de 80 kN menores que 106.
Villibor e Nogami (2009) representam a seção transversal de um pavimento econômico, com distribuição dos materiais nas camadas e sugestões de projeto, através da Figura 5.
Figura 5: Pavimento econômico - seção transversal (medidas em metros)
Os mesmos autores caracterizam dois tipos principais de materiais e apresentam recomendações executivas para emprego destes como bases de baixo custo, quais sejam:
a) SAFL (solos arenosos finos lateríticos): solos naturais que podem apresentar classificação geotécnica LA, LA’ ou LG’ pela metodologia MCT;
b) Misturas de solo laterítico e agregados:
i. SLAD (solo laterítico e agregado descontínuo): solo e agregado graúdo, mistura de granulação grossa, ampla possibilidade de utilização devido à grande variedade de agregados disponíveis no território e que podem ser misturados aos solos lateríticos;
ii. ALA (argila laterítica e areia): solo e agregado miúdo, mistura de granulação fina com objetivo de atingir ou chegar próximo das propriedades apresentadas por SAFL naturais. Em outras palavras, busca-se obtenção de um SAFL artificial.
Ainda segundo Villibor e Nogami (2009), o mapa representado na Figura 6 apresenta a ocorrência de jazidas naturais de solos arenosos lateríticos (LA e LA’) e argiloso lateríticos (LG’) no território nacional.
Figura 6: Ocorrência de solos lateríticos no Brasil
Recomenda-se a adoção de misturas de solos lateríticos e agregados, conforme Villibor e Nogami (2009), quando há dificuldades em identificar jazidas naturais de SAFL ou quando a distância entre estas e a obra torna o deslocamento inviável. Nessa situação, para obtenção de misturas ALA, adiciona-se areia (ou solo LA) a solos argilosos finos lateríticos (LG’), nas porcentagens de 20, 30 e 40% em peso de areia. Para verificar se o material resultante pode ser utilizado em bases e sub-bases de pavimentos, realiza-se a classificação MCT com as três misturas e é preferível que estas se localizem na área hachurada do gráfico representado na Figura 7, caso contrário, devem se situar na área satisfatória.
Figura 7: Áreas para localização das misturas ALA
Fonte: Villibor e Nogami (2009, p. 211)
Em seguida, ainda segundo os mesmos autores, as misturas localizadas nas áreas destacadas no gráfico da Figura 5 devem ser submetidas aos demais ensaios da metodologia MCT para obtenção e enquadramento de parâmetros de acordo com o apresentado na Tabela 2. As misturas que se enquadrarem poderão ser utilizadas em pavimentação econômica.
Tabela 2: Valores recomendados para bases de SAFL e misturas ALA
PROPRIEDADE INTERVALOS ADMISSÍVEIS MÉTODOS DE ENSAIO
Grupos MCT LG’, LA’, LA M5 e M8 Capacidade de Suporte Mini-CBRHo* (%) ≥ 40 M2 Expansão – Es (%) ≤ 0,3 M2 Relação RIS (%) ou Perda de Suporte por Imersão
PSI (%)
≥ 50 ≤ 50
-
Contração Axial – Ct (%) 0,1 a 0,5 M3
Coeficiente de Sorção d’água – s (cm/√min)
10-2 a 10-4 M4
Coeficiente Permeabilidade – k (cm/s) – opcional
10-6 a 10-8 M4
*Valores de Ho na Energia Intermediária do Mini-Proctor
Fonte: adaptado de Villibor e Nogami (2009, p. 145) 2.4 Sistemas de classificação de solos
De acordo com DNIT (2006), devido à ocorrência abundante dos solos na natureza e sua localização nas mais diversas formas, foram criados sistemas para classificação de solos de acordo com a sua utilização. Pinto (2006) afirma que o objetivo da classificação de solos, sob o ponto de vista da engenharia, é a possibilidade de estimativa do provável comportamento de um solo perante um problema. DNIT (2006) traz três sistemas mais utilizados e reconhecidos pela comunidade técnica e acadêmica, que serão descritos a seguir: a Classificação Unificada de Solos – SUCS, a Classificação Rodoviária – HRB/AASHTO, ambas de abrangência internacional, e a Classificação MCT, utilizada no Brasil.
2.4.1 Sistema Unificado de Classificação de Solos – SUCS
De autoria do Prof. Arthur Casagrande, foi inicialmente desenvolvido para obras de aeroportos e hoje é muito utilizado por engenheiros que trabalham com obras de barragens de terra. Através deste sistema, todos os solos são identificados pelo conjunto de duas letras, conforme Figura 8 (PINTO, 2006).
Figura 8: Terminologia do Sistema Unificado
Fonte: DNIT (2006, p. 62)
Para entendimento da nomenclatura, é necessário ter conhecimento da escala granulométrica da SUCS, fornecida pela Figura 9 (DNIT, 2006).
Figura 9: Escala granulométrica utilizada pelo SUCS
Fonte: DNIT (2006, p. 62)
Segundo Vargas (1977), os parâmetros analisados pela classificação SUCS são a plasticidade e textura dos solos. A primeira característica a ser analisada é a quantidade de finos presente no solo, tomando como base a peneira nº 200 (0,075 mm). Se o material tiver mais que 50% passante na peneira nº 200, será classificado como fino (M, C ou O). Se tiver menos que 50% passante na respectiva peneira, será classificado como grosso (G ou S). Há, ainda, a possibilidade do material se classificar como turfa, solo com muita matéria orgânica.
Para solos grossos, o próximo passo é calcular os coeficientes de não uniformidade (CNU) e de curvatura (CC), dados pelas Fórmulas 1 e 2 (PINTO, 2006):
𝐶𝑁𝑈 = 𝐷60
𝐷10 (1)
𝐶𝐶 = (𝐷30)²
𝐷10∗𝐷60 (2)
Onde:
D60 = diâmetro de grão com 60% das partículas passantes D30 = diâmetro de grão com 30% das partículas passantes D10 = diâmetro de grão com 10% das partículas passantes
Para solos finos, Pinto (2006) orienta, como sequência de classificação, a calcular os limites de consistência dos solos, dados pela determinação do índice de plasticidade (IP), limite de plasticidade (LP) – DNER – ME 082/94, e limite de liquidez (LL) – DNER – ME 122/94. Em seguida, faz-se uso do gráfico de plasticidade de Casagrande, conforme Figura 10. Na Figura 11, é apresentada a carta de classificação que sintetiza os procedimentos necessários para realização da classificação SUCS.
Figura 10: Gráfico de plasticidade para solos finos
Figura 11: Esquema para classificação pelo SUCS
Fonte: ASTM (1990)
2.4.2 Sistema Rodoviário de Classificação de Solos – HRB/AASHTO
Desenvolvido pelo Highway Research Board (HRB) e pela American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO), o sistema rodoviário de classificação relaciona-se com o método de dimensionamento de pavimentos pelo índice de grupo. Também se baseia na granulometria e índices de consistência do solo (DNIT, 2006).
O primeiro passo para a classificação, segundo Pinto (2006), também é analisar a quantidade de solo passante na peneira nº 200, mas sob parâmetros diferentes dos observados pela classificação unificada. Nesse sistema, o solo é considerado grosso quando tem menos de
35% de material passando na peneira nº 200, sendo classificado como A-1, A-2 ou A-3. Solos finos têm mais de 35% de passante, podendo ser A-4, A-5, A-6 ou A-7.
Segundo DNIT (2006), o gráfico de classificação pelo sistema HRB é apresentado na Figura 12.
Figura 12: Classificação HRB/AASHTO
Fonte: DNIT (2006, p. 56)
Para entrar no gráfico de classificação é necessário calcular o índice de grupo (IG) a que pertence o solo, dado pela Fórmula 3 (VARGAS, 1977):
𝐼𝐺 = 0,2 ∗ 𝑎 + 0,005 ∗ 𝑎 ∗ 𝑐 + 0,01 ∗ 𝑏 ∗ 𝑑 (3)
Onde:
IG válido entre 0 e 20;
a = porcentagem passante na peneira nº 200 – 35%, válido entre 0 e 40 b = porcentagem passante na peneira nº 200 – 15%, válido entre 0 e 40 c = LL – 40%, válido entre 0 e 20
d = IP – 10%, válido entre 0 e 20
DNIT (2006) apresenta as principais características observadas para cada grupo e subgrupo de solo classificado pelo sistema HRB/AASHTO de acordo com sua utilização em pavimentação:
a) Grupo A-1: inclui misturas bem graduadas de fragmentos de pedra ou pedregulhos, areia grossa e fina e um aglutinante de solo não plástico ou pouco plástico.
i. Subgrupo A-1-a: materiais que contêm fragmentos de pedra ou pedregulhos, com ou sem material fino bem graduado, agindo como aglutinante.
ii. Subgrupo A-1-b: materiais constituídos de areia grossa que podem ter ou não solo bem graduado como aglutinante.
b) Grupo A-2: inclui todos os solos com 35% ou mais passando na peneira nº 200 e que não podem ser classificados como A-1 ou A-3 devido ao seu teor de finos ou sua plasticidade, com valores excedentes aos limites estabelecidos para esses grupos.
i. Subgrupos A-2-4 e A-2-5: solos com 35% ou menos de passante na peneira nº 200, com uma porção menor retida na peneira nº 40, com características dos grupos A-4 ou A-5.
ii. Subgrupos A-2-6 e A-2-7: solos semelhantes aos A-2-4 e A-2-5, porém com porção de finos que contêm argila plástica com características de grupos A-6ou A-7.
c) Grupo A-3: areia fina de praia ou deserto como material típico, sem silte ou argila, ou com pequenas quantidades de silte não plástico. Inclui misturas de areia fina mal graduada com quantidades limitadas de areia grossa e pedregulho.
d) Grupo A-4: silte não plástico ou moderadamente plástico como material típico, possuindo 5% ou mais de passante na peneira nº 200. Inclui misturas de solo fino siltoso com até 64% de areia e pedregulho retidos na peneira nº 200.
e) Grupo A-5: solo típico semelhante ao A-4, porém possui, geralmente, caráter diatomáceo ou micáceo, altamente elástico, como indica seu limite de liquidez. f) Grupo A-6: argila plástica com 75% ou mais de material passante na peneira nº 200
como solo típico. Inclui misturas de solos finos argilosos com até 64% de areia e pedregulho retidos na peneira nº 200. Apresentam elevada mudança de volume entre os estados seco e úmido.
g) Grupo A-7: solo típico semelhante ao A-6, porém com alto limite de liquidez, podendo ser elástico e apresentar elevada variação de volume.
i. Subgrupo A-7-5: índice de plasticidade moderado em relação ao limite de liquidez, podendo ser altamente elástico e sujeito a grandes variações de volume.
ii. Subgrupo A-7-6: índice de plasticidade alto em relação ao limite de liquidez, estando sujeito a grandes variações de volume.
2.4.3 Metodologia MCT
A metodologia MCT foi desenvolvida por Villibor e Nogami (2009) procurando analisar propriedades mecânicas e hidráulicas apresentadas pelos solos tropicais que não eram consideradas nas outras duas classificações, a SUCS e a HRB/AASHTO. Conforme os referidos autores, essa sistemática não utiliza a granulometria, o limite de liquidez (LL) e o índice de plasticidade (IP), como ocorre nas classificações tradicionais. A sistemática MCT é composta por uma série de ensaios realizados com corpos de prova compactados de dimensões reduzidas, dando origem à sigla: M de miniatura, C de compactada e T de tropical.
O desenvolvimento de uma nova metodologia justifica-se, segundo Villibor e Nogami (2009), pela falta de coerência entre o comportamento previsto para solos tropicais quando da utilização em bases, sub-bases e subleitos de pavimentos, e a experiência real. As classificações tradicionais são baseadas no índice de suporte Califórinia (ISC) e nos parâmetros de consistência dos solos, que não são suficientes para caracterizar as propriedades exclusivas existentes nos solos tropicais, oriundas de seu processo singular de formação, e, consequentemente, não representam corretamente o desempenho apresentado por esses materiais na prática.
Balbo (2007) constata que a classificação MCT, mesmo não tendo o devido reconhecimento internacional, poderia ser empregada com sucesso no estudo de solos de países de clima tropical úmido, onde há grande ocorrência de solos de comportamento laterítico e não laterítico. O emprego das metodologias tradicionais para esses tipos de solos, de acordo com Villibor et al. (2009), conduz a erros tanto de classificação, quanto de escolha e dosagem de materiais para uso em pavimentação.
No total, Villibor e Nogami (2009) apresentam 9 ensaios da metodologia MCT que são utilizados para previsão do desempenho de pavimentos que utilizam SAFL naturais ou artificiais como materiais de base, quais sejam:
M1 – Ensaio de compactação mini-Proctor M2 – Ensaio mini-CBR e expansão
M3 – Ensaio de contração
M4 – Ensaios de infiltrabilidade e permeabilidade M5 – Ensaio de compactação mini-MCV
M6 – Ensaio de penetração da imprimadura betuminosa M7 – Ensaio mini-CBR de Campo – procedimento dinâmico M8 – Ensaio da perda de massa por imersão
M9 – Classificação geotécnica MCT
2.4.3.1 Classificação MCT
De acordo com Villibor e Nogami (2009), a classificação MCT é realizada através dos ensaios M5 - compactação mini-MCV, orientado pela DNER-ME 258/94, M8 – perda de massa por imersão, orientado pela DNER-ME 256/94, e M9 – classificação geotécnica MCT, que consiste na inserção dos resultados obtidos no gráfico de classificação. Através dessa classificação, os autores dividem os solos em dois grandes grupos principais: lateríticos e não lateríticos. As principais propriedades de cada grupo e respectivos subgrupos, extraídas de Nogami e Villibor (1995) são apresentadas a seguir:
a) Solos Lateríticos: designados pela letra L, subdivididos em:
i. LA – areias lateríticas: apresentam poucos finos lateríticos, o que os torna relativamente permeáveis, pouco coesivos e pouco contráteis mesmo quando compactados, características indesejáveis para bases de pavimentos, apesar de possuírem capacidade de suporte e módulo de resiliência elevados.
ii. LA’ – solos arenosos lateríticos: quando compactados, esses solos apresentam elevada capacidade de suporte e módulo de resiliência, baixa permeabilidade e contração por secagem, razoável coesão e pequena expansão em água, o que os torna aptos para uso em bases e sub-bases de pavimentos.
iii. LG’ – solos argilosos lateríticos: quando possuem porcentagem significativa de grãos de areia, esses solos apresentam propriedades semelhantes aos LA’,
porém, com menor capacidade de suporte e módulo de resiliência, maior plasticidade, menor massa específica aparente seca e maior umidade ótima para a mesma energia de compactação.
b) Solos Não Lateríticos: designados pela letra N, subdivididos em:
i. NA – areias não lateríticas: inclui areias, siltes e misturas de areia e silte sem finos argilosos coesivos. São pouco ou nada expansivos, quando compactados apresentam pequena ou média capacidade de suporte e, no geral, são altamente erodíveis.
ii. NA’ – solos arenosos não lateríticos: inclui solos saprolíticos originados de rochas ricas em quartzo, como granitos e gnaisses. Se a areia for bem graduada e os finos obedecerem às condições tradicionais, esses solos podem apresentar propriedades adequadas para utilização em bases e sub-bases de pavimentos, o que não ocorre quando a areia é mal graduada e os finos não atendem às condições tradicionais.
iii. NG’ – solos argilosos não lateríticos: inclui solos saprolíticos derivados de rochas sedimentares argilosas ou cristalinas pobres em quartzo, como folhelhos e argilitos. Quando compactados, apresentam elevada expansão, plasticidade, compressibilidade e contração por secagem, tornando-os impróprios para pavimentação.
iv. NS’ – solos siltosos não lateríticos: compreende os solos saprolíticos silto-arenosos oriundos de rochas eruptivas e metamórficas com predominância de quartzo, feldspato e mica. Quando compactados na umidade ótima, apresentam baixa capacidade de suporte imersa, baixo módulo de resiliência, elevada erodibilidade e expansão, e médio coeficiente de sorção e permeabilidade, desclassificando-os quanto ao uso em bases e sub-bases de pavimentos.
Figura 13: Gráfico para classificação MCT
Fonte: Villibor e Nogami (2009, p. 54) 2.5 Mecânica dos pavimentos
A mecânica dos pavimentos é, segundo Medina e Motta (2015), uma disciplina da engenharia civil destinada ao estudo dos pavimentos enquanto sistemas constituídos de camadas sujeitas às cargas dos veículos. Seu objetivo principal é definir as espessuras das camadas em função dos materiais constituintes e, partindo do pavimento pré-dimensionado, analisar as tensões atuantes juntamente com as consequentes deformações e deslocamentos resultantes na estrutura, a fim de determinar sua vida útil de serviço, representada pelo número de aplicações de carga que levam o revestimento à ruptura.
2.5.1 Propriedades mecânicas dos materiais de pavimentação
Conforme Balbo (2007), a ação do tráfego provoca, num pavimento, respostas às solicitações estruturais atuantes sobre as camadas. Essas solicitações podem ser assim definidas, segundo informações do referido autor:
a) Pressões ou tensões verticais: oriundas de esforços de compressão vertical.
b) Flexão ou tendência de dobramento das camadas: provocadas pela compressão vertical, são mobilizadas para resistir aos deslocamentos verticais e ocasionam tração/compressão na interface de contato entre agregados e ligante, culminando, com o tempo, no fenômeno de fadiga ou ruptura dos materiais.
c) Confinamento horizontal: ocorre devido ao “travamento” de um determinado material entre camadas de outros materiais, geralmente de maior rigidez, limitando ou praticamente impossibilitando sua mobilização horizontal.
d) Cisalhamento: derivado das pressões verticais no pavimento, o cisalhamento consiste na transferência de deformações aos pontos vizinhos que, acumuladas, tornam-se plásticas e acarretam, por exemplo, afundamentos do trilho de rodas em pavimentos flexíveis.
Balbo (2007) também acrescenta que, para que o pavimento obtenha respostas satisfatórias aos respectivos esforços solicitantes, é necessário que se conheçam as propriedades mecânicas dos materiais que irão constitui-lo. Bernucci et al. (2006) apresentam as propriedades mais utilizadas no Brasil para caracterização mecânica dos materiais: índice de suporte califórnia (ISC) como parâmetro de resistência, e módulo de resiliência (MR) como medida de resiliência.
2.5.1.1 Índice de Suporte Califórnia (ISC)
O índice de suporte Califórnia (ISC) ou, em inglês, California bearing ratio (CBR), consiste, segundo DNIT (2006, p. 37), na “determinação da relação entre a pressão necessária para produzir uma penetração de um pistão num corpo-de-prova de solo, e a pressão necessária para produzir a mesma penetração numa brita padronizada”.
Criado há mais de 9 décadas, o ensaio foi desenvolvido pelo California Division of Highways, ao concluir que as condições de uso dos pavimentos tinham estrita ligação com a situação de compactação e espessura das camadas. O objetivo era simular em laboratório as condições de umidade, massa específica e carregamento do material observadas em campo (BALBO, 2007).
Segundo Bernucci et al. (2006), os resultados do ISC são valores em porcentagem que representam quão melhores ou piores são os materiais analisados quando comparados com o material padrão de referência (brita graduada). Dessa forma, podem ser encontrados valores extremamente baixos, da ordem de uma ou duas casas, bem como valores que ultrapassam os 100%.
Atualmente, no Brasil, o ensaio ISC é regulamentado pela norma DNIT 172/2016 – ME, que substituiu a antiga DNER – ME 049/94. De acordo com a normativa, o ensaio é realizado
através da aplicação de uma força a um cilindro de solo compactado e registro dos valores de penetração de um pistão com área de contato de aproximadamente 3” quadradas (19,36 cm²) no solo. É gerado um gráfico da deformação em função da pressão aplicada, e os valores do ISC são calculados para as penetrações de 0,1” e 0,2”.
Villibor e Nogami (2009) trazem o ensaio Mini-CBR, denominado M2 na metodologia MCT, como alternativa ao ensaio ISC padrão para realização em solos tropicais. De acordo com Balbo (2007), a principal diferença consiste nas dimensões, que no Mini-CBR são reduzidas, necessitando de uma quantidade muito inferior de material, o que torna o ensaio mais prático. O autor também afirma que os resultados de ambos os ensaios são muito similares, sendo considerados equivalentes na prática.
Desde 1986, nos EUA, o ISC deixou de ser o parâmetro utilizado para dimensionamento de pavimentos asfálticos, sendo substituído totalmente pelo módulo de resiliência, que será apresentado no próximo subitem, adotado oficialmente no guia de projeto da AASHTO. A substituição justifica-se pelas condições de ruptura e de deformabilidade obtidas do ensaio ISC não representarem corretamente o estado de tensões atuante num pavimento, resultando em dimensionamentos inadequados e/ou incoerentes com as solicitações de tráfego (BERNUCCI et al., 2006).
2.5.1.2 Resiliência
Medina e Motta (2015) caracterizam o termo resiliência como sendo uma propriedade dos materiais que define a sua capacidade de retornar à forma inicial após a aplicação de uma tensão causadora de deformações. Representa a energia armazenada num corpo deformado elasticamente, que é devolvida quando cessa a aplicação da carga geradora de tensões.
O estudo da resiliência dos materiais se tornou importante para pavimentação, como disserta Bernucci et al. (2006), quando foi constatado que grande parte dos trincamentos e rupturas observados nos pavimentos eram oriundas dos esforços provocados pela ação de cargas repetidas, aplicadas em frações de segundos, cujos efeitos não eram bem representados em laboratório através do ensaio ISC, que retrata o comportamento dos materiais sob ação de uma tensão constante e crescente. Iniciaram-se estudos, então, a fim de compreender as deformações verticais apresentadas pelos pavimentos quando submetidos às cargas das rodas dos veículos. Essas deformações passaram a ser chamadas de deflexões, correspondendo aos deslocamentos verticais recuperáveis, os resilientes ou elásticos, após cessada a aplicação da carga.
De acordo com Medina e Motta (2015), “é a deformabilidade ‘elástica’ ou resiliente das camadas do pavimento e do subleito que condiciona a vida de fadiga das camadas superficiais mais rijas – revestimento de concreto asfáltico, base de solo-cimento, etc. – sujeitas a flexões sucessivas” (p. 219). A grandeza que caracteriza a capacidade resiliente dos materiais é denominada módulo de resiliência, e, conforme Medina e Motta (2015), é obtida a partir de ensaios de cargas repetidas, onde o material é submetido a tensões que procuram reproduzir as condições de campo.
O módulo de resiliência de solos depende do estado de tensões atuante, composto das tensões decorrentes do peso próprio e daquelas causadas pelas cargas dos veículos. É determinado através do ensaio triaxial de cargas repetidas, por meio do qual procura-se estabelecer a relação entre o valor do módulo e as condições de densidade, umidade e grau de saturação que o material apresenta in situ (MEDINA; MOTTA, 2015).
No Brasil, a norma utilizada para determinação do módulo de resiliência de solos é a DNIT 134/2010 – ME. Antes do início do ensaio, é necessária a aplicação de uma sequência de tensões de condicionamento, apresentadas na Tabela 3, “com a finalidade de eliminar as grandes deformações permanentes que ocorrem nas primeiras aplicações de tensões desvio e de reduzir o efeito da história de tensões no valor do módulo de resiliência” (DNIT, 2010, p. 3). Após a fase de condicionamento, quando ocorre, de fato, o início do ensaio, o corpo de prova é submetido a uma sequência de tensões de confinamento (σ3) e tensões desvio (σd), conforme apresentado na Tabela 4.
Tabela 3: Sequência de tensões de condicionamento TENSÃO CONFINANTE σ3 (kPa) TENSÃO DESVIO σd (kPa) RAZÃO DE TENSÕES σ1/σ3 68,9 68,9 2 68,9 206,8 4 102,9 309 4
Tabela 4: Sequência de tensões para determinação do módulo de resiliência σ3 (kPa) σd (kPa) σ1/σ3 20,7 20,7 2 41,4 3 62,1 4 34,5 34,5 2 68,9 3 102,9 4 50,4 50,4 2 102,9 3 155,2 4 68,9 68,9 2 137,9 3 206,8 4 102,9 102,9 2 206,8 3 309 4 137,9 137,9 2 274,7 3 412 4
Fonte: adaptado de DNIT 134/2010 – ME (p. 4)
O módulo de resiliência (MR) é calculado para cada par de tensões aplicadas ao solo, por meio da Fórmula 4, onde a deformação específica resiliente (εr) é obtida da Fórmula 5 (DNIT, 2010): 𝑀𝑅 = 𝜎𝑑 𝜀𝑟 (4) 𝜀𝑟 = ∆ℎ 𝐻0 (5) Onde:
MR = módulo de resiliência, em kPa
σd = tensão desvio aplicada repetidamente, em Kpa
εr = deformação específica resiliente
Δh = deformação resiliente registrada no computador, em cm H0 = distância entre alças, em cm
Conforme afirmam Medina e Motta (2015), o módulo de resiliência depende da natureza e constituição do solo, das condições de estado e das solicitações de tensões. Segundo os autores, a natureza relaciona-se com a constituição mineralógica, textura e arranjo estrutural das partículas, plasticidade da fração fina e elos de cimentação natural, as condições de estado se referem à massa específica aparente e a umidade, e as solicitações de tensão representam a ação do tráfego numa estrutura de pavimento.
Ainda de acordo com Medina e Motta (2015), desde o início da realização dos ensaios triaxiais de cargas repetidas na COPPE/UFRJ, desenvolveram-se diversas teses de mestrado e doutorado que buscavam caracterizar o comportamento dos solos em relação ao módulo de resiliência. Considerando os parâmetros natureza, constituição do solo e condições de estado como constantes, o objetivo era estabelecer uma relação que apresentasse o módulo de resiliência em função das tensões solicitantes. Para tanto, surgiram diversos modelos matemáticos, apresentados na Figura 14, que normalmente eram diferenciados de acordo com a granulometria dos materiais, e não apresentavam coeficientes de determinação (R2) satisfatórios quando aplicados em amostras diversas.
Figura 14: Modelos de comportamento resiliente de solos em ensaios triaxiais
Fonte: Medina e Motta (2015, p. 220)
Macedo (1996) inovou ao propor a utilização da Fórmula 6 como modelo para determinação do módulo de resiliência de solos, genérica do ponto de vista da granulometria,
tendo, por isso, se tornado a mais utilizada desde então. Este modelo é, também, o que melhor tem representado o comportamento resiliente de solos, atingindo coeficientes de determinação maiores que 0,90. Embora apresente bons resultados, Medina e Motta (2015) salientam que é importante lembrar que nenhum modelo é intrínseco ao solo, sendo possível estabelecer diversas equações que representem o comportamento de determinado material ou ensaio.
𝑀𝑅 = 𝑘1−1∗ 𝜎3−𝑘2∗ 𝜎𝑑1−𝑘3 (6)
2.5.2 Modelos de desempenho de pavimentos asfálticos
Para Franco (2007), o critério de ruptura de um pavimento asfáltico influencia diretamente na concepção do projeto estrutural deste pavimento, pois a espessura das camadas será definida em função do tipo de solicitação atuante. Portanto, Balbo (2007) afirma que são consideradas duas teorias de ruptura, em torno das quais constroem-se critérios de dimensionamento distintos:
a) Ruptura estrutural: o conjunto não é mais capaz de resistir aos esforços solicitantes e há presença de grande quantidade de deformações plásticas (irreversíveis). Caracterizada pelo visível trincamento e fissuramento da superfície (fadiga) e/ou deformações verticais em toda a extensão longitudinal do trilho por onde passam as rodas dos veículos, o chamado afundamento do trilho de rodas (ATR), gerando um notável desnível em relação à altura original, além da análise da tensão limite no topo do subleito.
b) Ruptura funcional: quando o pavimento não serve mais ao usuário, seja em condições de conforto ou segurança ao rolamento, independentemente da existência de ruptura estrutural.
Franco (2007) afirma que a ruptura do pavimento, seja estrutural ou funcional, é influenciada por fatores relacionados ao clima, técnicas construtivas e, principalmente, à passagem das cargas impostas pelo tráfego. Assim, disserta:
“Cada passagem de um eixo contribui com uma parcela da vida de serviço segundo critérios de ruptura pré-estabelecidos. Esta parcela é o que se pode chamar de dano unitário devido a uma passagem do veículo. Com a sequência da passagem dos veículos, os danos unitários vão se acumulando e consumindo a vida de serviço do pavimento” (FRANCO, 2007, p. 168).
