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Bloco 7

Materiais de Base, Sub-base e Reforço do Subleito

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As aulas contidas neste CD foram elaboradas pela seguinte equipe de professores:

AutoriaAutoria

Liedi Légi Bariani Bernucci - Universidade de São Paulo

Jorge Augusto Pereira Ceratti - Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Laura Maria Goretti da Motta - Universidade Federal do Rio de Janeiro

Jorge Barbosa Soares - Universidade Federal do Ceará

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Este CD contém 30 aulas, em 10 blocos organizados por assunto:

Lista dos assuntos do CD completoLista dos assuntos do CD completo

Bloco 1 – Introdução

Bloco 2 – Asfaltos

Bloco 3 – Agregados e Fíler

Bloco 4 – Tipos de Revestimentos Asfálticos

Bloco 5 – Dosagem de Misturas Asfálticas e de Tratamento superficial

Bloco 6 – Propriedades Mecânicas de Misturas Asfálticas

Bloco 7 – Materiais de Bases e Soluções de Pavimentação Asfáltica

Bloco 8 – Técnicas Executivas

Bloco 9 – Avaliação de Pavimentos Asfálticos

Bloco 10 – Técnicas de Restauração e Reabilitação de Pavimentos Asfálticos

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ObservaçãoObservação

O conteúdo das aulas aqui apresentadas tem caráter educacional e foi elaborado pelos quatro autores a partir das respectivas experiências em ensino, pesquisa e extensão. As informações possuem a contribuição de alunos e profissionais envolvidos nestas atividades.

Na melhor de suas possibilidades, os autores registraram o crédito devido nas diversas informações, incluindo fotos e figuras. Nenhuma informação deverá ser entendida como conselho ou recomendação de qualquer ordem.

Os materiais referidos não poderão ser copiados, reproduzidos, adaptados, publicados ou distribuídos em qualquer forma sem o consentimento prévio dos autores.

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Materiais de Camadas de Materiais de Camadas de PavimentoPavimento

As estruturas de pavimentos são sistemas de camadas de espessuras finitas assentes sobre a fundação, chamada de subleito.

O comportamento estrutural do pavimento depende da rigidez de cada camada, da interação entre elas e do subleito. O comportamento de cada camada do pavimento depende das características e propriedades do material que a constitui, da espessura e de sua posição relativa na estrutura do pavimento.

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Materiais de Camadas de Pavimento

A concepção da estrutura do pavimento e a seleção dos materiais a serem empregados dependem principalmente dos seguintes fatores:

do tráfego (volume e composição) e vida ou período de projeto

da disponibilidade de materiais da região

do relevo e das condições climáticas da região

da geometria e das condições de drenagem da via

As espessuras de cada uma das camadas dependerá do projeto de dimensionamento estrutural

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Materiais de Camadas de Pavimento

Nos pavimentos asfálticos, estão em geral presentes camadas de base, de sub-base e de reforço do subleito

Subleito

Sub-base

Reforço do subleito

Base

Revestimento asfáltico

Estrutura-tipo de pavimento asfáltico

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Materiais de Camadas de Pavimento

Nos pavimentos rígidos ou de concreto de cimento Portland, denominam-se as camadas subjacentes às placas de concreto de camadas de sub-base e de reforço do subleito

Estrutura-tipo de pavimento rígido

Placa de concreto de cimento Portland

Reforço do subleito

Subleito

Sub-base

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Materiais de Camadas de PavimentoOs materiais de base, de sub-base e do reforço do subleito são classificados ainda segundo sua natureza e seu comportamento aos esforços:

Materiais granulares e solos Trabalham principalmente aos esforços de compressão. Os solos com fração de finos (silte + argila) exibem

coesão, mas resistem fracamente à tração

Materiais cimentados ou estabilizados quimicamente Materiais que recebem a adição de cimento, cal ou estabilizantes que aumentem expressivamente a coesão

e a rigidez em relação ao material de origem, aumentando a resistência à compressão e à tração

Materiais com adição de asfalto Materiais que possuem suas partículas de agregados ou de solo unidas por ligantes asfálticos que conferem

aumento de resistência à compressão e à tração com relação ao material de origem

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Materiais de Camadas de Pavimento

Os solos do subleito e todos os materiais selecionados para comporem as camadas do pavimento devem ser ensaiados e caracterizados para assegurar um bom desempenho do pavimento.

Preliminarmente, os solos e materiais em geral são ensaiados para determinar sua natureza e características físicas e/ou químicas. Para uma boa concepção e dimensionamento estrutural do pavimento devem também ser conhecidas as propriedades dos materiais como resistência, deformabilidade e permeabilidade, avaliadas por meio de ensaios.

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Materiais: Seleção e Caracterização

Métodos de seleção e caracterização: principais fatores

1. Agregados e materiais essencialmente granulares, sem finos ou com fração de finos pouco expressiva:

Distribuição granulométrica (vide Bloco 3)

Caracterização das partículas: resistência dos grãos, forma e durabilidade (vide Bloco 3)

Fração fina caracterizada indiretamente pelo equivalente de areia, pela plasticidade e pela atividade

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Materiais: Seleção e Caracterização

Métodos de seleção e caracterização

2. Solos com expressiva fração de finos (material passante na peneira no. 200 ou de abertura 0,075mm):

São materiais indesejados tradicionalmente no meio rodoviário norte-americano e europeu devido à plasticidade, à redução da permeabilidade dos materiais e da rigidez, e ao aumento da deformabilidade, principalmente da expansão volumétrica em presença de água, o que reduz a resistência

Solos tropicais presentes em grande extensão do território brasileiro exibem comportamento geotécnico peculiar, podendo ser resistentes e de baixa deformabilidade mesmo sendo plásticos e em presença de água, como os lateríticos – importantes materiais para a construção viária nacional

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Materiais: Seleção e Caracterização

Métodos de seleção e caracterização: solos - classificação MCT

(Miniatura, compactada, tropical) – Nogami e Villibor, 1981

Necessidade de uso de outros métodos e sistemas de classificação e caracterização de solos tropicais que possibilitem a distinção entre solos de comportamento lateríticos (L), desejados na pavimentação, daqueles de comportamento não-laterítico (N)

Foto: LENC Lab de Engenharia e Consultoria Ltda

SOLO LATERÍTICOSOLO LATERÍTICO

SOLO NÃO-LATERÍTICOSOLO NÃO-LATERÍTICO

Exemplos de taludes de corte com ocorrências de solos tropicais :

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Materiais: Seleção e Caracterização

Métodos de seleção e caracterização: solos - classificação MCT

Exemplo de talude de corte com ocorrências de solos tropicais :

Foto: Job S. Nogami

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Materiais: Seleção e Caracterização

Métodos de seleção e caracterização: classificação MCT

Propriedades e índices da MCT para solos tropicais passantes 90% ou mais na peneira No 10 ou de abertura 2,0 mm:

c’ - avaliação da compressibilidade, tendência ao aumento do índice com a

coesão, com a presença de finos

e’ - avaliação combinada de dois índices (d’ e Pi), sendo o primeiro (d’) referente

à variação de massa específica aparente com o aumento da umidade no ramo seco da curva de compactação – em geral elevado para solos lateríticos, e o segundo (Pi - perda por imersão) referente à perda de massa de material em presença de água – em geral baixa perda é típica de solos lateríticos coesivos que não perdem ou perdem pouca resistência em presença de água.

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Materiais: Seleção e Caracterização

Métodos de seleção e caracterização: classificação MCT

Compactação:

soquete

Cilindro de compactação e solo compactado

equipamento

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Materiais: Seleção e Caracterização

Métodos de seleção e caracterização: classificação MCT

Ensaio de perda por imersão – solo compactado em imersão em água:

Amostras de solos tropicais

Comportamento diferente de solos tropicais

em contato com água

Bom:Baixa perda de material

Ruim:Perda excessiva de material

Fotos: Marcia Aps

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Materiais: Seleção e Caracterização

Métodos de seleção e caracterização: classificação MCT

2 classes de solos tropicais:

L: comportamento laterítico

N: comportamento não-laterítico)

A=areiaA’=arenosoG’=argilosoS’=siltoso

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Materiais: Propriedades Mecânicas

Propriedades mecânicas dos materiais: resistência e deformabilidade

1. Índice de Suporte Califórnia (ISC) ou California Bearing Ratio (CBR):

Concepção no final da década de 20 para avaliar o potencial de ruptura do subleito - a resistência do material frente a deslocamentos significativos, sendo obtida por meio de ensaio penetrométrico em laboratório - resposta combina a coesão com o ângulo de atrito do material

Valor de referência ou padrão, equivalente a 100%

ISC é a relação entre a pressão necessária para produzir uma penetração de um pistão num corpo-de-prova de solo ou material granular e a pressão necessária para produzir a mesma penetração no material padrão

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Materiais: Propriedades Mecânicas

Propriedades mecânicas dos materiais: resistência e deformabilidade

1. Índice de Suporte Califórnia (ISC) ou California Bearing Ratio (CBR)

Etapas do ensaio laboratorial:

1º. Compactação do corpo-de-prova 2º. Imersão dos corpos-de-prova em tanque de água por 96 horas e medida de expansão axial

3º. Ensaio de penetração de pistãopadrão no corpo-de-prova e medidapenetração e resistência

Fotos: Rosângela Motta

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Materiais: Propriedades Mecânicas

Propriedades mecânicas dos materiais: resistência e deformabilidade

1. Índice de Suporte Califórnia (ISC) ou California Bearing Ratio (CBR)

Comentários:

A expansão axial após imersão do material em água não apresenta correlação forte com o Índice de Suporte Califórnia; há, no entanto, uma tendência de que materiais com elevada expansão apresentem baixa capacidade de suporte após contato com a água. Por este motivo, a expansão dos solos e materiais tem sido limitada pelas especificações cujo valor depende do material e posição da camada na estrutura

É desejável utilizar materiais pouco sensíveis à água, apresentando baixa perda de capacidade de suporte após imersão em água

Progressivamente o ISC vem sendo substituído pelo Módulo de Resiliência, ensaio que avalia o comportamento dos materiais frente à repetição de carga e pequenos deslocamentos por se aproximar da realidade de solicitação dos materiais em estruturas de pavimentos

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Materiais: Propriedades Mecânicas

Propriedades mecânicas dos materiais: resistência e deformabilidade

1. Índice de Suporte Califórnia (ISC) ou California Bearing Ratio (CBR)

Concepção no final da década de 20 para avaliar o potencial de ruptura do subleito - a resistência do material frente a deslocamentos significativos, sendo obtida por meio de ensaio penetrométrico em laboratório - resposta combina a coesão com o ângulo de atrito do material

Valor de referência ou padrão, equivalente a 100%

ISC é a relação entre a pressão necessária para produzir uma penetração de um pistão num corpo-de-prova de solo ou material granular e a pressão necessária para produzir a mesma penetração no material padrão

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Materiais: Propriedades Mecânicas

Propriedades mecânicas dos materiais: resistência e deformabilidade

2. Módulo de Resiliência:

Os problemas estruturais dos pavimentos são geralmente resultantes da repetição de cargas pelos veículos em movimento, aplicadas frequentemente em frações de segundo, com magnitudes e freqüências variadas. As tensões solicitantes nas camadas proporcionam na maior parte das vezes pequenos deslocamentos (recuperáveis ou resilientes após a cessão das tensões), bem menores que aqueles simulados nos ensaios de penetração como o ISC

A repetição de tensões pode levar um material à ruptura por fadiga, embora estas tensões sejam inferiores a sua resistência à ruptura. Desde os anos 30 pesquisadores e engenheiros rodoviários norte-americanos procuram mensurar os deslocamentos recuperáveis nos pavimentos, denominados de deflexão

Na década de 50 foi concebido nos Estados Unidos por Seed e Fead o primeiro equipamento triaxial de cargas repetidas para a mensuração em laboratório dos deslocamentos resilientes de materiais submetidos a tensões repetidas

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Materiais: Propriedades Mecânicas

2. Módulo de Resiliência

Esquema do equipamento triaxial de cargas repetidas:

AR COMPRIMIDOAR COMPRIMIDO

CÉLULA TRIAXIALCÉLULA TRIAXIAL

LVDTLVDTRegistro dos Registro dos deslocamentosdeslocamentos

CILINDRO DECILINDRO DEPRESSÃOPRESSÃO

hh15 3015 3010 2010 207.5 157.5 15 5 105 10

h

Medidas em cm

CORPO-DE-PROVACORPO-DE-PROVA

CÉLULA DE CARGACÉLULA DE CARGA

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2. Módulo de Resiliência

Exemplo de equipamento triaxial de cargas repetidas:

Corpo-de-prova

Célula triaxial

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2. Módulo de Resiliência (MR): Resumo do Ensaio

Uma tensão axial repetida de magnitude pré-fixada é aplicada na forma senoidal por 0,1 segundos e removida por 0,9 segundos a um corpo de prova, resultando em ciclos de 1 s.

Durante o ensaio, o corpo de prova é submetido a pares de tensão

axial cíclica dinâmica (1) e a tensão confinante estática (3).

Os deslocamentos axiais resilientes (recuperáveis) do corpo-de-prova são medidos e empregados para calcular o módulo de resiliência.

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2. Módulo de Resiliência (MR): Cálculos

MR = d / r

Sendo: : tensão principal maior ou axial (kN/m2)3: tensão principal menor ou de confinamento (kN/m2)

d: tensão-desvio (kN/m2)r: deformação resiliente ou recuperável (r=r / L) (mm/mm)

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2. Módulo de Resiliência (MR): Cálculos

MATERIAL ELÁSTICO LINEARLEI DE HOOKE GENERALIZADA

MATERIAL ELÁSTICO LINEARLEI DE HOOKE GENERALIZADA

ENSAIOCARREGAMENTO ESTÁTICO

ENSAIOCARREGAMENTO ESTÁTICO

311 2E

1 311 2

E

1

131333 1E

1

E

1 131333 1

E

1

E

1

33131

3131

2

2

E 33131

3131

2

2

E

13133

1331

2

13133

1331

2

MR

ENSAIO CARREGAMENTO REPETIDO

ENSAIO CARREGAMENTO REPETIDO

r1

r3

r

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2. Módulo de Resiliência (MR): materiais cimentados

O MR não depende da variação das tensões; tende a ser constante

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2. Módulo de Resiliência (MR): materiais granulares

O MR depende principalmente da variação da tensão de confinamento

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2. Módulo de Resiliência (MR): solos coesivos

O MR depende principalmente da variação da tensão-desvio

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2. Módulo de Resiliência (MR): materiais granulares e coesivos

O MR depende da variação da tensão-desvio e da de confinamento

TENDÊNCIATENDÊNCIAATUALATUAL

TENDÊNCIATENDÊNCIAATUALATUAL

log log 33

log Mlog MRR

0.01 0.1 1.0 10 100

10

1.000

10.000

100

K21K1

MODELO log x log (1 “reta”)

MODELO log x log (1 “reta”)

arenoso ... f(arenoso ... f(33))argiloso ... f(argiloso ... f(dd))

02

312

K

KM KR

02

312

K

KM KR

log log dd

log Mlog MRR

0.01 0.1 1.0 10 100

10

1.000

10.000

100 K2

1K1

02

12

K

KM KdR

02

12

K

KM KdR

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2. Módulo de Resiliência (MR): materiais granulares e coesivos

O MR depende da variação da tensão-desvio e da de confinamento

Modelo Composto (Macêdo, 1996):

MR= k1 . 3 k2 . d

k3

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2. Módulo de Resiliência (MR): vantagens

O MR indica uma propriedade básica dos materiais e é utilizado na análise mecanicista de sistemas de múltiplas camadas e pelos métodos modernos de dimensionamento de estruturas de pavimento

O método de determinação em laboratório do MR de solos pelo ensaio triaxial é aceito internacionalmente

Há técnicas disponíveis mundialmente e inclusive no Brasil para a avaliação em campo com testes rápidos e não-destrutivos (vide Bloco 10) dos deslocamentos resilientes dos pavimentos, possibilitando por retroanálise o cálculo do MR das camadas, auxiliando a liberação de camadas construídas e no dimensionamento de pavimentos e reabilitações

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Materiais: Propriedades Mecânicas

3. Outros ensaios mecânicos

Para alguns materiais de base, sub-base e reforço do subleito, principalmente os cimentados e os asfálticos, é necessária a determinação da resistência à tração ou a resistência à compressão simples

Estes valores de resistência são empregados principalmente em especificações de materiais e em alguns métodos de dimensionamento

Em alguns casos de projetos, determina-se a permeabilidade dos materiais para verificação principalmente da capacidade drenante. Em geral são empregados ensaios de carga constante para britas, agregados ou materiais granulares, e ensaios de carga variável para solos

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3. Outros ensaios mecânicos: resistência à tração por compressão diametral

Carregamento estático de compressão vertical

Deslocamento rompendo o Corpo-de-prova por tração

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Materiais: Propriedades Mecânicas

3. Outros ensaios mecânicos: resistência à compressão simples

Carregamento axial de compressão

Deslocamento vertical do Corpo-de-prova levando à ruptura

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Materiais

Comentários:

A seleção dos materiais depende, portanto, da concepção da estrutura de pavimento que se objetiva construir e esta passa por:

Identificação em campo,

Caracterização em laboratório

Determinação de propriedades mecânicas (resistência e deformabilidade) e da permeabilidade

Após estas etapas, são dimensionadas as estruturas de pavimentos

O Bloco 7 - aula 19 traz os materiais mais empregados em estruturas de pavimentos e algumas estruturas-tipo utilizadas como soluções de pavimentação em diferentes condições e casos.