Caracterização mecânica de misturas betuminosas (1)

INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOADepartamento de Engenharia CivilISEL

Caracterizao mecnica de misturas betuminosas a aplicar em infra-estruturas de transportesSUSANA FERREIRA MENDESLicenciada em Engenharia CivilDissertao para obteno do grau de Mestre em Engenharia Civil na rea de especializao em Vias de Comunicao e Transportes

Orientador (es):Doutora Ana Cristina Freire, Investigadora Auxiliar (LNEC) Doutora Maria da Graa Alfaro Lopes, Prof. Coord. com Agregao (ISEL)

Jri:Presidente: Doutor Joo Alfredo Ferreira dos Santos, Prof. Coord.(ISEL) Vogais: Doutora Ana Cristina Freire, Investigadora Auxiliar (LNEC) Doutora Maria da Graa Alfaro Lopes, Prof. Coord. com Agregao (ISEL) Doutora Simona Fontul, Investigadora Auxiliar (LNEC)

Novembro de 2011

Resumo

RESUMO

A maioria das infra-estruturas de transportes, nomeadamente os pavimentos rodovirios e aeroporturios, so constitudas por misturas betuminosas, o que permite um bom desempenho e uma adequada durabilidade, nas condies usuais de servio. As misturas betuminosas so ainda amplamente utilizadas na construo de zonas de estacionamento de veculos, tendo-se verificado recentemente a sua aplicao tambm em infra-estruturas ferrovirias. Face necessidade de melhorar o desempenho das vias-frreas, permitindo uma concepo mais durvel de linhas de alta velocidade e uma reduo dos custos da sua manuteno, tem-se vindo a desenvolver diversos estudos para promover a utilizao de novos materiais, principalmente atravs da incorporao de misturas betuminosas. O presente trabalho tem como objectivo a caracterizao do comportamento mecnico de misturas betuminosas a aplicar em infra-estruturas de transportes. Como metodologia para o estudo do comportamento mecnico das misturas betuminosas foram realizados em laboratrio ensaios de cargas repetidas, nomeadamente, ensaios de flexo em quatro pontos para determinao da rigidez e da resistncia fadiga e ensaios de compresso triaxiais cclicos para avaliao do comportamento deformao permanente. A resistncia fadiga das misturas betuminosas em estudo foi avaliada atravs do ensaio de flexo em quatro pontos, com extenso controlada, e aplicao de um carregamento sinusoidal com diferentes frequncias, de acordo com o procedimento de ensaio da norma europeia EN 12697-24 (2004 + A1: 2007). A resistncia deformao permanente das misturas betuminosas foi analisada atravs de ensaios de compresso triaxiais cclicos, submetendo-as a uma tenso de confinamento esttica pela aplicao parcial de vcuo e a uma presso axial cclica sob a forma rectangular, de acordo com a norma europeia EN 12697-25 (2004). O conhecimento destas propriedades mecnicas assume particular importncia ao nvel da formulao das misturas betuminosas, do dimensionamento de uma estrutura

I

Resumo

ou do estabelecimento de uma adequada soluo para uma obra de reabilitao duma infra-estrutura de transportes. Para este estudo foi utilizado um modelo fsico construdo numa fossa no LNEC, com o propsito de serem testadas trs substruturas ferrovirias no convencionais, utilizando sub-balastro betuminoso. A seleco das substruturas foi efectuada aps uma anlise de vrias seces de estruturas j testadas e aplicadas noutros pases, de forma a proporcionar comparaes fiveis entre elas. Os resultados obtidos mostraram que a mistura betuminosa AC20 base 50/70 (MB) aplicada na camada de sub-balastro adequada para ser aplicada nas infra-estruturas de transportes pois apresenta um bom desempenho fadiga e deformao permanente. Atravs dos ensaios efectuados foi ainda possvel entender a importante influncia das caractersticas volumtricas, principalmente da porosidade para o bom comportamento da mistura betuminosa.

Palavras-Chave: Misturas betuminosas, infra-estruturas de transportes, caracterizao mecnica, ensaios de cargas repetidas, ensaios triaxiais, ensaios de fadiga.

II

Abstract

ABSTRACT

Most transport infrastructures, including road and airport pavements include bituminous mixtures, which allow a good performance and an adequate durability under ordinary service conditions. The bituminous mixtures are still widely used in the construction of parking areas for vehicles, being recently applied in rail infrastructures. Due to the need to improve the performance of railways, allowing a more durable highspeed lines and a maintenance cost reduction, numerous studies to promote the use of new materials, mainly through the incorporation of bituminous mixtures have been developed. The present work aims to characterize the mechanical behaviour of bituminous mixtures in order to be applied in transport infrastructures. As a methodology to study the mechanical behaviour of the bituminous mixtures, laboratory repeated loading tests were performed, namely four-point bending tests (4PBT) to determine stiffness and fatigue behaviour, and cyclic triaxial compression tests to evaluate the permanent deformation behaviour. The fatigue behaviour of the studied bituminous mixtures was evaluated by the 4PBT, with controlled strain and the application of a sinusoidal loading with different frequencies, according to the European Standard EN 12697-24 (2004 + A1:2007). The permanent deformation behaviour of the bituminous mixtures was analyzed with the cyclic triaxial compression test, by subjecting the samples to a static confinement stress through the application of vacuum and applying a rectangular cyclic axial pressure stress, according to the European Standard EN 12697 -25 (2004). The knowledge of these mechanical properties is of particular importance in the formulation of bituminous mixtures, in structure design or for the establishment of an adequate solution to transportation infrastructure rehabilitation. For this study a physical model built at LNECs test pit was used, in order to test three unconventional railway substructures using bituminous mixtures as sub-ballast layer. The selection of the substructures was made after the analysis of several sections already tested and applied in other countries, in order to provide reliable comparisons between them. III

Abstract

The results obtained showed that the bituminous mixture AC20 base 50/70 (MB) applied in the sub-ballast layer is suitable for application in transport infrastructure because it presents an adequate performance to fatigue and permanent deformation. Through the tests carried out it was also possible to understand the importance of volumetric characteristics, especially the bulk density to a good behaviour of bituminous mixture.

Keywords: Bituminous mixtures, transport infrastructures, mechanical characterization, repeated loading tests, triaxial tests, fatigue tests.

IV

Agradecimentos

AGRADECIMENTOS

O presente trabalho de tese foi elaborado no Laboratrio Nacional de Engenharia Civil (LNEC), sob orientao da Doutora Ana Cristina F. O. R. Freire, Chefe do Ncleo de Infra-estruturas Rodovirias e Aeroporturias (NIRA) e Investigadora Auxiliar do LNEC e da Doutora M. Graa Alfaro Lopes, Professora Coordenadora com Agregao do Instituto Superior de Engenharia de Lisboa (ISEL). Gostaria de expressar o meu reconhecimento ao LNEC na pessoa do seu Presidente, Investigador Coordenador Carlos Pina, pelos meios facultados e s vrias pessoas que contriburam directa ou indirectamente para a realizao deste trabalho. Agradeo Fundao para a Cincia e Tecnologia que apoiou financeiramente parte deste trabalho, no mbito do Projecto PTDC/ECM/70571/2006 Optimizao de vias ferrovirias de alta velocidade mediante uso de sub-balastro betuminoso. Quero agradecer tambm o apoio da Galp Energia, na pessoa do Eng. Jorge Moura, pelo financiamento da construo do modelo fsico onde foram aplicadas as misturas betuminosas objectos do presente estudo.

Desejo agradecer em particular: minha orientadora, Doutora Ana Cristina Freire, no s pela orientao deste trabalho, como pela confiana em mim depositada para a sua concretizao, pela colaborao demonstrada na realizao dos ensaios e leitura crtica do documento. Mas acima de tudo, quero agradecer toda a sua amizade e reconhecimento. minha orientadora, Doutora M. Graa Alfaro Lopes, pelos conhecimentos transmitidos nas suas aulas, pela leitura do documento e pela oportunidade que me deu. A ela quero demonstrar o meu profundo agradecimento. Ao Doutor Eduardo Fortunato, Chefe do Ncleo de Infra-estruturas Ferrovirias e Investigador Principal do LNEC, pela possibilidade de participar num projecto to aliciante.

V

Agradecimentos

Ao Engenheiro Henrique Miranda, Docente do Mestrado no ISEL, pelo conhecimento e entusiasmo transmitido nas suas aulas assim como a disponibilidade demonstrada na realizao de alguns ensaios de flexo em quatro pontos no LNEC. Ao Engenheiro Pedro Domingos, pelos conhecimentos transmitidos assim como pela disponibilidade demonstrada na realizao de alguns ensaios de traco indirecta no laboratrio. Ao Senhor Eduardo Coimbra, Tcnico do NIRA/DT, pelo acompanhamento dos ensaios ao longo de todo o perodo deste trabalho, pelo profissionalismo, dedicao e disponibilidade sempre demonstradas, mesmo nos perodos mais difceis. Aos Senhores Jos Reimo, Joo Costa, Nuno Nunes, Tcnicos do NIRA/DT, pela disponibilidade e ajuda sempre que solicitada. Engenheira Simona Fontul, Engenheira Anabela Maia, Engenheira Vnia Marecos, ao Engenheiro Gonalo Faria e ao Daniel Fernandes pela simpatia que sempre me demonstraram e pela forma como me acolheram no LNEC.

Por ltimo, mas no menos importantes, gostaria de manifestar os meus sinceros agradecimentos, em particular: minha famlia, em especial aos meus pais e irmos pelos bons momentos que me proporcionaram durante a concretizao deste trabalho. Ao Telmo Ruivo, pela pacincia e amor que sempre me transmitiu e por todo o apoio na realizao deste trabalho.

VI

ndice

NDICE1 Introduo 1.1 Enquadramento do tema 1.2 Objectivos 1.3 Metodologia 1.4 Estrutura do trabalho 2 Misturas Betuminosas 2.1 Caractersticas gerais 2.2 Principais constituintes das misturas betuminosas 2.2.1 2.2.2 Agregados Ligantes betuminosos que influenciam o comportamento mecnico das misturas 18 Composio volumtrica Trfego Condies climatricas Compactao 18 20 23 25 25 26 28 29 31 31 32 36 40 43 45 1 1 3 4 4 7 7 11 11 15

2.3 Factores betuminosas 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4

2.4 Caractersticas mecnicas das misturas betuminosas 2.4.1 2.4.2 2.4.3 Rigidez das misturas betuminosas Resistncia fadiga Resistncia s deformaes permanentes

3 Infra-estrutura Ferroviria 3.1 Constituio da via-frrea 3.1.1 3.1.2 Superstrutura Substrutura

3.2 Funcionamento da via-frrea 3.3 Mecanismos de degradao da via-frrea 4 Caracterizao Mecnica de Misturas Betuminosas

VII

ndice

4.1 Determinao do mdulo de rigidez e caracterizao do comportamento fadiga 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 Ensaio de traco indirecta ou de compresso diametral Ensaio de flexo em dois pontos Ensaio de flexo em trs pontos Ensaio de flexo em quatro pontos 45 47 48 49 50 53 54 55 59 60 61

4.2 Caracterizao do comportamento deformao permanente 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 Ensaio de compresso uniaxial Ensaio de compresso triaxial Ensaio de corte simples Ensaio de simulao em pista Whell Tracking Ensaio de simulao em pista escala real

5 Caso de Estudo Caracterizao Mecnica de Mistura Betuminosa aplicada em Camada de Sub-Balastro 5.1 Construo do modelo fsico 5.2 Caracterizao dos materiais aplicados na fossa de ensaios 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5 agregados 5.2.6 5.2.7 5.2.8 5.2.9 5.2.10 5.2.11 5.2.12 Ensaio para a determinao da percentagem de betume Ensaio para determinao da baridade mxima terica Ensaio para a determinao da baridade e da porosidade Ensaio de compresso Marshall Ensaio para a determinao da sensibilidade gua Ensaios de flexo em quatro pontos (Mdulo e Fadiga) Ensaio de traco indirecta Solos Materiais granulares Misturas Betuminosas Obteno dos provetes para ensaio Ensaio para a determinao da anlise granulomtrica da mistura de 74 75 76 77 82 83 86 92 63 64 66 66 67 68 70

VIII

ndice

5.2.13 5.2.14

Ensaio de Wheel Tracking Ensaios de compresso triaxial com aplicao de cargas cclicas

95 98 105

6 Concluses e Trabalhos Futuros

IX

ndice

X

ndice de Figuras

NDICE DE FIGURASFigura 2.1 Constituio tipo de um pavimento rodovirio flexvel ...................................... 8 Figura 2.2 Representao do ensaio de penetrao do betume ..................................... 17 Figura 2.3 Representao do ensaio de anel e bola ....................................................... 17 Figura 2.4 Composio volumtrica de uma mistura betuminosa compactada ............... 18 Figura 2.5 Efeito da quantidade de betume numa mistura betuminosa ........................... 19 Figura 2.6 Curva da evoluo do endurecimento do betume .......................................... 20 Figura 2.7 Influncia do rasto e presso dos pneus nos pavimentos .............................. 21 Figura 2.8 Influncia da velocidade para rodados de base larga .................................... 22 Figura 2.9 Influncia da velocidade para rodados duplos ............................................... 22 Figura 2.10 Influncia da temperatura num macadame betuminoso ............................... 24 Figura 2.11 Influncia da temperatura num beto betuminoso ........................................ 24 Figura 3.1 Representao da via-frrea balastrada no sentido transversal ..................... 32 Figura 3.2 Representao da via-frrea balastrada no sentido longitudinal .................... 32 Figura 3.3 Solicitaes verticais na via-frrea ................................................................. 41 Figura 3.4 Degradao da via-frrea .............................................................................. 44 Figura 4.1 Representao das tenses para um carregamento sinusoidal ..................... 56 Figura 4.2 Representao das tenses para um carregamento rectangular ................... 56 Figura 4.3 Diferentes mtodos da aplicao da tenso de confinamento nos ensaios triaxiais .......................................................................................................... 57 Figura 4.4 Fases da evoluo da extenso permanente nas misturas betuminosas ....... 58 Figura 4.5 Exemplos de pistas de simulao lineares e circulares .................................. 62 Figura 5.1 Esquema de localizao das seces da fossa ............................................. 64 Figura 5.2 - Representao da clula 1 da fossa ............................................................... 65 Figura 5.3 Representao da clula 2 da fossa .............................................................. 65 Figura 5.4 Representao clula 3 da fossa ................................................................... 66 Figura 5.5 Representao da clula 4 da fossa .............................................................. 66 Figura 5.6 Locais de extraco das amostras. ................................................................ 69 Figura 5.7 Aspecto dos provetes extrados de cada uma das clulas da fossa ............... 71 Figura 5.8 Carotagem dos provetes cilndricos na fossa ................................................. 71 Figura 5.9 Provetes cilndricos depois de rectificados ..................................................... 72 Figura 5.10 Procedimento de compactao de provetes Marshall .................................. 72 Figura 5.11 Execuo das lajetas ................................................................................... 73 Figura 5.12 Corte das lajetas para produo de vigas e aspecto final das vigas ............. 73 Figura 5.13 Curva granulomtrica da mistura de agregados. .......................................... 74 XI

ndice de Figuras

Figura 5.14 Procedimento para determinao da percentagem de betume .................... 75 Figura 5.15 Determinao baridade mxima terica ....................................................... 77 Figura 5.16 Determinao da baridade dos provetes ...................................................... 78 Figura 5.17 Porosidade mdia e desvio padro dos diversos provetes em estudo ......... 81 Figura 5.18 Representao do ensaio de compresso Marshal ...................................... 83 Figura 5.19 Preparao dos provetes para determinao da sensibilidade gua ......... 84 Figura 5.20 Representao do ensaio de traco indirecta............................................. 85 Figura 5.21 Representao do ensaio de flexo ............................................................. 86 Figura 5.22 Evoluo do mdulo de rigidez das vigas das lajetas F1 e F2 ..................... 88 Figura 5.23 Evoluo do ngulo de fase das vigas das lajetas F1 e F2 .......................... 89 Figura 5.24 Mdulos de rigidez das vigas da lajeta F1.................................................... 89 Figura 5.25 Mdulos de rigidez das vigas da lajeta F2.................................................... 90 Figura 5.26 Lei de fadiga da mistura betuminosa - vigas das lajetas F1 e F2 ................. 91 Figura 5.27 Representao do ensaio de traco indirecta............................................. 93 Figura 5.28 Curva representativa do impulso da fora .................................................... 93 Figura 5.29 Ensaio de Wheel Tracking ........................................................................... 96 Figura 5.30 Curvas representativas da deformao no ensaio de Wheel Tracking ......... 97 Figura 5.31 Representao do equipamento e do tipo de carregamento utilizado .......... 98 Figura 5.32 Equipamento utilizado no ensaio de compresso triaxial ............................. 99 Figura 5.33 Evoluo da extenso vertical da mistura betuminosa em estudo.............. 100

XII

ndice de Quadros

NDICE DE QUADROSQuadro 2.1 Tipologia das Misturas Betuminosas .............................................................. 9 Quadro 2.2 Requisitos e propriedades da mistura betuminosa AC 20 base (MB) ........... 11 Quadro 2.3 Fuso granulomtrico da mistura AC 20 base (MB) ....................................... 12 Quadro 2.4 Principais propriedades dos agregados da mistura betuminosa AC 20 base (MB)...................................................................................................... 14 Quadro 2.5 Tipo de betume e exigncias de conformidade ............................................ 16 Quadro 3.1 Classificao dos solos ................................................................................ 39 Quadro 3.2 Classes de resistncia da plataforma ........................................................... 40 Quadro 4.1 Ensaios para avaliao da resistncia fadiga e do mdulo de rigidez ....... 46 Quadro 4.2 Ensaios de caracterizao da resistncia deformao permanente .......... 53 Quadro 5.1 Granulometria do material granular para sub-balastro.................................. 67 Quadro 5.2 Caractersticas mecnicas e fsicas do material granular para subbalastro ......................................................................................................... 68 Quadro 5.3 Ensaios efectuados para avaliao das caractersticas da mistura betuminosa.................................................................................................... 70 Quadro 5.4 Granulometria dos agregados utilizados no fabrico da mistura .................... 75 Quadro 5.5 Propriedades do betume da mistura betuminosa em estudo ........................ 76 Quadro 5.6 Baridade mxima terica da mistura em estudo ........................................... 77 Quadro 5.7 Baridades e porosidades dos provetes da clula C2 .................................... 79 Quadro 5.8 Baridades e porosidades dos provetes da clula C3 .................................... 79 Quadro 5.9 Baridades e porosidades dos provetes da clula C4 .................................... 80 Quadro 5.10 Baridade e porosidade dos provetes Marshall ............................................ 80 Quadro 5.11 Baridades e porosidades das vigas das lajetas F1 e F2 ............................. 81 Quadro 5.12 Resultados do ensaio de compresso Marshall ......................................... 83 Quadro 5.13 Resultados da determinao da sensibilidade gua ................................ 85 Quadro 5.14 Condies de ensaio para determinao do mdulo de rigidez .................. 87 Quadro 5.15 Mdulo de rigidez e ngulo de fase para vigas da lajeta F1 ....................... 87 Quadro 5.16 - Mdulo de rigidez e ngulo de fase para vigas da lajeta F2 ..................... 88 Quadro 5.17 Condies de ensaio para avaliao da resistncia fadiga ...................... 90 Quadro 5.18 Resistncia fadiga das vigas da lajeta F1 ................................................ 91 Quadro 5.19 Resistncia fadiga das vigas da lajeta F2 ................................................ 91 Quadro 5.20 Parmetros das leis de fadiga da mistura betuminosa ............................... 92 Quadro 5.21 Condies de ensaio para o ensaio de traco indirecta ............................ 94

XIII

ndice de Quadros

Quadro 5.22 Resultados do ensaio de traco indirecta para temperatura de ensaio de 10C ......................................................................................................... 94 Quadro 5.23 Resultados do ensaio de traco indirecta para temperatura de ensaio de 20C ......................................................................................................... 95 Quadro 5.24 Baridades das lajetas para o ensaio de Wheel Tracking ............................ 96 Quadro 5.25 Resultados do ensaio de Wheel Tracking .................................................. 97 Quadro 5.26 Condies de ensaio para o ensaio de compresso triaxial ....................... 99 Quadro 5.27 Parmetros obtidos no ensaio de compresso triaxial .............................. 102

XIV

Siglas e Abreviaturas

SMBOLOS E SIGLAS

Durante a redaco deste documento foi sendo explicitado o significado dos smbolos, tentando evitar que o mesmo smbolo apresentasse significados distintos.

Apresentam-se de seguida os principais smbolos e siglas utilizados.

Letras romanas A, B coeficientes determinados experimentalmente AB argamassa betuminosa com betume modificado AC asphalt concrete (beto betuminoso) b - largura Bmin percentagem mnima de ligante BB beto betuminoso BBr beto betuminoso rugoso bin referente camada de ligao, cujo termo em ingls binder course Cc coeficiente de curvatura CE caderno de encargos Cr compactao relativa Cu coeficiente de uniformidade Dmx dimenso mxima de agregado E mdulo de elasticidade; mdulo de rigidez (relativo a camadas betuminosas) mdulo de deformabilidade (relativo a camadas granulares de um pavimento ou aos solos de fundao) E* - mdulo complexo E1 parte real do mdulo complexo E2 parte imaginria do mdulo complexo EV1, EV2 mdulo deformabilidade F - deformao f frequncia, taxa de fluncia H - altura IRC ndice de resistncia conservada ITSR resistncia conservada em traco indirecta ITSd resistncia traco de provetes secos

XV


ITSw resistncia traco de provetes imersos L comprimento efectivo LA coeficiente de Los Angeles Ltot comprimento total Ma massa de agregados Mb massa de betume MB macadame betuminoso MBAM mistura betuminosa de alto mdulo mBBr micro beto betuminoso rugoso MDE coeficiente de Micro Deval MMD mistura betuminosa densa Mt massa total Mv massa de vazios N nmero de aplicaes de carga resistncia fadiga para uma extenso de traco de 100 x 10-6 P1 plataforma medocre P2 plataforma mdia P3 plataforma boa PRDAIR profundidade de rodeira mxima ao ar Q quociente Marshall reg - referente camada de regularizao, cujo termo em ingls regulating course S estabilidade Sm mdulo de rigidez Smist, inicial mdulo de rigidez da mistura inicial SN mdulo de fluncia surf - referente camada de desgaste, cujo termo em ingls surface course T temperatura, factor de fluncia t tempo, tempo de carga, tempo de repouso Va volume de agregados Vb volume de betume Vm porosidade VV volume de vazios VMA vazios na mistura de agregados WTSAIR taxa de deformao ao ar

XVI


Letras gregas extenso extenso inicial extenso de traco calculada aps 1000 ciclos extenso de traco necessria para provocar a runa por fadiga ao fim de 1x10 6 ciclos extenso acumulada aos N ciclos extenso de traco ngulo de fase dimetro peso volmico aparente seco peso volmico aparente seco mximo coeficiente de viscosidade coeficiente de Poisson tenso normal tenso normal inicial tenso desviante ( carga axial cclica tenso de confinamento teor de gua ptimod

=

B

-

C)

XVII


Siglas AASHO American Association of State Highway Officials (ver AASHTO) AASTHO American Association of State Highway and Transport Officials (anteriormente designada por AASHO) ASTM American Society for Testing and Materials BASt - Federal Highway Research Institute CEDEX - Centro de Estudios y Experimentacin de Obras Pblicas CEN Comisso Europeia de Normalizao COST 333 Aco COST 333 Development of New Bituminous Pavement Desing Method COST 334 Aco COST 334 Effects of wide single tyres and dual tyres DT Departamento de Transportes EAPA - European Asphalt Pavement Association EN Norma Europeia EP Estradas de Portugal FCT Fundao para a Cincia e a Tecnologia ISEL Instituto Superior de Engenharia de Lisboa IST Instituto Superior Tcnico LCPC - Laboratoire Central des Ponts et Chausses JAE Junta Autnoma de Estradas (actual EP) LNEC Laboratrio Nacional de Engenharia Civil NIRA Ncleo de Infra-estruturas Rodovirias e Aeroporturias NP Norma Portuguesa NP EN Norma Portuguesa baseada em Norma Europeia REFER Rede Ferroviria Nacional UIC International Union of Railway

XVIII

Captulo 1

1 INTRODUO

1.1

Enquadramento do tema

Para um adequado desenvolvimento sustentvel fundamental a existncia de infraestruturas de qualidade, quer sejam sanitrias, de energia, de comunicaes ou de transportes. Somente assim se poder oferecer s populaes um melhor nvel de vida. Em muitos pases em desenvolvimento as infra-estruturas deficientes limitam o seu crescimento e dificultam a sua participao na economia global. Os transportes so imprescindveis para o desenvolvimento econmico e social, uma vez que se verifica cada vez mais a necessidade de um aumento da mobilidade. Ao longo dos anos tem-se verificado um aumento do nmero de veculos em circulao tendo como consequncia uma saturao das vias rodovirias, principalmente nos grandes centros urbanos, originando uma diminuio do nvel de qualidade de vida, e provocando uma diminuio da segurana e tambm a degradao dos espaos pblicos. Procurando dar resposta problemtica do aumento do nmero de veculos, os transportes e as suas infra-estruturas encontram-se em constante evoluo. As estradas, pontes, tneis, vias-frreas, aeroportos, portos martimos e fluviais tm contribudo para reduzir as distncias permitindo ultrapassar barreiras fsicas, facilitando a acessibilidade, e consequentemente o desenvolvimento econmico e social dos pases. No dimensionamento de infra-estruturas de transportes, o aumento das cargas em circulao, do volume de trfego, e da velocidade de circulao, resultaram na necessidade de novas abordagens de dimensionamento das camadas (Paixo, A., Fortunato, E., 2010; Fortunato, E. et al., 2006; COST 333, 1999; Chen, J. et al., 2004) e consequentemente caracterizao dos materiais constituintes. No caso particular do transporte ferrovirio, as novas solues diferem da soluo tradicional de via balastrada, pela aplicao de inovaes tecnolgicas quer a nvel da utilizao de novos materiais quer nos seus mtodos construtivos. O objectivo diminuir a necessidade de manuteno e conservao das linhas e consequentemente reduzir os custos associados sua manuteno e interrupo da circulao para 1

Caracterizao mecnica de misturas betuminosas a aplicar em infra-estruturas de transportes

obras de conservao. Em comparao com a soluo tradicional balastrada esta solues servem melhor ao nvel da segurana, aspectos ambientais, gesto de operao e custos globais quando se considera o ciclo de vida global da infra-estrutura (Paixo, A., Fortunato, E., 2009). Estas exigncias impostas ao transporte ferrovirio so indispensveis para que o mesmo se torne num sistema de transporte mais competitivo e eficiente. A aplicao de misturas betuminosas na construo ferroviria prev um contributo positivo para a capacidade de suporte da estrutura. Elas melhoram a estabilidade e a durabilidade da estrutura, o que contribui para a reduo da necessidade de manuteno. Alm disso, o uso destes materiais tambm contribui para reduo da vibrao e do rudo (EAPA, 2003). Embora estas tecnologias j h algum tempo tenham sido testadas e aplicadas em alguns pases, tal como o caso da Itlia e do Japo, s agora diversos pases demonstraram especial ateno na sua aplicao (Paixo, A., Fortunato, E., 2009). Na Itlia, a implementao de misturas betuminosas, surgiu ao nvel da camada de sub-balastro, como substituto do material granular tratado com cimento anteriormente utilizado. Os resultados obtidos com as primeiras experincias tiveram to bom desempenho que se adoptou esta soluo em todas as linhas de alta velocidade concebidas at ao momento. Recentemente tambm est a ser estudada a aplicao de betumes modificados, mostrando que a sua aplicao tambm muito promissora no que diz respeito reduo de rudo e vibrao (EAPA, 2003). A experincia mundial tem mostrado que o uso de misturas betuminosas pode oferecer uma boa alternativa na construo de ferrovias modernas (Rose, J., Anderson, J., 2006). Graas s propriedades especficas destas misturas os materiais so capazes de satisfazer requisitos estruturais e funcionais (Fortunato, E., 2005). Uma mistura betuminosa na camada de sub-balastro trabalha predominantemente compresso e, portanto, difere de uma estrutura tradicional. Isso consequentemente elimina a fissurao por fadiga (EAPA, 2003). Outra das vantagens da aplicao de misturas betuminosas que pode reduzir a altura total de construo da substrutura, soluo com grandes vantagens no caso de tneis e pontes (EAPA, 2003; Rose, J., Anderson, J., 2006).

2

Captulo 1

Assim, foi desenvolvido no LNEC um modelo fsico representativo de vrias infraestruturas ferrovirias, includo num estudo de investigao que tem como objectivo melhorar as estruturas de linhas de alta velocidade, de modo a reduzir os custos da sua manuteno, atravs da incorporao de uma camada betuminosa de subbalastro, em alternativa seco clssica, que inclui apenas camadas granulares no ligadas. A realizao de ensaios laboratoriais para a obteno dos parmetros requeridos para a aplicao de misturas betuminosas em camadas de infra-estruturas de transportes sofreu nos ltimos anos uma significativa evoluo. Anteriormente, muitos dos estudos efectuados em Portugal para a avaliao do comportamento fadiga e deformao permanente das misturas betuminosas eram realizados de acordo com o recomendado nas normas de origem Americana (AASHTO e ASTM). Contudo, a Comisso Europeia de Normalizao (CEN) tem vindo a desenvolver normas de harmonizao dos processos de fabrico e de estudo do desempenho de misturas betuminosas de modo a garantir a qualidade, segurana e proteco do ambiente (Miranda, H. M. et al., 2006). Recentemente, foi publicada a norma europeia EN 12697 que define o normativo para a caracterizao de misturas betuminosas. Esta norma constituda por 43 partes, que, ao proporem diversos mtodos de ensaio, permitem a caracterizao mecnica de misturas betuminosas a aplicar nas infra-estruturas de transportes.

1.2

Objectivos

O objectivo do presente trabalho o de caracterizar o comportamento mecnico de misturas betuminosas aplicadas em infra-estruturas de transportes, nomeadamente em camadas de sub-balastro de infra-estruturas ferrovirias, com a realizao de diversos ensaios laboratoriais de caracterizao avanada, como sejam ensaios triaxiais com aplicao de cargas repetidas.

3


1.3

Metodologia

As principais tarefas a desenvolver no presente estudo so as seguintes: Tarefa 1: Pesquisa bibliogrfica - No mbito desta tarefa ser realizada uma recolha bibliogrfica relativa ao tema apresentado, nomeadamente: tipos e caractersticas principais das vrias infra-estruturas de transportes, caracterizao mecnica de misturas betuminosas, principais mtodos de ensaio mecnicos para a sua caracterizao. Tarefa 2: Definio e concretizao do estudo experimental - Definio do estudo experimental, com a seleco dos procedimentos laboratoriais a desenvolver e das respectivas condies de ensaio a adoptar. Concretizao do estudo experimental com a realizao de ensaios mecnicos sobre tarolos de misturas betuminosas, compactados em laboratrio e recolhidos de pavimentos. Tarefa 3: Anlise de resultados Avaliao das metodologias de ensaio e correspondentes tcnicas de interpretao desenvolvidas. Apresentao e anlise dos resultados obtidos. Obteno dos parmetros necessrios aplicao de misturas betuminosas em infra-estruturas de transportes.

1.4

Estrutura do trabalho

O presente trabalho est organizado em seis captulos, conforme a seguir apresentados: Captulo 1 Introduo Efectua a abordagem e enquadramento do tema desenvolvido neste trabalho. Neste captulo so igualmente apresentados os objectivos do trabalho e ainda a metodologia do estudo efectuado, bem como a estrutura desta dissertao. Captulo 2 Misturas Betuminosas Neste captulo realizada uma breve descrio das misturas betuminosas e dos seus principais constituintes agregados e ligante betuminoso - e do seu comportamento fadiga e deformao permanente.

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Captulo 1

Captulo 3 Infra-estruturas Ferrovirias inicialmente apresentada uma breve descrio da constituio da ferrovia e do seu funcionamento e no fim alguns dos mecanismos de degradao da mesma. Captulo 4 Caracterizao Mecnica de Misturas Betuminosas Neste captulo efectuada a descrio sucinta dos ensaios realizados para caracterizao mecnica das misturas betuminosas, nomeadamente do ensaio de compresso triaxial com aplicao de cargas repetidas. Captulo 5 Caso de Estudo Caracterizao Mecnica de Mistura Betuminosa aplicada em Camada de Sub-Balastro efectuada a descrio do modelo fsico adoptado no mbito deste trabalho, onde foi aplicada uma camada betuminosa de sub-balastro, assim como a metodologia empregue nos ensaios realizados para caracterizao mecnica das misturas betuminosas. So ainda apresentados e discutidos os resultados obtidos nos ensaios realizados. Captulo 6 Concluses e Trabalhos Futuros - So apresentadas as principais concluses alcanadas com a realizao dos ensaios, nomeadamente na avaliao do comportamento fadiga e deformao permanente dos materiais estudados. Para finalizar propem-se alguns estudos que podero ser desenvolvidos no futuro.

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6

Captulo 2

2 MISTURAS BETUMINOSAS

As misturas betuminosas so geralmente aplicadas em camadas de pavimentos rodovirios e aeroporturios durante a sua construo e reabilitao, tanto em pavimentos flexveis como em semi-rgidos. Devido aplicao de misturas betuminosas tambm em camadas de sub-balastro nas infra-estruturas ferrovirias e para o desenvolvimento deste trabalho, torna-se necessrio conhecer as suas principais caractersticas, assim como o seu comportamento mecnico, quando sujeitas a carregamentos e variaes de temperaturas. Para compreender o comportamento das misturas betuminosas quando so aplicadas em camadas de sub-balastro ser preciso entender primeiro como o seu comportamento quando aplicadas em pavimentos rodovirios. Neste captulo, ir ser realizada uma breve descrio das misturas betuminosas e dos seus constituintes, bem como do seu comportamento fadiga e deformao permanente.

2.1

Caractersticas gerais

Sendo os pavimentos rodovirios estruturas constitudas por diversas camadas ligadas ou no, tm como funo essencial assegurar uma superfcie de rolamento que permita a circulao dos veculos com comodidade e segurana sob a aco do trfego e das condies climticas, devendo garantir que durante a sua vida til no ocorrem danos que comprometam as suas condies de servio (Branco, F. et al., 2008). Dependendo dos diferentes materiais utilizados na sua constituio, resultam diferentes tipos de pavimentos com comportamentos distintos, quando afectados pelo trfego e pelas condies climticas. Os pavimentos flexveis apresentam na sua constituio misturas betuminosas nas suas camadas superiores e materiais granulares, no ligados, nas camadas subjacentes. 7


Os pavimentos semi-rgidos apresentam caractersticas comuns aos pavimentos anteriores, contudo as camadas inferiores so constitudas por materiais granulares estabilizados com ligantes hidrulicos. Na Figura 2.1 representada a constituio tipo de um pavimento rodovirio flexvel.

Figura 2.1 Constituio tipo de um pavimento rodovirio flexvel

A camada de desgaste de um pavimento flexvel do ponto de vista funcional, deve contribuir para uma superfcie de rolamento com conforto e segurana. Do ponto de vista estrutural, tem a funo de transmitir as cargas dos veculos s camadas inferiores assim como impermeabilizar o pavimento, evitando a entrada de gua para as camadas inferiores e para a fundao. Nos pavimentos semi-rgidos a camada de desgaste tem um papel secundrio na degradao das cargas pois a laje de beto que assume essa funo (Miranda, H. M., 2008). A camada de regularizao de ambos os tipos de pavimentos flexvel ou semi-rgido - tem como funo servir de apoio execuo da camada de desgaste e degradar as cargas do trfego transmitindo-as camada de base subjacente (Miranda, H. M., 2010). Existem vrios tipos de misturas betuminosas a aplicar consoante a funo estrutural que desempenham nas diferentes camadas dos pavimentos. De acordo com a norma

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Captulo 2

NP EN 13108-1 (2011) que define os requisitos para as misturas betuminosas fabricadas a quente e com o caderno de encargos tipo - obra da Estradas de Portugal (CE EP, 2011), as misturas betuminosas podem ser designadas conforme indicado no Quadro 2.1.Quadro 2.1 Tipologia das Misturas Betuminosas (CE EP, 2011)

Camada

Designao anterior Macadame Betuminoso Fuso B

Designao actual AC 32 base ligante (MB) AC 20 base ligante (MB) AC 20 base ligante (MBAM) AC 20 bin ligante (MB) AC 20 bin ligante (MBD) AC 16 bin ligante (MBAM) AC 14 bin ligante (BB) AC 4 bin ligante (AB) AC 20 reg ligante (MB) AC 20 reg ligante (MBD) AC 14 reg ligante (BB) AC 4 reg ligante (AB) AC 14 surf ligante (BB) AC 14 surf ligante (BBr) AC 10 surf ligante (mBBr)

Base

Macadame Betuminoso Fuso A Mistura Betuminosa de Alto Mdulo Macadame Betuminoso Fuso A Mistura Betuminosa Densa

Ligao

Mistura Betuminosa de Alto Mdulo Beto Betuminoso Argamassa Betuminosa com betume modificado Macadame Betuminoso Fuso A Mistura Betuminosa Densa

Regularizao

Beto Betuminoso Argamassa Betuminosa com betume modificado Beto Betuminoso Beto Betuminoso Rugoso (micro) Beto Betuminoso Rugoso

Desgaste

AC designao do produto, cujo termo em ingls Asphalt Concrete; ligante classe a definir; base referente camada de base, cujo termo em ingls similar base course; bin referente camada de ligao, cujo termo em ingls binder course, de espessura constante reg referente camada de regularizao , cujo termo em ingls regulating course, de espessura varivel; surf referente camada de desgaste, cujo termo em ingls surface course.

s misturas betuminosas e aos seus materiais constituintes so exigidas determinadas caractersticas gerais durante a construo do pavimento e aps a sua entrada ao servio. De uma maneira geral, so exigidas s misturas betuminosas caractersticas de estabilidade, durabilidade, flexibilidade, resistncia fadiga, aderncia,

impermeabilidade e trabalhabilidade (Freire, A. C., 2004). Consoante a sua aplicao, a principal exigncia pode ser de carcter estrutural onde se pretendem boas caractersticas mecnicas ou ento de carcter funcional onde se pede que as misturas betuminosas apresentem aptides ao nvel da segurana e do conforto. Em ambos os casos devem ser garantidos critrios de economia, durabilidade e facilidade de execuo (Capito, S., 1996).

9


A estabilidade de uma mistura betuminosa consiste na sua capacidade de resistir passagem dos veculos com pequenas deformaes. Esta aumenta com a compacidade do material e com a quantidade ptima de betume (Branco, F. et al., 2008). Para que as misturas betuminosas resistam ao desgaste causado pelo trfego e pelas condies climticas exige-se que apresentem ainda elevada durabilidade.

Geralmente, quanto maior for a quantidade de betume maior ser a durabilidade da mistura, porque este protege os agregados retardando o seu envelhecimento e evitando o preenchimento dos vazios com gua. Contudo uma quantidade excessiva de betume pode comprometer a estabilidade da mistura. A utilizao de agregados de granulometria contnua tambm melhora a sua durabilidade da mistura por a tornarem mais impermevel (Branco, F. et al., 2008). O facto de uma mistura betuminosa ser flexvel garante que se adapta aos assentamentos graduais das camadas inferiores, sem que haja fendilhamento do pavimento. A flexibilidade de uma mistura geralmente aumenta com o aumento da percentagem de betume e da utilizao de agregados de granulometria aberta (Branco, F. et al., 2008). Um dos fenmenos de maior importncia nas misturas betuminosas a fadiga, sendo que esta originada pela passagem repetida dos rodados dos veculos. A resistncia fadiga aumenta com a durabilidade da mistura e como tal com o aumento do betume. No entanto, uma grande percentagem de betume pode originar a exsudao do ligante e comprometer a estabilidade da mistura (Branco, F. et al., 2008). Os pavimentos devem apresentar boas caractersticas de aderncia aos pneus dos veculos, principalmente com tempo de chuva. O fenmeno de exsudao, a utilizao de agregados sem uma adequada rugosidade, assim como um sistema de drenagem deficiente condicionam a aderncia do pavimento. Para alm disso, fundamental uma boa impermeabilizao do pavimento com o objectivo de proteger as camadas subjacentes que so sensveis gua (Branco, F. et al., 2008). Uma mistura betuminosa deve ainda possuir uma adequada trabalhabilidade para facilitar as operaes de fabrico, colocao e compactao. No caderno de encargos da EP (CE EP, 2011) so indicados os requisitos e as propriedades das misturas betuminosas, bem como as respectivas normas de ensaio

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Captulo 2

para as avaliar. A ttulo de exemplo, no Quadro 2.2, so apresentadas as principais propriedades da mistura betuminosa AC 20 base (MB) utilizada no estudo experimental deste trabalho.Quadro 2.2 Requisitos e propriedades da mistura betuminosa AC 20 base (MB) (CE EP, 2011)

Requisitos/ Propriedades Estabilidade, mx Estabilidade, mn Caractersticas Marshall Deformao, mx Deformao, mn Quoc. Marshall, mn Vazios na mistura de agregados (VMA), mn Porosidade, Vm ndice de Resistncia Conservada (IRC) em ensaios de compresso Marshall, min Taxa Resistncia deformao, deformao WTSAIR permanente Profundidade de (Wheel rodeira mx, Tracking) PRDAIR % de ligante, min Sensibilidade gua, ITSR

Referncia normativa

Unidade kN kN

AC 20 base (MB) Smax15 Smin7,5 F4 F2 Qmin2 VMAmin14 Vmin3,0-Vmax6 80

NP EN 12697-34

mm mm kN/mm

EN 12697-8 EN 12697-8 MIL-STD-620A

% % % mm/10 Ciclos de carga %3

EN 12697-22

A declarar

EN 12697-12

% %

Bmin3,5 A declarar

Depois da indicao dos principais requisitos da mistura betuminosa utilizada seguese a descrio das exigncias requeridas aos materiais geralmente utilizados na constituio destes materiais - agregados e ligantes betuminosos.

2.2

Principais constituintes das misturas betuminosas

2.2.1

Agregados

Os agregados correspondem a cerca de 80% do volume global das misturas betuminosas. Estes formam um esqueleto ptreo, que deve ter capacidade de resistir aco do trfego. 11


Conforme so obtidos os agregados, estes podem classificar-se como naturais ou britados. Os naturais so materiais sedimentares obtidos de extraco directa, os britados so obtidos por fractura mecnica de rochas (Branco, F. et al., 2008). De acordo com as especificaes de produto constantes na norma portuguesa NP EN 13043 (2004, AC: 2010), os agregados aplicados em misturas betuminosas devem ser provenientes da britagem de rochas duras, no alterveis, ter uma boa forma e serem resistentes rotura e degradao induzida pelo efeito de abraso e de fragmentao do trfego. Para determinar as caractersticas que so exigidas devem ser analisados aspectos relativamente granulometria, resistncia, forma das partculas, limpeza e adesividade ao ligante, entre outras (Branco, F. et al., 2008; Freire, A. C., 2004). A anlise granulomtrica dos agregados efectuada de acordo com a norma europeia EN 933-1 (1997+ A1: 2005). A partir da curva granulomtrica possvel obter os coeficientes de uniformidade e de curvatura. A granulometria dos agregados a aplicar nas misturas betuminosas deve ser adequada, ou seja, deve originar uma boa distribuio das cargas, atravs de um bom imbricamento entre as partculas. Na norma NP EN 13108-1 (2011) referente s especificaes dos materiais aplicados nas misturas betuminosas e na norma NP EN 13043 (2004, AC: 2010) que define as caractersticas dos agregados so definidos os requisitos dos fusos granulomtricos para as misturas betuminosas a quente consoante o tipo de camada. Para a mistura betuminosa AC 20 base (MB) o caderno de encargo da EP (CE EP, 2011) recomenda o fuso granulomtrico apresentado no Quadro 2.3.Quadro 2.3 Fuso granulomtrico da mistura AC 20 base (MB) (CE EP, 2011)

Peneiros Srie Base + Srie 2 31,5 mm 20,0 mm 12,5 mm 4,0 mm 2,0 mm 0,5 mm 0,125 mm 0,063 mm

% Acumulada de material passado 100 90-100 57-86 34-49 26-41 12-26 4-14 2-7

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Captulo 2

A determinao da resistncia das partculas de agregados conseguida atravs da realizao do ensaio de desgaste na mquina de Los Angeles de acordo com a norma europeia EN 1097-2 (2010). Os materiais utilizados nas misturas betuminosas devem ser duros, resistentes ao choque, ao atrito e ao desgaste das partculas, produzido pelo trfego. O ensaio de desgaste consiste em introduzir uma amostra de material no interior da mquina com um determinado nmero de esferas de ao e aplicar um nmero de rotaes at o material se desgastar e fragmentar at um valor mximo normalizado para o tipo de mistura pretendida. Para alm deste ensaio usual a realizao de um ensaio de polimento acelerado para agregados a aplicar em camadas de desgaste. As partculas devem revelar uma elevada resistncia ao polimento (Branco, F. et al., 2008). Este ensaio realizado com o auxlio do pndulo britnico de acordo com a norma EN 1097-8 (2009). A forma das partculas de agregado outro dos requisitos a cumprir. As partculas devem ter uma forma cbica e de forma alguma devem ser lamelares ou alongadas (Branco, F. et al., 2008). Conforme o definido nas normas NP EN 933-3 (2011) e EN 933-4 (2008) determinam-se os ndices de achatamento e de forma. Os agregados a aplicar no devem conter matria orgnica ou quaisquer substncias estranhas prejudiciais ao desempenho e durabilidade das misturas betuminosas. O ensaio utilizado para determinar o grau de limpeza das partculas o ensaio de equivalente de areia definido na norma portuguesa NP EN 933-8 (2002) e o ensaio de determinao do valor de azul de metileno aplicando a norma EN 933-9 (2009). A capacidade de ligao entre os agregados e o betume tambm muito importante. necessrio existir uma boa adesividade entre ambos. Atravs da realizao de ensaios de traco indirecta e determinando a resistncia conservada possvel quantificar a adesividade entre os dois materiais. O ensaio deve ser realizado de acordo com a norma EN 12697-12 (2008) ou pela CRD-C 652-95 (1995, antiga MILSTD-620A) (Batista, F. A. et al., 2008). A afinidade dos agregados aos ligantes betuminosos outra das propriedades a avaliar e deve ser determinada segundo a norma EN 12697-11 (2005). Esta propriedade permite conhecer o grau de eficincia da ligao entre o agregado e o ligante. Segundo a norma, a afinidade pode ser determinada atravs do mtodo da garrafa giratria, do mtodo esttico ou do mtodo da gua fervente. Contudo o

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resultado obtido no est dependente s das caractersticas do agregado mas tambm das do ligante. Para alm do que foi anteriormente referido, tambm deve ser avaliada a resistncia dos agregados ao choque trmico. Esta propriedade determinada atravs da norma EN 1367-5 (2011) e traduz a susceptibilidade do agregado aco de temperaturas elevadas, simulando as temperaturas a que o mesmo se encontra sujeito na fase de fabrico das misturas betuminosas. O seu desempenho obtido atravs da perda de massa e da perda de resistncia fragmentao por Los Angeles. No Quadro 2.4 indicam-se as principais propriedades dos agregados, a usar na mistura betuminosa AC 20 base (MB), e respectivas normas de ensaio, necessrias verificao das exigncias do caderno de encargos da EP (CE EP, 2011).

Quadro 2.4 Principais propriedades dos agregados da mistura betuminosa AC 20 base (MB) (CE EP, 2011)

Propriedades Qualidade dos finos Forma do agregado grosso - ndice de achatamento Percentagens de superfcies esmagadas e partidas nos agregados grossos Resistncia fragmentao do agregado grosso, coeficiente Los Angeles Resistncia ao desgaste por atrito do agregado grosso, coeficiente micro-Deval Massa volmica das partculas Absoro de gua Baridade Resistncia ao choque trmico Afinidade dos agregados grossos aos ligantes betuminosos

Referncia Normativa EN 933-9 NP EN 933-3 NP EN 993-5 EN 1097-2 EN 1097-1 NP EN 1097-6 NP EN 1097-6 NP EN 1097-3 EN 1367-5 EN 1097-2 EN 12697-11

Unidade g/kg % % % Mg/m % Mg/m % 3 3

AC 20 base (MB) MBF10 FI30 C100/0 LA40 MDE25 A declarar 2 A declarar A declarar A declarar

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Captulo 2

2.2.2

Ligantes betuminosos

O ligante um componente essencial de uma mistura betuminosa, uma vez que ele que liga os agregados e fornece coeso e estabilidade mistura. Existem diversos tipos de ligantes que podem ser utilizados na composio das misturas betuminosas. Contudo geralmente utilizam-se os betumes asflticos provenientes da refinao do crude (Teixeira, A., 2000). O que diferencia o betume asfltico de outros ligantes a sua resposta visco-elstica, cujo comportamento varia consoante a velocidade de aplicao das cargas, e a temperatura a que submetido, o que lhe permite comportar-se quer como um material flexvel, com baixo mdulo de rigidez e muito deformvel, adaptando-se s deformaes e assentamentos das camadas do pavimento e da fundao sem fendilhar, quer ter um comportamento estvel com elevado mdulo e resposta elstica quando submetido s aces do trfego. Como o betume tem uma reologia dependente da temperatura e do tempo de carregamento, necessrio aplicar, em cada caso e para cada mistura, o betume compatvel para cada situao. Desta forma os betumes aplicados nas misturas betuminosas devem apresentar propriedades que respeitem os requisitos definidos nas normas. Em Portugal, os betumes mais utilizados nas misturas betuminosas so os betumes de classe de penetrao 35/50 e 50/70 para as misturas betuminosas ditas tradicionais e os betumes de classe 10/20 para misturas de alto mdulo (Miranda, H. M., 2008). De acordo com a norma EN 12591 (2009) e com o caderno de encargos da EP (CE EP, 2011) as propriedades e exigncias de conformidade para cada um dos tipos de betume referidos so as indicadas no Quadro 2.5.

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Caracterizao mecnica de misturas betuminosas a aplicar em infra-estruturas de transportes Quadro 2.5 Tipo de betume e exigncias de conformidade (CE EP, 2011) Requisitos Consistncia a temperatura de servio intermdia Consistncia a temperatura de servio elevada Propriedades Penetrao a 25C Temperatura de amolecimento Penetrao retida Aumento da temperatura de amolecimento Variao em massa ndice de penetrao Temperatura de fragilidade de Fraass Temperatura de inflamao Viscosidade cinemtica a 135 Teor em parafinas Solubilidade Referncia normativa NP EN 1426 Unidade Betume de penetrao 10/20 10-20 Betume de penetrao 35/50 35-50 Betume de penetrao 50/70 50-70

0,1 mm

NP EN 1427

C

60-76 55 10 0,5

50-58 53 11 0,5 -1,5 a +0,7 -5 240 370 4,5 99,0

46-54 50

NP EN 1426

%

NP EN 1427 NP EN 12607-1 EN 12591, EN 13927 (Anexo A) EN 12593 EN ISO 2592 NP EN 12595

C % -

Durabilidade (Resistncia ao envelhecimento RTFOT a 163C, NP EN 12607-1)

C C mm /s2

A declarar 245 700

-8 230 295

Outros requisitos

EN 12606-2 NP EN 12592

% (m/m) %

-

Duas propriedades muito importantes na caracterizao de um betume so a penetrao e a temperatura de amolecimento pelo mtodo de anel e bola. De acordo com a norma NP EN 1426 (2010) a penetrao de um betume corresponde ao valor da penetrao a 25C que designa o tipo de betume, ou seja, um betume da classe 50/70, no ensaio de penetrao a 25C durante 5 segundos apresenta uma penetrao mdia de 6 mm. A representao do ensaio de penetrao pode ser observada atravs da Figura 2.2 (Branco, F. et al., 2008).

16

Captulo 2

Figura 2.2 Representao do ensaio de penetrao do betume (Branco, F. et al., 2008)

Quanto temperatura de amolecimento, esta determinada atravs do ensaio de anel e bola, conforme indicado na norma NP EN 1427 (2010). O esquema do ensaio apresentado na Figura 2.3 (Branco, F. et al., 2008). Um betume em que a sua temperatura atinge a temperatura de amolecimento pode condicionar a estabilidade da mistura betuminosa em que est aplicado. Mas quando a temperatura de um betume atinge valores inferiores ao ponto de fragilidade (ou de rotura) de Fraass a mistura torna-se frgil e fendilha facilmente (Branco, F. et al., 2008). O ponto de fragilidade de Fraass, uma grandeza usada para conhecer o comportamento dos betumes a temperaturas muito baixas.

Figura 2.3 Representao do ensaio de anel e bola (Branco, F. et al., 2008)

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2.3

Factores que influenciam o comportamento mecnico das misturas betuminosas

O comportamento das misturas betuminosas depende dum conjunto alargado de factores, uns relacionados com a aco do trfego, a temperatura e outros associados composio volumtrica das misturas. por isso que, a ser efectuada a anlise laboratorial de uma mistura betuminosa, importante definir as condies de ensaio (temperatura, frequncia de carregamento e estado de tenso) (Baptista, A., PicadoSantos, L., 2006).

2.3.1

Composio volumtrica

As misturas betuminosas tradicionais so constitudas por trs componentes, agregados, betume e ar. As propriedades duma mistura betuminosa dependem assim das propores de cada um dos seus constituintes bem como das caractersticas associadas a cada um deles. Na Figura 2.4 (Branco, F. et al., 2008) apresentada esquematicamente a composio volumtrica de uma amostra de uma mistura betuminosa compactada.

Figura 2.4 Composio volumtrica de uma mistura betuminosa compactada (Branco, F. et al., 2008)

O comportamento das misturas pode ser determinado atravs das relaes entre as massas ou os volumes dos elementos constituintes (Baptista, A., Picado-Santos, L., 2006). Por exemplo o volume de vazios no esqueleto de agregado (VMA) que d a

18

Captulo 2

indicao da durabilidade e do desempenho da mistura betuminosa pode ser definido atravs da equao 2.1.

(2.1) Sendo que: VMA- vazios na mistura de agregados; volume de betume; volume de vazios. Uma mistura betuminosa que tenha uma determinada granulometria, se no tiver betume suficiente pode desagregar-se quando sujeita s aces do trfego. No entanto, se a quantidade de betume for excessiva a mistura torna-se mais flexvel e podem ocorrer deformaes elevadas, prejudicando a estabilidade da mistura (Gardete, A. C., 2006). O efeito da quantidade de betume numa mistura betuminosa pode ser observado atravs da Figura 2.5 (Erkens,S., 2002). Quanto ao tipo de betume, quanto mais duro for o betume, isto , quanto maior for a sua viscosidade a uma determinada temperatura, melhor ser o seu comportamento s deformaes permanentes (Barreno, l. et al., 2004).

Figura 2.5 Efeito da quantidade de betume numa mistura betuminosa (Erkens, S., 2002)

19


A viscosidade de um betume varia com a temperatura. Desta forma para temperaturas mais elevadas o betume torna-se menos viscoso, praticamente lquido e de fcil trabalhabilidade e em presena de temperaturas mais baixas este torna-se mais viscoso e elstico (Freire, A. C., 2002). O betume, com a passagem do tempo, vai envelhecendo por volatilizao e oxidao dos seus componentes, apresentando desta forma uma maior viscosidade para a mesma temperatura. Apesar de este envelhecimento prejudicar algumas

caractersticas das misturas betuminosas torna-as menos susceptveis deformao permanente. As misturas betuminosas so mais susceptveis deformao permanente no incio da vida til do pavimento, com o envelhecimento do betume estas tornam-se mais resistentes a este fenmeno (Gardete, A. C., 2006). O endurecimento do betume ocorre desde logo nas fases de fabrico e colocao da mistura prolongando-se depois durante a vida til do pavimento (Shell, 2003). Na Figura 2.6 apresentada a uma curva da evoluo do endurecimento do betume, que relaciona o ndice de endurecimento ( ) e as diversas fases da vida do betume.

Figura 2.6 Curva da evoluo do endurecimento do betume (Shell, 2003)

2.3.2

Trfego

O trfego uma das importantes aces que afectam o comportamento mecnico dos pavimentos rodovirios.

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Captulo 2

As aces decorrentes da circulao dos veculos nos pavimentos so funo do tipo de eixo e do tipo de rodado, do rasto e presso de enchimentos dos pneus, da velocidade dos veculos e da durao do tempo de aplicao dessas cargas. Com o aumento do trfego pesado e das cargas transportadas por eixo, com a substituio dos rodados duplos por rodados simples de base larga e o aumento da presso de enchimento dos pneus existe uma crescente formao de patologias nos pavimentos, nomeadamente os cavados de rodeira devido deformao permanente das misturas betuminosas (COST 334, 2000). Esta uma questo que tem vindo a ser objecto de alguma preocupao, pois este fenmeno tem vindo a agravar-se sobretudo nos pavimentos onde o trfego de pesados mais significativo. Desta forma tem-se vindo a aumentar as espessuras das camadas como forma de reduzir as deformaes permanentes (COST 333, 1999). O aumento da presso de enchimento dos pneus faz com que a rea de contacto entre o pneu e o pavimento seja mais reduzida concentrando-se as tenses todas somente nessa rea (Gardete, D. C., 2006). Como se pode verificar na Figura 2.7 (Owende, P. M. O. et al, 2001), para presses de enchimento superiores so necessrias muito menos aplicaes de carga para que se atinjam os mesmos valores de deformao permanente.

Figura 2.7 Influncia do rasto e presso dos pneus nos pavimentos (Owende, P. M. O. et al, 2001)

A substituio dos rodados duplos por rodados simples de base larga tambm agrava a formao de cavados de rodeiras, pois a rea de pavimento afectada menor e a

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presso de enchimento do pneu maior, logo as tenses no pavimento tambm sero superiores (COST 334, 2000). A velocidade de trfego tambm influencia o comportamento dos pavimentos s deformaes permanentes. Para velocidades de trfego baixas existe um tempo de carregamento superior, ou seja, se a carga estiver sobre uma determinada zona do pavimento durante mais tempo, as deformaes obtidas sero superiores, provocando tambm um aumento da parcela da deformao irreversvel (Chen, J. et al., 2004). Nas Figuras 2.8 e 2.9 (Miranda, H. M., 2010) possvel analisar a influncia da velocidade de circulao dos veculos nos valores da deformao permanente. Para velocidades mais baixas o tempo de carregamento superior e existe um aumento das deformaes permanentes. tambm possvel verificar que os valores obtidos da deformao permanente para uma mesma velocidade so superiores quando se trata de rodados simples de base larga em comparao com os rodados duplos.

Figura 2.8 Influncia da velocidade para rodados de base larga (Miranda, H. M., 2010)

Figura 2.9 Influncia da velocidade para rodados duplos (Miranda, H. M., 2010)

22

Captulo 2

2.3.3

Condies climatricas

Para alm da aco do trfego tambm a aco dos agentes climatricos, entre os quais a temperatura e a pluviosidade, so factores fundamentais a considerar no estudo do comportamento dos pavimentos rodovirios. A presena de gua nos pavimentos ir provocar deformaes permanentes ao nvel dos materiais granulares e do solo de fundao. Alm disso, se as camadas betuminosas de um pavimento rodovirio estiverem fendilhadas ir verificar-se a bombagem de finos das camadas granulares, desagregao das prprias misturas betuminosas e expanso de solos argilosos existentes. Assim necessrio impedir a entrada de gua na estrutura do pavimento. As guas que se infiltram na estrutura do pavimento devem ser escoadas rapidamente atravs de um adequado sistema de drenagem. A forma mais eficaz de evitar a influncia da gua nos pavimentos dever passar pela utilizao de materiais com baixa sensibilidade gua e dimensionar o pavimento considerando o efeito do teor em gua nos mdulos de deformabilidade dos solos e das camadas granulares. Outro factor a ter em conta a temperatura ambiente. Esta afecta de forma significativa o comportamento das misturas betuminosas pois influencia a viscosidade do betume, condicionando a rigidez das camadas betuminosas (Gardete, D. C., 2006). Quando a temperatura do pavimento aumenta, o betume torna-se mais fluido, provocando a deformabilidade das misturas betuminosas. Nas Figuras 2.10 e 2.11, (Neves, J. M., Correia, A.G., 2006), apresentada a variao do modulo de rigidez com o aumento da temperatura e com a velocidade de circulao dos veculos pesados, quer para um macadame betuminoso quer para um beto betuminoso. Em qualquer dos casos, para um aumento da temperatura existe uma diminuio do mdulo de rigidez.

23


Figura 2.10 Influncia da temperatura num macadame betuminoso (Neves, J. M., Correia, A. G., 2006)

Figura 2.11 Influncia da temperatura num beto betuminoso (Neves, J. M., Correia, A. G., 2006)

Assim, para um determinado carregamento, o aumento da temperatura vai influenciar o comportamento estrutural do pavimento, originando deformaes permanentes. Desta forma fundamental que se faa uma adequada avaliao do comportamento da mistura betuminosa, atravs de ensaios laboratoriais, utilizando temperaturas representativas das condies a que a mistura estar sujeita em servio. Como a temperaturas mais elevadas que o valor das deformaes permanentes se torna mais significativo, comum serem utilizadas temperaturas de ensaio entre 40C e 60C

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Captulo 2

para a anlise do comportamento s deformaes permanentes (Freire, A.C., 2004; Gardete, D. C., 2006; Doucet, F., Auger, B., 2007).

2.3.4

Compactao

A compactao um importante factor no desempenho das misturas betuminosas, eventualmente no que respeita ao seu comportamento perante a aco do trfego. Atravs de uma adequada compactao o volume de vazios na mistura diminui provocando um aumento do atrito entre as partculas e criando uma melhor ligao entre os agregados e o betume. Assim, quando sujeita aco do trfego, a mistura betuminosa ter melhor comportamento fadiga e deformao permanente. Quando a porosidade muito elevada, sob a aco do trfego, a mistura densifica-se e o atrito entre as partculas diminui, originando deformaes (Gardete, A. C., 2006). Contudo, o volume de vazios da mistura no deve ser demasiado baixo pois tambm compromete o comportamento da mistura. Existe um valor de porosidade mnima (volume de vazios crtico) que deve ser respeitado e que de aproximadamente 3%, dependendo do tipo de mistura betuminosa (Freire, A. C., 2002). O mtodo de compactao adoptado em laboratrio para a obteno de provetes que se pretende, que reproduzam as condies verificadas in situ, tambm influncia o comportamento das misturas betuminosas. Em laboratrio existem diversos processos de compactao dos provetes, nomeadamente a compactao por impacto, a compactao esttica, e ainda a por compactador de rolo. O tipo de compactao utilizado afecta as propriedades fsicas das misturas de forma diferente. Este factor importante se forem efectuadas comparaes entre resultados obtidos com diferentes mtodos de compactao (Gardete, A. C., 2006).

2.4

Caractersticas mecnicas das misturas betuminosas

Os pavimentos rodovirios so submetidos ao longo da sua vida til, a diversas aces que afectam as propriedades mecnicas das camadas betuminosas.

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O conhecimento dessas propriedades assume particular importncia ao nvel da formulao das misturas betuminosas e tambm quando se pretende dimensionar um pavimento rodovirio flexvel ou estabelecer uma adequada soluo numa obra de reabilitao dum pavimento (Baptista, A., Picado-Santos, L., 2006). As camadas betuminosas esto sujeitas a diversos mecanismos de degradao que surgem devido s aces do trfego e da temperatura. Desses destacam-se principalmente o fendilhamento por fadiga e as deformaes permanentes, expressas pelos cavados de rodeira. Atravs de ensaios realizados em laboratrio possvel estudar as caractersticas de rigidez das misturas e avaliar o seu comportamento fadiga e deformao permanente.

2.4.1

Rigidez das misturas betuminosas

As misturas betuminosas tm na sua constituio um esqueleto ptreo de comportamento elstico e um ligante betuminoso com comportamento visco-elstico. Desta forma o comportamento das misturas fortemente influenciado pela reologia do betume, tanto quanto maior for a percentagem de betume presente na mistura (Neves, J. M., Correia, A. G., 2006). Assim pode-se afirmar que a rigidez de uma mistura betuminosa depende essencialmente da rigidez do betume. Dadas as caractersticas visco-elsticas do betume, a relao entre as tenses aplicadas e as extenses medidas no um valor constante, sendo funo da temperatura, do tempo de carregamento e da forma de carregamento. Geralmente este valor denominado mdulo complexo, mdulo de rigidez ou simplesmente de rigidez (Neves, J. M., Correia, A. G., 2006). Considerando que aplicado um carregamento sinusoidal do tipo da equao 2.2. (2.2) O betume ir deformar-se devido ao seu comportamento visco-elstico, sofrendo um desfasamento para uma mesma frequncia (equao 2.3). (2.3)

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Captulo 2

Ao valor do desfasamento observado entre as tenses e as deformaes designado de ngulo de fase ( ). O comportamento do betume predominantemente elstico quando o ngulo de fase for nulo e torna-se viscoso quando o valor do ngulo aumenta (Neves, J. M., 2001). Desta forma o mdulo complexo ( ) caracterizado pela equao 2.4. (2.4) Podendo o mesmo ser decomposto numa parte real ( ) (equao 2.5). (2.5) E numa parte imaginria ( ) (equao 2.6). (2.6) A primeira representa a energia armazenada no material e a segunda representa a energia perdida por atrito interno no seio do material (Miranda, H. M., 2010). O valor absoluto do mdulo complexo designado ento por mdulo de rigidez ( (equao 2.7). )

(2.7) Sendo o ngulo de fase dado atravs da equao 2.8. (2.8) Tal como nos betumes, a rigidez das misturas betuminosas no constante. Esta depende da temperatura, da frequncia de carregamento, das caractersticas dos materiais constituintes e da sua composio. Desta forma o seu valor deve vir sempre acompanhado do mtodo de ensaio e das condies de ensaio utilizadas na sua determinao (Teixeira, A., 2000). Em geral, as misturas betuminosas exibem um comportamento viscoso para temperaturas e tempos de carga elevados, e um comportamento elstico quando so sujeitas a temperaturas e tempos de carga baixos. Para condies de temperatura e

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tempo

de

carregamento

consideradas

intermdias,

estes

materiais

exibem

comportamento reolgico do tipo visco-elstico (Azevedo, M. C., 1993). Como a rigidez das misturas betuminosas funo da rigidez do betume, todas as expresses consideradas anteriormente para a rigidez do betume so vlidas para a rigidez das misturas (Teixeira, A., 2000). A avaliao das caractersticas da deformabilidade das misturas betuminosas frequentemente realizada recorrendo a ensaios com aplicao de cargas repetidas. No que respeita ao coeficiente de Poisson, nas misturas betuminosas, este toma o valor entre 0,3 e 0,5, conforme a frequncia e a temperatura de ensaio, admitindo que o material no sofre variao de volume (Di Benedetto, H., De la Roche, C., 1998). Contudo, o valor mais habitual de coeficiente de Poisson nas misturas betuminosas de 0,35 (Branco, F. et al., 2008).

2.4.2

Resistncia fadiga

A resistncia fadiga de uma mistura betuminosa pode ser definida como sendo a sua capacidade em responder aplicao de cargas repetidas provenientes da aco do trfego, para determinadas condies de velocidade de trfego e de temperatura, sem atingir a rotura (Teixeira, A., 2000). A rotura por fadiga ocorre quando as misturas betuminosas, que apresentam um comportamento visco-elstico, possuem a parte real (ou elstica) do mdulo de rigidez, , superior parte imaginria (ou viscosa), .

Nesta situao, apesar das misturas betuminosas suportarem razoavelmente bem a aplicao de cargas provenientes do trfego, com a aplicao contnua destes carregamentos, fendilham. O aparecimento da fendilhao ser maior quanto maior for o nmero de carregamentos provocados pela passagem do trfego. O fendilhamento por fadiga das misturas betuminosas ocorre sobretudo a temperaturas baixas ou moderadas, quando as camadas betuminosas apresentam um comportamento visco-elstico com forte componente elstica, pelo que geralmente em ensaios de laboratrio se estuda a resistncia fadiga para temperaturas entre os 20C e os 25C.

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Captulo 2

Desta forma podemos concluir que a resistncia fadiga depende do estado de tenso aplicado, sendo que as leis de comportamento fadiga usualmente relacionam a extenso mxima da traco induzida, , com o nmero de aplicaes de carga que

provoca a rotura do material, N. Uma das leis de fadiga obtida em laboratrio pode ser descrita atravs da equao 2.9 (Pais, J. et al., 2006). (2.9) Sendo que: - extenso de traco (10-6); N nmero de aplicaes de carga at rotura; A, B coeficientes determinados experimentalmente. A avaliao do comportamento da mistura fadiga realizada com base na interpretao dos resultados e atravs da comparao das diversas leis de fadiga obtidas. Para tal comum, utilizar parmetros como o (extenso de traco necessria para provocar a runa por fadiga ao fim de 1x106 ciclos) e o N100 (resistncia fadiga para uma extenso de traco de 100x10-6) (Pais, J. et al., 2006).

2.4.3

Resistncia s deformaes permanentes

As deformaes permanentes so degradaes no pavimento que podem ocorrer quer nas camadas betuminosas quer nas camadas granulares ou no solo de fundao. Estas manifestam-se atravs do aparecimento superfcie do pavimento, de depresses longitudinais nas zonas de passagem dos rodados dos veculos pesados e acompanhados geralmente por elevaes nas zonas laterais adjacentes. Estes fenmenos so designados de cavados de rodeira (Freire, A. C., 2002). Os cavados de rodeira que se desenvolvem na zona de passagem dos veculos, podem surgir em pavimentos flexveis de fundao de elevada capacidade de suporte, constitudos por camadas granulares pouco espessas e por camadas betuminosas de elevada espessura quando so sujeitos a trfego muito intenso (Branco, F. et al., 2008).

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Embora os critrios de runa usados no dimensionamento, para a verificao do comportamento deformao permanente, apenas levem em conta a contribuio da fundao, tem-se verificado que a contribuio das camadas betuminosas tambm pode ser significativa, principalmente em situaes de trfego pesado intenso e com velocidades de circulao reduzida (Batista, F. A., 2004). O comportamento das misturas betuminosas altamente influenciado pela temperatura, devido sua parcela viscosa. Perante um aumento de temperatura, o mdulo de rigidez da mistura betuminosa diminui, proporcionando o aparecimento de deformaes na zona de passagem dos rodados atravs da aplicao repetida de cargas devido passagem dos veculos pesados, contribuindo para a formao dos cavados de rodeira (Batista, F. A., 2004). As deformaes permanentes ocorrem geralmente a temperaturas elevadas. Quanto mais alta for a temperatura, menor a resistncia das misturas betuminosas s deformaes permanentes. Para a avaliao do comportamento das misturas betuminosas s deformaes permanentes usual recorrer a ensaios de cargas repetidas realizados a altas temperaturas, de forma a simular as condies agressivas a que as camadas esto sujeitas quando se encontram em servio. Em Portugal, Freire, A.C. (2002) desenvolveu um estudo sobre as temperaturas adequadas para a realizao de ensaios de caracterizao do comportamento s deformaes permanentes, obtendo valores na ordem dos 50 a 60C. O processo de compactao, seja em laboratrio ou em obra, ao influenciar a estrutura do esqueleto mineral da mistura betuminosa, tambm afecta o

comportamento deformao permanente. De um modo geral, a reduo da porosidade de uma mistura betuminosa aumenta a resistncia deformao permanente, desde que no atinja valores de porosidade inferiores a 3 % (Freire, A.C., 2002).

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Captulo 3

3 INFRA-ESTRUTURA FERROVIRIA

A via-frrea tem como funo base a sustentao e encaminhamento de um comboio, garantindo-lhe as condies mnimas para que esta se efectue com segurana, economia e conforto (Alves, J., 2010). As primeiras linhas de alta velocidade na Europa entraram em funcionamento h mais de trs dcadas. O aumento das solicitaes que se tem verificado nas redes ferrovirias tem levado ao estudo de solues para fazer frente ao processo acelerado de degradao da qualidade da via e aos cada vez maiores custos de conservao e reabilitao. Ao longo do tempo tm sido desenvolvidos diversos estudos com o fim de encontrar solues estruturais alternativas, que assegurem a qualidade desejada e tenham baixo custo. Algumas destas solues tm-se revelado de fcil construo, econmicas, com bom comportamento e pouca conservao (Fortunato E., 2005). Neste captulo ser apresentada uma descrio do funcionamento da via-frrea, assim como os mecanismos de degradao da mesma. Para compreender o funcionamento duma estrutura deste tipo e a sua problemtica torna-se imperativo que se faa a descrio dos elementos principais que constituem uma estrutura ferroviria convencional. Esta caracterizada principalmente por utilizar somente camadas granulares na sua constituio.

3.1

Constituio da via-frrea

Uma via-frrea constituda basicamente por uma substrutura e uma superstrutura. Nas Figuras 3.1 e 3.2 (Fortunato E., 2005) apresentada de forma esquemtica uma via-frrea balastrada no sentido transversal e longitudinal, respectivamente, onde possvel identificar os diversos elementos quer da substrutura quer da superstrutura. A superstrutura composta pelos carris, pelos elementos de fixao, pelas travessas e pelo balastro. A substrutura constituda pela camada de sub-balastro, pelo leito de via (ou de coroamento) e pelo terreno natural. De seguida passa-se a descrever cada um dos elementos que constituem a ferrovia. 31


Figura 3.1 Representao da via-frrea balastrada no sentido transversal (Fortunato, E., 2005)

Figura 3.2 Representao da via-frrea balastrada no sentido longitudinal (Fortunato, E., 2005)

3.1.1

Superstrutura

Carril Os carris so os elementos que permitem o guiamento das composies. Estes so constitudos por ao laminado e tm uma elevada rigidez. As suas principais funes consistem em resistir s tenses produzidas pelo material circulante e transmiti-las aos outros elementos subjacentes. Alm disso, tambm realizam o guiamento das rodas e transportam a energia elctrica necessria sinalizao e catenria.

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Captulo 3

Actualmente o carril mais utilizado nas linhas de alta velocidade o carril UIC60 (de massa 60 kgf/m). Este tem um perfil pesado com uma inrcia vertical elevada, fabricado com ao de alta qualidade e com um elevado nvel de qualidade de acabamento, nomeadamente na superfcie de rolamento. Ao serem instalados na via, estes carris so soldados entre si, formando a barra longa soldada (BLS). A barra longa soldada, tem a vantagem de reduzir a deteriorao dos componentes da via, originando um maior intervalo das operaes de conservao, menor oscilao dos veculos e menor produo de rudos e vibraes, proporcionando um nvel de conforto superior. Contudo a BLS est sujeita a esforos internos considerveis com as variaes de temperatura, sendo difcil a substituio dos elementos da superstrutura para alm do investimento inicial ser superior (Santos, B., Cruz, A., 2009).

Travessas As travessas so elementos situados transversalmente via, servindo de ligao entre o carril e o balastro. Estas constituem o rgo intermdio que recebe as presses exercidas sobre os carris e as transmite e distribui sobre o elemento em que est assente o balastro. A roda ao actuar sobre o carril transmite-lhe tenses elevadas, que a travessa recebe e que as transmite degradadas camada de balastro de tal forma que sejam compatveis com a capacidade de resistncia e deformao desta. As travessas, para alm de servirem de apoio e fixar os carris, impedem os movimentos verticais, laterais e longitudinais. As travessas ajudam tambm a manter a distncia entre as duas filas de carris (bitola). Estas so caracterizadas por terem uma boa resistncia mecnica, quer na direco horizontal quer na vertical, assegurando desta forma a estabilidade dos carris. A utilizao de palmilhas sob as travessas permite uma melhor distribuio das tenses transmitidas ao balastro. Existem diversos tipos de travessas: em madeira, metal ou beto armado presforado. As primeiras travessas foram construdas em madeira e ainda hoje so utilizadas em muitas situaes. Devido ao seu elevado custo, vida curta e baixa resistncia lateral resultante do seu baixo peso, o seu uso est limitado, no sendo utilizadas para linhas de alta velocidade. As travessas de beto dividem-se em 33


travessas bibloco e travessas monobloco. Estas ltimas conferem maior resistncia lateral, so mais resistentes e mais durveis, requerendo menor conservao da via, o que uma factor vantajoso. Tm contudo, as desvantagens do manuseamento ser difcil, a conservao ser mais cara, e ter maior dificuldade em se manter o nivelamento em ms plataformas, para alm do preo ser mais elevado (Alves, J., 2010). Contudo, devido ao aumento da velocidade de circulao e o crescimento das tonelagens por eixo, o que implicou maiores esforos sobre a via e a necessidade de maiores encastramentos longitudinais, tem-se aplicado na via-frrea, travessas de beto armado pr-esforado monobloco (Santos, B., Cruz, A., 2009).

Fixaes As fixaes so elementos que permitem efectuar a ligao entre as travessas e o carril, resistindo aos esforos originados pelas aces verticais, laterais e longitudinais e de toro e aos esforos produzidos pelas variaes de temperatura. Devem reduzir as tenses e as vibraes causadas pelas cargas dinmicas. O tipo de ligao e as caractersticas dos elementos de fixao e apoio esto relacionadas com o tipo de travessa de cada via. Em travessas de madeira utilizam-se apoios metlicos (chapins), os quais asseguram que no so ultrapassadas as tenses admissveis e protegem a madeira contra o desgaste mecnico. Em travessas de beto colocam-se elementos resilientes para amortecer as vibraes provocadas pelas rodas, para reduzir o atrito entre o carril e a travessa e promover o isolamento elctrico dos circuitos da via (Alves, J., 2010). Para a via-frrea de alta velocidade, normalmente so utilizadas fixaes do tipo Vossloh.

Camada de Balastro A camada de balastro constituda por materiais monogranulares com partculas de grandes dimenses (inferiores a 63 mm) e elevado coeficiente de atrito, sujeitas a critrios de aceitao rigorosos.

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Captulo 3

O comportamento da camada de balastro condicionado principalmente pelas suas caractersticas mecnicas (resistncia e deformabilidade) e hidrulicas

(permeabilidade), as quais devem manter-se ao longo do tempo (Fortunato, E., 2005). Esta camada tem um papel fundamental na estabilidade da via. Para alm de resistir s aces verticais, laterais e longitudinais aplicadas s travessas, com o objectivo de manter o alinhamento correcto da via, tambm deve repartir as cargas sobre as camadas inferiores para que as tenses admissveis no sejam ultrapassadas. O facto de o balastro ser constitudo por partculas de dimenses semelhantes, facilita as operaes de conservao relacionadas com o nivelamento e o alinhamento da via, devido possibilidade de arranjo das partculas. Sendo este um material resiliente, tambm promove a absoro de vibraes, provocadas pela circulao de veculos (Paixo, A., Fortunato, E., 2009). Outra das funes do balastro, prende-se com a sua contribuio para a drenagem da via, uma vez que permite a percolao da gua entre as partculas. Como funo secundria, esta camada evita o aparecimento de vegetao e favorece o isolamento elctrico entre carris (Teixeira, P. F., 2005). A norma portuguesa NP EN 13450 (2005, AC: 2010) classifica os materiais para balastro em diversas categorias, com base nas propriedades geomtricas e fsicas das partculas. Em Portugal, o documento tcnico IT.GEO.001 (REFER, 2008), que especifica as caractersticas do material para utilizao na camada de balastro, quer na construo de linhas novas, quer na conservao e na renovao das j existentes, refere que o balastro deve ser obtido exclusivamente de rochas duras e ss, isto , rochas com elevada resistncia ao desgaste, ao esmagamento, ao choque e ainda aco dos agentes atmosfricos. A utilizao de quaisquer calcrios passou a estar proibida no fabrico de balastro.

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3.1.2

Substrutura

A substrutura requer a utilizao de materiais com determinados requisitos de qualidade que assegurem o bom comportamento estrutural relativamente s diferentes solicitaes, e garantam um bom funcionamento a longo da vida da estrutura. Para tal, so adoptados os critrios de dimensionamento normalizados da ficha 719 R (UIC, 2006).

Camada de Sub-balastro A camada de sub-balastro desempenha um importante papel estrutural na via-frrea. Esta camada caracterizada pelo uso de materiais de qualidade elevada, normalmente de origem granular ou, em alguns casos de misturas betuminosas. A aplicao de misturas betuminosas na camada de sub-balastro permite a obteno de mdulos de rigidez elevados, obtendo-se assim espessuras inferiores face opo tradicional de utilizao de material granular. Esta alternativa pode ser adoptada quando no existe na proximidade abundncia de materiais granulares de boa qualidade (Alves, J., 2010). A camada de sub-balastro, tambm tem como funo degradar as aces impostas pelo material circulante e transmiti-las para as camadas inferiores. Contudo dever reduzir o nvel da tenso transmitida aos solos de fundao para nveis aceitveis, mantendo constante a espessura de balastro. Outra funo principal da camada de sub-balastro promover a separao entre o balastro e a plataforma, evitando assim a inter-penetrao de material e a migrao de partculas finas, que podem contaminar o balastro, assim como evitar o desgaste da fundao pela aco mecnica do balastro. Para alm da proteco da plataforma contra as aces do gelo degelo, a camada de sub-balastro, tambm evita a subida do nvel das guas e contribui para o escoamento das guas pluviais. Como exigncia requer-se que esta camada seja pouco deformvel (modulo de deformabilidade elevado) e tenha baixa permeabilidade (Fortunato, E., 2005).

36

Captulo 3

Relativamente s caractersticas fsicas e mecnicas da camada de sub-balastro, normalmente so considerados valores mnimos para a compactao relativa dos materiais, (Cr 103% no ensaio Proctor Normal) e para o mdulo de deformabilidade equivalente, (EV1 70 MPa ou EV2 120 MPa, no ensaio de carga esttica com placa). Contudo no caso de uma renovao da via devem-se considerar as condies reais de explorao, embora se possam utilizar estes valores como referncia (Fortunato, E., 2005).

Camada de leito A camada de leito (ou de coroamento) constituda por um solo de boa qualidade, sendo igual ao da plataforma quando este apresenta os requisitos mnimos para essa funo (Alves, J., 2010). Esta camada permite uma transio suave entre a camada de sub-balastro e o solo de fundao, evitando a adopo de grandes espessuras de material na camada de subbalastro. Alm disso deve constituir um elemento de proteco do solo subjacente. Relativamente s caractersticas fsicas e mecnicas da camada de leito, normalmente so considerados valores mnimos para a compacidade dos materiais e para o mdulo de deformabilidade equivalente, (EV1 15 MPa ou EV2 80 MPa, no ensaio de carga esttica com placa), na construo de plataformas de boa qualidade (Fortunato, E., 2005).

Plataforma A plataforma ou solo de fundao geralmente formada por solos locais, granulares ou argilosos, que so de pior qualidade em relao ao material utilizado na camada de sub-balastro e na camada de leito. A fundao tem um papel determinante na qualidade e no desempenho da via, quando esta sujeita s cargas repetidas dos comboios, porque contribui de forma considervel para a deformao reversvel e para a deformao permanente, medidas ao nvel do carril, e influencia a deteriorao dos elementos da superstrutura e do balastro (Fortunato, E., 2005).

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Durante a fase de construo, esta estrutura deve dispor de uma capacidade de carga que permita a circulao dos equipamentos e a construo das camadas sobrejacentes. A superfcie deve apresentar regularidade geomtrica e os solos do leito devem constituir o elemento de proteco das terraplenagens (Fortunato, E. et al., 2000). Durante a explorao, a capacidade de carga ao nvel da plataforma depende essencialmente das caractersticas dos terrenos subjacentes, das camadas

sobrejacentes e das condies de drenagem da via. Uma boa plataforma no deve exibir deformaes significativas durante a explorao. As caractersticas fsicas e mecnicas avaliadas na sua superfcie devero apresentar homogeneidade longitudinal e transversal e devero ser pouco susceptveis variao das condies climticas. A superfcie deve permitir a drenagem das guas da chuva que caem sobre a via (Fortunato, E. et al., 2000). Na alta velocidade ferroviria comum serem aplicadas plataformas de boa qualidade. Segundo a ficha 719 R (UIC, 2006), se existir uma diminuio da qualidade do solo de fundao, aconselha-se um aumento da camada de sub-balastro ou coroamento, de modo a que estejam garantidas as condies mnimas estruturais e a durabilidade da infra-estrutura. A qualidade dos solos depende da sua natureza e da influncia da gua nas suas propriedades fsicas e qumicas. Estes parmetros so importantes pois provocam uma reduo da capacidade resistente do solo (Ferreira, T., 2007). O Quadro 3.1 (adaptado da ficha 719 R, UIC, 2006) apresentado estabelece as classes de qualidade dos solos, em funo dos parmetros anteriormente identificados.

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Captulo 3 Quadro 3.1 Classificao dos solos (adaptado da ficha 719 R, UIC, 2006)

Tipos de solos 0.1 Solos movedios orgnicos. 0.2 Solos finos (contendo mais de 15 % de finos (1), hmidos e no compactveis). 0.3 Solos isotrpicos (2) (p. ex. argilas). 0.4 Materiais solveis (p. ex. solos contendo salgema ou gesso). 0.5 Materiais poluentes (p. ex. res

Caracterização mecânica de misturas betuminosas (1)

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