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6.CASO DE ESTUDO
71
Miguel Teixeira Caso de Estudo
6.1 INTRODUÇÃO
O caso de estudo apresentado insere-se num projecto de reciclagem com espuma de
betume e profundidade máxima de 25 cm, de dois troços de um pavimento localizado
na Grécia e que se encontrava bastante deteriorado. Este pavimento faz parte da auto-
estrada que liga Atenas a Korinthos e a intervenção projectada totalizava cerca de 21
km. Como parte deste projecto e como caso de estudo deste trabalho, o objectivo era
determinar a envolvente de rotura de Mohr-Coulomb das diversas formulações da
mistura consideradas, assim como determinar sempre que possível os respectivos
módulos elásticos (Módulo Resiliente, Mr).
Na impossibilidade de realizar a produção das amostras no laboratório de ensaio
localizado em Stellenbosch na África do Sul, as misturas foram efectuadas na Grécia
com o material proveniente da desagregação do pavimento, moldados os respectivos
provetes e posteriormente enviadas para o laboratório de ensaio. No laboratório da
universidade de Stellenbosch procedeu-se ao ensaio dos provetes para determinação
das características já referidas.
6.2 CARACTERIZAÇÃO DO PAVIMENTO
O perfil transversal do pavimento era constituído por um New-Jersey ao centro,
marginado por uma berma com cerca de 0,75m; 3 faixas de rodagem com cerca de
3,8 metros de largura e uma berma exterior com cerca de 2,8 metros de largura, ver
figura 6.1.
Figura 6.1 - Perfil Transversal do Pavimento
72
Miguel Teixeira Caso de Estudo
A directriz da estrada é constituída por uma sucessão de rectas e curvas circulares de
grande raio.
O pavimento apresentava um estado de ruína avançado, e as mais variadas patologias
tais como deformações acentuadas, fendilhamentos de diversos tipos e uma
existência farta de reparações localizadas (Figuras 6.2 e 6.3).
Figura 6.2 - Fendas Figura 6.3 - Reparações localizadas
Para investigar a constituição das camadas do pavimento e sua profundidade foram
abertos poços com uma profundidade adequada, de modo a poder observar
visualmente todas as camadas constituintes. Constatou-se que ao longo da extensão
da intervenção a realizar existiam três tipos distintos de estruturas.
Uma das estruturas era constituída por uma camada de desgaste espessa, que
consistia numa sobreposição de antigas camadas de desgaste mais esbeltas que foram
construídas como medida de reabilitação ou reforço estrutural (MB). Esta camada
sobreponha-se a uma camada de macadame betuminoso, que por sua vez se
sobrepunha a uma camada base granular (Granular) bastante consistente e de baixa
plasticidade (Figura 6.4).
73
Miguel Teixeira Caso de Estudo
Figura 6.4 - Estrutura 1
A segunda solução estrutural encontrada era constituída por uma camada de desgaste
delgada (MB) que se sobrepunha a uma camada base tratada com cimento (AGEC)
que apresentava duas sub camadas distintas, consequência da sua provável
construção em duas etapas. Esta camada sobrepunha-se a uma camada de material
granular que na sua metade superior era constituída por material britado e na metade
inferior material natural.
Figura 6.5 - Estrutura 2
74
Miguel Teixeira Caso de Estudo
Por fim o último tipo de estrutura observado era constituído por uma camada de
desgaste (MB) que se sobrepunha a uma base granular constituída por material
britado na parte superior e material natural na parte inferior. Na camada de material
britado podiam ser identificadas duas sub camadas provenientes do processo de
construção.
Figura 6.6 - Estrutura 3
Na figura 6.7 apresentam-se esquemas das diversas soluções estruturais observadas
neste pavimento.
Figura 6.7 - Estruturas do Pavimento
75
Miguel Teixeira Caso de Estudo
6.3 COMPOSIÇÃO DAS MISTURAS COM ESPUMA DE BETUME
Para caracterização das misturas com espumas de betume foram seguidas várias
etapas. Numa primeira etapa foram realizadas várias misturas com percentagens de
espuma de betume entre 2 e 3 % e 1 entre 1,5 % de cimento conforme a mistura,
sendo depois fabricados provetes tipo “Marshall”.
As misturas foram efectuadas misturando várias proporções de cada tipo de camada
existentes no pavimento a reabilitar. A determinação desta formulação foi estimada
tendo em conta a cota final do pavimento após reabilitação e é apresentada na tabela
6.1. Na figura 6.8 apresenta-se a representação dos fusos granulométricos das sete
misturas efectuadas. Um quadro com os valores de passados em cada peneiro para o
material retirado de cada camada constituinte do pavimento e para as misturas é
apresentado no anexo 1
Tabela 6.1
Percentagens de cada Camada Reciclada na Mistura
Mistura MB (%) AGEC (%) Granular (%)
A 100 0 0
B 75 0 25
C 50 0 50
D 25 0 75
E 75 25 0
F 50 50 0
G 25 75 0
76
Miguel Teixeira Caso de Estudo
Figura 6.8 - Fusos Granulométricos das Camadas e das Misturas
77
Miguel Teixeira Caso de Estudo
Como se pode observar na figura 6.8 os fusos das misturas inserem-se no intervalo
limite recomendado, não sendo este facto totalmente verdadeiro apenas devido à falta
de materiais finos. É em parte devido a este facto que advém a necessidade de
adicionar cimento às misturas de modo a corrigir a percentagem de materiais finos
necessários na mistura. Um outro facto que minimiza esta falta de finos é que se
antecipa que a fresadora a utilizar obtenha materiais ligeiramente mais finos durante
a construção do novo pavimento.
Posteriormente, os provetes foram submetidos aos ensaios de compressão diametral
para determinação da tensão de rotura de tracção por compressão diametral. Este
ensaio foi realizado sobre provetes secos e saturados.
Foi também medida a baridade das misturas. Procedendo deste modo, foi possível
determinar qual a percentagem de espuma de betume, e correspondente percentagem
de betume, que maximizava as propriedades da mistura. As folhas resumo deste
estudo são apresentadas no anexo 1.
Na fase seguinte foram fabricados provetes, com 15 cm de diâmetro e 12 cm de
altura, contendo as percentagens dos ligantes óptimas determinadas na fase anterior e
compactados com 100 % da compactação com o Proctor modificado.
A cura destes provetes consistiu na sua conservação à temperatura ambiente durante
24 horas seguida duma fase em que eram conservados num saco plástico selado e
conservado a 40 ºC durante 48 horas. Estes provetes foram posteriormente
submetidos a três tipos de ensaios. O ensaio de compressão diametral (CD), para
determinação da tensão de rotura por tracção. Este ensaio foi efectuado sobre
provetes saturados e com a humidade ambiente. O ensaio de compressão simples
(CS), para determinação da tensão de rotura por compressão sem pressão de
confinamento. Ensaios de rotura por compressão com diferentes tensões de
confinamento para determinação da envolvente de rotura de Mohr-Coulumb. A
tabela 6.2 apresenta um resumo dos valores obtidos. Desta tabela constam já os
resultados dos ensaios triaxiais com pressão de confinamento realizados no
laboratório de ensaios da Universidade de Stellenbosch e que serão alvo de atenção
pormenorizada em ponto posterior deste texto.
78
Miguel Teixeira Caso de Estudo
Tab
ela
6.2
Val
ores
obt
idos
nos
Ens
aios
79
Miguel Teixeira Caso de Estudo
6.4 ENSAIOS TRIAXIAIS REALIZADOS
6.4.1 MONOTÓNICOS (ENVOLVENTE DE MOHR-COULOMB)
Os ensaios triaxiais foram realizados no Departamento de Engenharia Civil da
Universidade de Stellenbosch na África do Sul. Estes provetes foram moldados na
Grécia, com 15 cm de diâmetro e aproximadamente 30 cm de altura, sendo
compactados com até 103 % do Proctor Modificado e foram posteriormente enviados
para o laboratório de ensaio. A humidade das amostras submetidas a ensaio variava
no intervalo compreendido entre 1,6 % para as misturas A a E e 4,2 % para as
misturas F e G. Os provetes eram conservados no saco plástico de origem sendo
colocados na câmara climática antes do ensaio de modo a atingir a temperatura de
equilíbrio do interior da câmara.
Figura 6.9 - Provetes antes do Ensaio
Os ensaios foram efectuados num sistema servo-hidráulico comandado
electronicamente da marca Material Test System (MTS), figura 6.10. Este aparelho
80
Miguel Teixeira Caso de Estudo
tem uma capacidade máxima de carga de 100 kN e é capaz de medir deslocamentos
até ao máximo de 100 mm. A precisão da medição dos deslocamentos ao longo dos
100 mm de percurso é de 0,1 mm.
Os ensaios podem ser conduzidos quer em deslocamento controlado, quer em carga
controlada. Os dados obtidos durante o ensaio são armazenados em tempo real num
computador.
Para a realização dos ensaios triaxiais é utilizada uma célula triaxial da marca inglesa
Wykeham-Farrance, com capacidade máxima para pressões de confinamento de
1700 kPa, figura 6.11. A pressão de confinamento é aplicada por meio de ar que é
comprimido recorrendo a uma bomba.
Figura 6.10 - Aparelho de Ensaio Figura 6.11 - Célula Triaxial
O ensaio triaxial monotónico foi realizado até à rotura do material tem-se como
objectivo determinar a resistência do mesmo em termos de coesão (c) e ângulo de
atrito interno (Ø). Foram realizados três testes com pressões de confinamento
crescentes, 50, 150 e 300 kPa e com os resultados obtidos determinam-se a
envolvente de rotura de Mohr-Coulomb do material, ver figura 6.12.
81
Miguel Teixeira Caso de Estudo
σ
τ
c
φ
σ3 σ1,f
Figura 6.12
Envolvente de rotura de Mohr-Coulomb
Para a realização do ensaio o provete a ser submetido a ensaio tem de ser
previamente preparado. Assim o provete é coberto por uma membrana de látex,
figura 6.13, que é selada nos extremos com um “o-ring” de borracha que envolve as
bases metálicas nos topos, figura 6.14. Deste modo pretende-se prevenir a eventual
existência de fugas de ar. Estes ensaios triaxiais são realizados sob uma temperatura
de 25 ºC controlada, de modo a que não existam oscilações da mesma durante o
ensaio. O ensaio é conduzido sob deslocamento controlado a uma taxa de 6,25 mm
por minuto, equivalente a uma taxa de deformação de 2,6% por minuto.
82
Miguel Teixeira Caso de Estudo
Figura 6.13
Colocação da Membrana de Látex
Figura 6.14
Selagem da Membrana de Látex
Para cada ensaio procedeu-se ao registo da carga aplicada e da deformação axial do
provete.
Posteriormente com os dados obtido, para cada mistura e para cada pressão de
confinamento, traçou-se um gráfico da carga do ensaio em função da extensão axial
do provete. Estes gráficos são apresentados nas figuras 6.15 a 6.21.
83
Miguel Teixeira Caso de Estudo
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
40.000
45.000
50.000
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0
Extensão Axial (%)
Forç
a (N
)
50 kPa 150 kPa 300 kPa
Figura 6.15
Carga aplicada em função da Extensão Axial para a mistura A
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
40.000
45.000
50.000
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0
Extensão Axial (%)
Forç
a (N
)
50 kPa 150 kPa 300 kPa
Figura 6.16
Carga aplicada em função da Extensão Axial para a mistura B
84
Miguel Teixeira Caso de Estudo
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
40.000
45.000
50.000
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0
Extensão Axial (%)
Forç
a (N
)
50 kPa 150 kPa 300 kPa
Figura 6.17
Carga aplicada em função da Extensão Axial para a mistura C
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
40.000
45.000
50.000
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0
Extensão Axial (%)
Forç
a (N
)
50 kPa 150 kPa 300 kPa
Figura 6.18
Carga aplicada em função da Extensão Axial para a mistura D
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0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
40.000
45.000
50.000
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0
Extensão Axial (%)
Forç
a (N
)
50 kPa 150 kPa 300 kPa
Figura 6.19
Carga aplicada em função da Extensão Axial para a mistura E
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
40.000
45.000
50.000
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0
Extensão Axial (%)
Forç
a (N
)
50 kPa 150 kPa 300 kPa
Figura 6.20
Carga aplicada em função da Extensão Axial para a mistura F
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0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
40.000
45.000
50.000
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0
Extensão Axial (%)
Forç
a (N
)
50 kPa 150 kPa 300 kPa
Figura 6.21
Carga aplicada em função da Extensão Axial para a mistura G
Da observação dos gráficos podemos concluir que a resistência do material aumenta
com o aumento da pressão de confinamento, como seria de esperar. É também
possível observar que a extensão de rotura é bastante superior ao limite de 1%
característico dos materiais granulares o que evidencia as propriedades aglomerantes
da espuma adicionada à mistura.
Na tabela 6.3 apresentam-se os valores da tensão de rotura dos provetes ensaiados.
87
Miguel Teixeira Caso de Estudo
Tabela 6.3
Tensões de Rotura
Tensão de Confinamento
(kPa)A B C D E F G
50 898,0 1212,6 1638,2 1760,2 1315,6 1573,2 1304,8
150 1370,0 1738,2 1884,5 2236,9 1776,2 1759,9 1879,1
300 1714,7 2148,4 2969,7 3080,9 2178,2 2403,2 2826,1
Tensão (kPa)
Na tabela 6.4 é apresentado em percentagem o acréscimo no valor da tensão de
rotura das misturas B a G relativamente à mistura A.
Tabela 6.4
Acréscimo na Tensão de Rotura relativamente á Mistura A
Tensão de Confinamento
(kPa)A B C D E F G
50 100,0 135,0 182,4 196,0 146,5 175,2 145,3
150 100,0 193,6 209,9 249,1 197,8 196,0 209,3
300 100,0 239,2 330,7 343,1 242,6 267,6 314,7
Acréscimo de Tensão(%)
Podemos afirmar que a inclusão de material granular ou material estabilizado com
cimento das camadas inferiores do pavimento dão origem a um material com
melhores características resistentes. É também evidente que quanto mais elevada for
a percentagem destes constituintes na mistura melhor o desempenho da mesma. Este
facto pode ser observado de uma forma mais evidente na tabela 6.5. Nesta tabela é
apresentado o acréscimo do valor da tensão de rotura, também em percentagem, das
misturas C e D relativamente á mistura B, misturas constituídas por mistura
betuminosa e material granular, e das misturas F e G relativamente á mistura E,
misturas constituídas por MB e AGEC.
88
Miguel Teixeira Caso de Estudo
Tabela 6.5
Acréscimo na Tensão de Rotura relativamente às misturas B e E
Tensão de Confinamento
(kPa)B C D E F G
50 100,0 135,1 145,2 100,0 119,6 99,2
150 100,0 155,4 184,5 100,0 133,8 142,8
300 100,0 244,9 254,1 100,0 182,7 214,8
Acréscimo de Tensão(%)
Com os dados obtidos foram traçados os círculos de Mohr de cada mistura para as
três pressões de confinamento, (ver figuras 6.22 a figura 6.28). Foi também traçada a
envolvente de rotura de Mohr-Coulomb. A determinação desta envolvente era o
objectivo deste caso de estudo, como foi já referido no ponto 5.1. A determinação
das características desta envolvente (c e Ø) foram determinadas analiticamente, com
um grau de correlação muito próximo da unidade, o que atesta a sua validade. Os
valores obtidos são os já apresentados no quadro 6.2.
0
200
400
600
800
1000
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
Tensões Normais (kPa)
Tens
ões
de C
orte
(kPa
)
s3 = 50 kPas3 = 150 kPas3 = 300 kPaEnvolvente de Rotura
Figura 6.22
Envolvente de Mohr-Coulomb da mistura A
89
Miguel Teixeira Caso de Estudo
0
200
400
600
800
1000
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
Tensões Normais (kPa)
Tens
ões
de C
orte
(kPa
)s3 = 50 kPa
s3 = 150 kPa
s3 = 300 kPa
E l d
Figura 6.23
Envolvente de Mohr-Coulomb da mistura B
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000
Tensões Normais (kPa)
Tens
ões
de C
orte
(kPa
)
s3 = 50 kPas3 = 150 kPas3 = 300 kPaEnvolvente de Rotura
Figura 6.24
Envolvente de Mohr-Coulomb da mistura C
90
Miguel Teixeira Caso de Estudo
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200
Tensões Normais (kPa)
Tens
ões
de C
orte
(kPa
)
s3 = 50 kPas3 = 150 kPas3 = 300 kPaEnvolvente de Rotura
Figura 6.25
Envolvente de Mohr-Coulomb da mistura D
0
200
400
600
800
1000
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
Tensões Normais (kPa)
Tens
ões
de C
orte
(kPa
)
s3 = 50 kPas3 = 150 kPas3 = 300 kPaEnvolvente de Rotura
Figura 6.26
Envolvente de Mohr-Coulomb da mistura E
91
Miguel Teixeira Caso de Estudo
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000
Tensões Normais (kPa)
Tens
ões
de C
orte
(kPa
)
s3 = 50 kPas3 = 150 kPas3 = 300 kPaEnvolvente de Rotura
Figura 6.27
Envolvente de Mohr-Coulomb da mistura F
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200
Tensões Normais (kPa)
Tens
ões
de C
orte
(kPa
)
s3 = 50 kPas3 = 150 kPas3 = 300 kPaEnvolvente de Rotura
Figura 6.28
Envolvente de Mohr-Coulomb da mistura G
92
Miguel Teixeira Caso de Estudo
A observação das envolventes de rotura permite retirar algumas conclusões, embora
que limitadas ao caso específico apresentado. As misturas B, C e D que contêm na
composição o material proveniente das camadas granulares do pavimento têm uma
maior coesão (c) do que as restantes. Esta observação pode ser explicada pela maior
presença de material fino na camada granular. Deste modo o betume pode dispersar
de uma forma mais eficaz no agregado criando o já referido mástique que aglomera
as partículas de maiores dimensões criando uma estrutura mais coesa. Este facto é
ainda mais evidente se atentarmos que as misturas que apresentam menor coesão são
as misturas E, F e G ou seja, as que contêm o material CBM substituindo o material
granular e cujos fusos granulométricos são os que contêm menos material fino.
Quanto ao ângulo de atrito interno das misturas podemos observar que atinge os
valores maiores para as misturas contendo CBM, diminuindo nas misturas contendo
material da camada granular, atingindo os valores menores na mistura contendo
material da camada betuminosa.
6.4.2 ENSAIOS CICLÍCOS (MÓDULO ELÁSTICO)
Este ensaio triaxial visa a quantificação do módulo elástico a diferentes pressões de
confinamento. A tensão aplicada é incrementada e o módulo elástico é calculado.
Depois de proceder ao registo gráfico dos dados obtidos, figura 6.29, é possível
estimar uma relação entre o módulo elástico relativamente às tensões aplicadas. Este
ensaio é realizado para três tensões de confinamento, sendo que para cada uma destas
são obtidos 5 pontos.
93
Miguel Teixeira Caso de Estudo
Figura 6.29
Representação gráfica do Módulo Elástico em Função do Total das Tensões Principais
Os provetes utilizados neste ensaio tinham as mesmas dimensões dos provetes
utilizados nos ensaios monotónicos. Uma vez que os deslocamentos medidos são
muito pequenos, da ordem dos 1 mm, é necessário proceder à medição dos mesmos
no próprio provete. Para tal foram instalados 3 LVDT’s com curso de 10 mm e
precisão de 0,02 mm. Estes aparelhos foram colocados no terço central da altura do
provete distribuídos de uma forma uniforme relativamente à base do provete, a
ângulos de 120º. Deste modo evitam-se eventuais perturbações de leitura
provenientes dos efeitos de má distribuição de tensões nos extremos do provete a
ensaiar, figuras 6.30 e 6.31.
94
Miguel Teixeira Caso de Estudo
Figura 6.30
Colocação da Membrana
Figura 6.31
Selagem da Membrana
Neste caso de estudo este ensaio foi realizado apenas para a mistura C. Este ensaio é
efectuado aplicando uma pré-carga de 20 kPa após a qual é aplicada a carga restante
até perfazer o valor máximo estipulado e que é aplicada sob a forma de uma
sinusóide com frequência de 2 Hz. Para cada configuração de carga aplicada os
dados são recolhidos durante 5 segundos, correspondente a 10 ciclos de carga, e só
após a aplicação de 120 impulsos de carga para condicionar o provete de ensaio. As
configurações de tensão utilizadas neste ensaio são apresentadas na tabela 6.5.
95
Miguel Teixeira Caso de Estudo
Tabela 6.6
Combinação de Tensões para Ensaio
Pressão de Confinamento (kPa)
Nº de Ordem do Ensaio
Soma das Tensões Principais ( θ )
Relação da Tensão Principal ( σ1 / σ1,f )
1 274 0,122 353 0,173 433 0,224 513 0,285 592 0,336 671 0,381 574 0,132 661 0,173 749 0,224 836 0,265 923 0,301 1.014 0,192 1.148 0,253 1.283 0,324 1.417 0,385 1.550 0,446 1.684 0,50
50
150
300
Como se verifica no quadro a relação máxima entre a tensão principal aplicada e a
tensão principal máxima de rotura não ultrapassa o valor de 50 % de modo a limitar a
deformação do provete.
Os resultados obtidos no ensaio são apresentados no gráfico da figura 6.32.
96
Miguel Teixeira Caso de Estudo
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
3.500
100 300 500 700 900 1.100 1.300 1.500 1.700 1.900
Soma das Tensões Principais θ (kPa)
Mód
ulo
Elás
tico
Mr (
MPa
)
50 kPa 150 kPa 300 kPa
Figura 6.32
Módulo Elástico em função do Total das Tensões Principais
Podemos observar neste gráfico que o valor do módulo elástico demonstra um
comportamento independente das tensões aplicadas e um valor de cerca 1800 MPa.
Este comportamento pode ser explicado por (pela existência de um elevado teor de
ligante (betume e cimento) na mistura) mas deveria ter sido mais explorado e
validado com o ensaio das outras misturas. Como tal não foi possível a explicação
apresentada fica condicionada este caso particular com algum cepticismo.
