Universidade do Minho Escola de Engenharia Sara da Silva ...repositorium.sdum.uminho.pt/bitstream/1822/29698/1/A51360... · Sara da Silva Teixeira v AGRADECIMENTOS ... Queria agradecer

Universidade do Minho

Escola de Engenharia

Sara da Silva Teixeira

Caraterização geomecânica de misturas

betuminosas por meio de ensaios

mecanicistas

Dezembro de 2012

Universidade do Minho

Escola de Engenharia

Sara da Silva Teixeira

Caraterização geomecânica de misturas

betuminosas por meio de ensaios

mecanicistas

Dissertação de Mestrado

Ciclo de Estudos Integrados em Engenharia Civil

Trabalho efetuado sob a orientação de

Doutor Nuno Miguel Faria Araújo

Doutor Hugo Manuel Ribeiro Dias da Silva

Dezembro de 2012

“Não interessa.

Tento de novo.

Falho de novo.

Falho melhor”

Samuel Beckett

Caracterização geomecânica de misturas betuminosas por meio de ensaios mecanicistas

Sara da Silva Teixeira v

AGRADECIMENTOS

Gostaria de expressar o meu agradecimento aos meus orientadores, Professor Nuno Araújo e

Professor Hugo Silva, pelo auxílio, disponibilidade e orientação prestada durante a realização

deste trabalho. Agradeço todos os ensinamentos de várias matérias que me ajudaram a

completar esta Dissertação.

Queria agradecer a minha família que tem um grande lugar no meu coração. Em especial a

minha mãe por me dar coragem para enfrentar o futuro, ao meu pai por me pressionar a fazer

mais e melhor, a minha irmã por me dar tanto mimo e ao meu irmão por me tirar o carro para

que possa ficar em casa a trabalhar. Agradeço também ao meu Padrinho por ser a pessoa

persistente que é comigo.

Um grande agradecimento ao meu namorado Marcelo pelo amor, coragem e ajuda

incondicional que me deu durante a execução da Dissertação, mesmo quando eu não a queria.

Sem ele não sei se conseguiria acabar.

Este trabalho é financiado por Fundos FEDER através do Programa Operacional Fatores de

Competitividade – COMPETE e por Fundos Nacionais através da FCT – Fundação para a

Ciência e a Tecnologia no âmbito do projeto PTDC/ECM/119179/2010, “Desenvolvimento

de materiais multifuncionais com resíduos plásticos para pavimentação de estradas –

PLASTIROADS”.

No laboratório não poderia ter melhores técnicos do que o Engenheiro Carlos Palha e o

Hélder Torres. Agradeço ao Hélder por me ter aturado quando fazíamos as lajes e por me ter

ajudado quando já não era hora de trabalho. Ao Engenheiro Carlos Palha por me ter ajudado a

compreender melhor o perfil de vias, por me ter ajudado nos ensaios, por ter feito mais do que

lhe competia e por ser uma pessoa muito especial.

Quero agradecer aos meus colegas Cláudia, João, Inês e Catarina por me mostrarem o lado

divertido da Universidade, pelos jantares (maravilhosos) e por me manterem na linha.

Aos meus amigos por estarem sempre dispostos a ajudarem e por todos os discursos de

motivação, pelas alegrias e brincadeiras.


Sara da Silva Teixeira vii


RESUMO

Atualmente o sistema rodoviário constitui um sector de importância vital para o

desenvolvimento social e económico das sociedades. As misturas betuminosas consistem num

dos materiais mais utilizados para a construção de infraestruturas rodoviárias. Um nível de

qualidade elevado é fundamental para garantir o desempenho estrutural e durabilidade das

mesmas, assim como para garantir o conforto e segurança dos utilizadores. As propriedades

mecânicas da mistura evoluem de forma significativa desde o instante de aplicação até ao

percurso que constitui o seu ciclo de vida, sendo severamente influenciadas pelo meio exterior

onde se inserem, particularmente pela temperatura a que se encontram expostas e pela

deformação resultante das cargas que lhe são aplicadas pelo tráfego rodoviário. O aumento da

carga transportada desde a década de noventa provocou níveis de degradação dos pavimentos

rodoviários indesejados e, em consequência, algumas vezes levou ao incumprimento dos

patamares de exigência estrutural e funcional.

No presente trabalho apresentam-se estudos do comportamento mecânico de misturas

betuminosas por recurso a ensaios mecanicistas (ensaio de pista e ensaio triaxial), para

quantificação de parâmetros de deformabilidade que definem o comportamento das referidas

misturas.

O estudo realizou-se sobre duas misturas, uma convencional (AC 14 Surf), e uma segunda

com incorporação de betume borracha (AR 12 Surf). O estudo laboratorial focou-se em

parâmetros que controlam a ocorrência de deformações irreversíveis nos pavimentos:

velocidade de carregamento (0,3 Hz, 1 Hz e 5 Hz) e temperatura (30 ºC e 50 ºC). Atendendo à

ocorrência simultânea destes parâmetros, quantificou-se possíveis relações entre os mesmos,

permitindo analisar a sua influência na deformação permanente dos provetes em estudo.

PALAVRAS-CHAVE: Deformação permanente; Ensaio de pista; Ensaio Triaxial;

Caracterização geomecânica; Mistura betuminosa; Deformabilidade.

Caraterização geomecânica de misturas betuminosas por meio de ensaios mecanicistas

viii Sara da Silva Teixeira

Geomechanical characterization of asphalt mixtures through mechanistic tests

ABSTRACT

Currently the road system is a sector of vital importance to the social and economic

development of societies. The asphalt mixtures are one of the materials most commonly used

for construction of road infrastructures. A high level of quality is critical to assure the

structural performance and durability of these mixtures, as well as to ensure the necessary

comfort and safety of users. The mechanical properties of the mixtures evolve significantly

since the time of application in the road and throughout its life cycle, being severely

influenced by the external environment in which they operate, particularly the temperature to

which they are exposed and the deformation caused by the loads applied by the road traffic.

The increase of the loads transported since the 1990s caused unwanted levels of degradation

of road pavements and, as a result, sometimes led to the failure of minimum levels of

structural and functional requirements.

This work presents the study of the mechanical behavior of asphalt mixtures through the use

of mechanistic test (wheel tracking test and triaxial test), in order to quantify the deformability

parameters that define the performance of the mentioned mixtures.

The study was carried out on two mixtures, a conventional (AC 14 Surf) and a mixture with

asphalt rubber (AR 12 Surf). The laboratory study focused on parameters that control the

occurrence of irreversible deformation in the pavement: load speed (0.3 Hz, 1 Hz and 5 Hz)

and temperature (30 ºC and 50 ºC). Given that these parameters occur simultaneously,

possible relationships between them were quantified, thus being possible the analysis of their

influence on the permanent deformation of the specimens under study.

KEYWORDS: Permanent deformation; Wheel tracking test; Triaxial test; Geomechanical

characterization; Asphalt mixture; Deformability.


Sara da Silva Teixeira ix

ÍNDICE

1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................... 1

1.1 Enquadramento geral ...................................................................................................... 1

1.2 Objetivos ......................................................................................................................... 1

1.3 Organização da dissertação ............................................................................................. 2

2 ESTADO DA ARTE ............................................................................................................ 3

2.1 Importância do sistema rodoviário ................................................................................. 3

2.2 Caracterização do comportamento do betume ................................................................ 4

2.2.1 Sistema de especificação do betume ..................................................................... 5

2.2.2 Propriedades viscoelásticas do betume ................................................................. 8

2.2.3 Envelhecimento do betume ................................................................................. 11

2.3 Caracterização da deformação permanente em pavimentos ......................................... 12

2.3.1 Fatores que afetam a deformação permanente .................................................... 17

2.3.2 Influência do tráfego ........................................................................................... 17

2.3.3 Influência da temperatura .................................................................................... 19

2.4 Relação entre a deformação permanente e o módulo de rigidez das misturas

betuminosas .................................................................................................................. 20

2.5 Ensaios mecanicistas de caracterização de misturas betuminosas................................ 23

3 MATERIAS E MÉTODOS UTILIZADOS ..................................................................... 25

3.1 Materiais ....................................................................................................................... 25

3.1.1 Mistura convencional (AC 14 Surf) .................................................................... 25

3.1.2 Mistura não convencional com betume borracha (AR 12 Surf) .......................... 27

3.2 Métodos de ensaio ........................................................................................................ 29

3.2.1 Ensaios de caracterização dos betumes ............................................................... 29

3.2.2 Ensaio de pista ..................................................................................................... 31

3.2.3 Ensaio triaxial ...................................................................................................... 34


x Sara da Silva Teixeira

4 ANÁLISE DOS RESULTADOS ....................................................................................... 39

4.1 Penetração e ponto de amolecimento dos betumes ....................................................... 39

4.2 Ensaio de pista ............................................................................................................... 39

4.2.1 Evolução da deformação permanente .................................................................. 40

4.2.2 Bacias de deformação .......................................................................................... 43

4.2.3 Determinação do módulo por análise inversa no programa Phase2D ................. 47

4.3 Ensaio Triaxial .............................................................................................................. 49

4.3.1 Evolução da deformação permanente .................................................................. 49

4.3.2 Módulo de rigidez das misturas ........................................................................... 50

4.3.3 Cálculo do coeficiente de Poisson ....................................................................... 55

4.3.4 Comparação do módulo de rigidez com a extensão axial .................................... 59

4.4 Análise comparativa entre os ensaios de pista e triaxial ............................................... 61

5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................................ 65

5.1 Conclusões .................................................................................................................... 65

5.2 Desenvolvimentos futuros ............................................................................................. 66

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................. 69


Sara da Silva Teixeira xi

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 – Comportamento do betume a diferentes temperaturas e tempos de fluência

(adaptado de Anserson et al., 1994) ........................................................................ 8

Figura 2 – Resposta mecânica do betume sob carga constante: (a) tensão aplicada, (b) resposta

elástica, (c) resposta viscosa, e (d) reposta viscoelástica (Pumphrey, 2003) ........ 10

Figura 3 – Classificação de líquidos e sólidos viscoelásticos através do número de Deborah

(Partal e Franco, 2009) .......................................................................................... 11

Figura 4 – Evolução da deformação permanente num raio de ação de 1,2 metros em função

ciclo de carregamento (Houben et al., 1999) ......................................................... 15

Figura 5 – Fases da evolução da deformação permanente em misturas betuminosas (Feire,

2002) ...................................................................................................................... 16

Figura 6 – Efeito do excesso de peso por eixo nos pavimentos, e contribuição das diversas

camadas para a profundidade de rodeira (Chen et al., 2004) ................................ 18

Figura 7 – Efeito da temperatura na deformação permanente em misturas betuminosas em

ensaios triaxiais realizados a 40ºC e 60ºC (Sargand e Kim, 2003) ....................... 20

Figura 8 – Evolução do módulo de rigidez em função da frequência da solicitação, para a

mistura SUPERPAVE (Ahmad et al., 2011) ......................................................... 21


mistura Marshall (Ahmad et al., 2011) .................................................................. 21

Figura 10 – Evolução da deformação permanente e rácio do ensaio de pista (adaptado de

Ahmad et al., 2011) ............................................................................................... 22

Figura 11 – Relação entre o módulo no ensaio de compressão cíclica e a deformação no

ensaio de pista a 50 ºC (Ahamad et al., 2011) ....................................................... 23

Figura 12 – Curva granulometria e fuso da mistura AC 14 Surf .............................................. 26

Figura 13 – Laje (70 x 40 cm) produzida com a mistura convencional AC 14 Surf ................ 26

Figura 14 – Cilindro utilizado para compactar as misturas ...................................................... 27

Figura 15 – Curva granulometria e fuso da mistura AR 12 Surf .............................................. 28

Figura 16 – Laje da mistura não convencional AR 12 Surf ..................................................... 28


xii Sara da Silva Teixeira

Figura 17 – Ensaio de penetração ............................................................................................ 30

Figura 18 – Ensaio de anel e bola ............................................................................................ 30

Figura 19 – Equipamento para a realização do ensaio de pista ............................................... 32

Figura 20 – Geometria do provete do ensaio de pista .............................................................. 33

Figura 21 – Esquema dos sensores colocados no ensaio de pista ............................................ 33

Figura 22 – Sensores internos colocados no ensaio de pista.................................................... 34

Figura 23 – Potenciómetro para leitura da posição da lajeta ................................................... 34

Figura 24 – Equipamento para o controlo do confinamento associado a uma bomba de vácuo

............................................................................................................................... 35

Figura 25 – Equipamento para a realização do ensaio triaxial ................................................ 36

Figura 26 – Exemplos de (a) provete de ensaio e (b) laje após carotagem .............................. 36

Figura 27 – Máquina utilizada para o ensaio triaxial ............................................................... 37

Figura 28 – Esquema dos sensores colocados no provete do ensaio triaxial ........................... 37

Figura 29 – Deformação permanente (WTT) a 50 ºC da mistura convencional AC 14 Surf .. 40

Figura 30 – Deformação permanente (WTT) a 50 ºC da mistura não convencional AR 12 Surf

............................................................................................................................... 40

Figura 31 – Deformação permanente (WTT) a 1 Hz da mistura convencional AC 14 Surf ... 41

Figura 32 – Deformação permanente (WTT) a 1 Hz da mistura não convencional AR 12 Surf

............................................................................................................................... 41

Figura 33 – Resultados de WTS no ensaio de pista para as misturas AC 14 Surf e AR 12 Surf

............................................................................................................................... 42

Figura 34 – Bacias de deformação (WTT) medidas internamente a 50 ºC/1 Hz da mistura

convencional AC 14 Surf ...................................................................................... 43



Figura 36 – Bacias de deformação (WTT) medidas internamente a 50 ºC/0,3 Hz da mistura


Figura 37 – Bacias de deformação (WTT) medidas internamente a 50 ºC/1 Hz da mistura não

convencional AR 12 Surf ...................................................................................... 45


Sara da Silva Teixeira xiii

Figura 38 – Lajeta da mistura não convencional AC 12 ensaiada a 50 ºC/1 Hz ...................... 45


convencional AR 12 Surf....................................................................................... 46


não convencional AR 12 Surf ................................................................................ 46

Figura 41 – Malha utilizada para simular o ensaio WTT no programa Phase2D .................... 47

Figura 42 – Módulos de elasticidade obtidos através da análise numérica no Phase2D .......... 48

Figura 43 – Evolução da deformação permanente da mistura convencional AC 14 Surf ........ 49

Figura 44 – Evolução da deformação permanente na mistura não convencional AR 12 Surf . 50

Figura 45 – Rigidez da mistura convencional AC 14 Surf a 30 ºC/1 Hz ................................. 51



Figura 48 – Rigidez da mistura não convencional AR 12 Surf a 30 ºC/1 Hz .......................... 52



Figura 51 – Taxa de Deformação obtida no ensaio triaxial das misturas AC 14 Surf e AR 12

Surf ........................................................................................................................ 55

Figura 52 – Coeficiente de Poisson da mistura convencional AC 14 Surf a 30 ºC/1 Hz ......... 56



Figura 55 – Coeficiente de Poisson da mistura não convencional AR 12 Surf a 30 ºC/1 Hz .. 58



Figura 58 – Comparação do módulo com a extensão axial no ciclo 1000 ............................... 60

Figura 59 – Comparação do módulo com a extensão axial no ciclo 100 ................................. 60

Figura 60 – Comparação do módulo com a extensão axial no ciclo 10 ................................... 60

Figura 61 – Comparação dos módulos de rigidez entre os dois ensaios realizados ................. 61

Figura 62 – Comparação do WTS obtido nos dois ensaios realizados ..................................... 62


xiv Sara da Silva Teixeira

Figura 63 – Comparação da deformação permanente entre os dois ensaios realizados .......... 62


Sara da Silva Teixeira xv

ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 1 – Resumo dos resultados do ensaio de pista (Ahmad et al, 2011) ............................ 22

Tabela 2 – Granulometria utilizada e fuso da mistura AC 14 Surf .......................................... 25

Tabela 3 – Granulometria utilizada e fuso da mistura AR 12 Surf .......................................... 27

Capítulo 1 – Introdução

Sara da Silva Teixeira 1

1 INTRODUÇÃO

1.1 Enquadramento geral

Os pavimentos rodoviários, por constituírem a estrutura de suporte do tráfego rodoviário,

devem satisfazer ao longo da sua vida útil determinados níveis mínimos de qualidade

estrutural e funcional. Porém, o aumento do tráfego pesado e da carga transportada (total e por

eixo), observado desde a década de 1990 em Portugal e nos restantes países da União

Europeia, levou a indesejados níveis de degradação dos pavimentos rodoviários e, em

consequência, ao incumprimento dos referidos patamares de exigência estrutural e funcional

(Baptista, 2006).

A ocorrência de deformações permanentes é um dos exemplos da redução da durabilidade dos

pavimentos rodoviários sob a ação de cargas mais pesadas, em especial em países onde a

qualidade de alguns materiais utilizados no pavimento é potencialmente menor, ou onde se

verifiquem altas temperaturas ambientais, como acontece em várias economias emergentes

onde algumas empresas nacionais se estão a instalar (Nejad et al., 2012).

Desta forma surgiu o interesse em aprofundar o conhecimento existente sobre o

comportamento das misturas relativamente à sua deformabilidade, quer com ensaios de

simulação, quer com ensaios fundamentais.

1.2 Objetivos

Os objetivos principais deste trabalho consistem na quantificação dos parâmetros mecânicos

que definem o comportamento das misturas betuminosas relativamente à sua deformabilidade,

de modo a melhorar a fiabilidade das simulações numéricas. Também se pretende comparar

dois ensaios mecanicistas, o ensaio de pista (Wheel Tracking Test ou WTT) e o ensaio triaxial)

que podem ser utilizados para quantificação da deformação permanente. Da concretização

destes objetivos pretende-se:

Definir e caracterizar misturas betuminosas pela quantificação da sua deformabilidade;

Relacionar a influência da velocidade de carregamento com a deformação permanente que

ocorre em misturas betuminosas;


2 Sara da Silva Teixeira

Caraterizar experimentalmente a influência da temperatura no comportamento irreversível

das misturas betuminosas em relação à sua deformação;

Avaliar comparativamente a influência de diversos parâmetros de ensaio, procurando

determinar relações que facilitem simulações de ensaios em condições particulares (por

exemplo, a simulação de temperaturas elevadas pela adaptação da frequência de ensaio);

Estudar a influência das condições de ensaio, pela avaliação comparativa de resultados dos

ensaios de pista e ensaio triaxial.

1.3 Organização da dissertação

O trabalho desenvolve-se ao longo de cinco capítulos, sendo que no primeiro capítulo são

apresentados o enquadramento da dissertação, os objetivos da mesma, e a organização do

estudo realizado.

O segundo capítulo é dedicado ao estado da arte, onde se realizou uma revisão bibliográfica

do conhecimento no qual se baseou esta dissertação, possibilitando assim um maior

conhecimento sobre a deformação permanente em misturas betuminosas.

No terceiro capítulo apresentam-se os materiais utilizados e o motivo da sua escolha, e

mostra-se como foram produzidas as misturas. Inserido ainda neste capítulo, está a

apresentação do modo como foram executados os ensaios, analisando as suas origens e

aplicação atual, e também a forma como foi utilizado um programa de simulação numérica.

Além disso referem-se algumas vantagens e desvantagens dos dois ensaios utilizados para a

caracterização da resistência das misturas betuminosas à deformação permanente.

O capítulo quatro expõe os resultados obtidos em cada um dos ensaios, fazendo-se a sua

análise e comentários a cada resultado. Os resultados são posteriormente comparados entre si

para observar se existe coerência entre os valores obtidos.

No último capítulo (cinco) resumem-se as principais conclusões que a dissertação permitiu

obter e as suas implicações, antevendo-se as possibilidades e necessidades de se desenvolver

no futuro novas linhas de investigação com base em alguns melhoramentos propostos.

Capítulo 2 – Estado da arte


2 ESTADO DA ARTE

2.1 Importância do sistema rodoviário

O sistema de transporte rodoviário é um setor de importância vital para o desenvolvimento

social e económico das sociedades ocidentais e de sociedades de países em vias de

desenvolvimento, sendo o transporte rodoviário apoiado numa rede interligada de vias de

comunicação que são materializadas por estradas. Desta forma, um sistema integrado de vias

rodoviárias, constituído por pavimentos com um nível de qualidade elevado, é fundamental

para o desenvolvimento das sociedades e economias acima referidas, garantindo conforto e

segurança aos utilizadores destas vias. Assim, a introdução de novos métodos de formulação e

avaliação do desempenho de misturas betuminosas, nomeadamente à deformação permanente,

apresenta-se como imperativo (Gardete, 2006).

Durante as últimas décadas, o uso de misturas betuminosas tem-se massificado e o seu

desempenho tem-se mostrado satisfatório na maior parte das estradas, autoestradas e

aeródromos. Contudo, na última década intensificaram-se as cargas sobre os pavimentos, com

o aumento da carga por eixo, alta intensidade do tráfego, e alguns erros de construção que

conduziram à necessidade de aumentar a qualidade dos betumes usados (Nejad et al., 2012).

Hamed (2010) refere ainda que o desempenho de um pavimento betuminoso depende das

características e propriedades volumétricas da mistura betuminosa e fatores externos como

seja o clima e o tráfego automóvel. De facto, o seu desempenho estrutural e durabilidade

dependem da evolução das propriedades mecânicas da mistura betuminosa, que evoluem de

forma significativa desde o instante da produção da mistura até à fase de utilização. Ainda se

pode referir que aquando da sua utilização, o comportamento da mistura betuminosa

encontra-se severamente influenciado, quer pelos condicionalismos impostos pelo meio

exterior onde se insere (nomeadamente pela ação da temperatura), quer pela deformação

provocada pela ação das constantes cargas que lhe são aplicadas, nomeadamente trânsito

rodoviário.

É então fundamental o estudo do comportamento mecânico de misturas betuminosas por

recurso a ensaios mecanistas (especialmente por meio do ensaio triaxial, considerado o ensaio

fundamental para estudo da deformabilidade a temperaturas elevadas), com o intuito de se



determinar parâmetros mecânicos que possibilitem a simulação numérica, assim como para

avaliar a influência da velocidade de carregamento e da temperatura no comportamento

irreversível de deformação das misturas betuminosas.

É necessário quantificar o comportamento a longo prazo de misturas betuminosas, e estudar

possíveis relações entre a influência da temperatura e da velocidade de carregamento na

resposta do material. Em seguida, e devido à grande influência que o betume tem no

comportamento das misturas betuminosas em relação à sua deformação, serão apresentadas

com algum pormenor as principais características deste material com influência nesta

propriedade.

2.2 Caracterização do comportamento do betume

Atualmente o betume pode ser obtido a partir de duas fontes distintas, através de ocorrências

naturais que foram formados ao longo do tempo e a partir da destilação de crude, tendo este

último uma importância comercial muito maior (Navarro González, 2010).

O betume é constituído fundamentalmente por compostos orgânicos, nomeadamente

hidrogénio e carbono, apelidados de hidrocarbonetos, que influenciam determinantemente as

características físicas e químicas do betume (Scholz, 1995). Cumulativamente o betume

contem também pequenas quantidades de metais como o vanádio, níquel, ferro, magnésio,

cálcio que aparecem na forma de sais inorgânicos, óxidos que aparecem em estruturas

porfirinas (Divinsly e Nesichi, 2004).

Redelius (2000) corrobora esta visão sobre a constituição do betume, apresentando o betume

como um material semissólido, consistindo numa mistura de hidrocarbonetos com diferentes

tamanhos moleculares contendo átomos heterogéneos, como sejam o enxofre, nitrogénio e

oxigénio, assim como vestígios de vanádio e níquel. Por sua vez, Airey (2004) define o

betume como um fluído termoplástico e viscoelástico, comportando-se como um sólido

elástico a baixas temperaturas e/ou durante um carregamento rápido (alta frequência) e como

um fluído viscoso a altas temperaturas e/ou baixas frequências (altos tempos de

carregamento). Já Speight (1999), nas especificações europeias atuais, define o betume como

uma substância virtualmente involátil, adesiva e resistente à água, derivada do petróleo, sendo



quase ou totalmente solúvel em tolueno, bastante viscoso e quase sólido à temperatura

ambiente.

2.2.1 Sistema de especificação do betume

Segundo Zacharias et al. (2007) existem diferentes tipos de betumes, como sejam os betumes

convencionais (performance grade ou PG), betumes de viscosidade reduzida, betumes

modificados e emulsões betuminosas. Os betumes PG são obtidos através do processo de

destilação tradicional ou através da mistura de dois ou mais componentes base. Os betumes de

viscosidade reduzida são obtidos através da adição de destilados do petróleo, como o

querosene, reduzindo a viscosidade do betume temporariamente para aplicação nos

pavimentos. Este tipo de betume pode ser aplicado sobre a forma de “spray” e a temperaturas

mais baixas do que os betumes PG devido à sua menor viscosidade, constituindo este facto

uma vantagem. Relativamente aos betumes modificados, estes têm como objetivo aumentar a

resistência estrutural e a resistência dos pavimentos à deformação permanente (razão pela

qual se selecionou um destes betumes, o betume borracha, para utilização neste estudo),

principalmente quando estes são submetidos a temperaturas elevadas, mas sem comprometer

as propriedades dessas estruturas em relação ao restante espectro de temperaturas

prevalecentes. Por último, as emulsões betuminosas são produzidas através do uso de um

emulsionante com dois componentes químicos, sendo um deles uma cadeia de

hidrocarbonetos que possui afinidade com o betume, em paralelo com uma componente

carregada numa face e que possua afinidade com a água, podendo esta a carga ser positiva

(catiónica) ou então negativa (aniónica).

A materialização de especificações destes diferentes betumes deve ser realizada por recurso a

uma campanha de ensaios extensiva dos ensaios mais relevantes (Peralta, 2009), sem

ambiguidades, para definir a sua aplicabilidade bem como os seus limites de validação, além

de permitir a análise estatística aos valores teóricos nos campos da repetição de ensaios e da

sua reprodução. O processo de criação de especificações relativas a betumes é um processo

dinâmico, onde a implementação deve ser uma constante, sendo este item particularmente

importante na transição de uma metodologia empírica para uma metodologia que é baseada no

desempenho (Partl, 2004).



Através do programa Strategic Highway Research Program (SHRP), em utilização nos

Estados Unidos da América, os diferentes tipos de betume são especificados primariamente

através da temperatura que é registrada ao nível do pavimento, o que permite que o betume

seja selecionado de acordo com uma gama de temperaturas que varia entre a mais baixa e a

mais alta. As condições de carregamento do pavimento relacionadas com o desempenho a

temperaturas elevadas está diretamente relacionado com os seguintes fatores: veículo a uma

velocidade de 100 km/h e um volume de tráfego inferior a 107 eixos padrão equivalentes. As

condições climatéricas são especificadas em termos da média das máximas temperaturas

registadas num período de sete dias consecutivos, e da temperatura mínima registada durante

um ano (Kennedy et al., 1994).

A metodologia desenvolvida pelo programa SHRP classifica os betumes através de graus de

desempenho através da sigla PG, seguida de dois números. Tomando como exemplo um

betume classificado como PG 64-22, o número 64 representa o grau de desempenho a alta

temperatura, indicando que o betume apresenta as propriedades físicas adequadas para os

locais onde a temperatura máxima registada seja de 64 ºC, e o número 22 representa o grau de

desempenho a baixas temperaturas, indicando que o betume possui as características físicas

necessárias para ter um bom desempenho até essa temperatura (Fontes, 2009).

As especificações baseadas no conceito PG foram desenvolvidas para betumes base, betumes

modificados e misturas betuminosas, e permitem a seleção de materiais e a seleção de

misturas com base nos requerimentos de desempenho que o pavimento irá ter em função da

sua solicitação em termos de tráfego e condições climáticas existentes. Importa referir a

existência de um protocolo que regula a modificação de betumes, permitindo a avaliação dos

diferentes modificadores sem a necessidade de ensaios de campo prolongados, efetuando-se a

avaliação do modificador ou da mistura para determinar se a especificação baseada no

desempenho é ou não cumprida, incluindo também técnicas de medição do tempo,

preservação de calor, separação de fase e estabilidade (Kennedy et al., 1994).

Alternativamente à metodologia SHRP é possível realizar a análise física de betumes, embora

por si só não constitua uma base fiável de caracterização devido a certas limitações, como

sejam a necessidade de existência de um relatório de desempenho do pavimento, de modo a

poder ser comparado com os parâmetros de ensaio. Assim, a análise física é baseada em

ensaios empíricos, ou seja, na experiência com a aplicação do ensaio de penetração e anel e



bola. Além desta limitação, não são fornecidas informações acerca do intervalo de

temperaturas a que o pavimento poderá estar sujeito. Por exemplo, a viscosidade é uma

propriedade importante dos betumes, mas esta só fornece informação acerca do betume a

temperaturas elevadas, não fornecendo informação relativa a temperaturas médias e baixas

(Asi, 2007).

Cominsky et al. (1994) indicam então que um sistema bimodal de classificação baseado em

índices de desempenho racionais, que deve ser estabelecido para as temperaturas de serviço

mais elevadas e mais baixas. A escolha do grau do betume a usar terá de ser então realizada

em função da necessidade de controlar o fendilhamento do pavimento a baixa temperatura,

além de evitar o aparecimento de rodeiras a temperaturas elevadas.

A incorporação de polímeros (incluindo borracha) no betume procura garantir uma maior

recuperação elástica, um ponto de amolecimento do betume mais elevado, uma maior

viscosidade, maior coesão e uma maior ductilidade (Navarro González, 2010).

Os betumes possuem duas características reológicas fundamentais, a termoplasticidade e a

viscoelasticidade. A característica termoplástica conduz a que a viscosidade do betume

aumente com a redução da temperatura, comportando-se a baixas temperaturas como um

sólido com comportamento mecânico quase elástico. A viscoelasticidade do betume, acontece

quando um betume bastante elástico é solicitado sem sofrer fratura (Hunter, 1994).

Segundo Yusoff et al. (2011), também é importante perceber como o betume flui/deforma em

termos de desempenho do pavimento, em especial no que respeita à deformação permanente.

O betume que flui e se deforma rapidamente é mais suscetível de provocar rodeiras no

pavimento assim como a exsudação de betume, enquanto os betumes que são mais duros são

mais suscetíveis de originar fenómenos de fadiga e fendilhamento. Deste modo, com recurso a

ensaios reológicos no reómetro dinâmico de corte (Dynamic Shear Rheometer ou DSR), as

propriedades elásticas, viscoelásticas e viscosas do betume podem ser avaliadas para uma

gama alargada de temperaturas e frequências de ensaio, obtendo-se os seguintes parâmetros

reológicos: módulo de corte e ângulo de fase. Mahrez e Karim (2003) corroboram que estes

dois parâmetros irão permitir prever o comportamento futuro do betume no pavimento.



O objetivo primordial de um sistema de especificação será assegurar que os betumes podem

ser comparados numa base de comparação conhecida e que essa mesma comparação permita a

seleção de um betume possível para uma determinada aplicação. Assim, o sistema de

especificação europeu desenvolvimento pela organização FEHRL (Forum of European

National Highway Research Laboratories), atualmente em utilização em Portugal, é aplicável

em praticamente toda a Europa, para todos os tipos de clima, condições de tráfego e ainda a

todos os tipos de betume (FEHRL, 2006): convencionais, de grau múltiplo, e betumes

modificados.

2.2.2 Propriedades viscoelásticas do betume

Devido a sua natureza viscoelástica, o comportamento do betume depende da temperatura e

da velocidade de carga (características que também vão ser estudadas neste trabalho para

análise da deformação permanente de misturas betuminosas). A distância a que um betume

flui durante uma hora a 60 ºC pode ser a mesma que se mede durante dez horas a 25 ºC, ou

seja, os efeitos do tempo e da temperatura estão relacionados (Figura 1). Assim, verifica-se

que o comportamento a altas temperaturas durante curtos períodos de tempo é equivalente ao

que ocorre a temperaturas inferiores com longas durações, sendo que este fenómeno é

apelidado de equivalência tempo temperatura (Sousa, 1997).

Figura 1 – Comportamento do betume a diferentes temperaturas e tempos de fluência

(adaptado de Anserson et al., 1994)

A viscosidade dos betumes é definida por Zacharias et al. (2007) como o rácio do esforço

aplicado tangencialmente à amostra de betume em relação à velocidade relativa de fluência.

Esta característica é influenciada pelas quantidades proporcionais relativas de três grupos



químicos, assim como pela temperatura do material, sendo que quanto maior for a quantidade

de asfaltenos maior será a viscosidade do material (Hunter, 1994; Zacharias et al., 2007).

Quando o betume é sujeito a uma alta temperatura ou a um carregamento de duração

prolongada, o betume comporta-se como um fluido viscoso sofrendo um elevada deformação

plástica, sendo a deformação neste caso não reversível.

No campo da viscoelasticidade provou-se, através do modelo de Burger, que a baixas

temperaturas, ou através da imposição de um esforço com alta frequência (baixa duração), o

betume tende a comportar-se como um sólido elástico, voltando à sua posição inicial depois

da remoção da carga. Contudo, a temperaturas excessivamente baixas, ou em conjugação com

carregamentos rápidos e agressivos, poderá ocorrer fendilhamento ou mesmo uma rotura

frágil (Zacharias et al., 2007).

Scholz (1995) evidencia que um betume tem de ser suficientemente rígido para aguentar a

máxima temperatura que possa existir no pavimento (habitualmente, cerca de 60 ºC), de modo

a evitar o fenómeno de deformação permanente, e suficientemente mole para resistir de forma

satisfatória à rotura quando este for afetado por temperaturas muito baixas (habitualmente, por

volta dos -20 ºC).

A Figura 2 ilustra o comportamento de um líquido viscoelástico, como o betume, que em

certas condições se transforma num sólido viscoelástico, com deformação nula quando o

tempo de resposta após carregamento tende para um valor elevado. Um líquido e um sólido

viscoelásticos possuem tanto componentes elásticas como viscosas, pois, quando sujeitos a

um carregamento, acontece uma deformação imediata correspondente a uma resposta elástica,

seguida de uma deformação gradual dependente do tempo, podendo a mesma ser divida numa

componente viscosa ou uma componente elástica de deformação temporal. Aquando da

remoção da carga o movimento do fluido cessa, e quase nenhuma destas deformações é

recuperável, sendo que a deformação da componente elástica, dependente do tempo, recupera

minimamente (Redelius, 2000).



Figura 2 – Resposta mecânica do betume sob carga constante: (a) tensão aplicada, (b) resposta

elástica, (c) resposta viscosa, e (d) reposta viscoelástica (Pumphrey, 2003)

Relativamente ao conceito de viscosidade de um fluido, define-se como a derivada da força de

corte por unidade de área entre dois planos paralelos do fluido em movimento relativo. Assim,

a viscosidade η pode ser determinada se conhecida a tensão de corte (τ = F/A) e o gradiente de

velocidade de corte (γ = dv/dx) entre os dois planos, de acordo com a Equação 1.

η =

(1)

Na maior parte dos casos o tempo é um fator importante no que diz respeito às propriedades

observadas do fluido, sendo a influência do tempo medida, por exemplo, através do número

de Deborah (Figura 3).

Segundo Partal e Franco (2009), o comportamento reológico dos materiais pode ser

classificado como puramente elástico ou puramente sólido quando o número de Deborah (De)

é bastante elevado. Por outro lado, caracterizam-se como puramente viscosos ou líquidos os

materiais com um valor De muito baixo. Para valores intermédios de De, o material é

classificado como viscoelástico.



Figura 3 – Classificação de líquidos e sólidos viscoelásticos através do número de Deborah

(Partal e Franco, 2009)

2.2.3 Envelhecimento do betume

O endurecimento físico do betume ocorre à temperatura ambiente e é causado pela

reorientação das moléculas de betume, sendo reversível através do reaquecimento. Este efeito

foi reportado por Traxler e Schweyer (1936), que demonstraram que o endurecimento não é

consequência do envelhecimento químico, especialmente devido à sua natureza reversível

Traxler e Schweyer (1936, apud Lesueur, 2009).

O endurecimento do betume, devido ao tempo, é considerado um dos fatores que modifica as

propriedades reológicas do betume, também conhecido como envelhecimento oxidativo, pois

os betumes são constituídos por hidrocarbonetos que quando expostos ao oxigénio tendem a

oxidar, sendo que o betume também volatiza quando exposto ao ambiente exterior,

concluindo-se que a oxidação e a volatilização do betume são dois fatores que aumentam o

seu endurecimento e viscosidade (Lesueur, 2009).

O processo de envelhecimento pode ocorrer em duas etapas (Navarro González, 2010). A

primeira etapa, designada por envelhecimento primário, começa quando o betume é

processado, quando se dá a adição de polímeros e outros aditivos a alta temperatura, e como



consequência o módulo de corte aumenta e o ângulo de fase fica com valores pequenos

tornando o betume mais duro. Depois da mistura, o betume é suscetível de sofrer mais

oxidação, durante o armazenamento do betume e após produção das misturas betuminosas,

em conjunto com as elevadas temperaturas medidas no seu armazenamento, assim como no

processo de transporte e colocação em obra. A segunda etapa, designada por envelhecimento

secundário, ocorre lentamente durante a vida útil do pavimento. Este processo de

envelhecimento aumenta a rigidez do betume, sendo por isso expectável uma redução da

deformação permanente das misturas mais sujeitas a este processo, embora isso diminua a

flexibilidade e a resistência à fadiga dessas misturas.

Depois de se descrever o comportamento do betume e a sua relação com a deformabilidade

das misturas betuminosas, a estudar neste trabalho, em seguida será apresentada a revisão

bibliográfica realizada sobre a deformação permanente dos pavimentos.

2.3 Caracterização da deformação permanente em pavimentos

Pereira e Miranda (1999) indicam que os pavimentos rodoviários podem apresentar uma

variedade de degradações, sendo que as mais importantes podem agrupar-se em deformações,

fendilhamento, desagregação da camada de desgaste, e movimento de materiais.

Nas deformações que podem ocorrer num pavimento distinguem-se, conforme a sua origem,

as seguintes: abatimento (longitudinal, transversal), ondulação, deformações localizadas, e

rodeiras. Relativamente às rodeiras, pode-se referir que estas se formam devido às

deformações permanentes que ocorrem nas diferentes camadas que constituem o pavimento,

desde o solo de fundação, camadas granulares e camadas betuminosas, podendo em países

frios incluir-se o desgaste da superfície do pavimento ao longo da zona de passagem devido a

veículos equipados com pneus de Inverno com pregos ou correntes de neve que são bastante

agressivos para o pavimento (NCHRP, 2002).

Segundo Chen et al. (2004), todas as camadas de um pavimento contribuem em maior ou

menor grau para a deformação total, importando salientar que a deformação permanente do

pavimento rodoviário tem várias consequências, como seja a diminuição da segurança em

tempo de chuva, pois dificulta a drenagem transversal. A acumulação de água nas rodeiras

agrava os fenómenos de hidroplanagem. Esta questão é ainda mais agravada em países com



climas frios onde no Inverno ocorra a formação de gelo. Além disso, mesmo em climas secos,

a existência de rodeiras no pavimento torna a condução mais difícil e imprecisa aumentando

as dificuldades dos condutores e diminuindo a sua comodidade e segurança.

Deve-se ter em consideração que o comportamento de uma mistura betuminosa depende das

proporções relativas dos seus componentes e das propriedades destes. Assim, o

comportamento das misturas betuminosas relativamente à deformação permanente depende

dos seguintes fatores (Pereira e Picado Santos, 2002):

Propriedades dos seus constituintes (agregado, betume e possíveis aditivos);

Composição da mistura betuminosa, isto é, proporções de cada componente na mistura,

bem como a compacidade e processo de compactação;

Condições de serviço, como sejam a temperatura (que afeta a viscosidade do betume) e as

ações do tráfego (pressão dos pneus, tipo de rodado, distribuição lateral, entre outros).

Pode-se verificar que a deformação permanente verificada numa camada betuminosa é o

somatório de duas componentes (Gardete, 2006). Por um lado a sobrecompatação

(densificação) da camada, que provoca uma diminuição de vazios e um correspondente

assentamento à superfície do pavimento. Por outro lado, as deformações ocorridas por tensões

de corte na camada betuminosa, devido aos efeitos das cargas do tráfego, que provocam

essencialmente deformações sem variação de volume. Apesar da contribuição de cada uma

destas componentes depender de diversos fatores, o aparecimento de rodeiras por deformação

permanente de misturas betuminosas resulta principalmente de deformações por corte (SHRP,

1994a).

De facto, a contribuição relativa da deformação por corte é normalmente superior,

especialmente em camadas betuminosas que apresentam valores elevados de deformação

permanente. A densificação apenas apresenta uma contribuição relativa superior em

pavimentos cuja compactação tenha sido insuficiente ou em pavimentos que apresentem

valores de deformação permanente baixos (SHRP, 1994b). Devido a estes fatores, a

deformação permanente ocorre na zona do pavimento onde se verificam as maiores

temperaturas e as maiores tensões de compressão e de corte, ou seja na parte superior dos

pavimentos. Alguns autores referem que as deformações permanentes nas misturas

betuminosas devido às cargas de tráfego ocorrem essencialmente nos 10 cm superiores do

pavimento (SHRP, 1994b).



Relativamente à influência da tensão de corte sobre um pavimento rodoviário, Su et al. (2008)

refere que a tensão de corte é associada principalmente às características da estrutura do

pavimento, ou seja, as propriedades do material, bem como à temperatura e ao tráfego.

Tradicionalmente, as previsões de progressos para as deformações permanentes, RD (Rut

Depth – sigla que traduz o valor da deformação ao nível das rodeiras) têm-se baseado na

Equação 2, que tem em conta a deformação permanente como função da temperatura (T) e da

repetição de carga (N).

= (2)

Contudo, recentes estudos (Su et al., 2008) indicam que a componente da repetição de carga

geralmente varia com a exposição a diferentes cargas ou diferentes materiais, com

dependendo em especial da magnitude da tensão e das propriedades da mistura. Com base

nesses pressupostos, as deformações permanentes são determinadas com base na Equação 3.

= (3)

em que: = ( ) é função para a tensão de corte (ou tensão de tração);

α, β, θ e µ são parâmetros que dependem das propriedades da mistura;

τ e τ0 são valores da magnitude da tensão de corte esperada.

Pode-se dizer que no modelo de previsão apresentado por Su et al. (2008), a tensão de corte é

usada para diferenciar a resistência às deformações permanentes do pavimento, enquanto a

tensão de tração é usada apenas para a avaliação da tensão efetiva no pavimento, sendo as

temperaturas de 20 ºC e 60 ºC designadas como a variação de temperatura representativa.

Importa reter que existe uma diferença temporal entre a ocorrência da contribuição por

deformação por corte e por densificação (Gardete, 2006). A densificação ocorre durante a fase

inicial de serviço do pavimento, em que o abaixamento que ocorre na zona de passagem dos

rodados é superior às elevações que ocorrem dos lados. Após esta fase inicial, são as

deformações por corte que contribuem para a deformação permanente. Nesta fase verifica-se

que a um abaixamento na zona dos rodados corresponde um crescimento nas elevações

laterais com praticamente o mesmo volume.



A deformação permanente aumenta com o número de carregamentos, isto é, a deformação

permanente aumenta com a quantidade de rodados que solicitam o pavimento, como seria

expectável. Esta evolução da deformação permanente com o número de carregamentos é não

linear, como se observa na Figura 4.

Figura 4 – Evolução da deformação permanente num raio de ação de 1,2 metros em função

ciclo de carregamento (Houben et al., 1999)

A evolução da deformação permanente em camadas betuminosas apresenta, segundo Zhou et

al. (2004), três fases características. Numa primeira fase o acréscimo de deformação por

carregamento é elevado. Este comportamento deve-se à deformação verificada não ser só

devido a deformação por tensões de corte mas também existir densificação na camada

betuminosa. Esta densificação da mistura betuminosa aumenta a resistência à deformação

permanente pois melhora os contactos entre os agregados. Esta densificação processa-se até a

mistura ter resistência suficiente para suportar as cargas sem sofrer mais redução de volume,

passando as deformações a ocorrer a volume constante. Na segunda fase o acréscimo de

deformação permanente por carregamento é inferior ao da fase anterior e toma um valor quase

constante. Nesta fase as deformações ocorrem a volume constante devido a tensões de corte.

A deformação evolui de uma forma quase linear com o número de carregamentos durante esta

fase. Na terceira e última fase ocorre a designada rotura, em que o acréscimo de deformação

por carregamento aumenta drasticamente entrando-se no domínio das grandes deformações

por corte.



Na Figura 5 representa-se a evolução típica da deformação permanente com a identificação

das diferentes fases atrás referidas. Na prática, e sob diversas condições, é possível que não

ocorram uma ou mais fases.

Figura 5 – Fases da evolução da deformação permanente em misturas betuminosas (Feire,

2002)

A deformação permanente excessiva das camadas betuminosas do pavimento pode ocorrer

nos primeiros anos de utilização do pavimento, enquanto o betume é jovem, sendo por isso

menos viscoso (Gardete, 2006). Após o endurecimento do betume, devido à exposição a

fatores ambientais e por oxidação este apresenta maior viscosidade, tornando-se mais

resistente à deformação permanente.

Para além das consequências óbvias que advêm do surgimento das deformações permanentes

nas camadas betuminosas e que pode levar à saída de serviço do pavimento, ou seja, o

pavimento mesmo não estando intransitável provoca nos condutores sensação de desconforto,

acresce ainda o facto de este fenómeno acontecer essencialmente no princípio da sua vida útil.

Assim, a perceção negativa dos utentes e as consequências para a administração poderão ser

mais nefastas que as ocorridas devido a outro tipo de degradações que se manifestam

passados mais anos de serviço. A caracterização das misturas betuminosas relativamente à sua

resistência à deformação permanente assume-se assim de fundamental importância.



2.3.1 Fatores que afetam a deformação permanente

Importa referir que no subcapítulo supratranscrito foram referidos os fatores que de algum

modo influenciam o comportamento das misturas betuminosas à deformação permanente.

Contudo, segue-se um conjunto de itens onde se pormenoriza com maior rigor os referidos

fatores, e que vão ser estudados em mais pormenor neste trabalho.

Como referido anteriormente, diversos fatores estão envolvidos no fenómeno da deformação

permanente das misturas betuminosas, como sejam as características das misturas e ações

exteriores. As características das misturas dependem das propriedades dos seus elementos

constituintes bem como da proporção destes na mistura. Nas ações exteriores incluem-se

ações climatéricas, em especial a temperatura, e as características do tráfego, como sejam o

número de veículos pesados, as cargas por eixo, o tipo e a pressão dos pneus e a velocidade de

circulação. De forma isolada, pode analisar-se como cada fator influi no comportamento da

mistura.

Importa salientar que no âmbito do presente estudo, os fatores relacionados com as

características das misturas betuminosas, nomeadamente a tipologia de agregados, o grau de

compactação da mistura e o tipo de betume, não serão o principal alvo de estudo, apesar de se

estudarem duas misturas diferentes para ter este efeito em consideração. Assim, este trabalho

apresentará com mais detalhes os fatores exteriores inerentes às deformações permanentes,

nomeadamente o tráfego e a temperatura.

2.3.2 Influência do tráfego

O aumento do tráfego (especialmente o tráfego pesado), o aumento das cargas transportadas

por eixo, a crescente substituição dos rodados duplos por rodados simples de base larga e o

aumento da pressão de enchimento dos pneus estão na base duma mais acelerada formação de

patologias em pavimentos rodoviários, nomeadamente os cavados de rodeira devido à

deformação permanente em misturas betuminosas (COST 334, 1999).

Este aumento de tráfego levou à construção de pavimentos com espessuras de misturas

betuminosas superiores, razão pela qual cada vez mais devem ser acauteladas questões

relacionadas com a composição e execução das misturas betuminosas, bem como fenómenos

relacionados com estas, como seja a deformação permanente.



Devido à grande importância que o transporte rodoviário tem na economia, e visto que o

estado das estradas pode afetar os custos operacionais, é de suma importância avaliar quais as

consequências que estas alterações no transporte rodoviário têm no estado do pavimento das

estradas da rede rodoviária. É fundamental procurar soluções, em termos de projeto,

construção e conservação, que permitam mitigar estes problemas.

Na Figura 6 observa-se o efeito do aumento das cargas nos eixos dos veículos pesados no

pavimento, nomeadamente na contribuição das diversas camadas constituintes do pavimento

para a deformação permanente. Quando se compara o dano provocado pelas passagens de um

eixo com 100 kN com o mesmo número de passagens de um eixo de 80 kN observa-se uma

maior profundidade de rodeira, com um acréscimo da contribuição das camadas betuminosas.

As primeiras camadas são aquelas onde se regista um maior acréscimo da contribuição para a

deformação permanente, uma vez que constituem o elemento de contacto dos veículos ao

pavimento e por tal motivo o nível de desgaste é superior (Chen et al., 2004).

Figura 6 – Efeito do excesso de peso por eixo nos pavimentos, e contribuição das diversas

camadas para a profundidade de rodeira (Chen et al., 2004)

A velocidade de tráfego também influencia a deformação permanente. Para velocidades de

tráfego baixas a resposta do pavimento é menos rígida. Isto corresponde a ter a carga sobre

uma determinada zona do pavimento durante mais tempo, ou seja, um tempo superior de

carregamento. Desta forma as deformações obtidas são superiores, existindo uma parcela de

deformação irreversível também superior. Chen et al. (2004) referem que a extensão vertical



máxima nas camadas betuminosas provocada por um veículo pesado a 20 km/h é cerca do

dobro da provocada pelo mesmo veículo a 80 km/h.

A distribuição lateral dos veículos também se apresenta como fator importante. Em locais

onde o tráfego é mais canalizado, com menor distribuição lateral, os rodados solicitam sempre

a mesma zona do pavimento, ocorrendo um crescimento mais rápido das rodeiras com o

número de eixos. Quando a distribuição lateral dos veículos é maior, a formação de rodeiras

por deformação das misturas é menor para o mesmo número de passagem de rodados.

2.3.3 Influência da temperatura

A temperatura afeta de forma substancial o comportamento das misturas betuminosas, pois

influencia a viscosidade do betume. Quando a temperatura aumenta, o betume torna-se mais

fluido, e a resistência à deformação das misturas betuminosas diminui. Nessas condições, para

um determinado carregamento, a deformação ocorrida é superior. As deformações de origem

viscosa, nomeadamente as irreversíveis, serão superiores, o que piora o comportamento da

mistura à deformação permanente.

Verifica-se que a temperatura afeta as duas componentes da deformação permanente em

misturas betuminosas, contribuindo para que ocorra uma maior deformação por corte na

mistura, mas também para que ocorra uma maior densificação. Na Figura 7 pode observar-se

o efeito da temperatura (40 ºC e 60 ºC) na deformação permanente de misturas betuminosas

para uma mistura com betume convencional (original) e modificada com SBS (SBS mod).



Figura 7 – Efeito da temperatura na deformação permanente em misturas betuminosas em

ensaios triaxiais realizados a 40ºC e 60ºC (Sargand e Kim, 2003)

É importante, para a avaliação laboratorial do comportamento das misturas betuminosas, que

sejam utilizadas temperaturas representativas das condições a que a mistura estará sujeita em

serviço. Como a acumulação de deformações ocorre essencialmente e mais rapidamente com

temperaturas elevadas, as temperaturas de ensaio devem ser representativas destas condições.

Assim, devem ser utilizadas temperaturas de ensaio na gama dos valores mais elevados que se

esperam verificar in situ. Segundo Gardete (2006) é usual a utilização de temperaturas entre

40 ºC e 60 ºC em Portugal.

2.4 Relação entre a deformação permanente e o módulo de rigidez das

misturas betuminosas

No estudo realizado por Ahmad et al. (2011), estabeleceu-se como objetivo a avaliação da

deformação permanente em misturas betuminosas densas (hot mix asphalt ou HMA) por

recurso aos ensaios de compressão cíclica (triaxial sem confinamento e Simple Performance

Test, SPT) para determinação do módulo dinâmico e ao ensaio de pista (WTT). De modo a

correlacionar o módulo de deformabilidade com a temperatura e frequência de atuação da

solicitação exterior, os autores procederam à avaliação da deformação permanente a

temperaturas de 40 ºC, 45 ºC e 50 ºC, a frequências de 5 Hz, 3 Hz, 1 Hz e 0,5 Hz. Na referida

investigação foram produzidas misturas densas com dois tipos diferentes de densidade usando

o método de formulação do SUPERPAVE e de Marshall.

Como principal resultado do estudo foi possível estabelecer a correlação da deformação

permanente do ensaio de compressão cíclica, a uma frequência de 5 Hz, e a profundidade da

deformação permanente do ensaio de pista.

Nas Figuras 8 e 9 encontra-se representada a relação entre a frequência da solicitação externa

e o módulo de deformabilidade, respetivamente para as misturas SUPERPAVE e Marshall.




mistura SUPERPAVE (Ahmad et al., 2011)


mistura Marshall (Ahmad et al., 2011)

No que concerne ao efeito da temperatura, observou-se que para frequências constantes, os

valores do módulo de deformabilidade são maiores a baixas temperaturas e começam a

diminuir quando a temperatura do ensaio aumenta. Por sua vez, para temperaturas mais altas,

os resultados das variações no módulo de deformabilidade são menores comparados com o

Frequência reduzida

Mó

dulo

de

Rig

idez

(M

Pa)

Frequência reduzida

Módulo

de

Rig

idez

(M

Pa)



ensaio a temperaturas mais baixas. Concluiu-se que quando a ligação do betume começa a

amolecer, a rigidez da mistura betuminosa reduz-se e passa a ser controlada apenas pela

estrutura do agregado dentro da mistura.

No que respeita aos resultados obtidos do ensaio de pista, apresentados na Figura 10, é visível

que as misturas SUPERPAVE são mais resistentes à deformação permanente do que as

misturas Marshall, e apresentam igualmente menores taxas de deformação permanente.

Na Tabela 1 pode-se perceber qual a relação entre a frequência e a temperatura, para o ensaio

de pista, tendo como indicador a relação entre a taxa de deformação permanente (variação de

deformação que o provete apresenta entre o início e o final do ensaio em função do número de

aplicações de carga, cujo resultado é dado em mm/h). Importa salientar que a relação é

apresentada sob os termos de forte, moderado e baixo para indicar de forma mais simples qual

a conjugação de frequência/temperatura que introduz maior influência na deformação

permanente do provete.

Figura 10 – Evolução da deformação permanente e rácio do ensaio de pista (adaptado de

Ahmad et al., 2011)

Tabela 1 – Resumo dos resultados do ensaio de pista (Ahmad et al, 2011)

Frequência

Temperatura

40ºC 45ºC 50ºC

0,5 Hz Forte Forte Forte

1,0 Hz Forte Moderado Moderado

2,0 Hz Moderado Moderado Moderado

5,0 Hz Baixo Baixo Baixo

Tempo (minutos)

Def

orm

ação

(m

m)

Rácio do ensaio de pista (mm/h)



Finalmente, relacionou-se o módulo de elasticidade no ensaio de compressão cíclico com a

deformação verificada no ensaio de pista (Figura 11), verificando-se existir correlações

aceitáveis entre as propriedades avaliadas as ambos os ensaios.

Figura 11 – Relação entre o módulo no ensaio de compressão cíclica e a deformação no

ensaio de pista a 50 ºC (Ahamad et al., 2011)

2.5 Ensaios mecanicistas de caracterização de misturas betuminosas

Nos métodos empírico-mecanicistas de dimensionamento de pavimentos, a deformação

permanente no pavimento é controlada pela tensão de compressão gerada por um rodado de

um veículo pesado no topo do solo de fundação. Deste modo, esses métodos também

traduzem indiretamente o fenómeno da deformação permanente em misturas betuminosas

(Gardete, 2006).

Os ensaios empíricos, não permitem de um modo geral quantificar a deformação permanente

que irá ocorrer no pavimento. No entanto, permitem verificar se as misturas em estudo

cumprem os requisitos relativamente a um parâmetro que representa esse fenómeno.

Alternativamente, para uma melhor previsão do comportamento real da estrutura rodoviária,

deve-se recorrer a ensaios laboratoriais mecanicistas que permitam caracterizar o desempenho

esperado das misturas betuminosas à deformação permanente.

Def

orm

ação

(m

m)



Agrupam-se correntemente os ensaios existentes, aos quais é reconhecida alguma capacidade

ou potencialidade para avaliar o comportamento à deformação permanente das misturas

betuminosas, nas categorias indicadas em seguida (Brown et al., 2001; Freire, 2002).

Ensaios empíricos:

o Ensaio Marshall

o Ensaio Hveem

Ensaios fundamentais:

o Ensaios de compressão uniaxial estático (ensaio de fluência) ou cíclico;

o Ensaios de compressão triaxial (geralmente com cargas cíclicas);

o Ensaios de corte, com aplicação de cargas estáticas ou cíclicas;

o Ensaios de compressão diametral (apesar de também serem ensaios com cargas de

compressão, a carga é aplicada segundo o diâmetro do provete);

o Ensaio em cilindro oco, o qual permite aplicar simultaneamente tensões axiais e de

corte no provete.

Ensaios de simulação:

o Ensaios de simulação de tráfego em laboratório (ensaio de pista);

o Ensaios de simulação de tráfego em pista à escala real.

Face à lista de ensaios apresentados, e atendendo as normativas existentes (Europeia

Americana), podem-se citar as principais normas utilizados para caracterizar a deformação

permanente ao nível de misturas betuminosas:

EN 12697-22: Ensaio da resistência à deformação permanente;

EN 12697-25: Ensaio uniaxial cíclico;

AASHTO TP7-01: SST “Standard test method for determining permanent shear strain in

stiffness of asphalt mixtures using the SUPERPAVE shear test”;

EN 12697-16: Ensaio da resistência à abrasão provocada por pneus pitonados (embora este

ensaio avalie deformação permanente causada por desgaste).

Tendo em consideração a normalização em vigor, bem como a diferente tipologia de ensaios

aplicados para estudar a deformação permanente de misturas betuminosas, neste trabalho vão

ser utilizados o ensaio de simulação de tráfego em laboratório, conhecido como ensaio de

pista (WTT), bem como um ensaio fundamental de compressão triaxial com cargas cíclicas.

Capítulo 3 – Materiais e métodos utilizados


3 MATERIAS E MÉTODOS UTILIZADOS

3.1 Materiais

Para o presente estudo do comportamento da deformação permanente em misturas

betuminosas, foram utilizadas duas misturas distintas: uma mistura convencional (AC 14 Surf)

definida nas especificações nacionais, e uma mistura não convencional com betume

modificado com borracha (AR 12 Surf). As duas misturas distintas foram escolhidas de modo

a permitir estudar se são influenciadas de forma diferente por cada um dos ensaios

mecanicistas utilizados, conhecendo-se a maior resistência à deformação permanente que as

misturas modificadas habitualmente apresentam.

Para produção das misturas acima referidas foram utilizados agregados graníticos britados,

habitualmente utilizados na zona Norte do país, nas frações em que são fornecidos na pedreira

onde foram recolhidos, ou seja, 6/14, 4/10, 4/6 e 0/4. Além disso utilizou-se filer calcário que

é aplicado para melhorar a compatibilidade com o betume e a trabalhabilidade da mistura. Na

mistura convencional utilizou-se um betume convencional 50/70, e na mistura alternativa

utilizou-se um betume (50/70) modificado com borracha (21%) no laboratório.

3.1.1 Mistura convencional (AC 14 Surf)

Os agregados utilizados na mistura encontram-se divididos em cinco frações granulométricas.

A Tabela 2 apresenta o estudo da composição da mistura, assim como o fuso definido pelas

especificações nacionais. A curva que melhor se ajustou ao fuso é apresentada na Figura 12.

Tabela 2 – Granulometria utilizada e fuso da mistura AC 14 Surf

Abertura

(mm)

Brita 6/14 Brita 4/10 Brita 4/6 Pó 0/4 Filer

comercial

AC 14

Surf

Fuso AC 14

Surf

48,0% 3,0% 10,0% 35,5% 3,5% 100,0% Min Max

20,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100 100

14,0 92,0 100,0 100,0 100,0 100,0 96,2 90,0 100,0

10,0 40,0 97,0 100,0 100,0 100,0 71,1 67,0 77,0

4,0 2,0 4,0 10,5 94,0 100,0 39,0 40,0 52,0

2,0 2,0 2,0 3,9 73,0 100,0 30,8 25,0 40,0

0,5 1,0 2,0 2,7 39,0 100,0 18,2 11,0 19,0

0,125 1,0 1,0 1,9 17,0 100,0 10,2 6,0 11,0

0,063 0,0 1,0 1,3 11,0 99,0 7,6 5,0 8,0



Figura 12 – Curva granulometria e fuso da mistura AC 14 Surf

Para a produção da mistura, numa primeira fase os agregados foram colocados numa estufa a

180 ºC para secar, e foram posteriormente pesados. Entretanto, colocou-se o betume 50/70

(numa percentagem de 5,0%, de acordo com estudos de formulação anteriores) na estufa a

160 ºC para reduzir a viscosidade e garantir uma adequada trabalhabilidade à mistura. Depois

de pesada, a mistura foi armazenada na estufa, juntamente com o balde de mistura e as pás,

para não perder temperatura.

O tempo de amassadura necessário para que os agregados se misturem completamente com o

betume foi de 90 segundos. A mistura foi colocada de seguida num molde que tem as medidas

necessárias (Figura 13) para retirarem duas lajetas para o ensaio de pista ou 8 carotes para o

ensaio triaxial. A compactação foi realizada por cilindro de rastos lisos (Figura 14).

Figura 13 – Laje (70 x 40 cm) produzida com a mistura convencional AC 14 Surf

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

,010 ,100 1,00 10,00

Pa

ssa

do

s (%

)

Dimensão do peneiro (mm)



.

Figura 14 – Cilindro utilizado para compactar as misturas

Ao efetuar uma boa compactação, a temperaturas adequadas, pode diminuir-se o volume de

vazios na mistura, e assim esta deforma-se menos quando sujeita à passagem dos rodados.

Caso o volume de vazios seja muito elevado, e quando solicitado pelos rodados, a mistura irá

densificar-se, originando deformações mais elevadas numa fase precoce.

3.1.2 Mistura não convencional com betume borracha (AR 12 Surf)

Os agregados utilizados na mistura encontram-se divididos em cinco frações granulométricas

distintas. A Tabela 3 apresenta o estudo da composição da mistura, assim como o fuso

definido pelas especificações nacionais. Na Figura 15 apresenta-se a curva que melhor se

ajustou ao fuso específico.

Tabela 3 – Granulometria utilizada e fuso da mistura AR 12 Surf

Abertura

(mm)

Brita

14/20

Brita

6/14 Brita 4/10

Brita

4/6 Pó 0/4

Filer

Comercial

AR 12

Surf

Fuso AR 12

Surf

0,0% 35,0% 23,0% 20,0% 20,0% 2,0% 100,0% Min Max

20,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0

14,0 21,48 97,0 100,0 100,0 100,0 100,0 99,0 90,0 100,0

10,0 1,91 62,0 97,0 100,0 100,0 100,0 86,0 58,0 88,0

4,0 0,90 3,0 4,0 12,0 91,0 100,0 24,6 20,0 32,0

2,0 0,89 1,0 2,0 4,0 71,0 100,0 17,8 12,0 20,0

0,5 0,85 1,0 2,0 2,0 38,0 100,0 10,8 6,0 13,0

0,125 0,64 1,0 1,0 2,0 17,0 100,0 6,4 4,0 8,0

0,063 0,47 1,0 1,0 1,0 11,0 99,0 5,0 3,0 6,0



Figura 15 – Curva granulometria e fuso da mistura AR 12 Surf

A execução das lajes da mistura não convencional, com betume borracha (Figura 16), foi

idêntica à da mistura convencional. A diferença entre as misturas reside na máxima dimensão

do agregado e no tipo de betume utilizado, além da granulometria desta mistura ser mais

descontínua para permitir utilizar uma maior percentagem de betume borracha (9%).

Figura 16 – Laje da mistura não convencional AR 12 Surf

A percentagem de betume utilizada foi definida com base em estudos de formulação

realizados em trabalhos anteriores, sendo que o valor de 9% obtido é usual neste tipo de

misturas devido ao aumento de viscosidade resultante de se acrescentar borracha (21% da

quantidade de betume). Assim, a mistura apresenta diminuta deformação apesar da elevada

quantidade de betume.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

,010 ,100 1,00 10,00

Pa

ssa

do

s (%

)

Dimensão do peneiro (mm)



3.2 Métodos de ensaio

De entre os vários ensaios de avaliação da deformação permanente, apresentados no capítulo

anterior, apresenta-se de seguida a descrição detalhada dos ensaios de pista e do ensaio

triaxial, ensaios selecionados para execução deste trabalho atendendo às suas potencialidades

como ensaio de caracterização do comportamento geomecânico das misturas betuminosas a

temperaturas elevadas.

O ensaio de pista (CEN, 2003) foi selecionado por ser amplamente utilizado na caracterização

do comportamento irreversível de misturas betuminosas, e o ensaio triaxial (CEN, 2001) é

recomendado pela sua grande potencialidade como ensaio mecanicista fundamental, mas

atualmente tem um uso limitado para caracterização de misturas betuminosas, sendo mais

usado na prática geotécnica.

Em complemento aos ensaios de laboratório já referidos, recorreu-se a um programa de

simulação numérica, o Phase2D (Slide – Rocscience), o qual permitiu realizar uma análise

complementar dos resultados do ensaio de pista para determinação dos módulos de

deformabilidade das misturas betuminosas a temperaturas elevadas por análise inversa.

3.2.1 Ensaios de caracterização dos betumes

Para produção das duas misturas betuminosas em estudo foram utilizados dois betumes com

características distintas, um betume 50/70 convencional e um betume modificado com

borracha. Estes materiais têm uma grande influência no comportamento à deformação

permanente, e por isso fez-se a sua caracterização básica como se descreve em seguida.

3.2.1.1 Ensaio de penetração

O ensaio de penetração foi realizado de acordo com a norma europeia EN 1426 e consiste em

preparar uma amostra de betume num recipiente apropriado, que depois é colocada num

banho de água com temperatura controlada a 25 ºC. Finamente, a amostra é levada a ensaio

onde é penetrada 3 vezes, durante 5 segundos, por uma agulha padronizada (em termos de

dimensão e peso) num aparelho adequado denominado de penetrómetro (Figura 17). Para

cada betume realiza-se este ensaio para duas amostras referentes às misturas utilizadas.



Figura 17 – Ensaio de penetração

3.2.1.2 Ensaio de anel e bola

O ensaio de anel e bola foi realizado de acordo com a norma europeia EN 1427 e permite

determinar o ponto de amolecimento, isto é, a temperatura necessária para que uma esfera

metálica padronizada atravesse um anel padronizado (perfeitamente cheio com o ligante

betuminoso), e toque na placa de referência após ter percorrido uma distância de 25,4 mm

(Figura 18). Este ensaio tem uma relação mais direta com a resistência das misturas à

deformação permanente, podendo considerar-se que essa resistência diminui drasticamente

depois do betume começar a fluir quase livremente (temperatura de amolecimento).

Figura 18 – Ensaio de anel e bola



3.2.2 Ensaio de pista

3.2.2.1 Descrição

O ensaio de pista para avaliação da resistência à deformação permanente (na nomenclatura

anglo-saxónica wheel-tracking test ou WTT) consiste no movimento de uma roda sobre uma

lajeta com mistura betuminosa fixa na mesa de ensaio, e encontra-se normalizado a nível

europeu (EN 12697-22). A mesa sob a roda, ou a roda sobre a mesa, move-se da frente para

trás (e vice-versa) enquanto um dispositivo de monitorização mede a variação da deformação

permanente que ocorre na superfície da amostra. A mesa de ensaio deve permitir um provete

de diâmetro mínimo de 200 mm. A linha do eixo da roda não pode distar mais de 5 mm do

centro teórico da amostra. A temperatura deverá ser a desejada para realização do ensaio, com

um erro máximo de 1 ºC.

Para a preparação laboratorial da amostra, o procedimento de ensaio remete para a norma

EN 12697-35 (procedimento utilizado neste trabalho) ou para uma mistura betuminosa obtida

in situ, a qual deverá ser obtida de acordo com a norma EN 12697-27. Relativamente ao

acondicionamento da temperatura de amostras de grande tamanho, a temperatura do ar tem de

ser medida usando uma sonda instalado no lado da parece do molde, e não deverá exceder os

75 ºC se a temperatura for de 60 ºC ou menos, assim como não deverá exceder a temperatura

do ensaio em mais de 15 ºC se o ensaio for realizado a mais de 60 ºC.

A amostra deverá estar nas condições de ensaio (temperatura) num período de 12 a 16 horas

antes do ensaio. Para amostras de tamanho extra grande o provete deverá estar nestas

condições durante 14 a 18 horas antes do ensaio. Para amostras de tamanho pequeno (como as

utilizadas neste trabalho), se estas forem testadas em ar (procedimento A ou B), serão

condicionados para a temperatura de ensaio num período mínimo de 4 horas, caso as amostras

tenham uma espessura nominal menor ou igual a 60 mm, ou um mínimo de 6 horas se as

amostras tiverem uma espessura nominal superior a 60 mm, e num máximo de 24 horas.

No que concerne à obtenção de resultados através do ensaio de pista podem-se descrever dois

procedimentos. Seguindo o procedimento A, a monotorização da deformação permanente é

realizada por um sensor de deslocamento, o qual mede o deslocamento vertical no provete.

No procedimento B (utilizado neste trabalho) a posição inicial vertical da roda é definido

como valor médio do perfil da amostra num comprimento de 50 mm para cada lado do centro



da área de carga no ponto central. Neste procedimento, a posição vertical da roda é lida sem

parar o ensaio, o qual é realizado durante 10 mil ciclos ou até a deformação permanente

exceder 20 mm. Na Figura 19, apresenta-se o equipamento disponível no laboratório de

Engenharia Civil da Universidade do Minho, utilizado no presente estudo, o qual permitiu

realizar ensaios em amostras de tamanho pequeno, ensaiadas em ar, pelo procedimento B.

Figura 19 – Equipamento para a realização do ensaio de pista

3.2.2.2 Parâmetros de ensaio e instrumentação

Na execução deste ensaio foram utilizadas cinco lajetas, as quais foram sujeitas a diferentes

temperaturas e velocidades (ou seja, frequências) pré-estabelecidas durante 10 mil ciclos, de

modo a estudar o efeito da variação desses parâmetros. As frequências utilizadas foram 1 Hz e

0,3 Hz e as temperaturas adotadas foram 30 ºC e 50 ºC. Importa salientar que os valores

adotados para a temperatura e a frequência basearam-se nas condições existentes em Portugal.

A mesa realizou um deslocamento linear de vaivém com 23 cm e a roda aplicou uma

solicitação vertical de 700 N.

Neste estudo o procedimento adotado foi o procedimento B, e os provetes utilizados

apresentavam dimensões aproximadas de 30cm×30cm×4cm (Figura 20). Para a medição da

deformação permanente, além do sensor existente no topo da roda do ensaio de pista

(designado neste estudo por sensor externo), foram ainda adicionados dois sensores colocados

em contacto com o provete de ensaio (lajeta), como se ilustra na Figura 21, que acompanham

de forma contínua a deformação que ocorre no centro da lajeta. Estes sensores foram



fundamentais para se conseguir obter as bacias de deformação que indicam a deformação no

centro da lajeta (sensor) em função da distância a que está a carga da roda.

Figura 20 – Geometria do provete do ensaio de pista

Figura 21 – Esquema dos sensores colocados no ensaio de pista

Os sensores colocados no interior da máquina (Figura 22), em contato com a lajeta, são

designados neste estudo por sensores internos, e para a sua colocação foi necessária a

introdução de duas placas de alumínio coladas às paredes que mantêm a lajeta confinada.

Esses sensores estão em contacto com uma placa metálica inserida dentro da mistura, no

centro da laje e na zona de passagem do rodado, que está perfeitamente ligada a esta.



Figura 22 – Sensores internos colocados no ensaio de pista

Finalmente, de modo a registar a posição horizontal da roda na lajeta em ensaio, integrou-se

no equipamento de ensaio um potenciómetro (Figura 23). Este dispositivo foi colado à parede

do equipamento de ensaio e a extremidade oposta na mesa com a lajeta em movimento. Este

sensor também é fundamental para se obter, em conjunto com os sensores de deslocamento

internos, as bacias de deformação das misturas.

Figura 23 – Potenciómetro para leitura da posição da lajeta

3.2.3 Ensaio triaxial

3.2.3.1 Descrição

O ensaio tem como objetivo a determinação da resistência à deformação permanente de um

provete cilíndrico representativo de uma mistura betuminosa submetido a carregamento

cíclico, e encontra-se normalizado na Europa pela norma EN 12697-25. Este ensaio também



permite determinar o módulo de elasticidade da mistura betuminosa nas condições de ensaio

utilizadas (temperatura e frequência). O provete pode ser preparado em laboratório ou retirado

do pavimento. No caso deste trabalho o provete foi realizado no laboratório.

Para a realização do ensaio, o provete é mantido a temperatura constante e colocados entre

dois pratos paralelos. Durante o ensaio, o provete é submetido a uma tensão cíclica axial

(sobre confinamento lateral constante através de um sistema constituído por uma bomba de

vácuo e uma camisa de latex) e é registada a alteração de altura em função do número de

solicitações (ciclos de carregamentos), assim como a deformação radial do provete. A bomba

de vácuo (Figura 24) foi programada para obter o confinamento desejado (50 kPa), seguindo

as indicações da EN 12697-25.

Figura 24 – Equipamento para o controlo do confinamento associado a uma bomba de vácuo

Os resultados destes ensaios triaxiais permitem calcular a evolução da extensão axial

cumulativa em função do número de cargas aplicadas, bem como o módulo de

deformabilidade em cada ciclo de carga. Na Figura 25 ilustra-se o sistema disponível no

laboratório de pavimentos da Universidade do Minho para a realização do ensaio triaxial.



Figura 25 – Equipamento para a realização do ensaio triaxial

3.2.3.2 Parâmetros de ensaio e instrumentação

O ensaio foi realizado a partir de amostras de misturas betuminosas realizadas no laboratório,

obtidas com a ajuda de uma caroteadora para amostras cilíndricas com 10 cm de diâmetro

extraídas duma laje com 10 cm de altura (Figura 26). A altura dos provetes esteve limitada

pelo curso máximo da máquina utilizada para realização dos ensaios.

Figura 26 – Exemplos de (a) provete de ensaio e (b) laje após carotagem

O ensaio é efetuado num equipamento apropriado (Figura 27) para realizar carregamentos

cíclicos de compressão e de descompressão, sendo que neste estudo foram aplicados 10 mil

ciclos. O provete foi colocado entre duas placas de plástico, e de seguida foi colocada a

(a) (b)



membrana de látex (presa em ambas as extremidades por o-rings). Este conjunto foi de

seguida ligado a uma bomba de vácuo para se aplicar a tensão de confinamento desejada.

Figura 27 – Máquina utilizada para o ensaio triaxial

A instrumentação do provete pretende medir localmente as deformações ocorridas durante a

aplicação cíclica da solicitação, e foi realizada através de 4 sensores (Figura 28) colocados de

forma a se poder medir a deformação horizontal (radial) e vertical (axial), complementado

com a medição do sensor externo do atuador axial do sistema de aplicação de carga. O cálculo

realizado para as extensões, axial e radial, foram realizados tendo em conta as Equações 4 e 5.

=

(4)

=

(5)

Figura 28 – Esquema dos sensores colocados no provete do ensaio triaxial



Pode dizer-se que à medida que o provete perde volume ocorre uma maior deformação, tanto

para a extensão axial como para a extensão radial. Para a extensão axial a altura, L, utilizada

dependeu, de provete para provete, da altura do provete e/ou da distância entre os sensores

verticais. O cálculo da tensão aplicada também é fundamental para o estudo a realizar e foi

feito pela Equação 6, onde a máxima tensão aplicada é de 200 kPa.

( ) =

( ) (6)

= ( )

( ) (7)

Capítulo 4 – Análise dos resultados


4 ANÁLISE DOS RESULTADOS

No decorrer deste trabalho foi efetuada uma campanha experimental alargada com o intuito de

realizar análises comparativas entre os resultados da evolução da deformação permanente

obtidos pelos ensaios anteriormente descritos. De seguida será apresentada a análise

comparativa entre as duas misturas utilizadas, bem como a comparação entre os dois ensaios.

4.1 Penetração e ponto de amolecimento dos betumes

A mistura convencional AC 14 Surf utilizou um betume 50/70, com uma penetração média de

51,3 décimas de milímetro e um ponto de amolecimento de 52,5 ºC. Estes valores situam-se

dentro dos valores indicados nas especificações (EN 12591), de 50 a 70 no ensaio de

penetração e de 46 a 54 ºC no ensaio anel e bola para determinação do ponto de amolecimento.

Para a mistura não convencional AR 12 Surf utilizou-se um betume modificado com borracha.

O valor obtido para caracterização deste betume no ensaio anel e bola, para determinação do

ponto de amolecimento, foi 80,5 ºC, razão pela qual se espera que esta mistura tenha melhor

resistência à deformação permanente (apesar de utilizar uma percentagem de betume mais

elevada). No ensaio de penetração obteve-se um resultado médio de 21,5 décimas de

milímetro. Assim, verifica-se que este betume é muito mais viscoso do que o betume 50/70

utilizado na mistura convencional.

4.2 Ensaio de pista

A apresentação dos resultados do ensaio de pista vem sobre a forma de gráficos gerados a

partir dos dados recolhidos na máquina. Para cada mistura em estudo existem dois gráficos

para avaliação diferenciada dos dois parâmetros de ensaio em análise, a frequência e a

temperatura. Assim, para um primeiro utilizamos como elemento comum a temperatura de

50 ºC (avaliando-se a influência da frequência – 1 Hz e 0,3 Hz) e para o outro utilizou se 1 Hz

como elemento comum (avaliando-se a influência da temperatura – 30 ºC e 50 ºC). Nestes

resultados também se poderá verificar se os sensores colocados no interior da máquina

apresentam valores muito longe do obtido pelo sensor exterior desta, de forma a avaliar se é

necessário melhorar no futuro o sistema interno de aquisição da deformação.



4.2.1 Evolução da deformação permanente

No conjunto de gráficos apresentado nas Figuras 29 a 32 poder-se-á comparar a evolução da

deformação das misturas no ensaio de pista, avaliado pelos sensores internos e externos.

Figura 29 – Deformação permanente (WTT) a 50 ºC da mistura convencional AC 14 Surf

Figura 30 – Deformação permanente (WTT) a 50 ºC da mistura não convencional AR 12 Surf

0

1

2

3

4

5

6

1 10 100 1000 10000

Def

orm

ação

(m

m)

Ciclos (WTT)

1Hz (externa) 1Hz (interna) 0.3Hz (externa) 0.3Hz (interna)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

1 10 100 1000 10000

Def

orm

ação

(m

m)

Ciclos (WTT)

1Hz (externa) 1Hz (interna) 0.3Hz (externa) 0.3Hz (interna)

1Hz (interna)

0,3Hz (interna)

1Hz (externa)

WTS = 0,03

WTS = 0,038

WTS = 0,025

0,3Hz (externa)

1Hz (interna)

0,3Hz (interna)

1Hz (externa)

0.3Hz (externa)

WTS = 0,082

WTS = 0,147

WTS = 0,119



Figura 31 – Deformação permanente (WTT) a 1 Hz da mistura convencional AC 14 Surf

Figura 32 – Deformação permanente (WTT) a 1 Hz da mistura não convencional AR 12 Surf

Uma vez que o programa para aquisição dos resultados dos sensores foi desenvolvido

experimentalmente durante este trabalho, verificou-se que por vezes este programa não

conseguiu gravar todos os ciclos de ensaio, tal como se pode observar no ensaio a 1 Hz

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

1 10 100 1000 10000D

efo

rmaç

ão (

mm

)

Ciclos (WTT)

50º (externa) 50º (interna) 30º (externa) 30º (interna)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

1 10 100 1000 10000

Def

orm

ação

(m

m)

Ciclos (WTT)

50º (externa) 50º (interna) 30º (externa) 30º (interna)

50º (interna)

WTS = 0,043

WTS = 0,025

WTS = 0,038

WTS = 0,074

30º (interna)

30º (externa)

50º (externa)

WTS = 0,012

WTS = 0,046

WTS = 0,082

50º (interna)

50º (externa)

30º (interna)

30º (externa)



(interna), que apresenta uma linha intermitente com um triângulo na Figura 29, e que acaba

ainda antes dos 100 ciclos.

Através da análise dos quatro gráficos obtidos pode-se correlacionar a temperatura com a

velocidade de ensaio, observando-se que ao aumentar a temperatura tem-se uma maior

deformação, tal como acontece quando se diminui a velocidade (que também aumenta a

deformação).

Outra ilação que se pode retirar a apartir dos gráficos consiste no facto de que a mistura não

convencional AR 12 Surf apresentar deformações muito menores do que a mistura

convencional AC 14 Surf. Tal facto era espectável, como já foi referido, pois as misturas

compostas por betume borracha têm menor deformação e uma recuperação elástica maior.

Denota-se ainda que embora a misturas betuminosas sejam diferentes, a evolução das

deformações permanentes de ambas tem tendências idênticas. Verifica-se que a deformação

medida aumenta da seguinte forma: 30º (interna), 30º (externa), 50º(interna) e 50º (externa).

A taxa de deformação permanente ou média proporcional da profundidade da rodeira nas

lajetas (Wheel Tracking Slope ou WTS) é o resultado utilizado, de acordo com a norma

EN 12697-22, para especificar o desempenho das misturas betuminosas em relação à

deformação permanente. Neste caso, serve como comparação dos resultados do ensaio de

pista nas diferentes misturas e condições de ensaio, como se pode confirmar na Figura 33.

Figura 33 – Resultados de WTS no ensaio de pista para as misturas AC 14 Surf e AR 12 Surf

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

WT

S (

mm

/1000

cic

los)

Mistura Convencional Mistura Não Convencional

1Hz/ 50º

1Hz/ 30º

0.3Hz/50ºC



No geral pode-se verificar que a mistura não convencional tem menores deformações do que a

mistura convencional, pois a mistura convencional é mais sujeita a deformações com

temperaturas mais altas do que a mistura com betume borracha, que tem uma maior

capacidade de recuperação, ou seja, é mais elástica.

Realça-se também que a influência dos parâmetros de ensaio em análise (frequência e

temperatura) não foi a esperada. Assim, devem ser realizados ensaios adicionais num trabalho

futuro para permitir estudar de forma mais aprofundada o efeito que estes parâmetros tem na

variação do WTS no ensaio de pista.

4.2.2 Bacias de deformação

Nos gráficos das Figuras 34 a 37 (mistura convencional AC 14 Surf) e das Figuras 38 a 40

(mistura não convencional AR 12 Surf) encontram-se os resultados obtidos em termos de

bacias de deformação (nos ciclos 1, 10, 100, 1000 e 10000), adquiridos com os sensores

internos e com o potenciómetro.

Nestes resultados pode-se observar uma grande disparidade entre o primeiro ciclo e os ciclos

seguintes, o que acontece uma vez que entre o ciclo 1 e 10 o material ainda se esta a ajustar

(ajuste dos sensores e da placa colocada na zona de passagem do rodado, confinamento do

provete, entre outros). Alguns dos gráficos apresentados (Figuras 34, 39 e 40) não têm os

ciclos completos pelas razões anteriormente referidas, relativas a algumas dificuldades na

forma como foram adquiridos os resultados de deformação com os sensores internos.


convencional AC 14 Surf

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

-12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12

Def

orm

ação

(m

m)

Posição (cm)

1

10







Na Figura 36 pode ver-se que a reorganização da mistura durante o ensaio levou a que no

ciclo 1000 esta tivesse uma deformação recuperável menor do que no ciclo 100. Esta

reorganização deverá corresponder à pós-compactação inicial que permite reduzir o volume

de vazios da mistura.

Além disso verifica-se que a deformação ao centro é menor do que no seu lado direito, o que

não seria expectável. Uma justificação para esse facto é a mistura no centro da lajeta ter muito

0,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

-12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12D

eform

ação

(m

m)

Posição (cm)

10

1

100

10000

1000

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

-12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12

Def

orm

ação

(m

m)

Posição (cm)

100

1

1000

10000

10



menos vazios do que no lado direito, ou ter um agregado mais resistente exatamente nesse

local, o que fez com que houvesse menor deformação no centro da lajeta.


convencional AR 12 Surf

Na Figura 37 pode-se observar a ocorrência de um problema de medição que consistiu no

facto de que a colocação da peça no centro da lajeta para a leitura dos sensores internos ficar

posicionada mesmo no cimo de um agregado, o que impediu que na passagem da roda do

ensaio pelo centro da lajeta os sensores internos conseguissem ler corretamente a deformação.

Este facto pode ser verificado na Figura 38, onde se pode observar que o centro da lajeta esta

numa posição superior, em relação a parte superior da laje, que tem uma deformação maior.

Figura 38 – Lajeta da mistura não convencional AC 12 ensaiada a 50 ºC/1 Hz

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

-12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12

Def

orm

ação

(m

m)

Posição (cm)

100

1

1000

10000

10




convencional AR 12 Surf


não convencional AR 12 Surf

Tal como aconteceu na Figura 36, também na Figura 40 se verificou uma redução da

deformação reversível devido à reorganização da mistura betuminosa depois de vários ciclos

de ensaio (entre o ciclo 10 e 100).

Um dado que se pode reparar da análise deste tipo de gráficos é o facto de a bacia não ser

localizada, ou seja, a deformação máxima não se encontra exatamente no centro da lajeta, no

0,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0,10

-12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12D

efo

rmaç

ão (

mm

) Posição (cm)

100

1

1000

9000

10

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

-12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12

Def

orm

ação

(m

m)

Posição (cm)

100

1

10



ponto 0 cm. Este fenómeno pode ter ocorrido pelas razões atrás indicadas, ou devido à forma

como se instrumentou o centro da lajeta para que os sensores internos pudessem ler a

deformação reversível e permanente que acontece na zona da rodeira. Outra justificação

possível centra-se no facto de poderem existir agregados na zona de leitura dos sensores

interiores que não traduzam a deformação genérica da mistura betuminosa.

Uma informação a depreender será o facto de que esta deformada apresenta uma tendência

pouco sensível ao ciclo estudado, isto é, as diferencias das deformações entre os ciclos são

desprezáveis (exceto no primeiro ciclo, como referido). Depreende-se que a bacia é constante,

seja no ciclo 10 ou ciclo 10000, porque o módulo de elasticidade do material não tem uma

evolução significativa durante o ensaio (a temperatura e frequência de ensaio constante),

sendo o mesmo durante todo o ensaio.

Assim, conhecendo as bacias de deformação reversível nas diferentes condições de ensaio, e

verificando-se que o módulo de elasticidade é constante ao longo do ensaio, procurou-se

determinar o valor desse módulo por análise inversa num programa de simulação numérica.

4.2.3 Determinação do módulo por análise inversa no programa Phase2D

No programa Phase2D foi criada uma malha de 100 nós para simular a geometria da lajeta

estudada no ensaio de pista, Figura 41. O programa foi utilizado para recriar a deformação

permanente da lajeta, em especial a deformação máxima no centro da lajeta, determinando-se

assim o módulo de elasticidade das misturas betuminosas para cada conjunto de condições de

ensaio em termos de temperatura e frequência.

Figura 41 – Malha utilizada para simular o ensaio WTT no programa Phase2D



A realização da imagem 2D para a obtenção dos módulos de elasticidade foi criada apenas

com metade da lajeta, uma vez que esta, bem como as condições de carregamento, são

simétricas. A carga utilizada é de 400 MPa (de forma a simular a carga exercida pela roda no

ensaio de pista), que foi dividida para simular a roda, que é uma carga distribuída em 4 cm

(neste caso 2 cm, pois só se utiliza metade da lajeta). Ao nível dos apoios utilizaram-se apoios

duplos (restrição do deslocamento segundo a direção X e Y) ao nível da base e do lado não

simétrico da amostra, por sua vez, no lado de simetria recorreu-se a apoios simples com o

objetivo de possibilitar o deslocamento da amostra na direção Y. Para a obtenção da

deformação foi-se iterando o valor do módulo, através de modelos de comportamento

elásticos, até se obter a deformação máxima estimada igual à medida com os sensores internos

no ensaio de pista. No gráfico presente na Figura 42 encontram-se os resultados do módulo de

elasticidade obtidos nas várias condições para cada tipo de mistura.

Figura 42 – Módulos de elasticidade obtidos através da análise numérica no Phase2D

Analisando-se os resultados patentes no gráfico da Figura 42 pode-se referir:

O valor do módulo de elasticidade de ambas as misturas (AC 14 Surf e AR 12 Surf),

diminui à medida que se aumenta a temperatura e se diminui a frequência do carregamento;

O valor do módulo de elasticidade é superior na mistura convencional (AC 14 Surf), face à

mistura modificada (AR 12 Surf), qualquer que seja a situação (temperatura e frequência

de carregamento) utilizada, pelo facto de ter uma percentagem de betume mais alta;

A temperatura tem maior influência do que a frequência no valor do módulo, sendo que o

módulo das misturas betuminosas a 50 ºC é semelhante ou até inferior aos dos solos.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Mistura convencional AC 14 Mistura não convencional AC 12

Mó

dulo

de

elas

tici

dad

e (M

Pa)

30º/1Hz

50º/1Hz

50º/0.3Hz



4.3 Ensaio Triaxial

Tal como no ensaio de pista, os resultados aqui apresentados vêm sob a forma de gráfico para

uma melhor compreensão dos dados obtidos no equipamento de ensaio. Os resultados estão

subdivididos em três partes principais. Na primeira são apresentados dois gráficos sobre a

evolução da deformação permanente ao longo dos ciclos de ensaio. Na segunda parte

observa-se a deformabilidade ao longo dos ciclos de ensaio (10, 100 e 1000), com a evolução

da extensão radial e axial. O última parte contém gráficos relativos ao coeficiente de Poisson .

4.3.1 Evolução da deformação permanente

Os gráficos patentes na Figuras 43 e 44 têm como objetivo demonstrar a maneira como

aumenta a deformação permanente no ensaio triaxial ao longo dos vários ciclos de ensaio,

para diferentes condições de ensaio, e para cada uma das misturas utilizadas.

Figura 43 – Evolução da deformação permanente da mistura convencional AC 14 Surf

0,000

0,500

1,000

1,500

2,000

2,500

1 10 100 1000 10000

Def

orm

ação

(m

m)

Ciclos (Triaxial)

30º/1Hz

50º/1Hz 50º/5Hz



Figura 44 – Evolução da deformação permanente na mistura não convencional AR 12 Surf

Analisando os resultados obtidos constata-se o facto de que a mistura convencional tem uma

deformação permanente maior do que a mistura não convencional, tal como se tinha

verificado no ensaio de pista.

A diferença dentro da mesma mistura e com a mesma temperatura, mas com frequências

diferentes (1 Hz para 5 Hz) não é muito grande. Já não se pode dizer o mesmo em relação a

diferentes temperaturas, onde se pode notar que existe uma grande diferença de deformação

permanente entre a temperatura de 30 ºC e de 50 ºC. Assim, volta a confirmar-se que a

influência da temperatura é superior à frequência na evolução da deformação permanente, nas

condições utilizadas neste trabalho (quer no ensaio de pista, quer no ensaio triaxial).

4.3.2 Módulo de rigidez das misturas

Os valores da deformabilidade apresentam-se sob a forma de gráficos onde se representa a

extensão axial e radial nos ciclos 10, 100 e 1000, em relação à tensão de desvio, q, que

constitui a carga a aplicar axialmente ao provete (que é de 200 kPa de acordo com a norma

EN 12697-25). Os gráficos permitem determinar o módulo de elasticidade para cada ciclo em

análise. Dadas as combinações de temperatura e velocidade de carregamento estabelecidas,

obtiveram-se seis gráficos, três para cada mistura. Nas Figuras 45, 46 e 47, pode-se observar

os resultados obtidos para a mistura convencional AC 14 Surf para as diferentes condições de

temperatura e velocidade de carregamento consideradas.

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1 10 100 1000 10000

Def

orm

ação

(m

m)

Ciclos (Triaxial)

30º/1Hz

50º/1Hz

50º/5Hz



Figura 45 – Rigidez da mistura convencional AC 14 Surf a 30 ºC/1 Hz


0

50

100

150

200

250

-10E-04 -05E-04 0.000E+00 05E-04 10E-04 15E-04 20E-04

Ten

são

de

des

vio

(kP

a)

100 (E=129MPa)

Extensão axial (externa) Extensão radial (interna)

0

50

100

150

200

250

-10E-04 -05E-04 0.000E+00 05E-04 10E-04 15E-04 20E-04

Ten

são

de

des

vio

(kP

a)

Extensão axial (externa) Extesão radial (interna)

100

10 (E=142MPa)

1000 (E=165MPa) 1000

10

100

1000 (E=156MPa)

1000

10

100 (E=148MPa)

10 (E=119MPa)




Por sua vez, nas Figuras 48, 49 e 50 pode-se observar os resultados obtidos para a mistura não

convencional AR 12 Surf com betume borracha para as diferentes condições de temperatura e

velocidade de carregamento consideradas.

Figura 48 – Rigidez da mistura não convencional AR 12 Surf a 30 ºC/1 Hz

0

50

100

150

200

250

-04E-04 -02E-04 0.000E+00 02E-04 04E-04 06E-04 08E-04 10E-04 12E-04 14E-04

Ten

são

de

des

vio

(kP

a)

Extensão axial (externa) Extensão radial

(interna)

0

50

100

150

200

250

-1E-03 -5E-04 0E+00 5E-04 1E-03 2E-03

Ten

são

de

des

vio

(kP

a)

100 1000 (E=174MPa)

1000

10

100 (E=167MPa)

10 (E=154MPa)

Extensão radial (interna) Extensão axial (externa)

100

1000 (E=183MPa) 1000

10 100 (E=174MPa)

10 (E=156MPa)




Estes gráficos são os que melhor representam os resultados obtidos a partir dos sensores

externos e dos sensores colocados para medir a deformação axial e radial. De facto, importa

salientar que para a compilação destes resultados não foram utilizados os sensores axiais

locais da máquina.


0

50

100

150

200

250

-1E-03 -5E-04 0E+00 5E-04 1E-03 2E-03 2E-03

Ten

são

de

des

vio

(kP

a)

10 (E = 129MPa)


0

50

100

150

200

250

300

-4E-04 -2E-04 0E+00 2E-04 4E-04 6E-04 8E-04 1E-03

Ten

são

de

des

vio

(kP

a)

100 (E = 222MPa)


100

100 (E=174MPa) 1000 (E=189MPa)

1000

10



Durante o trabalho foi medido o comprimento do provete antes e depois do ensaio, para se

poder comparar com os resultados retirados através do sensor externo incorporado na

máquina de ensaio, bem como com os sensores axiais colocado no provete. Após análise de

ambos concordou-se que havia discrepância entre os resultados, e por esse motivo utilizou-se

apenas a deformação do sensor “externo” axial local da máquina e o comprimento total do

provete, por ser mais coerente, não se utilizando os sensores “internos” colocados no provete.

A obtenção dos valores para os gráficos foi feita através de uma interpolação de dados. Assim,

concluiu-se que num trabalho futuro a instrumentação para a leitura da extensão axial deve ser

alvo de melhorias.

Analisando-se os resultados do módulo de rigidez expostos ao longo desta seção podem-se

retirar as seguintes ilações:

Excetuando os resultados da Figura 49 (relativamente à extensão radial), pode-se

observar que o valor das extensões (axial e radial) diminui à medida que o número de

ciclos aumenta (como resultado da redução do volume de vazios e dum reajuste dos

agregados por pós-compactação), demonstrando comportamentos similares;

Na maioria dos casos a extensão axial é o dobro da extensão radial;

Os módulos de elasticidade são maiores na mistura não convencional para todos os

conjuntos de temperatura/frequência, ao contrário do que foi verificado por análise

inversa dos resultados do ensaio de pista (devido às diferentes condições de ensaio);

À medida que os ciclos aumentam a rigidez vai aumentando, como consequência do

aumento da densidade, fazendo com que o aumento do número ciclos origine uma

menor amplitude de deformação, demonstrado através da diminuição do valor da

extensão à medida que o número de ciclos aumenta;

Todos os provetes foram ensaiados com a mesma tensão de desvio, ou seja 200 kPa,

mas como se pode verificar na Figura 47, esta demonstra uma diferença crescente de

carga entre os ciclos 10 e 1000, o que resultou de alguns problemas no controlo da

célula de carga na máquina durante os ensaios;

As misturas comportam-se da mesma maneira para os diferentes conjuntos de

temperatura/frequência, sendo que a única diferença é as suas extensões, onde se

denota mais uma vez que a mistura convencional tem uma extensão axial e radial

superior a mistura não convencional (tendo por isso um módulo inferior).



Tal como se realizou no ensaio de pista, também foi realizado um gráfico de barras onde está

representado o valor equivalente ao WTS, designado por taxa de deformação, obtido no

ensaio triaxial para as duas misturas (Figura 51). Denota-se que o valor da taxa de deformação

obtida no ensaio triaxial apresenta valores inesperados, sendo superior para temperaturas mais

baixas e frequências mais altas. Assim, conclui-se que este tipo de análise tipicamente

utilizada no ensaio de pista não é aplicável quando se realiza o ensaio triaxial.

Figura 51 – Taxa de Deformação obtida no ensaio triaxial das misturas AC 14 Surf e AR 12

Surf

4.3.3 Cálculo do coeficiente de Poisson

O Coeficiente de Poisson mede a deformação transversal (em relação à deformação

longitudinal de aplicação da carga). Para a sua apresentação, e uma vez que se quis mostrar os

coeficientes ao longo dos mesmos ciclos apresentados na secção anterior (10, 100 e 1000),

utilizou se a forma gráfica como a melhor maneira de exibir os dados. Estes estão divididos

por mistura e por conjunto de temperaturas e frequências. Na Equação 7 pode-se visualizar a

razão que traduz o coeficiente de Poisson.

=

(8)

Relativamente ao coeficiente apresentado sabe-se que o mesmo deve estar compreendido

entre 0,0 e 0,5. Através deste intervalo pode-se referir que a extensão axial, no mínimo, será o

dobro da extensão radial. Assim, à medida que o valor do coeficiente se aproxima de 0,

significa que o valor da extensão axial se afasta do seu valor mínimo, ou seja, a diferença

entre a extensão axial e radial aumenta, indicando que o material não apresenta um

0,000

0,010

0,020

0,030

0,040

0,050

0,060

0,070

0,080

0,090

0,100

Tax

a d

e D

efo

rmaç

ãotr

iaxia

l

(mm

/10

00

cic

los)

Mistura Convencional Mistura Não Convencional

50/5Hz

30/1Hz

50/1Hz



comportamento elástico. Importa salientar que esta fórmula é apenas válida para o caso de um

carregamento desviatório puro, como é o caso em estudo.

Uma vez determinados os valores da extensão axial e radial para as combinações de

temperatura e velocidade de carregamentos consideradas, pode-se obter os gráficos que

espelham o valor do coeficiente de Poisson ao longo dos ciclos de carregamento. Assim, nas

Figuras 52 a 54 encontram-se os resultados obtidos para a mistura convencional AC 14 Surf.

Figura 52 – Coeficiente de Poisson da mistura convencional AC 14 Surf a 30 ºC/1 Hz

Na Figura 52 pode-se ver que o coeficiente manteve-se próximo de 0,5 ao longo dos vários

ciclos de ensaio. O coeficiente de Poisson obtido para uma temperatura de 30 ºC e frequência

de 1 Hz é superior ao normal de uma mistura betuminosa, que normalmente ronda os 0,4.


-12E-04

-10E-04

-08E-04

-06E-04

-04E-04

-02E-04

0.000E+00

0.000E+00 05E-04 10E-04 15E-04 20E-04

Exte

nsã

o r

adia

l

Extensão axial

10 (externa)

100 (externa)

1000 (externa)

Poisson = 0,5

Poisson = 0,1

-12E-04

-10E-04

-08E-04

-06E-04

-04E-04

-02E-04

0.000E+00

0.000E+00 05E-04 10E-04 15E-04 20E-04

Exte

nsã

o r

adia

l

Extensão axial

10 (externa)

100 (externa)

1000 (externa)

Poisson = 0,5

Poisson = 0,1




Na Figura 54 pode-se verificar que a extensão axial é muito superior à extensão radial, uma

vez que o valor do coeficiente de Poisson ao longo dos ciclos não se afasta muito de 0.

Dos gráficos apresentados pode-se referir que à medida que a temperatura aumenta, o valor do

coeficiente de Poisson aproxima-se de 0, indicando uma possível diminuição da elasticidade,

o que se encontra de acordo com os resultados obtidos no ensaio de pista. No entanto, estes

resultados devem ser validados com ensaios adicionais realizados noutros equipamentos.

Em seguida, nas Figuras 55 a 57 apresentam-se os resultados do coeficiente de Poisson

obtidos para a mistura não convencional AR 12 Surf, com betume borracha.

-12E-04

-10E-04

-08E-04

-06E-04

-04E-04

-02E-04

0.000E+00

0.000E+00 05E-04 10E-04 15E-04 20E-04E

xte

nsã

o r

adia

l

Extensão axial

10 (externa)

100 (externa)

1000 (externa)

Poisson = 0,5

Poisson = 0,1



Figura 55 – Coeficiente de Poisson da mistura não convencional AR 12 Surf a 30 ºC/1 Hz


Tal como na mistura convencional, para o conjunto de 30º/1Hz o coeficiente de Poisson é

superior ao normal, e manteve-se constante ao longo dos vários ciclos de ensaio, o que indica

que para as condições de temperatura e velocidade de carregamento consideradas não

ocorreram alterações do módulo de rigidez da mistura.

-12E-04

-10E-04

-08E-04

-06E-04

-04E-04

-02E-04

0.000E+00

0.000E+00 05E-04 10E-04 15E-04 20E-04

Exte

nsã

o r

adia

l Extensão axial

10 (externa) 100 (externa)

1000 (externa)

Poisson = 0,5

Poisson = 0,1

-12E-04

-10E-04

-08E-04

-06E-04

-04E-04

-02E-04

0.000E+00

02E-04

0.000E+00 05E-04 10E-04 15E-04 20E-04

Exte

nsã

o r

adia

l

Extensão axial

10 (externa)

100 (externa)

1000 (externa)

Poisson = 0,5

Poisson = 0,1




Em relação à Figura 57 pode-se verificar novamente que a temperaturas e frequências

elevadas, a extensão axial é muito superior à extensão radial, uma vez o valor do coeficiente

de Poisson ao longo dos ciclos não se afasta de 0, tal como na mistura convencional. Dos

gráficos apresentados pode-se referir que à medida que a temperatura aumenta, o valor do

coeficiente de Poisson aproxima-se de 0, indicando uma diminuição da elasticidade, o que se

encontra de acordo com os resultados obtidos no ensaio de pista.

Os resultados obtidos para o coeficiente de Poisson demonstraram algumas tendências que

devem ser estudadas de forma mais aprofundada, apesar se ser importante referir que surgem

alguns resultados inesperados para o intervalo habitual de variação deste parâmetro (0 a 0,5).

De facto, houve alguns valores obtidos fora deste intervalo, o que certamente resultou de

algumas dificuldades pontuais já referidas na instrumentação dos provetes e no controlo da

célula de carga.

4.3.4 Comparação do módulo de rigidez com a extensão axial

Face aos resultados apresentados na subseção anterior, entendeu-se ser necessário perceber

melhor qual a relação entre o valor do módulo de rigidez e a extensão axial do provete em

análise. Assim, construíram-se três gráficos (Figura 58 a 60) para a comparação dos módulos

de rigidez e extensão axial nas diferentes combinações de temperatura e velocidade de

carregamento, para as duas misturas, durante os ciclos 10, 100 e 1000.

-12E-04

-10E-04

-08E-04

-06E-04

-04E-04

-02E-04

0.000E+00

0.000E+00 05E-04 10E-04 15E-04 20E-04E

xte

nsã

o r

adia

l

Extensão axial

10 (externa)

100 (externa)

1000 (externa)

Poisson = 0,5

Poisson = 0,1



Figura 58 – Comparação do módulo com a extensão axial no ciclo 1000



0

50

100

150

200

250

0.000E+00

05E-04

10E-04

15E-04

20E-04

25E-04

30º/1Hz 50º/1Hz 50º/5Hz 30º/1Hz 50º/1Hz 50º/5Hz

AC 14 Surf AR 12 Surf

Mó

du

lo d

e r

igid

ez

(MP

a)

Exte

nsã

o a

xial

Extensão Módulo

0

50

100

150

200

250

0.000E+00

02E-04

04E-04

06E-04

08E-04

10E-04

12E-04

14E-04

16E-04

18E-04


AC 14 Surf AR 12 SurfM

ód

ulo

de

rig

ide

z (M

Pa)

Exte

nsã

o a

xial

Extensão Módulo

0

50

100

150

200

250

0.000E+00

02E-04

04E-04

06E-04

08E-04

10E-04

12E-04

14E-04

16E-04

18E-04


AC 14 AC 12

Mó

du

lo d

e r

igid

ez

(MP

a)

Exte

nsã

o a

xial

Extensão MóduloAR 12 Surf AC 14 Surf



Pode-se aferir que quanto maior a temperatura menor será a extensão axial medida no ensaio

triaxial. A mistura não convencional AR 12 Surf tem uma menor deformação em relação a

mistura convencional AC 14 Surf. Por sua vez, os módulos de rigidez da mistura betuminosa

não convencional AR 12 Surf, com betume borracha, são superiores aos da mistura

convencional ao longo de todos os ciclos de ensaio.

4.4 Análise comparativa entre os ensaios de pista e triaxial

Neste seção vai-se realizar a comparação dos resultados obtidos através dos ensaios de pista e

triaxial para a mistura convencional e não convencional nas múltiplas combinações de

temperatura e velocidade de carregamento consideradas. Os parâmetros em análise serão o

valor do módulo de rigidez (Figura 61), o valor de WTS (Figura 62) e o valor da deformação

permanente total (Figura 63).

Figura 61 – Comparação dos módulos de rigidez entre os dois ensaios realizados

Como primeira ilação em relação ao módulo de rigidez pode-se referir que os valores obtidos

no ensaio triaxial são superiores aos do ensaio de pista, o que se pode ficar a dever aos

distintos tipo e ao nível de carregamentos utilizados.

Observando-se os valores obtidos, constata-se que através do ensaio de pista a mistura que

apresenta maior módulo de rigidez é a convencional AC 14 Surf, enquanto através do exame

triaxial a mistura com betume borracha AR 12 Surf apresenta-se com um maior módulo de

elasticidade. Isto confirma a forma diferenciada como os resultados obtidos nos ensaios

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

150 52 129 47

30ºC/1Hz 50ºC/1Hz 30ºC/1Hz 50ºC/1Hz

AC 14 AC 12

Mó

dulo

de

rigid

ez (

R)

no

ensa

io t

riax

ial

(MP

a)

Módulo de rigidez (R) obtido a partir do WTT (MPa)

ciclo 1000 ciclo 100 ciclo 10

AR 12 Surf AC 14 Surf



classificam as misturas, e demonstra que é necessário definir bem as condições mais

representativas de ensaio para estudo da deformação permanente.

Figura 62 – Comparação do WTS obtido nos dois ensaios realizados

Relativamente aos valores de WTS, o gráfico de barras comparativo entre os ensaios

mecânicos utilizados demonstra que ambos os ensaios traduzem resultados semelhantes na

avaliação da temperatura, mas diferentes na avaliação da frequência. Como se referiu

anteriormente, este resultado deve ser utilizado com reserva para análise do ensaio triaxial.

Figura 63 – Comparação da deformação permanente entre os dois ensaios realizados

Por fim, relativamente aos valores da deformação permanente total constata-se que apesar dos

valores obtidos pelo ensaio triaxial serem muito superiores aos obtidos pelo ensaio WTT, a

0,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

30º/1Hz 50º/1Hz 30º/1Hz 50º/1Hz

AC 14 AC 12

WT

S (

mm

/10

00

cic

los)

Triaxial

WTT


0,000

0,500

1,000

1,500

2,000

2,500

30º/1Hz 50º/1Hz 30º/1Hz 50º/1Hz

AC 14 AC 12

Def

orm

ação

per

man

ente

(m

m)

WTT

Triaxial




análise obtida a partir dos ensaios é a mesma. Ou seja, à medida que a temperatura aumenta a

deformação também aumenta, sendo que este fenómeno ocorre em ambos os ensaios e para

ambas as misturas betuminosas consideradas.

Capítulo 5 – Considerações finais


5 CONSIDERAÇÕES FINAIS

5.1 Conclusões

Nesta dissertação foi efetuado um estudo do comportamento mecânico de misturas

betuminosas, incidente sobre os fatores que mais influenciam o parâmetro da deformação

permanente, a temperatura e a frequência de carregamento. O estudo realizou-se sobre duas

misturas, uma convencional, AC 14 Surf, e uma segunda com incorporação de betume

borracha, AR 12 Surf.

O trabalho da dissertação desenvolveu-se por recurso a dois ensaios mecanicistas: ensaio de

pista e ensaio triaxial. Dos resultados dos trabalhos relativos ao ensaio de pista salientam-se as

seguintes conclusões principais:

Numa dada temperatura, qualquer que seja a frequência de carregamento utilizada,

observa-se que a mistura AR 12 Surf apresenta menor deformação (cerca de 50%) do que a

mistura convencional AC 14 Surf, observando-se que à medida que a frequência de

aplicação de carga diminui, o valor da deformação, em ambas as misturas, aumenta;

Variando o valor da temperatura, e mantendo constante a frequência de carregamento,

observou-se que a mistura AR 12 Surf continua a apresentar valores de deformação

inferiores à mistura AC 14 Surf, observando-se que à medida que a temperatura aumenta, o

valor da deformação, em ambas as misturas, também aumenta;

Através dos resultados obtidos dos gráficos referentes às bacias de deformação (valores

obtidos por incorporação de sensores no provete) destaca-se o facto de a deformação

máxima ocorrer num ponto distinto ao de aplicação da carga. Este facto pode-se ficar a

dever à instrumentação realizada no provete onde se observa a deformação máxima;

Por análise numérica, e sabendo o valor da deformação, determinou-se o valor do módulo

de rigidez para ambas as misturas nas situações de temperatura e frequência descritas,

podendo concluir que um aumento da temperatura e uma diminuição da frequência de

carga provoca que o valor do módulo de rigidez diminua. Importa salientar que se tratou se

uma análise simplificada, na medida em que se considerou o comportamento do elemento

como elástico, o que na realidade não se verifica pois ocorre a plastificação do mesmo.



O programa laboratorial encetado no âmbito da presente dissertação incluiu o ensaio triaxial

com o objetivo de possibilitar a comparação de resultados face ao referido ensaio clássico de

avaliação da deformação permanente (ensaio de pista). Com base nos resultados obtidos no

contexto do ensaio triaxial podem ser obtidas as seguintes conclusões principais:

Tal como os resultados do ensaio de pista demonstraram, no ensaio triaxial verificou-se

também que a um aumento da temperatura corresponde a um aumento da deformação,

assim como uma diminuição no valor no valor da frequência leva ao aumento da

deformação;

Através dos resultados obtidos no ensaio triaxial observou-se que para ambas as misturas, à

medida que o número de ciclos de carregamento aumenta, a extensão axial e radial diminui,

o que indica, pela lei de Hooke, e sabendo que a tensão aplicada é constante, um aumento

do módulo de elasticidade. O aumento do módulo de elasticidade é comprovado também

pela análise dos resultados obtidos, verificando-se a coerência destes;

Tal como nos resultados do ensaio de pista, uma diminuição da frequência de

carregamento conduziu a uma diminuição do módulo de elasticidade;

Verificou-se existir uma variação significativa coeficiente de Poisson em função das

condições de ensaio, embora estes resultados devam ser validados com ensaios adicionais

realizados após implementar algumas melhorias no procedimento de ensaio,

nomeadamente ao nível da eliminação de atrito entre o prato de aplicação de carga e o

provete.

Comparando a análise obtida através de cada ensaio pode-se observar que as conclusões são

idênticas, exceto na análise do módulo de rigidez. No que concerne à deformação observa-se

que o aumento de temperatura também aumenta o valor da deformação, e quanto menor a

frequência maior a deformação. Assim, pode-se concluir que a relação entre a temperatura e a

velocidade de carregamento, face à deformação, é inversa.

5.2 Desenvolvimentos futuros

No seguimento do trabalho iniciado na presente dissertação, e tendo consciência de algumas

incertezas que surgiram ao longo dos trabalhos efetuados, em especial pelo facto deste

trabalho ter sido realizado de forma inovadora com estas condições de ensaio e equipamento,

enumeram-se algumas sugestões para desenvolvimentos futuros:

Capítulo 5 – Considerações finais


No ensaio de pista, WTT, deve-se ter em atenção o confinamento a introduzir no provete,

devendo impedir convenientemente a transferência de deformação dos limites do provete

para facilitar a modelação do comportamento do material;

Melhoramentos no programa que executa a leitura dos dados provenientes dos sensores no

ensaio WTT de modo a evitar a perda de alguns dados;

No ensaio triaxial deve-se ter em atenção a forma de colocação dos sensores, uma vez que

a disposição executada na presente dissertação não permitiu obter resultados coerentes com

a deformação efetivamente verificada nos provetes;

Ainda no ensaio triaxial deve garantir-se a não ocorrência de vazios entre os pratos de

compressão e o provete através da introdução de gesso;

No que diz respeito ao coeficiente de Poisson, deve ser validado com mais ensaios, para se

verificar a tendência referida neste trabalho. Deve-se também proceder a um ensaio nas

mesmas condições, mas com um material onde já seja conhecido o coeficiente, para uma

completa validação dos resultados.

Referências bibliográficas


REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Ahmad, J, Abdul Rahman, MY, Hainin, MR (2011). Rutting evaluation of Dens Graded Hot

Mix Asphalt Mixture. International journal of engineering & technology IJET-IJENS,

volume 11 no 05 pp 56-60.

Airey, GD (2004). Styrene butadiene styrene polymer modification of road bitumens. Journal

of Materials Science, 39(3), p. 951-9.

Anderson, H (2001). Cooperative Highway Program. Environmental Engineering.

Baptista, A (2006). Misturas Betuminosas Recicladas a Quente em Central. Tese de

Doutoramento. Universidade de Coimbra.

CEN, 2001 “Bituminous mixtures - Test methods for mix asphalt - Part 25:

Cycliccompression test”. PrEN 12697-25, European Committee for Standardization, Bussels.

CEN, 2003. “EN 12697-22 Bituminous mixtures. Test methods for hot mix asphalt. Part 22:

Wheel tracking”. European Committee for Standardization, Bussels.

Chen, J, Lin, C, Stein, E, Hothan, J (2004). Development of a Mechanistic-Empirical Model

to Characterize Rutting in Flexible Pavements. Journal of Transportation Engineering,

American Society of Civil Engineers, Vol. 130, N.º 4, pp. 519-525.

Cominsky, RJ, Huber, GA, Kennedy, TW, Anderson, M (1994). The Superpave Mix Design

Manual for New Construction and Overlays. SHRP-A-407. Transportation Research

Board BO, Washington DC.

COST 333 (1999). COST 333 Development of New Bituminous Pavement Design Method,

Final Report of the Action. European Commission, Directorate General Transport,

Office for official Publications of the European Communities, Luxembourg.

Divinsly, M, Nesichi, S (2004). Interlaboratory precision estimation concerning the test

methods for bituminous and asphalt materials for pavement construction. 3rd Eurasphalt

and Eurobitume Congress, Vienna.



FEHRL (2006). BitVal - Analysis of Available Data for Validation of Bitumen Tests. Report

on Phase 1 of the BiTVal Project.

Fontes, LPL (2009). Otimização do desempenho de misturas betuminosas com betume

modificado com borracha para a reabilitação de pavimentos. Tese de Doutoramento.

Universidade do Minho. Guimarães.

Gardete, D (2006). Comparação de Ensaios Laboratoriais para a Caracterização de Misturas

Betuminosas à Deformação Permanente. Tese de Mestrado. Universidade de Coimbra.

Hamed, FKM (2010). Evaluation of Fatigue Resistance for Modified Asphalt Concrete

Mixtures Based on Dissipated Energy Concept. PhD Thesis. Technical University of

Darmstadt.

Houben, L., Visser, A. and van Dommelen, A. (1999). Summary of Lintrack Research into

Rutting of Asphalt Concrete Test Pavement 1999/2000; Report Summary for COST334.

Delft University of Technology Road and Railroad Research Laboratory, Delft.

Hunter, RN (1994). Bituminous mixtures in road construction. Thomas Telford. London.

Kennedy, TW, Huber, GA, Harrigan, ET, Cominsky, RJ, Hughes, CS, Von Quintus, H,

Moulthrop, JS (1994). Superior performing asphalt pavements (Superpave): The

product of the SHRP asphalt research program. SHRP-A-410. Transportation Research

Board BO, Washington DC.

Mahrez, A, Karim, MR (2003). Rheological Evaluation of Ageing Properties of Rubber

Crumb Modified Bitumen. Journal of the Eastern Asia Society for Transportation

Studies, 5, 820-833.

Navarro González, M (2010). Rheology and engineering parameters of bitumen modified with

polyolefins, elastomers and reactive polymers. Technical University of Berlin.

NCHRP (2002). Contribution of Pavement Structural Layers to Rutting of Hot Mix Asphalt

Pavements. NCHRP Report 468, National Cooperative Highway Research Program,

National Academy Press, Washington D.C.

Referências bibliográficas


Nejad, F.M., Aghajani, P., Modarres, A., Firoozifar, H. (2012). Investigating the properties of

crumb rubber modified bitumen using classic and SHRP testing methods. Construction

and Building Materials, 26(1). p. 481-9

Partal, P, Franco, JM (2009). Rheology I. Non-Newtonian Fluids. Encyclopedia of Life

Support Systems (EOLSS).

Partl, MN (2004). Moderators Report Session 8B: Performance Testing and Specification. 3rd

Eurasphalt and Eurobitume Congress, Vienna.

Peralta, EJF (2009). Study of the Interaction between Bitumen and Rubber. MSc Thesis.

University of Minho. Guimarães.

Pereira, P, Miranda, C (1999). Gestão da Conservação dos Pavimentos Rodoviários.

Universidade do Minho, Braga.

Pereira, P, Picado Santos, L (2002). Pavimentos Rodoviários. Edição de autor (ISBN 972-

8692-02-1), Braga.

Redelius, PO (2000). Solubility parameters and bitumen. Fuel, 79(1), p. 27-35.

Scholz, TV (1995). Durability of Bituminous Paving Mixtures. PhD Thesis. University of

Nottingham.

SHRP (1994). Development and Use of the Repeated Shear Test (Constant Height): An

Optional Superpave Mix Design Tool. SHRP-A-698, Strategic Highway Research

Program, National Research Council, Washington, D.C..

Speight, JG (1999). The Chemistry and Technology of Petroleum. 3rd Edition. Marcel Dekker,

Inc. New York.

Su, K, Sun, LJ, Hachiya, Y (2008). Rut prediction for semi-rigid asphalt pavements. First

International Symposium on Transportation and Development Innovative Best Practices.

Yusoff, NIM, Shaw, MT, Airey, GD (2011). Modeling the linear viscoelastic rheological

properties of bituminous binders. Construction Building Materials, 25(5), p. 2171-89.

Zacharias, M, Louw, J, Myburgh, P, Distin, T (2007). Bituminous binders for road

construction and maintenance. Sabita, Manual 2, Fourth Edition, August.

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