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Instituto Superior Técnico Departamento de Engenharia Civil e Arquitectura Secção de Urbanismo, Transportes, Vias e Sistemas
Construção e Manutenção de Infra-estruturas de Transportes Mestrado em Engenharia Civil
MÓDULO B: PAVIMENTOS Folhas da disciplina (versão provisória)
Prof. José Neves Dezembro de 2009
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NOTA PRÉVIA
Disponibiliza-se aos alunos uma primeira versão das folhas da disciplina de
Construção e Manutenção de Infra-estruturas de Transportes relativas ao Módulo B de
Pavimentação. Estas folhas baseiam-se integralmente no Capítulo X – Pavimentação –
das Folhas de Estradas da disciplina de Vias de Comunicação, elaboradas pelo autor e
editadas pela primeira vez em 1999. Espera-se que o presente documento seja a génese
de umas folhas mais adequadas ao conteúdo programático da actual disciplina e que
possa reflectir os desenvolvimentos mais recentes no domínio não só das estradas mas
também das restantes infra-estruturas de transportes.
IST, Lisboa, 2 de Janeiro de 2009.
Prof. José Neves
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PAVIMENTAÇÃO
1 – Função e características gerais dos pavimentos rodoviários
A superfície que resulta das terraplenagens não possui, em geral, características
compatíveis com as condições necessárias à circulação dos veículos nem adequadas
para fazer face à acção dos agentes atmosféricos. Assim, o pavimento é a estrutura
(superestrutura) constituída por camadas de materiais apropriados que se constrói sobre
o terreno (infra-estrutura), de forma a suportar directamente as acções do tráfego e dos
agentes atmosféricos.
Segundo o Vocabulário de Estradas e Aeródromos [1], o pavimento é a “parte
da estrada, rua ou pista que suporta directamente o tráfego e transmite as respectivas
solicitações à infra-estrutura: terreno, obras de arte, etc. Pode ser constituído por uma
ou mais camadas, tendo no caso mais geral uma camada de desgaste e camadas de
fundação. Cada uma destas camadas pode ser composta e construída por várias
camadas elementares.”
Esta definição é, fundamentalmente, de natureza estrutural. Contudo, o aumento
verificado nas últimas décadas dos volumes de tráfego, quer de ligeiros quer de
pesados, e das velocidades de circulação praticadas, fizeram ressaltar a importância de
que o pavimento deve constituir, também, uma adequada superfície para que a
circulação dos veículos se processe com qualidade (conforto, segurança, etc.) para os
seus utentes.
No âmbito da disciplina dá-se maior ênfase aos pavimentos rodoviários
(estradas, áreas de estacionamento, etc.), embora existam outros tipos de pavimentos
como, por exemplo, os pavimentos de aeródromos.
De acordo com o atrás referido, as funções de um pavimento devem satisfazer
critérios de comportamento estrutural e de comportamento funcional: o pavimento deve
ser concebido para proporcionar a capacidade de carga correspondente às solicitações
previsíveis e constituir uma superfície onde o tráfego possa circular de forma segura,
cómoda e eficiente, dentro de limites de custo de construção e conservação aceitáveis, e
para um determinado período de vida.
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Os pavimentos são, genericamente, estruturas como outras estudadas no âmbito
da engenharia civil, mas com a particularidade de serem constituídas por camadas
sobrepostas e construídas com materiais de características mecânicas mais difíceis de
quantificar do que as dos materiais tradicionalmente utilizados noutros tipos de
estruturas, nomeadamente o aço, o betão armado ou mesmo a madeira. De facto, os
materiais usados na pavimentação exibem comportamentos diversos, como sejam, do
tipo visco-elástico (função da temperatura e dos tempos de aplicação de carga), no caso
dos materiais betuminosos, ou função do estado de tensão, como é o caso dos módulos
de deformabilidade dos materiais granulares.
Na fig. 1 apresenta-se o corte esquemático de uma estrutura tipo de pavimento
indicando-se a designação dada às diversas camadas que a constituem e também à sua
fundação, de acordo com terminologia adoptada em Portugal [2, 3]. De um modo geral,
o pavimento é constituído por camadas de superfície (camada de desgaste e camada de
regularização ou ligação) e camadas de fundação (camada de base e camada de sub-
base). A fundação do pavimento é constituída pela camada de leito do pavimento e pelo
conjunto dos terrenos subjacentes (até à profundidade de cerca de 1,0 m abaixo da cota
do pavimento para efeitos de dimensionamento) que condicionam o seu comportamento
[3]. A superfície superior da camada de leito do pavimento onde assenta o pavimento
designa-se por plataforma de apoio do pavimento.
Camada de desgasteCamada de regularização ou de ligação
Camada de base
Camada de sub-base
Leito do pavimento
Aterro ou terreno natural 1 m
Superfície do pavimento
Plataforma
Pavimento
Fundação dopavimento
Fig. 1 - Constituição de um pavimento tipo (adaptado de [13])
4
A camada de desgaste é a camada superior do pavimento que está directamente
sujeita ao tráfego e aos agentes atmosféricos. Assim, esta camada deve garantir a
circulação dos veículos em condições de segurança (resistência à derrapagem,
visibilidade, etc.), conforto (óptico, acústico e dinâmico) e economia (em termos de
consumo de combustíveis, desgaste de veículos, consumo de pneus e tempo de viagem).
A camada de base e a camada de sub-base têm como função principal a
degradação das cargas transmitidas directamente à camada de desgaste, de modo a que
cheguem à fundação do pavimento com valores compatíveis com a capacidade de carga
desta.
A camada de leito do pavimento visa adaptar as características aleatórias e
dispersas dos materiais existentes nas camadas superiores dos aterros, ou dos materiais
“in situ” nas escavações, às características mecânicas, geométricas, hidráulicas e
térmicas, consideradas como hipóteses no projecto da estrutura do pavimento. As
camadas de leito do pavimento podem ser realizadas em solos arenosos seleccionados,
seixos, e material granular de granulometria extensa [3]. Pode-se, ainda, considerar a
hipótese de construir camadas de leito do pavimento em solos tratados com cal ou com
ligantes hidráulicos (cimento), para obter a fundação pretendida.
Os terrenos subjacentes ao pavimento ou existem em escavação (terreno
natural) ou em aterro. Em escavação, a fundação inclui os terrenos encontrados “in situ”
que, nalguns casos, poderão não ter características geotécnicas adequadas e, portanto,
necessitarem de ser substituídos ou tratados. Os terrenos em escavação deverão ser
caracterizados até uma profundidade abaixo da cota da rasante que seja suficiente para
conhecer todos os materiais que irão condicionar o comportamento do pavimento. Em
aterro, os terrenos ou materiais em que irá assentar a camada de leito do pavimento
constituem a chamada parte superior do aterro. Pela posição que estes materiais ocupam
no aterro, devem utilizar-se os de melhor qualidade de entre os disponíveis em obra, de
modo a conseguirem-se as melhores características possíveis para a fundação do
pavimento a um baixo custo.
Os tipos de pavimentos mais frequentes (fig. 2) são os pavimentos flexíveis,
rígidos e semi-rígidos. Esta classificação baseia-se, essencialmente, no tipo de materiais
utilizados na construção das camadas. Nos pavimentos flexíveis utilizam-se materiais
granulares tratados com ligante hidrocarbonado (betume asfáltico) nas camadas de
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superfície e também, com frequência, na camada de base (fig. 2-a). Os pavimentos
rígidos são constituídos, essencialmente, por uma laje de betão de elevada resistência
(armada ou não armada), com as funções atribuídas às camadas de desgaste e de base,
assente normalmente sobre camada tratada com ligante hidráulico (cimento) (fig. 2-b).
Os pavimentos semi-rígidos são constituídos por camada superior tratada com ligante
hidrocarbonado sobre camada tratada com ligante hidráulico.
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3
4 456
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14
a) b)
Legenda
1 - superfície do terreno natural2 - aterro3 - leito do pavimento4 - berma (camadas de base e de superfície)5 - camada de sub-base6 - camada de base7 - camadas de desgaste e de regularização
8 - laje de betão (armada ou não)9 - plataforma de apoio do pavimento10 - terreno natural11 - pavimento12 - valeta13 - faixa de rodagem14 - plataforma (da estrada)
Fig. 2 - Constituição da estrutura de um pavimento: a) flexível; b) rígido (adaptado de [14])
A principal diferença entre os dois primeiros tipos de pavimentos - flexíveis e
rígidos - baseia-se no modo como é suportada e distribuída a carga sobre a fundação
(fig. 3). Nos pavimentos flexíveis são, fundamentalmente, a camada de base e a camada
de sub-base que suportam as cargas transmitidas pelos veículos. A deformabilidade
destas camadas traduz-se numa certa concentração e intensidade das pressões no solo de
fundação. No caso dos pavimentos rígidos, é a laje de grande resistência e rigidez que
desempenha a função de suporte e, por isso, as pressões no solo são, em geral, menores
que nos pavimentos flexíveis, embora actuando numa área maior. Os pavimentos semi-
rígidos apresentam comportamento de pavimento rígido e flexível, atendendo à
composição das respectivas camadas.
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Os pavimentos em calçada, constituídos por blocos de pedra assentes à mão e
batidos com maço manual, também considerados de tipo flexível, estão actualmente em
desuso, com excepção no que se refere à sua utilização em passeios.
Pavimento flexível Pavimento rígido
Fig. 3 - Distribuição aproximada de tensões verticais na fundação de um pavimento [4]
Na fase de concepção do pavimento são definidas soluções estruturais possíveis
para o pavimento, que depois serão analisadas na fase de dimensionamento. A opção
por determinada solução de pavimentação deve resultar da ponderação de diversos
factores externos, como por exemplo: o tipo e importância da via, o tipo e intensidade
do tráfego, as características geomorfológicas e geológicas da região, as características
geotécnicas dos materiais disponíveis, as condições de aprovisionamento, as condições
climáticas e condições económicas.
Uma vez seleccionado um dado tipo de pavimento, o dimensionamento do
pavimento consiste em calcular as espessuras das camadas e especificar as
características dos materiais dessas camadas, de forma a limitar, durante a vida de
projecto, a ocorrência de degradações estruturais.
Os pavimentos são dimensionados para um determinado período de
dimensionamento que é o período de tempo durante o qual o pavimento deve assegurar
adequadas condições de circulação do tráfego (segurança, economia e conforto),
minimizando a necessidade de obras de grande conservação nesse período. Para os
pavimentos flexíveis e semi-rígidos consideram-se períodos de dimensionamento da
ordem de 20 anos. Para os pavimentos rígidos, o período adoptado é em geral superior
(30 anos).
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Os primeiros métodos de dimensionamento de pavimentos eram métodos
empíricos, baseados na aplicação directa de resultados obtidos na observação do
comportamento de pavimentos em trechos piloto. O desenvolvimento de técnicas de
ensaio para caracterização mecânica dos materiais e de meios de cálculo automático
criou as condições necessárias ao aparecimento de métodos do tipo racional baseados
na análise estrutural, também conhecidos por métodos estruturais ou analítico-
empíricos. Estes métodos utilizam modelos de comportamento estrutural que, a partir da
geometria e das características mecânicas das camadas constituintes do pavimento, e do
tipo de carga aplicada à superfície do pavimento, calculam as tensões, deformações e
deslocamentos em qualquer ponto da estrutura do pavimento. Os valores obtidos
deverão satisfazer determinados critérios de dimensionamento com o objectivo de evitar
que o pavimento atinja certos estados de ruína durante o período de dimensionamento.
As principais fases do dimensionamento estrutural de pavimentos são esquematizadas
na fig. 4.
Recolha de dadosConcepção do pavimento
Modelo de comportamentoestrutural. Cálculo σ/ε.
Análise dos modos dedegradação.
Avaliação de resistência Critérios de dimensionamento
Alterar geometriaAlterar materiais
Não
Sim
Análise do projecto
σ, εsatisfaz critério?
Fig. 4 - Principais fases do dimensionamento estrutural de pavimentos [2]
Os principais dados para o dimensionamento estrutural são: o tráfego que irá
utilizar o pavimento durante o período de dimensionamento; as condições climáticas; as
condições de fundação; e as propriedades dos materiais a utilizar nas várias camadas do
pavimento.
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As estradas são utilizadas por uma grande diversidade de veículos com
diferentes dimensões e tipos de suspensão, circulando a velocidades diferentes e
transportando cargas variadas. No dimensionamento de pavimentos rodoviários é
usualmente considerado apenas o efeito do tráfego de veículos pesados.
As condições ambientais mais importantes no dimensionamento de pavimentos
são a temperatura e a pluviosidade. Estas condições, para além de afectarem as
propriedades mecânicas dos materiais, podem também constituir uma solicitação a
considerar no cálculo, como é o caso da temperatura no dimensionamento dos
pavimentos semi-rígidos e rígidos.
As condições de fundação, em especial da camada de leito do pavimento, são
importantes no comportamento da estrutura do pavimento e na escolha do tipo de
pavimento a construir, como já se referiu. É sempre recomendável optar-se pelas
melhores soluções de fundação, segundo critérios técnicos e económicos razoáveis,
mesmo que tal exija a substituição ou tratamento dos materiais locais. Este
procedimento permitirá não só reduzir a espessura das camadas superiores do
pavimento, que são construídas com materiais mais nobres e caros, à custa de materiais
mais baratos, mas também tornar eficientes as intervenções de alterações ou reforços
das camadas superiores após a construção.
Na fase de estudo prévio é possível recorrer a manuais de concepção de
pavimentos na forma de catálogo, com o objectivo de apoiar e orientar a concepção das
estruturas de pavimentos e respectivas fundações. É o caso do “Manual de Concepção
de Pavimentos para a Rede Rodoviária Nacional” da Junta Autónoma de Estradas [3]
em que se propõem estruturas tipo para pavimentos flexíveis, semi-rígidos e rígidos, a
considerar em novos traçados da rede rodoviária nacional. Estas estruturas foram
estabelecidas para determinadas condições relativas ao tráfego, condições climáticas,
condições de fundação e materiais de pavimentação. Entre as diversas soluções de
pavimentação propostas, deve ser escolhida a mais adequada a cada caso concreto, com
base em considerações técnico-económicas, prazos de execução e exigências futuras do
pavimento. Apresenta-se em anexo, como exemplo, algumas das estruturas tipo
propostas pelo referido manual.
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A importância fundamental que os pavimentos têm na estrada é devida, também,
quer ao investimento que representam em relação à totalidade da obra (seja uma obra
nova, seja uma obra de beneficiação), quer à avaliação da qualidade de estrada que é
feita pelos utentes, baseada fundamentalmente na regularidade do pavimento e no seu
estado de conservação. O planeamento e acompanhamento da construção assumem,
portanto, primordial importância na perspectiva de garantia de qualidade dos
pavimentos. Parte das degradações que ocorrem nos pavimentos podem ser evitadas se
se acompanhar a sua construção com a realização de estudos adequados, referentes aos
materiais e aos processos construtivos. Nos anos mais recentes, a necessidade de
optimização das características dos pavimentos e dos custos tem motivado a aplicação
de novos materiais e processos construtivos, que fazem apelo a uma nova filososfia de
qualidade
A observação do comportamento do pavimento após a sua entrada em serviço,
por vezes acompanhada de instrumentação, é importante para permitir não só adoptar
atempadamente as medidas de conservação necessárias, mas também para calibrar
métodos de dimensionamento e modelos de comportamento utilizados no projecto de
pavimentos.
A chamada gestão da conservação dos pavimentos enquadra-se nestas
preocupações e visa, em suma, garantir a qualidade dos mesmos ao longo da sua vida
útil, utilizando-se da melhor forma os recursos financeiros das administrações
rodoviárias.
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2 – Elementos sobre pavimentos flexíveis
Os pavimentos flexíveis são constituídos em geral por camadas de superfície em
materiais granulares aglutinados com ligante hidrocarbonado (betume asfáltico), e
camadas de base e de sub-base em materiais granulares não tratados. É frequente
adoptarem-se duas camadas de superfície de constituição diferente: uma camada
inferior, camada de regularização ou de ligação, constituída por agregado de maiores
dimensões e menos rica em ligante; e uma camada superior, a camada de desgaste
propriamente dita. Entre estas camadas aplica-se uma rega de colagem betuminosa para
assegurar a aderência. Actualmente, assiste-se à construção de camadas de base em
material granular tratado com ligante hidrocarbonado, como se verá adiante.
Os materiais utilizados na construção das camadas dos pavimentos flexíveis são
predominantemente materiais granulares, ligados ou não com ligante hidrocarbonado.
No caso de ser utilizado ligante, os materiais designam-se por misturas betuminosas.
A maior parte dos materiais granulares utilizados nas camadas de base e de
sub-base são materiais naturais obtidos a partir de diferentes rochas, através de britagem
ou não. O comportamento mecânico destes materiais depende, sobretudo, das suas
características intrínsecas (natureza, forma, propriedades físicas, granulometria, e
quantidade de elementos britados) e das condições de estado (compacidade, teor em
água e estado de tensão). Os materiais granulares mais utilizados são, então, designados
por: material britado de granulometria extensa recomposto em central; material britado
de granulometria extensa sem recomposição designado correntemente por “tout-
venant”; material não britado de granulometria extensa [3]. Admite-se, ainda, que
possam ser utilizados solos granulares seleccionados na camada de sub-base.
Existem dois tipos principais de ligantes betuminosos: o betume e o alcatrão
[4]. O betume é, basicamente, uma mistura de hidrocarbonetos de origem natural ou
artificial, ou de ambas, frequentemente acompanhados pelos seus derivados não
metálicos. Entre os diversos betumes, o betume utilizado para fins rodoviários é o
betume asfáltico de origem petrolífera. O alcatrão é um produto betuminoso semi-sólido
ou líquido, resultante da pirogenação de materiais orgânicos (hulha, lenhite, madeira,
etc.).
11
A aplicação dos betumes asfálticos às temperaturas ordinárias só é possível na
forma fluída por aquecimento, fluxagem (betumes fluidificados) ou emulsionamento
(emulsões betuminosas). Os betumes fluidificados resultam da dissolução dos betumes
em solventes adequados. As emulsões betuminosas obtêm-se por dispersão do betume
em água através de um agente emulsionante que garante a estabilidade da emulsão.
Recentemente, tem-se verificado a incorporação de certos polímeros no betume dando
origem a betumes modificados, que se caracterizam por menor susceptibilidade térmica
e maior resistência às deformações permanentes e fadiga. A escolha do tipo de betume a
utilizar em cada caso depende de múltiplos factores, tais como o objectivo a atingir, o
clima e o tipo de agregado a usar.
As misturas betuminosas são constituídas por agregado, por betume com a
função de ligante e de impermeabilização, e por ar existente nos vazios. As suas
propriedades dependem fortemente das proporções volumétricas relativas destas três
componentes, bem como das características específicas do agregado e do ligante. A
viscosidade é uma das propriedades mais importantes do betume, pelo que o
comportamento mecânico das misturas betuminosas depende, entre outros aspectos, da
temperatura a que estas se encontram e do tempo de actuação das cargas. As principais
misturas betuminosas, aplicadas tradicionalmente nas camadas de regularização e de
desgaste e, mais recentemente, nas camadas de base, são misturas betuminosas a quente
[3]. Existem, ainda, as misturas betuminosas a frio constituídas por inertes e emulsão
betuminosa, para as quais não é necessário aquecer previamente os inertes. A mistura é
colocada à temperatura ambiente.
Dado que a camada de sub-base se encontra relativamente afastada da
superfície de aplicação das cargas, aceita-se que esta camada seja construída com
materiais de qualidade inferior à dos materiais utilizados nas camadas superiores dos
pavimentos e, portanto, mais baratos. É vulgar utilizar na sub-base materiais como o
saibro, a areia ou materiais granulares de granulometria extensa sem recomposição
(“tout-venant”) [3]. Em algumas situações, poderá ser considerado técnico-
economicamente justificado construir camadas de sub-base em solos tratados com cal
ou em solos tratados com cimento (eventualmente também com cal).
A camada de base deve ser constituída por agregados de natureza e
granulometria compatíveis com a resistência aos esforços tangenciais e ao esmagamento
12
devido às solicitações do tráfego. Esta resistência é conferida não só pelo agregado mas
também pelo efeito da adição de saibro ou de betume. No primeiro caso, têm-se os
macadames hidráulicos, e no segundo caso a aplicação de betume dá origem às
penetrações betuminosas, impregnações betuminosas e macadames betuminosos.
As camadas de base em macadame hidráulico, actualmente em desuso, são
constituídas por uma ou duas camadas de brita de granulometria uniforme, compactadas
e estabilizadas com saibro que é espalhado sobre as mesmas. A penetração betuminosa
consiste numa camada compactada de agregado de granulometria adequada em que se
faz penetrar em toda a espessura da mesma o betume, espalhando-se posteriormente
areia ou um agregado de recobrimento (gravilha) e compactando. Quando o ligante não
atinge toda a espessura da camada, tem-se uma semi-penetração betuminosa. As
impregnações betuminosas consistem na rega superficial de betume, suficientemente
líquido, sobre a camada de base em agregado de granulometria extensa compactada.
Este tratamento favorece a adesão entre a base e a camada superior e aglutina e
impermeabiliza a parte superior da camada. As camadas de base em misturas
betuminosas são designadas correntemente por macadames betuminosos.
Na camada de regularização ou de ligação utilizam-se, sobretudo, misturas
betuminosas densas, caracterizadas por uma baixa porosidade.
A camada de desgaste pode ser um revestimento superficial betuminoso ou um
betão betuminoso. No primeiro caso, a camada de desgaste destina-se apenas a garantir
uma superfície regular e impermeável. No segundo caso, sobretudo para camadas
espessas, a camada assegurará já uma repartição importante das cargas.
Os revestimentos superficiais betuminosos são obtidos por espalhamento
sucessivo do ligante betuminoso e agregado de dimensões apropriadas (areia ou
gravilha), seguido de compactação. Esta técnica aplica-se sobre bases em semi-
penetração betuminosa.
O betão betuminoso é uma mistura betuminosa de porosidade baixa, constituída
por agregado grosso (pedra britada), finos (areia ou finos de pedreira) e “filler”
(cimento ou pó de calcário) uniformemente misturados, utilizando-se betume asfáltico
como ligante.
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A necessidade de aumentar a durabilidade dos pavimentos face à acção
agressiva do tráfego e das condições atmosféricas, associada ao grande incremento da
construção rodoviária, determinou o desenvolvimento de novos materiais para camadas
de superfície, recorrendo quase sempre a ligantes modificados [5]. Entre estes materiais,
figuram as misturas betuminosas drenantes, as misturas betuminosas rugosas e os
microaglomerados betuminosos a frio. As misturas betuminosas drenantes visam
essencialmente melhorar o comportamento funcional, garantindo a drenagem da água
superficial para as bermas e condições de conforto óptico (ausência de projecção de
água) e acústico (no exterior e no interior do veículo) face à circulação dos veículos. As
misturas betuminosas rugosas garantem, sobretudo, uma elevada aderência entre o pneu
e o pavimento, melhorando, por isso, a resistência à derrapagem em tempo chuvoso e
para velocidades elevadas. Os microaglomerados betuminosos a frio são aplicados na
recuperação das características superficiais dos pavimentos, em alternativa a soluções
de conservação superficial tradicionais, em que o objectivo da intervenção não é o
reforço estrutural.
Os métodos empíricos de dimensionamento de pavimentos flexíveis permitem
estimar a espessura das camadas do pavimento em função do solo de fundação,
caracterizado por meio de um ensaio de resistência, como é o caso do Método de CBR
(“California Bearing Ratio”), apresentado em 1938, ou apenas por ensaios de
identificação geotécnica, como é o caso do Método do Índice de Grupo, desenvolvido
em 1945 [6, 7]. Na década de 50, começaram a surgir outros métodos que, embora
empíricos, são baseados nos resultados de ensaios experimentais, como por exemplo, o
Método do “Road Research Laboratory” (“Road Note 29”) e o Método do “Asphalt
Institute” [2, 6], incorporando já explicitamente as solicitações acumuladas do tráfego.
Actualmente, o dimensionamento de pavimentos flexíveis baseia-se em métodos
do tipo racional. Um dos modelos de comportamento estrutural mais utilizado em
pavimentos flexíveis é o modelo de multi-camadas apresentado por Burmister, em 1945,
que assimila o pavimento a um conjunto de camadas horizontais, contínuas,
homogéneas, isotrópicas e elásticas, assentes num meio semi-infinito, em cuja
superfície actua uma carga uniformemente distribuída numa área circular (fig. 5).
14
Os programas de cálculo
automático baseados no modelo de
Burmister são os meios de cálculo
mais utilizados pela sua facilidade de
utilização e por serem menos
exigentes em termos computacionais.
O método dos elementos finitos,
muito utilizado em investigação, tem
sido reconhecido como a técnica
mais adequada à análise estrutural de
pavimentos, pois permite ter em
conta aspectos não contemplados
pelos métodos tradicionais.
r
p
h1, E1, ν1
h2, E2, ν2
En, νn
Camadas elásticas
Simetria de revolução
σz
σrσθ
Interface:aderênciaoudeslizamento
Fig. 5 - Modelo de Burmister [15]
Os critérios de dimensionamento considerados em pavimentos flexíveis são o
fendilhamento por fadiga das camadas betuminosas e o aparecimento de deformações
permanentes à superfície dos pavimentos (fig. 6). A ruína por fadiga manifesta-se pelo
aparecimento de fissuração em malha sensivelmente regular, designada por “pele de
crocodilo” [1] e é consequência da aplicação repetida de extensões de tracção nas
camadas betuminosas provocadas pela passagem dos veículos. A ocorrência de
rodeiras (sulcos longitudinais produzidos pelas rodas dos veículos nos pavimentos [1])
é considerada o outro estado de ruína dos pavimentos flexíveis e resulta da acumulação,
à superfície do pavimento, de deformações permanentes que ocorrem na fundação, nas
camadas granulares e nas camadas betuminosas.
Fendilhamento
Camadas betuminosas
Camadas granulares
Fundação
Def
orm
açõe
spe
rman
ente
s
Fig. 6 - Estados de ruína considerados no dimensionamento de pavimentos flexíveis [16]
15
A caracterização dos materiais é feita através de relações tensões-extensões
obtidas por via experimental em ensaios realizados em condições que se possam
considerar representativas do pavimento a dimensionar.
A fig. 7 exemplifica, simplificadamente, o tipo de diagramas de distribuição de
tensões e temperaturas em profundidade que é possível ter num pavimento flexível
solicitado à superfície pela carga de uma roda.
pCompressão Tracção Compressão
eixo neutro
P
Temperatura
(aumento)
Camadas betuminosas
Camadas granulares
Fundação
a) b) c) d)
a) Estrutura do pavimentob) Distribuição de tensões verticais segundo a vertical da rodac) Distribuição de tensões horizontais segundo a vertical da rodad) Distribuição de temperaturas em profundidade
Fig. 7 - Distribuição de tensões e temperaturas em profundidade num pavimento
flexível [17]
Os aspectos mais importantes da execução de pavimentos flexíveis estão
relacionados com a construção de camadas de materiais granulares e de camadas de
misturas betuminosas.
As operações de espalhamento e compactação são fundamentais na execução de
camadas granulares [8]. O espalhamento deve ser feito a toda a largura da plataforma,
sem juntas de trabalho, e de forma a evitar a segregação dos agregados, o que pode ser
conseguido através da molhagem dos agregados antes do espalhamento. A compactação
das camadas granulares é feita com cilindros vibradores de rasto liso.
As fases principais de execução de camadas de misturas betuminosas a quente,
quer sejam misturas tradicionais quer sejam misturas especiais, são o fabrico,
16
transporte, espalhamento e compactação das misturas [9, 10]. O fabrico das misturas
betuminosas é realizado em centrais onde se processa o pré-doseamento, o aquecimento
e a secagem dos agregados, bem como o controlo granulométrico, doseamento e mistura
dos constituintes. O transporte das misturas betuminosas das centrais para a obra é feito
em camiões basculantes de caixa metálica. Antes do espalhamento, é feita a preparação
da superfície que consiste, primeiramente, na limpeza para facilitar a acção do
aglutinante e, posteriormente, na aplicação de um tratamento betuminoso. Sobre camada
granular, esse tratamento é uma rega de impregnação, e sobre camada betuminosa, é
uma rega de colagem.
O espalhamento das misturas betuminosas pode ser manual ou com máquina
pavimentadora que assegura simultaneamente o espalhamento, segundo uma certa
largura e espessura da camada, e o acabamento. A escolha do processo de espalhamento
mais adequado a cada caso deverá ter em conta o tipo de obra, o perfil longitudinal e
transversal, o tipo de camada a construir e, consequentemente, o tipo de nivelamento a
utilizar para atingir a regularidade pretendida.
A máquina pavimentadora é constituída por uma barra vibradora que assegura,
durante o espalhamento, uma compactação ligeira da mistura. Na fase de compactação
são utilizados cilindros, escolhidos em função do tipo de mistura, da espessura da
camada, da temperatura externa e da intensidade do vento. Na compactação de misturas
betuminosas convencionais utilizam-se cilindros de rasto liso, com possibilidade de
vibração, e cilindros de pneus.
A fig. 8 mostra a
execução da camada de
base em macadame
betuminoso com máquina
pavimentadora, no IC19
(1993).
Fig. 8 - Construção de pavimento flexível
17
3 – Elementos sobre pavimentos rígidos
Os pavimentos rígidos consistem basicamente numa laje de betão (que assegura
as funções das camadas de desgaste e de base), assente sobre camada de sub-base ou
directamente no leito do pavimento.
Os tipos de pavimentos rígidos mais correntes são [11]: pavimento em lajes de
betão simples com juntas; pavimento em lajes de betão armado com juntas; pavimento
em betão armado contínuo; pavimento em betão armado pré-esforçado; e pavimento em
betão armado reforçado com fibras metálicas. Subjacente a esta classificação está,
essencialmente, o tipo de mecanismo utilizado no controlo da fissuração do pavimento,
aspecto extremamente importante nos pavimentos rígidos.
O pavimento constituído por lajes de betão simples possui juntas transversais de
contracção cujo espaçamento, da ordem dos 3 a 5m, é definido de forma a que o
comportamento do pavimento não seja influenciado pelas tensões devidas a variações
de temperatura e/ou humidade no seu interior. Este tipo de pavimento é o que apresenta
menor custo inicial e maior facilidade de construção.
A utilização de armadura (malhas em aço normalizadas) nos pavimentos em
lajes de betão armado com juntas tem como principal função controlar o aparecimento
das fissuras e, consequentemente, a sua abertura. Neste tipo de pavimento, as juntas
transversais de contracção estão mais espaçadas (da ordem dos 10 a 15m).
No pavimento em betão armado contínuo, correntemente designado por BAC, a
existência de armadura longitudinal contínua a todo o comprimento do pavimento,
juntamente com o atrito entre a laje e a sub-base do pavimento, assegura o controlo da
abertura das fissuras, pelo que não existem juntas transversais de contracção. Como no
caso anterior, esta armadura não é considerada para efeitos estruturais.
Os pavimentos em betão armado pré-esforçado e em betão armado reforçado
com fibras metálicas têm utilização pouco frequente.
Uma das principais características dos pavimentos rígidos é a existência de
descontinuidades transversais ou longitudinais - juntas ou fissuras - impostas ou não
durante a construção, tal como se representa na fig. 9. Estas juntas têm como objectivo
permitir a contracção e a dilatação do betão, sob a acção de variações de temperatura e
de humidade, de modo a limitar a fendilhação - juntas de contracção e de dilatação - e
18
ligar partes do pavimento betonadas em tempos diferentes - juntas de construção. As
juntas são dimensionadas e construídas de modo a garantir uma adequada capacidade de
transferência de cargas, de uma para outra laje, o que pode ser conseguido através de
várias soluções construtivas, como por exemplo, a interpenetração do agregado nos
bordos das lajes, ligação tipo macho-fêmea ou varões de ligação / barras de transmissão
de carga (“passadores”), actuando em conjunto ou isoladamente. Para além destas
juntas, há ainda a considerar juntas de dilatação em determinadas situações particulares,
como é o caso da vizinhança de obras de arte com algum desenvolvimento e no início
de curvas de pequeno raio. Todas estas juntas são correntemente seladas com produtos
adequados, de forma a ser garantida a estanqueidade relativamente à água exterior e a
evitar a acumulação de detritos sólidos. Nos pavimentos em BAC não existem juntas
transversais o que tem a vantagem de reduzir o risco de fissuração por atraso na
serragem das juntas e de diminuir os custos de conservação essencialmente dependentes
da reparação das juntas. Ao mesmo tempo, os níveis de conforto e economia para o
utente são mais elevados.
Junta longitudinal
Junta transversal
Lajes armadas
Junta longitudinalcom varões de ligação
Junta transversalde contracção
Junta transversalde contracção com passadores
Lajes em betão simples
Fig. 9 - Juntas típicas em pavimentos rígidos [11]
19
Os pavimentos rígidos têm por um lado um custo mais elevado, pois exigem um
maior investimento inicial, mas por outro lado apresentam encargos de manutenção
mais reduzidos do que pavimentos flexíveis equivalentes, para um período de vida
maior. Por este facto, estes pavimentos são recomendados para vias de tráfego muito
intenso, situação corrente em auto-estradas metropolitanas, em que é desejável reduzir
ao mínimo as operações de conservação e, consequentemente, minimizar os custos e os
incómodos para os utentes. Em vias sujeitas a tráfego intenso de veículos pesados, a
solução de pavimento rígido poderá ser adequada por razões estruturais.
Os materiais de pavimentação mais utilizados nos pavimentos rígidos são as
misturas com ligantes hidráulicos, nomeadamente os agregados de granulometria
extensa com cimento, o betão pobre e, sobretudo, o betão de cimento com fins
rodoviários, correntemente designado por betão “rodoviário” [3]. O ligante hidráulico
normalmente utilizado é o cimento que deverá obedecer a características específicas,
como por exemplo, a classe de resistência e o tempo de presa.
Quando o material tratado com ligante hidráulico é um agregado seleccionado
que satisfaz a uma dada granulometria, obtém-se um agregado de granulometria
extensa tratado com cimento. A mistura do agregado com o ligante pode ser feita “in
situ” ou em central.
O betão pobre é um betão com teor em cimento inferior ao do betão utilizado
em camada de desgaste e, como consequência, é caracterizado por ter menor resistência
mecânica. A tecnologia de fabrico e os ensaios de controlo são idênticos aos utilizados
no caso do betão convencional, o que o distingue de um agregado de granulometria
extensa tratado com cimento. A sua colocação em obra faz-se, em geral, por vibração ou
por compactação.
O betão “rodoviário” é um betão constituído por inertes finos (areia natural ou
misturada com areias de britagem em determinadas proporções), agregados médio e
grosso, cimento, água e, ainda, aditivos a considerar em cada caso, como por exemplo,
plastificantes (maior trabalhabilidade) e modificadores de presa e do endurecimento.
Este betão deverá garantir requisitos de resistência à flexão compatíveis com o
dimensionamento estrutural, de durabilidade suficiente para suportar todas as
solicitações durante a sua vida útil e de trabalhabilidade e composição adequadas ao
equipamento de construção.
20
O comportamento das misturas com ligantes hidráulicos depende,
essencialmente: da dosagem e do tipo de ligante; do tipo de agregado, das suas
características físicas e da sua granulometria; da compacidade da mistura, e das
condições de cura.
As exigências relativas à fundação dos pavimentos rígidos, nomeadamente no
que se refere à camada de leito do pavimento, devem ser muito rigorosas por forma a
assegurar-se a uniformidade no suporte do pavimento (evitando-se os indesejáveis
assentamentos diferenciais e consequentemente os esforços na laje a eles associados), a
controlar-se a expansibilidade dos solos de fundação e a limitarem-se os efeitos da
existência de água no pavimento. Estas mesmas funções podem ser desempenhadas por
uma camada de sub-base, construída com mistura de agregados com cimento ou em
betão pobre.
Neste tipo de pavimentos é a laje de betão que, pela sua elevada rigidez,
assegura a maior parte da resistência estrutural às cargas aplicadas à superfície pelas
rodas dos veículos e que, simultaneamente, mais contribui para a degradação das
tensões transmitidas ao solo de fundação. A contribuição da camada de sub-base e da
fundação para a capacidade de suporte dos pavimentos rígidos é secundária. É corrente
a intercalação de material entre a laje e a camada de sub-base, como por exemplo uma
camada fina de material betuminoso, para evitar-se a transmissão à laje de betão das
fendas existentes na camada de sub-base, evitar-se a erosão desta camada e obter-se
uma plataforma com a regularidade geométrica que garanta boas condições de
espalhamento e uma adequada execução da laje.
As características superficiais de um pavimento rígido são conferidas pela
textura superficial (micro e macro-textura) e pela regularidade geométrica da laje de
betão. Estas características são extremamente importantes de forma a serem asseguradas
quer a drenagem superficial quer a resistência à derrapagem adequada para as
velocidades de tráfego esperadas. A micro-textura é normalmente obtida impondo uma
certa percentagem de areia siliciosa na composição do betão. A macro-textura, que é
fundamental para garantir a aderência dos pneus principalmente quando o pavimento
está molhado, pode ser conseguida por vários processos como a ranhuragem transversal
(regular ou irregular), a ranhuragem longitudinal, a escovagem transversal, a
decapagem química ou a incrustação de gravilha dura no betão fresco. A opção técnica
21
de uma destas soluções implica um compromisso entre o conforto e a segurança,
atendendo a que uma superfície mais rugosa é mais segura mas provoca mais ruído.
O comportamento dos pavimentos rígidos é controlado fundamentalmente pelos
níveis de tensões devidos ao tráfego, à retracção e às condições climatéricas, e pela
existência de água no pavimento. Os métodos de dimensionamento de pavimentos
rígidos têm como objectivo principal determinar a espessura mínima da laje, de modo a
que as tensões de tracção por flexão na sua base sejam inferiores às tensões máximas
admissíveis do betão, para o período de dimensionamento [11]. O Método da “Portland
Cement Association” (P.C.A.) e o Método do “Centre de Recherches Routières”
(C.R.R.) são exemplos de métodos de dimensionamento de pavimentos rígidos [11].
À semelhança do dimensionamento dos pavimentos flexíveis, a verificação da
resistência de um pavimento rígido com base na análise estrutural assenta no cálculo
dos estados de tensão, deformação e deslocamentos induzidos na laje do pavimento e na
sua comparação com valores limites impostos pelos critérios de dimensionamento.
O modelo de laje de Westergaard,
inicialmente desenvolvido em 1925, é
considerado o modelo de comportamento
estrutural mais adequado para a análise
estrutural de pavimentos rígidos. Este
modelo considera o pavimento como uma
laje apoiada sobre apoios elásticos, tal
como se representa na fig. 10. O método
dos elementos finitos aplicado a este tipo
de pavimentos é também uma poderosa
ferramenta de cálculo alternativa, com a
vantagem de permitir contemplar
algumas das limitações impostas pelos
meios de cálculo tradicionais, como por
exemplo a existência de
descontinuidades.
r
p
h
σv=K w
LajeE, ν
w=E h3 / (12 (1-ν2))
σv – tensão vertical no solow – deslocamento vertical da lajeK – módulo de reacção do solo
Fig. 10 - Modelo de Westergaard [11]
Um dos critérios de dimensionamento de pavimentos rígidos está associado ao
fendilhamento por fadiga do betão, que resulta da aplicação repetida de tensões de
tracção na face inferior da laje causada pela passagem dos veículos. As tensões internas
22
devidas quer à retracção (desenvolvidas durante e após o endurecimento do betão) quer
às variações de temperatura e humidade no interior da própria laje, controlam a
concepção das juntas de contracção e o dimensionamento da armadura longitudinal de
controlo da fissuração.
O fenómeno de bombagem é a outra principal causa de degradação, que
consiste na expulsão, sob pressão, da água existente na sub-base, no leito de pavimento
ou sob o material das bermas através das juntas transversais, das fissuras ou da interface
pavimento/berma (fig. 11). Este fenómeno é responsável pela erosão da fundação na
zona das juntas que origina, consequentemente, o escalonamento das lajes (deformações
permanentes) e o aparecimento de fendas transversais e de canto, por deficiência de
apoio da laje.
Laje anterior Laje posterior
Finos acumulados Cavidade
Escalonamento
Fig. 11 - Fenómeno de bombagem em juntas de pavimentos rígidos [11]
A execução de pavimentos rígidos engloba, essencialmente, as operações de
fabrico, transporte, colocação, compactação e acabamento do betão das camadas de
desgaste e de sub-base [11, 12].
As recomendações a seguir no fabrico e transporte do betão estão relacionadas,
entre outros aspectos, com o armazenamento e dosagem dos materiais componentes,
amassadura do betão, e modo de transporte. O betão é fabricado em central e
transportado em camiões.
As operações de colocação, compactação e acabamento do betão devem ser
executadas de modo a satisfazerem as tolerâncias em termos de espessura, resistência e
regularidade compatíveis com os valores preconizados em projecto.
23
A laje em betão pode ser construída por dois processos: com a utilização de
cofragens fixas; ou com recurso a equipamento de cofragens deslizantes. A utilização de
cofragens deslizantes é recomendada em obras de certo volume e/ou extensão. O
equipamento para execução da laje consiste, no essencial, numa espalhadora, com ou
sem cofragens deslizantes e equipada com sistema de guiamento, com a função de
espalhar, compactar, nivelar e regularizar uniformemente o betão,. A compactação do
betão é feita por vibração. Após a construção da laje e antes de ser aplicado o
tratamento de cura, é dada à superfície do pavimento uma textura homogénea, capaz de
proporcionar ao tráfego boas condições de aderência.
Para retardar a perda de água durante a presa e o endurecimento do betão,
controlando-se ao mesmo tempo a elevação excessiva da temperatura à superfície do
betão resultante da exposição aos raios solares, são utilizados determinados produtos de
cura.
Na fig. 12 apresenta-se a execução da laje em betão armado contínuo (BAC) do
pavimento rígido do IC17 (1992). Esta laje foi construída sobre camada de sub-base em
betão pobre.
Fig. 12 - Construção de pavimento rígido
24
BIBLIOGRAFIA
[1] LNEC (1962). Vocabulário de Estradas e Aeródromos. Especificação E 1-1962.
Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Lisboa.
[2] PINELO, A. S. (1991). Projecto e observação de pavimentos rodoviários. Programa
de investigação apresentado a concurso para provimento na categoria de
investigador-coordenador. Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Lisboa.
[3] JAE (1995). Manual de concepção de pavimentos para a rede rodoviária nacional.
Junta Autónoma de Estradas.
[4] PEREIRA, O. A. (1971). Pavimentos Rodoviários. Volume 1. Laboratório Nacional
de Engenharia Civil, Lisboa.
[5] IST (1996). Seminário sobre materiais de pavimentação. Novas técnicas de
camadas de superfície. Instituto Superior Técnico, Lisboa.
[6] BARBOSA, L. F. (1984). O dimensionamento de pavimentos flexíveis, de estradas e
de aeródromos e dos seus reforços. Dissertação apresentada à Universidade Nova
de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Mecânica dos Solos.
[7] ROQUE, C. A. (1978). Estradas e Pavimentos. Elementos de estudo da disciplina
de Vias de Comunicação. Instituto Superior Técnico, Lisboa.
[8] BARROS, R. (1996). Processos construtivos: fabrico, espalhamento e compactação.
Materiais granulares e misturas com ligantes hidráulicos e pozolânicos. Curso de
Formação Avançada no Âmbito do Protocolo para a Formação JAE/IST. Instituto
Superior Técnico, Lisboa.
[9] BARROS, R.; FONSECA, P. (1996). Processos construtivos: fabrico, espalhamento e
compactação. Misturas betuminosas. Curso de Formação Avançada no Âmbito do
Protocolo para a Formação JAE/IST. Instituto Superior Técnico, Lisboa.
[10] CARDOSO, M. (1992). Misturas betuminosas a quente. Curso de Concepção e
Projecto de Infra-estruturas Rodoviárias. Instituto Superior Técnico, Lisboa.
[11] CARDOSO, M. (1992). Dimensionamento de pavimentos rígidos. Curso de
Concepção e Projecto de Infra-estruturas Rodoviárias. Instituto Superior Técnico,
Lisboa.
[12] BARROS, R.; FONSECA, P. (1996). Processos construtivos: fabrico, espalhamento e
compactação. Betões de cimento rodoviários. Curso de Formação Avançada no
25
Âmbito do Protocolo para a Formação JAE/IST. Instituto Superior Técnico,
Lisboa.
[13] SETRA/LCPC (1994). “Conception et dimensionnement des structures de
chaussée”. Guide Technique.
[14] AASHTO (1986). “AASHTO Guide for Design of Pavement Structures”.
[15] ANTUNES, M. L. (1993). Avaliação da capacidade de carga de pavimentos
utilizando ensaios dinâmicos. Dissertação apresentada à Universidade Técnica de
Lisboa para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Civil.
[16] AZEVEDO, M. C. (1996). Materiais de pavimentação: propriedades físico-químicas
e mecânicas. Misturas betuminosas. Curso de Formação Avançada no Âmbito do
Protocolo para a Formação JAE/IST. Instituto Superior Técnico, Lisboa.
[17] FHWA (1984). “A program of study in pavement management” The Center for
Transportation Research, University of Texas at Austin.
26
ANEXO
EXEMPLOS DE ESTRUTURAS DE PAVIMENTO propostas pelo
Manual de Concepção de Pavimentos para a Rede Rodoviária Nacional da JAE (elementos extraídos do Capítulo 6)
27
Elementos do manual relativos às classes de tráfego, classes de fundação e materiais de pavimentação, necessários à interpretação das estruturas de pavimento: Classes de Tráfego (Quadro 2.1)
Classe (TMDA)p T7 T6 T5 T4 T3 T2 T1 T0
<50 50-150 150-300 300-00 500-800 800-1200 1200-2000
>2000 (TMDA)p - tráfego médio diário anual de veículos pesados no ano de abertura,
por sentido e na via mais solicitada. Classes de Fundação (Quadro 4.1) Classe de Módulo da fundação (MPa) Classe de tráfego fundação Gama Valor de cálculo
F1 F2 F3 F4
>30 a ≤50 >50 a ≤80 >80 a ≤150
>150
30 60 100 150
T5, T6 T3, T4, T5, T6
T1, T2, T3, T4, T5, T6 T1, T2, T3, T4, T5, T6
Materiais de Pavimentação (Quadros 5.1, 5.3 e 5.5) Símbolo Designação
Materiais granulares
BGr BG SbG GN SS
Material britado recomposto em central Material britado sem recomposição (“tout-venant”) (base) Material britado sem recomposição (“tout-venant”) (sub-base) Material não britado Solo seleccionado
Misturas betuminosas fabricadas a quente
MB MB
MBD BD
Macadame betuminoso em camada de base Macadame betuminoso em camada de regularização Mistura betuminosa densa em camada de regularização Betão betuminoso em camada de desgaste
Misturas com ligantes hidráulicos
BC BP1 BP2
AGEC Sc
Betão de cimento Betão pobre de reduzida erodibilidade (vibrado ou cilindrado) Betão pobre (agregado recomposto em central) Mistura com agregado não recomposto em central Solo-cimento fabricado em central
28
29
30