Comportamento à fadiga de misturas asfálticas : ensaios laboratoriais e instrumentação in situ

Abstract

Os métodos de dimensionamento de pavimentos asfálticos mecanístico-empíricos surgiram como evolução dos métodos empíricos, e consideram, além de questões empíricas, ensaios de caracterização mecânica dos materiais, como módulo dinâmico, determinação do comportamento à fadiga e à deformação permanente. O trincamento por fadiga, principal mecanismo de degradação de pavimentos asfálticos, é considerado nas análises por meio de modelos obtidos com dados de ensaios de laboratório, em função do nível de tensão/deformação impostos ao material, e relacionados com o comportamento de campo empregando fatores laboratório-campo ou funções de transferência. As tensões e deformações desenvolvidas ao longo da estrutura do pavimento são analisadas em simulações computacionais, utilizando teorias de sistemas com múltiplas camadas e considerando as características de comportamento de cada material que compõe a estrutura. Outra maneira de obter as tensões e deformações desenvolvidas na estrutura é por instrumentação in situ, com sensores de pressão e deformação que realizam a leitura dos esforços nos pavimentos em serviço, sob condições ambientais e de carregamento reais, podendo também ser utilizadas para validação dos modelos computacionais. A degradação dos pavimentos em campo, em relação ao trincamento à fadiga, é geralmente analisada sob a ótica da percentagem de área trincada desenvolvida na superfície. No momento que o revestimento atinge um certo nível de área trincada superficial, é considerado como o fim da sua vida útil, devendo então ser restaurado ou reforçado. Esta pesquisa visa contribuir em termos de análise da evolução do dano na estrutura de pavimentos asfálticos, considerando a fadiga. Para isto, um trecho do pavimento da rodovia BR-116/RS, localizado entre as cidades de Guaíba e Porto Alegre, foi instrumentado para o monitoramento dos esforços na parte inferior do revestimento asfáltico. Também foram realizados ensaios de fadiga em laboratório, com diferentes configurações, e simulações, utilizando o programa FlexPAVETM, para prever o comportamento à fadiga da mistura asfáltica empregada no trecho, composta por agregado granítico e ligante asfáltico modificado por polímero (AMP 60/85), produzida sob diferentes condições, totalizando a avaliação de cinco diferentes métodos de produção. Por meio do desenvolvimento deste trabalho foi possível coletar uma gama de dados de deformação e pressão vertical que contribuem nas análises mecanística-empíricas do pavimento, bem como no entendimento da resposta estrutural do pavimento sob ação das cargas rodantes. E em conjunto com os resultados dos ensaios para avaliar o comportamento mecânico das misturas e das simulações realizadas, foi possível avaliar a condição de evolução do dano quanto à fadiga na estrutura do pavimento do trecho estudado. Os diferentes ensaios em laboratório para análise do comportamento à fadiga podem gerar resultados variáveis, portanto, ensaios que envolvam teorias mais avançadas, como o ViscoElastic Continuum Damage (VECD), devem ser utilizados. Em relação aos métodos de produção das misturas asfálticas, percebe-se que podem afetar o comportamento do material devido às diferentes condições de envelhecimento e às pequenas diferenças nas proporções dos materiais, sendo recomendado a utilização de amostras extraídas de campo, sempre que possível, para previsão e gerenciamento de manutenções na estrutura de pavimentos existentes.

The mechanistic-empirical pavement design methods emerged to overcome the issues associated with the purely empirical methods, and consider, besides empirical assumptions, material’s mechanical characteristics, such as dynamic modulus, and resistance to fatigue and rutting. Fatigue cracking, considered the dominant distress in most of the flexible pavements, is analyzed by models generated in laboratory tests, where the material’s response is a function of the imposed stress/strain, and then related to field behavior by applying a so-called shift-factor or transfer function. The stresses and strains developed in the structure are usually determined by computational analysis, using multilayer systems theory and considering elastic properties of the materials. Another way to get the stresses and strains developed in the structure, for pavements already built, is by means of in situ instrumentation, with pressure cells and strain gages, that can take the measurements under real traffic and climate conditions, which can also be used to validate the computational methods. To analyze the fatigue damage in field, usually the percentage of superficial cracking is accounted. When the pavement reaches the superficial cracked area threshold, determined for that structure, it is considered to be the end of its service life, and then it should be reinforced or restored. The present research aims to contribute in terms of fatigue damage analysis in pavement’s asphalt layers. For that, a pavement section in the highway BR-116/RS, between the cities of Guaíba and Porto Alegre, was instrumented for stress/strain monitoring on the bottom of the asphalt layer. Moreover, fatigue laboratory tests with different configurations and simulations, using the software FlexPAVETM, were performed to evaluate the behavior of the asphalt mixture used on the surface course, which is composed by granite aggregates and polymer-modified asphalt binder (AMP 60/85), and was tested with five different production methods. The diversity of strain/stress data collected in this research contribute for the mechanistic-empirical analysis of the structure, as well as for the understanding of the pavement response under real moving loads. Coupled with the laboratory tests results and the simulations, it was possible to evaluate the fatigue damage evolution for the instrumented segment. The different laboratory tests performed can generate controversial results, therefore, tests that involve more advanced and comprehensive theories, such as the Viscoelastic Continuum Damage (VECD), should be used. Regarding the asphalt mixture production methods, it can affect the material behavior due the different aging conditions and the small differences in material’s proportions, being recommended the use of field cores, whenever possible, for prediction and management of maintenance actions in existing structures.