Pavimentação: Guia Completo de Materiais e Métodos

Pavimentação

Pavimento: É uma estrutura de múltiplas camadas, construída sobre a superfície final de terraplenagem, destinada técnica e economicamente a resistir aos esforços do tráfego e do clima, propiciando aos usuários melhorias nas condições de rolamento, com conforto, economia e segurança.

Funções do Pavimento

1. Resistir e distribuir ao subleito os esforços verticais produzidos pelo tráfego.
2. Melhorar as condições de rolamento quanto à comodidade e segurança.
3. Resistir aos esforços horizontais que nele atuam, tornando mais durável a superfície de rolamento.

Estrutura e Nomenclatura do Pavimento

Nomenclatura da Seção Transversal

• Subleito: Camada de solo natural ou compactado, com CBR de no mínimo 2%.
• CBR: Capacidade de Suporte do Material.
• Reforço do Subleito: Necessário apenas em caso de subleito com baixa capacidade de suporte.
• Sub-base: Camada complementar à base, podendo ser de material de menor qualidade.
• Base: Camada que transmite os esforços do tráfego para o pavimento.
• Revestimento: Camada superficial destinada a receber os esforços diretos, impermeabilizar e proporcionar conforto ao rolamento.

Reconhecimento do Subleito

1. Inspeção em campo.
2. Coleta de amostras e ensaios.
3. Traçado do perfil longitudinal (camadas de solo).

Inspeção em Campo

• Sondagens de eixo e bordo (3,5m de profundidade).
• Espaçamento máximo dos furos de sondagem de 100 a 200m.
• Nos pontos de passagem de corte para aterro, profundidade de 0,6 a 1,0m abaixo do greide (perfil da rodovia), e 1,5m nas proximidades do pé do talude de corte.

Informações Coletadas na Inspeção

• Profundidade inicial e final de cada camada.
• Cota do lençol freático.
• Material com excesso de umidade.
• Ocorrência de matéria orgânica.

Classificação dos Solos por Tamanho de Partícula

• Bloco de Rocha: D > 1,0m
• Matacão: 0,25m < D < 1,0m
• Pedregulho: 2mm < D < 0,25m
• Pedra de Mão: 0,25mm < D < 2mm
• Areia Grossa: 0,42mm < D < 2mm
• Areia Fina: 0,075mm < D < 0,42mm
• Silte: 0,005mm < D < 0,075mm
• Argila: D < 0,005mm

Categorias de Escavação

• 1ª Categoria: Material mais difícil de ser removido.
• 2ª Categoria: Material mais coeso, que pode ser escavado, mas não com tanta facilidade.
• 3ª Categoria: Após a limpeza da primeira camada de solo, é realizada a detonação.

Ensaios de Laboratório para Solos

• Granulometria: Caracteriza o tamanho dos grãos. (Ensaios a cada 100 ou 200m)
• Limites de Atterberg: Análise de plasticidade e consistência.
  • LL (Limite de Liquidez)
  • LP (Limite de Plasticidade)
  • LC (Limite de Contração)
  (Ensaios a cada 100 ou 200m)
• Compactação: Aumento da densidade e redução de vazios.
• Massa Específica Aparente "In Situ": Identifica a densidade para verificar o suporte do solo.

*Ensaios de campo realizados a cada 100 ou 200m, alternando eixo e bordo (um ensaio por ponto).

• Índice de Suporte Califórnia (ISC/CBR): Determina a capacidade de suporte do material.
• Expansibilidade: Avalia a variação de volume do solo em função da umidade. (Ensaios a cada 200m)

Índice de Suporte Califórnia (ISC)

Origem dos Solos

Os solos podem ser divididos em dois grupos principais:

• Solo Residual: Formado quando os produtos da rocha intemperizada permanecem no local de sua transformação.
• Solo Transportado: Formado quando os produtos de alteração são transportados por um agente (água, vento, gelo) para um local diferente do de sua origem.

Propriedades Físicas dos Solos

• Permeabilidade: Capacidade de infiltração (passagem de água) do solo, geralmente em função do índice de vazios e de sua granulometria.
• Capilaridade: Capacidade do solo em absorver a água.
• Compressibilidade: Propriedade do solo de se deformar, com diminuição de volume, sob a ação de uma força de compressão.
• Elasticidade: Capacidade do solo de recuperar sua forma original, cessado o esforço que causa a deformação.
• Contratilidade e Expansibilidade: Capacidade de reduzir seu volume (contrair) ou ampliar (expandir) em relação à umidade.
• Resistência ao Cisalhamento: A ruptura das massas de solo ocorre por cisalhamento, ou seja, é a capacidade do solo de resistir a essa deformação.

Características do Solo

• Granulometria: Através do tamanho das partículas, define o tipo de solo e sua estrutura.
  1. Peneiramento: A amostra é passada por peneiras, e o material retido ou passante é analisado.
  2. Sedimentação: Utiliza-se um frasco com água e solo para determinar a velocidade de sedimentação das partículas.

Limites de Consistência (Atterberg)

Esses limites permitem avaliar a plasticidade do solo, ou seja, sua maior ou menor capacidade de ser moldado sem variação de volume, sob certas condições de umidade.

• A umidade correspondente entre os estados líquido e plástico é denominada Limite de Liquidez (LL).
• Entre o estado plástico e semi-sólido, caracteriza-se o Limite de Plasticidade (LP).
• Continuando a secagem, ocorre a passagem para o estado sólido. O limite entre esses dois últimos estados é denominado Limite de Contração (LC).

Índice de Plasticidade (IP) = LL – LP

Quanto maior o IP, mais plástico será o solo, sendo este um fator importante na pavimentação.

Equivalente de Areia (EA)

O ensaio de Equivalente de Areia serve para determinar a quantidade de areia presente no solo. (Em um frasco com água e solo, após a sedimentação, verifica-se a areia depositada e o silte).

Índice de Suporte Califórnia (ISC/CBR)

O ISC permite determinar a capacidade de suporte do solo, comparando a pressão obtida com a pressão padrão. Por exemplo, ISC = 2% significa que a capacidade de suporte do solo é 2% da brita padronizada.

Compactação do Solo

• O CBR caracteriza o solo do subleito e é fundamental para determinar as camadas da pavimentação.
• Um bom CBR resulta em menos camadas de pavimentação necessárias.
• O solo deve estar na umidade ótima para compactação.
• As últimas camadas do pavimento precisam estar 100% compactadas.

Equipamentos de Compactação

• Para Solos Granulares ou Arenosos: É necessário vencer o atrito entre as partículas, utilizando vibração para promover o escorregamento e a acomodação do solo.
• Para Solos Coesivos (Argilosos): É preciso realizar o amassamento do solo e vencer as forças de coesão, removendo os vazios presentes para compactar.

Tipos de Rolos Compactadores

• Rolo Liso: Não proporciona compactação uniforme, sendo utilizado principalmente em solos granulares e necessitando de vibração.
• Rolo Pneumático: Rolos pesados com maior área de contato, podem ser utilizados em ambos os tipos de solo (granular e coesivo).
• Rolo Pé de Carneiro: Garante uma pressão de compactação uniforme, ideal para solos coesivos, pois suas "patas" penetram, compactando o solo e preenchendo os espaços.

A eficácia da compactação depende da frequência (para solo granular) e da amplitude (para solo coesivo).

Agregados para Pavimentação

Classificação dos Agregados

Quanto à Natureza

• Natural: Agregados encontrados na natureza, que podem ser utilizados como estão ou após processamentos como a britagem.
• Rochas Ígneas: Resultantes do resfriamento lento de massas no interior da crosta terrestre (intrusivas) ou de fluxos de lava na superfície (extrusivas).
• Rochas Sedimentares: Formadas pelo intemperismo e erosão de rochas preexistentes, transportadas e depositadas por água, vento ou gelo.
• Rochas Metamórficas: Ocorrem por alteração de rochas ígneas ou sedimentares existentes, devido a aquecimento, pressão ou atividade química.
• Areias e Pedregulhos: Agregados naturais, provenientes das rochas de origem e dos processos de transporte e deposição.

Quanto ao Tamanho

Os agregados são classificados por tamanho para uso em misturas asfálticas:

• Graúdo: Material com dimensões maiores que 2,0mm (retido na peneira nº 10), como britas, cascalhos e seixos.
• Miúdo: Material com dimensões entre 0,075mm e 2,0mm (retido na peneira nº 200, mas passa na nº 10), como areias e pó de pedra.
• Material de Enchimento (Fíler): Material onde pelo menos 65% das partículas são menores que 0,075mm (passa na peneira nº 200), como cal hidratada e cimento Portland.

Quanto à Distribuição dos Grãos (Graduação)

• Agregado de Graduação Densa ou Bem-Graduada: Apresenta distribuição granulométrica contínua, próxima à de densidade máxima.
• Agregado de Graduação Aberta: Apresenta distribuição granulométrica contínua, mas com insuficiência de material fino (menor que 0,075mm) para preencher os vazios entre as partículas maiores, resultando em maior volume de vazios. A curva granulométrica é abatida e próxima de zero nas frações de menor tamanho.
• Agregado de Graduação Uniforme: Apresenta a maioria de suas partículas com tamanhos em uma faixa bastante estreita, resultando em uma curva granulométrica bastante íngreme.
• Agregado com Graduação com Degrau ou Descontínua: Apresenta pequena porcentagem de agregados com tamanhos intermediários, formando um patamar na curva granulométrica. São agregados que exigem trabalho adequado em misturas asfálticas devido à sensibilidade à segregação.

Pavimento Flexível: Estrutura e Dimensionamento

Esforços Atuantes

• Revestimento: Sujeito a esforços de compressão e tração.
• Demais Camadas: Principalmente sujeitas a esforços de compressão.

Dimensionamento do Pavimento

• Baseia-se no tráfego previsto para o período de projeto (frequência e intensidade).
• As tensões e deformações dependem da espessura da camada e da rigidez dos materiais (específico para cada obra e volume de tráfego).
• Os principais danos incluem deformação permanente e fadiga (devido ao dano acumulado).

Materiais Utilizados

• Agregados
• Solos
• Aditivos (Cimento, Cal)

Parâmetros de Dimensionamento

• Índice de Suporte Califórnia (ISC)
• Módulo de Resiliência (MR): Similar ao módulo de elasticidade, representa a deformação do solo na fase elástica.

Módulo de Resiliência (MR)

Deflexão: Termo aplicado para movimentos verticais do pavimento quando sujeito à carga de rodas.

Atualmente, existem equipamentos de campo modernos, dinâmicos e rápidos que simulam melhor a passagem de cargas de rodas, medindo as deflexões por impulso ou propagação de ondas.

O método de dimensionamento de pavimentos norte-americano estabelecido pela AASHTO (versão de 1986, revisada em 1993) substituiu o ISC pelo módulo de resiliência do subleito na expressão de dimensionamento e considerou esse parâmetro no cálculo dos coeficientes estruturais dos materiais asfálticos. Com isso, o módulo de resiliência foi reconhecido como de grande importância no dimensionamento de estruturas de pavimentos asfálticos. A recomendação de substituir o ISC e outros valores de resistência de materiais pelo Módulo de Resiliência (MR) foi baseada nas seguintes razões:

• O MR indica uma propriedade básica do material que pode ser utilizada na análise mecanística de sistemas de múltiplas camadas.
• O MR é um método aceito internacionalmente para caracterizar materiais para o projeto de pavimentos e para sua avaliação de desempenho.
• Existem técnicas disponíveis para estimar o módulo de resiliência em campo com testes rápidos e não destrutivos, o que facilita a uniformização entre os procedimentos de dimensionamento de pavimentos novos e de reforço de pavimentos antigos.

Materiais Comuns em Pavimentação

Materiais Granulares e Solos

• Brita Graduada Simples (BGS) e Bica ou Brita Corrida
• Macadame Hidráulico
• Macadame a Seco
• Misturas Estabilizadas Granulometricamente (por combinação de materiais ou mecanicamente)
• Solo-Agregado
• Solo Natural
• Solo Melhorado com Cimento ou Cal

Materiais Cimentados

• Brita Graduada Tratada com Cimento (BGTC)
• Solo-Cimento (para solos granulares)
• Solo-Cal (para solos arenosos)
• Solo-Cal-Cimento
• Concreto Compactado a Rolo (CCR)

Misturas Asfálticas

• Solo-Asfalto
• Solo-Emulsão
• Macadame Betuminoso
• Base Asfáltica de Módulo Elevado

Ligantes Asfálticos

Asfalto: Material de consistência variável, de cor pardo-escura ou negra, no qual o constituinte predominante é o Betume. Pode ocorrer na natureza em jazidas ou ser obtido pela retificação do petróleo.

Betume: Mistura de hidrocarbonetos pesados, obtidos em estado natural ou por diferentes processos físicos e químicos.

Classificação dos Ligantes Asfálticos para Pavimentação

• Cimentos Asfálticos (CAP): Exemplo usual é o CAP 50/70 (números relacionados ao ensaio de penetração, indicando mínimo e máximo). Não deve ser aquecido acima de 177°C, nem aplicado em dias de chuva ou a temperaturas menores que 10°C.
• Asfaltos Diluídos: Mistura de asfalto com solvente (ex: querosene) para torná-lo líquido. O solvente evapora com o tempo, solidificando o asfalto. Exemplo: CM-30. Atualmente, seu uso tem diminuído devido a questões ambientais.
• Emulsões Asfálticas: Asfalto diluído em água (aquecido, triturado e misturado em água) com agentes emulsificantes para evitar aglutinação. Classificadas por tempo de ruptura: RR (Ruptura Rápida), RL (Ruptura Lenta), RM (Ruptura Média). Exemplo: RR-1C (comum em nossa região).
• Asfaltos Modificados: Asfaltos que recebem aditivos (ex: polímeros, borracha) para melhorar suas características de desempenho.

• Agentes Rejuvenescedores: Utilizados para reciclagem de pavimentos asfálticos.
• Asfalto Espuma: Asfalto expandido com água para uso em misturas a frio.

Principais Funções do Asfalto

• Aglutinante: Liga as partículas de agregado.
• Impermeabilizante: Impede a penetração de água, protegendo o pavimento.
• Flexibilidade: Proporciona capacidade de elasticidade sem danificar a estrutura.

Aplicações Específicas

• Pintura de Ligação: Aspersão de emulsão asfáltica (ex: RR-1C) para ligar uma camada de asfalto a outra.
• Imprimação: Aplicação na camada de base para ligá-la ao pavimento asfáltico. Antigamente usava-se CM-30, hoje é comum o uso de emulsão asfáltica. Deve garantir uma penetração de 0,5 a 1,0cm.

Propriedades Físicas do Asfalto e Ensaios

• Ensaio de Penetração: Classifica a característica do CAP. A penetração é a profundidade (em décimos de milímetro) que uma agulha de massa padronizada (100g) penetra em uma amostra de cimento asfáltico por 5 segundos, a 25°C.

• Ensaio de Viscosidade Saybolt-Furol: Parâmetro de cálculo para a usinagem do material, pois toda a operação se baseia na viscosidade obtida neste ensaio.

  O aparelho consiste, basicamente, de um tubo com formato e dimensões padronizadas, com um orifício de diâmetro 3,15 ± 0,02mm no fundo. O tubo, cheio de material a ensaiar, é colocado em um recipiente com óleo (banho) com o orifício fechado. Quando o material estabiliza na temperatura exigida (25 a 170°C, dependendo do material, e 135°C para os cimentos asfálticos), o orifício é aberto e a contagem do tempo é iniciada. O cronômetro é desligado quando o líquido atinge a marca de 60ml no frasco inferior. O valor da viscosidade é reportado em segundos Saybolt-Furol (SSF), a uma dada temperatura de ensaio.

• Ensaio de Espuma: Consiste em aquecer o CAP. Se ele espumar, significa que possui água em sua composição.
• Ensaio de Massa Específica: O asfalto é vertido em um picnômetro para determinar sua massa e volume.

• Ensaio de Ponto de Amolecimento: Uma bola de aço de dimensões e peso especificados é colocada no centro de uma amostra de asfalto confinada em um anel metálico padronizado. O conjunto é imerso em um banho de água aquecido a uma taxa controlada de 5°C/minuto. A temperatura é registrada no instante em que a mistura amolecida toca a placa do fundo do conjunto padrão de ensaio. O teste é realizado com duas amostras do mesmo material; se a diferença de temperatura exceder 2°C, o ensaio deve ser refeito.

• Ensaio de Ductilidade: Corpos de prova de ligantes, em moldes especiais (em forma de "dog bone" ou "gravata-borboleta") e separados ao meio, são imersos em água dentro de um banho que compõe o equipamento. A ductilidade é o alongamento (em centímetros) obtido antes da ruptura de uma amostra de CAP, na seção diminuída do molde com largura inicial de 10mm, em banho de água a 25°C, submetida a uma velocidade de deformação de 5cm/minuto.

• Ensaio de Ponto de Fulgor: Ensaio relacionado à segurança no manuseio do asfalto durante transporte, estocagem e usinagem. Representa a menor temperatura na qual os vapores emanados durante o aquecimento do material asfáltico se inflamam por contato com uma chama padronizada. Valores de pontos de fulgor de CAP são normalmente superiores a 230°C.

Revestimentos Asfálticos

Tipos de Fabricação

• Em Usina: O agregado é envolvido com o ligante em uma usina específica, e o material é transportado em caminhão caçamba enlonado até a obra.
• Na Pista (In Situ): O ligante e o agregado são levados separadamente e a mistura é feita no próprio local de aplicação.

Tipos de Ligante

• A Quente: Oferece melhores características técnicas. Exemplo: Cimento Asfáltico de Petróleo (CAP).
• A Frio: Aplicado à temperatura ambiente, geralmente mais econômico. Exemplo: Emulsão e Asfalto Diluído.

Distribuição Granulométrica

• Densa (Bem Graduada): Os agregados de dimensões menores preenchem os vazios dos maiores, resultando em uma estrutura com poucos vazios. Exemplo: Concreto Asfáltico (CA).
• Aberta: Agregados quase exclusivamente de um mesmo tamanho, com vazios interconectados e insuficiência de material fino. Exemplo: Camada Porosa de Atrito (CPA).
• Descontínua: Grãos de maiores dimensões em quantidade dominante em relação aos intermediários, complementados por finos. Exemplo: Stone Matrix Asphalt (SMA).

Misturas Asfálticas Usinadas a Quente

(Consideradas as melhores tecnicamente, porém mais caras)

• Concreto Betuminoso Usinado a Quente (CBUQ): Produzido em usinas com silos de agregados. O material é aquecido em um tambor tubular para remover a umidade, o ligante asfáltico é aplicado, e a mistura é transportada para o local. O volume de vazios com ar após a compactação é de 3% a 5% para camadas de rolamento e de 4% a 6% para camadas intermediárias ou de ligação.
• Camada Porosa de Atrito (CPA): Mistura aberta sem finos, com alto volume de vazios. A água da chuva infiltra, exigindo uma camada de CBUQ subjacente para proteger a base. É uma camada de revestimento que oferece grande suporte, mas pode sofrer arrancamento de agregado, necessitando de maior manutenção.
• Stone Matrix Asphalt (SMA): Mistura descontínua com grande quantidade de agregado graúdo, oferecendo maior capacidade de suporte que a CPA.
• Areia Asfalto a Quente (AAUQ): Utilizada como revestimento em regiões sem agregados pétreos graúdos. Consiste em uma argamassa de agregado miúdo (geralmente areia), ligante (CAP) e, se necessário, fíler, com maior consumo de ligante devido ao aumento da superfície específica.

*Essas misturas não suportam muita deflexão, mas resistem a muitos esforços.

Misturas Asfálticas Usinadas a Frio

• Pré-Misturados a Frio (PMF): Misturas usinadas de agregados graúdos, miúdos e de enchimento, misturados com emulsão asfáltica de petróleo (EAP) à temperatura ambiente. Podem ser feitos em betoneira e armazenados por até um mês. Não suportam tráfego intenso e podem sofrer arrancamento de material, sendo indicados para rodovias de baixo tráfego.

*Suportam muita deflexão, mas são para baixo volume de tráfego.

Misturas In Situ em Usinas Móveis

• Lama Asfáltica: Associação fluida de agregados minerais, material de enchimento (fíler), emulsão asfáltica e água, misturadas e espalhadas no local da obra à temperatura ambiente. Não é uma camada estrutural asfáltica; sua aplicação principal é na manutenção de pavimentos de baixo tráfego. (Não compactada)
• Microrrevestimento: Evolução das lamas asfálticas, utilizando o mesmo princípio, mas com emulsões modificadas com polímero para aumentar a vida útil. (Não compactada)

Tratamentos Superficiais

Os tratamentos superficiais consistem na aplicação de ligantes asfálticos e agregados sem mistura prévia na pista, com posterior compactação que promove o recobrimento parcial e a adesão entre agregados e ligantes.

Sua principal vantagem é o custo, sendo um dos mais baratos. São muito trabalháveis e flexíveis, o que ajuda a evitar trincas.

Dosagem de CBUQ (Concreto Betuminoso Usinado a Quente)

Massa Específica Aparente da Mistura Compactada

Onde:

• Ms: Massa seca do corpo de prova compactado (g).
• Va: Volume de asfalto (cm³).
• Vag.ef: Volume efetivo do agregado (cm³).
• Var: Volume de ar (vazios) (cm³).

Onde:

• Ms: Massa do corpo de prova compactado na condição de superfície saturada seca (g), que corresponde ao corpo de prova com os poros superficiais saturados, com o excesso de água eliminado.

• Mssub: Massa do corpo de prova compactado na condição de superfície saturada seca e posteriormente submerso em água (g).

Massas Específicas Máximas Teórica e Medida de Misturas Asfálticas

DMT ou Gmb

Onde:

• %a: Porcentagem de asfalto, expressa em relação à massa total da mistura asfáltica (ex: para 5% de teor de asfalto, usa-se 5 na variável %a no denominador).
• %Ag, %Am e %f: Porcentagens do agregado graúdo, agregado miúdo e fíler, respectivamente, expressas em relação à massa total da mistura asfáltica.
• Ga, GAg, GAm e Gf: Massas específicas reais do asfalto, do agregado graúdo, do agregado miúdo e do fíler, respectivamente.

Gmm: Densidade Específica Rice.

Considerações sobre Volumetria

• Vv: Volume de Vazios.
• VAM: Volume de Vazios nos Agregados Minerais.
• VCB: Vazios Cheios de Betume.

Dosagem Marshall

• 5 amostras com 3 corpos de prova (CPs) cada.
• Temperatura do Ligante para Mistura com o Agregado: Viscosidade de 75 a 95 sSF.
• Compactação da Mistura: 75 golpes em cada face.

Prensa Marshall

• Taxa de Compressão: 0,8mm/segundo.
• Estabilidade: Carga máxima (N) que o corpo de prova resiste antes da ruptura.
• Fluência: Deslocamento vertical (mm) apresentado pelo corpo de prova correspondente à aplicação da carga máxima.

Considerações Finais sobre a Dosagem Marshall

É importante considerar que a dosagem Marshall, realizada normalmente no país, segue as orientações da norma do DNER e que esta, embora similar à da ASTM e aos procedimentos recomendados pelo Instituto de Asfalto norte-americano, não foi totalmente atualizada de acordo com as mudanças ocorridas nas citadas normas estrangeiras ao longo de revisões sucessivas, em pelo menos dois pontos importantes:

1. A consideração da absorção de ligante pelos agregados e o uso da massa seca com superfície saturada.
2. O uso de fórmula para cálculo da DMT. Na ASTM e no Instituto de Asfalto, utiliza-se apenas a Gmm, o que já leva em conta a absorção dos agregados e tem grande interferência nas determinações das relações volumétricas.

• Volume:
• Massa Específica Aparente da Mistura:
• Volume de Vazios:
• Porcentagem em Massa dos Agregados:
• Vazios do Agregado Mineral:
• Relação Betume/Vazios: