Terminologia de Materiais e Pavimentos

Terminologia de Materiais e Pavimentos

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PTR – 453 Construção e Pavimentação Prof. José Tadeu Balbo

Terminologia dos Materiais

A estrutura de pavimento é concebida, em seu sentido puramente estrutural, para receber e transmitir esforços; para que funcione adequadamente, todas as peças que a compõe devem trabalhar a deformações compatíveis com sua natureza e capacidade portante, isto é, de modo que não ocorram processos de ruptura (pelo menos de forma prematura e inadvertida) nos materiais que constituem as camadas do pavimento.

As cargas são transmitidas de forma aliviada à fundação também de maneira criteriosa, de forma que não ocorram recalques incompatíveis com a utilização da estrutura, ou mesmo rupturas na fundação, gerando estados de tensão não previstos inicialmente nos cálculos e que induzem toda a estrutura ao mau comportamento e à degradação acelerada.

Tão-somente tentando uma definição, diz-se que o pavimento é uma estrutura composta por camadas sobrepostas de materiais compactados e assentadas sobre o subleito do corpo estradal.

Cada uma das camadas do pavimento possui uma ou mais funções específicas, sendo que o conjunto das mesmas deve proporcionar aos veículos as condições adequadas de suporte e rolamento em qualquer condição climática.

As cargas aplicadas sobre a superfície do pavimento acabam por gerar determinado estado de tensões na estrutura, que muito dependerá do comportamento em campo de cada uma das camadas. Deve ser recordado que as cargas são aplicadas por veículos, sendo portanto cíclicas (repetitivas).

Em linhas gerais pode-se dizer que as cargas geram esforços solicitantes verticais e horizontais. Os esforços verticais podem ser reduzidos a solicitações de compressão e de cisalhamento; os esforços horizontais podem inclusive solicitar certos materiais à tração. Como tais solicitações podem condicionar uma escolha de camadas?

Considere-se, por exemplo, uma camada de material britado compactado sobre o subleito. Esta camada poderia suportar as tensões verticais aplicadas sobre si; entretanto, não resistiria às tensões horizontais oriundas de uma carga cinemática aplicada diretamente sobre sua superfície (além de não ser impermeável, o que poderia ser desejável ou não). Um revestimento é então necessário sobre uma base granular para absorver determinados esforços que não são compatíveis com as funções estruturais da mesma.

Que nomes devem ser dados a estas camadas seria uma dúvida básica. De uma forma mais completa possível, o pavimento possui as seguintes camadas: revestimento, base, sub-base, reforço do subleito e subleito, sendo este último a fundação e parte integrante da estrutura (Figura 1.1)

Dependendo do caso o pavimento poderá não ter camadas de base, subbase ou reforço; revestimento, nem que seja primário e fundação (subleito) são condições mínimas para que a estrutura seja chamada de pavimento, razão pela qual descarta-se por completo o emprego do termo “pavimento sobre ponte”.

Figura 1.1 Camadas constituintes de um pavimento

O revestimento deverá, dentre outras funções, receber as cargas, estáticas ou dinâmicas sem sofrer por si só grandes deformações ou desagregação de componentes ou ainda perda de compactação, devendo portanto ser composto de materiais bem aglutinados ou dispostos de maneira a evitar sua movimentação horizontal.

Alguns materiais permitem tais condições: pedras cortadas justapostas, paralelepípedos, blocos pré-moldados de concretos, concreto de cimento Portland, concreto compactado com rolo, tratamentos superficiais betuminosos e misturas betuminosas em geral.

Quanto ao subleito, os esforços impostos sobre sua superfície serão aliviados em sua profundidade. Deve-se portanto, ter maior preocupação com seus estratos superiores onde os esforços solicitantes serão de maior magnitude. O subleito será constituído de material natural consolidado, por exemplo nos cortes do corpo estradal, ou por um material transportado e compactado no caso dos aterros.

E como se compõe as camadas intermediárias dos pavimentos? Admita-se um dado subleito composto de solo com pequena resistência aos esforços verticais que ocorreriam sobre sua superfície. Ora, neste caso é preciso pensar em se executar sobre o subleito uma camada de solo com melhor qualidade, que sirva como um reforço sobre sua superfície, de maneira que a fundação receba esforços de menor magnitude, compatíveis com sua resistência.

Isto não é obrigatório, mas geralmente procura-se fazer por razões de viés econômico, pois subleitos de resistência muito baixa exigiriam, do ponto de vista de projeto, camadas mais espessas de base e sub-base. Logicamente, o reforço do subleito por sua vez resistirá a solicitações de maior ordem de grandeza, respondendo parcialmente pelas funções do subleito.

Assim, pode-se concluir que os esforços verticais transmitidos ao subleito devem ser compatíveis com sua capacidade superficial de resisti-los. Esta assertiva é naturalmente válida para qualquer outra camada superior do pavimento.

Para aliviar as pressões sobre as camadas de solo inferiores, surgem também as camadas de base e sub-base, que também podem ter papel importante na drenagem sub-superficial dos pavimentos.

Quando a camada de base exigida para desempenhar tal função (melhor distribuir os esforços para camadas inferiores) é muito espessa, procura-se por razões de natureza construtiva e econômica dividi-la em duas camadas, criando-se assim uma sub-base.

As bases podem ser constituídas por solo estabilizado naturalmente, misturas de solos e agregados (solo-brita), brita graduada, brita graduada tratada com cimento, concreto compactado com rolo, solo estabilizado quimicamente com cimento ou betume, etc.

Para as sub-bases podem ser utilizados os mesmos materiais citados para o caso das bases. No caso de solos estabilizados quimicamente, de maneira geral os teores em peso de agentes aglomerantes são menores. Os revestimentos betuminosos, como é o caso das bases, poderão ser subdivididos em duas ou mais camadas por razões técnicas, construtivas e de custo.

Na Tabela 1.1 são apresentados os tipos mais comuns de materiais encontrados nas camadas de pavimentos com sua respectiva abreviatura normalmente empregada no meio rodoviário. Na Tabela 1.2 são apresentadas as aplicações dos materiais referidos em camadas de pavimentos.

Um aspecto importante deve ser recordado quanto ao emprego dos termos base e sub-base, no caso dos pavimentos de concreto. Não é incomum engenheiros atribuírem o nome de sub-base à camada imediatamente inferior a uma placa de CCP. A razão de tal fato reside em uma justificativa de que a placa de CCP já faria o papel de revestimento e de base simultaneamente, o que não se pode concordar pois o papel da base não pode ser tomado como meramente estrutural, mas também hidráulico no caso de material granular.

Outra justificativa para tal fato talvez seja um apego ao passado quando então se prescrevia tal terminologia. Modernamente nos congressos e revistas internacionais o termo base é empregado indistintamente para aquela camada subjacente à placa de CCP ou CCR, razão pela qual adota-se neste texto, quando necessário for, esta terminologia.

Tabela 1.1 Tipos mais comuns de materiais encontrados nas camadas de pavimentos

Material ou Mistura Nomenclatura Abreviatura

Concreto Asfáltico CA Lama Asfáltica LA

Macadame Betuminoso MB Micro-Concreto Asfáltico MCA Pré-Misturado a Frio PMF

Pré-Misturado a Quente PMQ Solo-Betume SB

Tratamento Superficial Duplo TSD Tratamento Superficial Simples TSS

Asfálticos

Tratamento Superficial Triplo TST

Concreto Auto-Nivelante CAN Concreto Compactado com Rolo CCR

Concreto de Cimento Portland CCP Concretos

Concreto de Elevada Resistência CER Brita Graduada Tratada com Cimento BGTC

Solo Melhorado com Cimento SMC

Solo-Brita-Cimento SBC Cimentados

Solo-Cimento SC Base Telford BT Bica Corrida BC

Brita Graduada Simples BGS Macadame Hidráulico MH

Macadame Seco MS Solo Arenoso Fino Laterítico SAFL

Solo Argiloso Laterítico SAL

Solo Laterítico Concrecionado SLC Solo Saprolítico S

Granulares e Solos

Solo-Brita SB

Tabela 1.2 Aplicações dos materiais referidos em camadas de pavimentos Camada Asfáltico Concreto Cimentado Granulares e Solos

Revestimento

Tratamento primário com cravação de brita ou cascalho sem controle de granulometria

Base

Sub-base

Reforço

A Questão do Subleito

Para se tentar abordar de uma maneira simples, mas conceitual, de que forma um pavimento flexível responde mecanicamente às ações verticais impostas, pode-se recorrer ao modelo apresentado na Figura 1.2.

As camadas de revestimento, base e subleito, são neste modelo admitidas como molas com rigidez decrescente. Sob a ação de uma carga a mola de menor rigidez fica sujeita a maior deformação quando trabalham conjuntamente.

Logicamente o modelo não representa a realidade se pensado em termos de tensão sobre cada camada, pois neste caso todas as molas ficam sujeitas a esforços de compressão idênticos, o que não é verdade no sistema real (Figura 1.3).

Figura 1.2 Modelo hipotético de um pavimento flexível

Figura 1.3 Distribuição de tensões no pavimento flexível Contudo o modelo é útil para elucidar a preocupação imediata com a deformação vertical excessiva que pode ocorrer no subleito, comparado às demais camadas, uma vez que normalmente o solo do subleito é o material com piores características quanto à deformação.

É importante compreender que embora cada uma das camadas apresente independentemente uma dada deformação vertical, a deformação total da estrutura será o somatório das deformações parciais sofridas por cada uma das camadas.

Tendo em vista que todas as camadas trabalham em conjunto e de forma solidária, o deslocamento total sobre a base do pavimento é também condicionado pela deformação do subleito, que pode ser incompatível com a capacidade de deformação da base, gerando um estado de tensões que levariam a mesma a apresentar comportamento anômalo.

Desde o início do século X, com o crescimento da indústria automobilística e a evidente necessidade de se pavimentar grande quantidade de vias, ao menos para permitir uma melhor traficabilidade, os subleitos tornaram-se o ponto central de análise para serem tomadas decisões quanto ao pavimento mais adequado a cada caso, dando ensejo ao primeiro modelo empírico de dimensionamento de pavimentos flexíveis (CBR, em 1929), quando então tomou-se como critério predominante de ruptura a deformação plástica excessiva do subleito.

É importante neste ponto realizar um contraponto entre os pavimentos flexíveis e aqueles ditos rígidos quanto à tal questão. O modelo hipotético apresentado na Figura 1.3 anteriormente poderia intuir o entendimento quanto ao comportamento de um pavimento flexível, que a bem da verdade seria no sistema real um sólido elástico, por exemplo. As placas de concreto com uma espessura e comprimento tal que as tensões de cisalhamento verticais tornem-se desprezíveis (placas medianamente delgadas), trabalham sob a ação de cargas em estado plano de tensões, muito mais próximo de uma laje totalmente apoiada. Dada a elevada rigidez do concreto face às demais camadas inferiores do pavimento (até de 100 a 1.0 vezes), deforma-se praticamente absorvendo em sua toda extensão aos esforços aplicados, sendo que a deformação elástica unitária do concreto em termos práticos desprezível.

Nessas condições o deslocamento sofrido no topo da placa de concreto é idêntico àquele ocorrente no fundo da placa, seja no concreto ou no topo da camada inferior. Em outras palavras está-se dizendo que a deformação nas camadas inferiores é controlada pela placa (além de bastante aliviada). Assim, preocupações excessivas em torno da capacidade portante de subleitos no caso de pavimentos de concreto não seriam a princípio justificáveis, obviamente não se admitindo tais pavimentos sobre solos sujeitos a recalques.

Embora tais diferenças de significado na capacidade portante dos solos seja evidente entre pavimentos rígidos e pavimentos flexíveis, o engenheiro deverá ter em conta que aspectos relacionados à drenagem do pavimento e à expansibilidade do solo à água são extremamente relevantes para a decisão final da aceitação de um dado tipo de solo para subleito, mesmo no caso de pavimentos de concreto.

Classificação dos Pavimentos

Na obra “Pavimentos Asfálticos – Patologias e Manutenção” procuramos enfrentar conceitualmente a questão de como classificar os pavimentos, o que procuramos reproduzir e ampliar neste texto para melhor situar uma classificação do ponto de vista prático, o que é desejado neste momento. Para iniciar, nos apoiaremos em dois manuais clássicos de pavimentação, um de origem inglesa e outro americano.

Croney & Croney [1] classicamente dividem em dois grupos os pavimentos, empregando tão somente rígido (que obriga a presença de revestimento em concreto de cimento Portland) e flexível (que sempre comportaria um revestimento betuminoso), de tal forma que o uso de um dos mesmos elimina a hipótese restante.

Yoder & Witczak [2] também se restringem aos termos rígido e flexível, apresentando definições similares, de maneira que tais escolas tradicionalmente, na linguagem técnica internacional, acabaram impondo estas duas classes aparentemente bem definidas de pavimentos.

Classificar os pavimentos, fugindo da simplicidade da classificação tradicional anteriormente mencionada, sempre foi motivo para alguma polêmica (por exemplo: “uma porta está aberta ou fechada e nunca semiaberta,; portanto um pavimento não pode ser semi–rígido”); aliás, nunca se tirou algo muito didático ou conceitual deste tipo de discussão. A terminologia empregada especialmente na Europa parece ser mais maleável e guia para as tentativas de classificação.

Certa ocasião o Prof. Willy Wilk me relatou que teria resolvido esse tipo de dúvida muito freqüente em salas de aula, ou seja, se um pavimento é rígido ou flexível, por meio de um artifício imaginativo: tome-se uma viga bi– apoiada com uma carga sendo ciclicamente aplicada no meio de sua extensão; após inúmeras aplicações de tal carga, duas condições seriam possíveis de ser averiguadas.

Em uma das possibilidades, a viga apresentaria uma capacidade de deformação elástica (recuperável) de magnitude muito superior à deformação plástica (permanente) ocorrida, esta última representada por uma alteração da superfície superior da viga em relação ao plano original, após cessada a ação das forças repetitivas; em tal situação dever-se-ia considerar a estrutura como rígida. No outro caso, após inúmeras aplicações de carga, o somatório das deformações plásticas ocorridas na viga seriam de maior magnitude que a deformação elástica verificada a cada aplicação de carga; ter-se-ia então uma estrutura flexível (i.e., sujeita a deformações residuais significativas).

Da explicação infere-se que tal definição esbarra no fato de o material que constitui a viga ter maior ou menor capacidade de acumular energia de deformação. Ou seja, os termos rígido e flexível dependerão essencialmente da natureza dos materiais que compõe a peça estrutural.

Isto gera alguma dificuldade já que um pavimento é composto por diversas camadas, em geral, pelo menos duas delas com propriedades elásticas muito diferentes. E como ficaria neste caso, classificar a estrutura como um todo para se afastar do fato de que o pavimento é composto simultaneamente por materiais mais rígidos e outros mais flexíveis?

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