Caracterização mecânica de misturas betuminosas a aplicar em infra-estruturas de transportes

137 Pages·2011·3.22 MB·Portuguese

INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA
Departamento de Engenharia Civil
ISEL

Caracterização mecânica de misturas betuminosas
a aplicar em infra-estruturas de transportes

SUSANA FERREIRA MENDES
Licenciada em Engenharia Civil

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na área de
especialização em Vias de Comunicação e Transportes

Orientador (es):
Doutora Ana Cristina Freire, Investigadora Auxiliar (LNEC)
Doutora Maria da Graça Alfaro Lopes, Prof. Coord. com Agregação (ISEL)

Júri:
Presidente:
Doutor João Alfredo Ferreira dos Santos, Prof. Coord.(ISEL)
Vogais:
Doutora Ana Cristina Freire, Investigadora Auxiliar (LNEC)
Doutora Maria da Graça Alfaro Lopes, Prof. Coord. com Agregação (ISEL)
Doutora Simona Fontul, Investigadora Auxiliar (LNEC)
Novembro de 2011

Resumo
RESUMO

A maioria das infra-estruturas de transportes, nomeadamente os pavimentos
rodoviários e aeroportuários, são constituídas por misturas betuminosas, o que permite
um bom desempenho e uma adequada durabilidade, nas condições usuais de serviço.
As misturas betuminosas são ainda amplamente utilizadas na construção de zonas de
estacionamento de veículos, tendo-se verificado recentemente a sua aplicação
também em infra-estruturas ferroviárias.
Face à necessidade de melhorar o desempenho das vias-férreas, permitindo uma
concepção mais durável de linhas de alta velocidade e uma redução dos custos da
sua manutenção, tem-se vindo a desenvolver diversos estudos para promover a
utilização de novos materiais, principalmente através da incorporação de misturas
betuminosas.
O presente trabalho tem como objectivo a caracterização do comportamento mecânico
de misturas betuminosas a aplicar em infra-estruturas de transportes.
Como metodologia para o estudo do comportamento mecânico das misturas
betuminosas foram realizados em laboratório ensaios de cargas repetidas,
nomeadamente, ensaios de flexão em quatro pontos para determinação da rigidez e
da resistência à fadiga e ensaios de compressão triaxiais cíclicos para avaliação do
comportamento à deformação permanente.
A resistência à fadiga das misturas betuminosas em estudo foi avaliada através do
ensaio de flexão em quatro pontos, com extensão controlada, e aplicação de um
carregamento sinusoidal com diferentes frequências, de acordo com o procedimento
de ensaio da norma europeia EN 12697-24 (2004 + A1: 2007).
A resistência à deformação permanente das misturas betuminosas foi analisada
através de ensaios de compressão triaxiais cíclicos, submetendo-as a uma tensão de
confinamento estática pela aplicação parcial de vácuo e a uma pressão axial cíclica
sob a forma rectangular, de acordo com a norma europeia EN 12697-25 (2004).
O conhecimento destas propriedades mecânicas assume particular importância ao
nível da formulação das misturas betuminosas, do dimensionamento de uma estrutura
I
Resumo

ou do estabelecimento de uma adequada solução para uma obra de reabilitação duma
infra-estrutura de transportes.
Para este estudo foi utilizado um modelo físico construído numa fossa no LNEC, com
o propósito de serem testadas três substruturas ferroviárias não convencionais,
utilizando sub-balastro betuminoso. A selecção das substruturas foi efectuada após
uma análise de várias secções de estruturas já testadas e aplicadas noutros países,
de forma a proporcionar comparações fiáveis entre elas.
Os resultados obtidos mostraram que a mistura betuminosa AC20 base 50/70 (MB)
aplicada na camada de sub-balastro é adequada para ser aplicada nas infra-estruturas
de transportes pois apresenta um bom desempenho à fadiga e à deformação
permanente. Através dos ensaios efectuados foi ainda possível entender a importante
influência das características volumétricas, principalmente da porosidade para o bom
comportamento da mistura betuminosa.

Palavras-Chave: Misturas betuminosas, infra-estruturas de transportes, caracterização
mecânica, ensaios de cargas repetidas, ensaios triaxiais, ensaios de fadiga.

II
Abstract
ABSTRACT

Most transport infrastructures, including road and airport pavements include bituminous
mixtures, which allow a good performance and an adequate durability under ordinary
service conditions. The bituminous mixtures are still widely used in the construction of
parking areas for vehicles, being recently applied in rail infrastructures.
Due to the need to improve the performance of railways, allowing a more durable high-
speed lines and a maintenance cost reduction, numerous studies to promote the use of
new materials, mainly through the incorporation of bituminous mixtures have been
developed.
The present work aims to characterize the mechanical behaviour of bituminous
mixtures in order to be applied in transport infrastructures.
As a methodology to study the mechanical behaviour of the bituminous mixtures,
laboratory repeated loading tests were performed, namely four-point bending tests
(4PBT) to determine stiffness and fatigue behaviour, and cyclic triaxial compression
tests to evaluate the permanent deformation behaviour.
The fatigue behaviour of the studied bituminous mixtures was evaluated by the 4PBT,
with controlled strain and the application of a sinusoidal loading with different
frequencies, according to the European Standard EN 12697-24 (2004 + A1:2007).
The permanent deformation behaviour of the bituminous mixtures was analyzed with
the cyclic triaxial compression test, by subjecting the samples to a static confinement
stress through the application of vacuum and applying a rectangular cyclic axial
pressure stress, according to the European Standard EN 12697 -25 (2004).
The knowledge of these mechanical properties is of particular importance in the
formulation of bituminous mixtures, in structure design or for the establishment of an
adequate solution to transportation infrastructure rehabilitation.
For this study a physical model built at LNEC’s test pit was used, in order to test three
unconventional railway substructures using bituminous mixtures as sub-ballast layer.
The selection of the substructures was made after the analysis of several sections
already tested and applied in other countries, in order to provide reliable comparisons
between them.
III
Abstract

The results obtained showed that the bituminous mixture AC20 base 50/70 (MB)
applied in the sub-ballast layer is suitable for application in transport infrastructure
because it presents an adequate performance to fatigue and permanent deformation.
Through the tests carried out it was also possible to understand the importance of
volumetric characteristics, especially the bulk density to a good behaviour of
bituminous mixture.

Keywords: Bituminous mixtures, transport infrastructures, mechanical characterization,
repeated loading tests, triaxial tests, fatigue tests.

IV
Agradecimentos
AGRADECIMENTOS

O presente trabalho de tese foi elaborado no Laboratório Nacional de Engenharia Civil
(LNEC), sob orientação da Doutora Ana Cristina F. O. R. Freire, Chefe do Núcleo de
Infra-estruturas Rodoviárias e Aeroportuárias (NIRA) e Investigadora Auxiliar do LNEC
e da Doutora M. Graça Alfaro Lopes, Professora Coordenadora com Agregação do
Instituto Superior de Engenharia de Lisboa (ISEL).
Gostaria de expressar o meu reconhecimento ao LNEC na pessoa do seu Presidente,
Investigador Coordenador Carlos Pina, pelos meios facultados e às várias pessoas
que contribuíram directa ou indirectamente para a realização deste trabalho.
Agradeço à Fundação para a Ciência e Tecnologia que apoiou financeiramente parte
deste trabalho, no âmbito do Projecto PTDC/ECM/70571/2006 – “Optimização de vias
ferroviárias de alta velocidade mediante uso de sub-balastro betuminoso”.
Quero agradecer também o apoio da Galp Energia, na pessoa do Eng.º Jorge Moura,
pelo financiamento da construção do modelo físico onde foram aplicadas as misturas
betuminosas objectos do presente estudo.

Desejo agradecer em particular:
À minha orientadora, Doutora Ana Cristina Freire, não só pela orientação deste
trabalho, como pela confiança em mim depositada para a sua concretização, pela
colaboração demonstrada na realização dos ensaios e leitura crítica do documento.
Mas acima de tudo, quero agradecer toda a sua amizade e reconhecimento.
À minha orientadora, Doutora M. Graça Alfaro Lopes, pelos conhecimentos
transmitidos nas suas aulas, pela leitura do documento e pela oportunidade que me
deu. A ela quero demonstrar o meu profundo agradecimento.
Ao Doutor Eduardo Fortunato, Chefe do Núcleo de Infra-estruturas Ferroviárias e
Investigador Principal do LNEC, pela possibilidade de participar num projecto tão
aliciante.
V
Agradecimentos

Ao Engenheiro Henrique Miranda, Docente do Mestrado no ISEL, pelo conhecimento e
entusiasmo transmitido nas suas aulas assim como a disponibilidade demonstrada na
realização de alguns ensaios de flexão em quatro pontos no LNEC.
Ao Engenheiro Pedro Domingos, pelos conhecimentos transmitidos assim como pela
disponibilidade demonstrada na realização de alguns ensaios de tracção indirecta no
laboratório.
Ao Senhor Eduardo Coimbra, Técnico do NIRA/DT, pelo acompanhamento dos
ensaios ao longo de todo o período deste trabalho, pelo profissionalismo, dedicação e
disponibilidade sempre demonstradas, mesmo nos períodos mais difíceis.
Aos Senhores José Reimão, João Costa, Nuno Nunes, Técnicos do NIRA/DT, pela
disponibilidade e ajuda sempre que solicitada.
À Engenheira Simona Fontul, à Engenheira Anabela Maia, à Engenheira Vânia
Marecos, ao Engenheiro Gonçalo Faria e ao Daniel Fernandes pela simpatia que
sempre me demonstraram e pela forma como me acolheram no LNEC.

Por último, mas não menos importantes, gostaria de manifestar os meus sinceros
agradecimentos, em particular:
À minha família, em especial aos meus pais e irmãos pelos bons momentos que me
proporcionaram durante a concretização deste trabalho.
Ao Telmo Ruivo, pela paciência e amor que sempre me transmitiu e por todo o apoio
na realização deste trabalho.

VI
Índice
ÍNDICE

1 Introdução 1
1.1 Enquadramento do tema 1
1.2 Objectivos 3
1.3 Metodologia 4
1.4 Estrutura do trabalho 4
2 Misturas Betuminosas 7
2.1 Características gerais 7
2.2 Principais constituintes das misturas betuminosas 11
2.2.1 Agregados 11
2.2.2 Ligantes betuminosos 15
2.3 Factores que influenciam o comportamento mecânico das misturas
betuminosas 18
2.3.1 Composição volumétrica 18
2.3.2 Tráfego 20
2.3.3 Condições climatéricas 23
2.3.4 Compactação 25
2.4 Características mecânicas das misturas betuminosas 25
2.4.1 Rigidez das misturas betuminosas 26
2.4.2 Resistência à fadiga 28
2.4.3 Resistência às deformações permanentes 29
3 Infra-estrutura Ferroviária 31
3.1 Constituição da via-férrea 31
3.1.1 Superstrutura 32
3.1.2 Substrutura 36
3.2 Funcionamento da via-férrea 40
3.3 Mecanismos de degradação da via-férrea 43
4 Caracterização Mecânica de Misturas Betuminosas 45
VII
Índice

4.1 Determinação do módulo de rigidez e caracterização do comportamento à
fadiga 45
4.1.1 Ensaio de tracção indirecta ou de compressão diametral 47
4.1.2 Ensaio de flexão em dois pontos 48
4.1.3 Ensaio de flexão em três pontos 49
4.1.4 Ensaio de flexão em quatro pontos 50
4.2 Caracterização do comportamento à deformação permanente 53
4.2.1 Ensaio de compressão uniaxial 54
4.2.2 Ensaio de compressão triaxial 55
4.2.3 Ensaio de corte simples 59
4.2.4 Ensaio de simulação em pista – Whell Tracking 60
4.2.5 Ensaio de simulação em pista à escala real 61
5 Caso de Estudo – Caracterização Mecânica de Mistura Betuminosa aplicada
em Camada de Sub-Balastro 63
5.1 Construção do modelo físico 64
5.2 Caracterização dos materiais aplicados na fossa de ensaios 66
5.2.1 Solos 66
5.2.2 Materiais granulares 67
5.2.3 Misturas Betuminosas 68
5.2.4 Obtenção dos provetes para ensaio 70
5.2.5 Ensaio para a determinação da análise granulométrica da mistura de
agregados 74
5.2.6 Ensaio para a determinação da percentagem de betume 75
5.2.7 Ensaio para determinação da baridade máxima teórica 76
5.2.8 Ensaio para a determinação da baridade e da porosidade 77
5.2.9 Ensaio de compressão Marshall 82
5.2.10 Ensaio para a determinação da sensibilidade à água 83
5.2.11 Ensaios de flexão em quatro pontos (Módulo e Fadiga) 86
5.2.12 Ensaio de tracção indirecta 92
VIII