Avaliação do comportamento à fadiga de misturas asfálticas quentes e mornas através do modelo de dano contínuo viscoelástico

Abstract

A fadiga é reconhecida historicamente como um dos principais mecanismos de degradação de pavimentos flexíveis, originando-se nas cargas repetidas de tráfego que geram tensões de tração na camada de concreto asfáltico, culminando na falha sucessiva das fibras. Estas tensões fazem com que, inicialmente, surjam microfissuras na zona inferior da camada, que evoluem para trincas e se propagam até que atinjam a superfície do revestimento, caracterizando a falha mecânica da estrutura. Apesar de no Brasil o dimensionamento oficial ainda não contemplar uma análise da fadiga destas camadas no dimensionamento de pavimentos novos, há um esforço de várias instituições na direção de compor um novo método mecanístico-empírico que o faça. Tradicionalmente os ensaios para avaliação da fadiga são feitos por compressão diametral, que reconhecidamente apresentam limitações no estado de tensões desenvolvido. O uso dos ensaios de tração direta associados à modelagem de dano se mostram como uma sólida ferramenta para avaliação dos parâmetros viscoelásticos, além de serem consideravelmente mais simples de realização do que, por exemplo, os ensaios de flexão. Desta forma, o presente trabalho teve por objetivo a implementação do protocolo de ensaios e análises para caracterização do dano de misturas asfálticas através do modelo Simplified-Viscoelastic Continuum Damage (S-VECD) Foram caracterizadas misturas asfálticas quentes e mornas com ligante convencional, modificado por polímero e com borracha. Após a modelagem do dano, foram geradas curvas de Wöhler e simuladas as diferentes misturas em uma estrutura de pavimento, com o software FLEXPave, utilizando dois critérios de ruptura, 𝐷𝑅 e 𝐺𝑅. O critério baseado no 𝐺𝑅 apresentou uma melhor capacidade de previsão do comportamento das misturas deste trabalho. A mistura quente com polímero apresentou o melhor desempenho à fadiga, seguida da mistura quente com borracha e posteriormente da mistura morna com polímero. A mistura morna com ligante convencional apresentou melhor desempenho que a morna com asfalto borracha, enquanto a mistura quente com ligante convencional apresentou a menor vida de fadiga. O emprego do aditivo surfactante gerou efeito benéfico para a mistura com ligante convencional, enquanto para as misturas com ligantes modificados a vida de fadiga resultou em breve diminuição.

Fatigue cracking is admittedly one of the key modes of distress in flexible pavements; its genesis relies on the repeated tensile stretches due to the continuous load application yielding to successive failure of the material’s fibers. Such ruptures combined create microcracks that grows into macrocracks and propagate to the pavement surface, characterizing the mechanic failure of the structure. Despite the current design method for new pavements in Brazil neglects fatigue analysis, there is a national effort of various institutions to draw a new mechanistic-empirical design method to tackle the problem. Traditionally, fatigue tests are carried out using diametral compression apparatus, even though they feature acknowledged limitations in its stress state distribution. Direct tension tests combined with damage modeling have proven to be a solid tool to viscoelastic parameters assessment, not to mention its rather simple test protocol when compared to other tests, such as flexural tests. Hence, this dissertation aims to implement the protocol for testing and analysis of damage characterization through Simplified Viscoelastic Continuum Damage (S-VECD) model Hot and warm mixtures with different binders were characterized. With the calibrated damage models, pavement simulations using FLEXPave software with two different failure criteria, 𝐷𝑅 and 𝐺𝑅, can be performed. The 𝐺𝑅 failure criteria demonstrate a better prediction capability than the 𝐷𝑅, for the analysed asphalt mixtures. The correlation of number of cycles to failure and the strain level (Wöhler curves) could also be assessed. The material and pavement level simulations show that the hot mixture with polymer-modified binder have better fatigue performance, followed by the hot mixture with rubber asphalt and the warm mixture with polymer-modified binder. The warm mixture with conventional binder have better performance than warm mixture with rubber asphalt, while the hot mixture with conventional binder have the worse fatigue performance. The surfactant additive for the warm mixes results in positive effects for fatigue performance on the mixture with conventional binder, while for the mixtures with modified binders the fatigue life decreases.