Não é necessário atingir a tensão de ruptura para provocar danos ou a falha estrutural das camadas asfálticas submetidas a carregamento estático. A aplicação de cargas cíclicas, a níveis de tensões muito mais baixas em relação a tensão de ruptura, podem levar a ocorrência de trincas e rupturas em revestimentos asfálticos.
A passagem das rodas dos veículos solicita a flexão a camada de concreto asfáltico do revestimento. Normalmente o desenvolvimento das trincas ocorre inicialmente na face inferior do revestimento, propagando-se até a superfície. Em revestimentos asfálticos com espessura igual ou superior a 20 cm, as trincas podem iniciar na superfície devido à curvatura convexa próximo a roda (Medina e Motta, 2015).
Fadiga pode ser definido como um processo de mudança estrutural permanente, localizada e progressiva, que ocorre no material submetido a condições de carregamento cíclico que originam tensões e deformações repetidas em algum ponto, resultando em trincas ou fratura completa após um número específico de ciclos, sendo estas tensões com valores inferiores a resistência à tração do material (Preussler, 1983). O processo de fadiga em concretos asfálticos submetidos a carregamento cíclico pode ser dividido em três estágios, conforme apresentado na Figura 2.7.
A região I corresponde a ocorrência das primeiras mudanças microestruturais, formação de microfissuras e das zonas de danos irreversíveis. A região II caracteriza-se pela formação das macrofissuras originadas da coalescência das microfissuras. E, na região III, ocorre o crescimento das macrofissuras conduzindo rapidamente ao colapso total (Bernucci et al., 2008).
O estudo do comportamento à fadiga das misturas betuminosas é de fundamental importância na análise estrutural dos pavimentos flexíveis. Vários fatores contribuem para influenciar a vida de fadiga dos concretos asfálticos, tais como: tipo de ligante; temperatura da mistura; teor de ligante; granulometria do agregado; tipo de agregado; intensidade de carregamento; frequência de carregamento; módulo de resiliência e fatores ambientais.
A vida de fadiga das misturas asfálticas pode ser definida em vida de fratura (Nf) que é
o número total de aplicações de uma carga necessária a fratura completa da amostra, ou definida como vida de serviço (Ns), sendo o número total de aplicações desta mesma
carga que reduzam o desempenho ou a rigidez inicial da amostra a um nível preestabelecido.
Várias metodologias foram desenvolvidas para estimar a vida de fadiga das misturas asfálticas utilizadas em pavimentos rodoviários. Podemos classificar os ensaios laboratoriais quanto as condições e ao tipo de carregamento aplicado. Os ensaios dinâmicos reproduzem melhor as condições de carregamento impostas pelas rodas dos veículos, sendo os mais utilizados pelo meio científico da pavimentação no Brasil e no exterior. Os centros de pesquisa realizam ensaios de fadiga sob condições de solicitação simples, mesmo que na prática corrente as camadas estruturais do pavimento rodoviário estejam submetidas as solicitações complexas (Pinto, 1991; Loureiro et al., 2004). O ensaio de compressão diametral é bastante utilizado devido a sua simplicidade de execução, além de poder utilizar amostras elaboradas pela metodologia Marshall ou extraídas em campo por sondas rotativas. Em relação ao carregamento cíclico, as cargas
solicitantes verticais podem ser aplicadas na forma de tensão controlada ou sob o regime de deformação controlada (Preussler, 1983; Pinto, 1991).
No ensaio à tensão controlada (TC), a carga permanece com um valor fixo e a deformação de tração aumenta progressivamente até a ruptura completa do corpo de prova. Este tipo de ensaio reflete melhor a caracterização de materiais de revestimentos asfálticos ou com elevada rigidez em relação as camadas subjacentes, devido ao controle da magnitude das deformações e predominância de absorção das tensões pelo revestimento (Preussler, 1983; Pinto, 1991). Adedimila e Kennedy (1976) realizaram um estudo detalhado sobre o ensaio de fadiga por compressão diametral e concluíram que este tipo de ensaio é satisfatório na determinação das características das misturas asfálticas.
A solicitação a deformação controlada (DC) corresponde melhor a pavimentos de revestimento delgado e fraco em relação ao seu suporte, uma vez que neste tipo de estrutura há maior contribuição das subcamadas na absorção das tensões solicitantes e consequente controle das deformações. Em revestimentos com espessuras inferiores a 5 cm, não acontece um decréscimo suficiente na rigidez, de modo a causar uma variação no nível de deformação durante o carregamento (Huang, 1993; Bernucci et al., 2008). Em condições reais de campo, nem a deformação controlada e nem a tensão controlada ocorre ao longo de toda a vida útil do pavimento rodoviário. Predominando uma quantidade expressiva de variações no modo de carregamento em relação aos dois limites definidos pelos ensaios de fadiga. Tal fato se deve às alterações das propriedades de resistência e rigidez das misturas asfálticas, ocasionando variações no comportamento das tensões e deformações no interior da camada asfáltica.
Nesse contexto, Monismith e Deacon (1969) conceituaram o fator de modo (mode
factor) de forma a avaliar esta variação, definido pela Equação 2.2, que é um parâmetro
utilizado para quantificar e diferenciar os tipos de carregamento.
B A B A FM (2.2) onde: FM - fator de modo;
A - variação percentual da tensão horizontal inicial de tração (
σ
0) correspondente a umadeterminada redução da rigidez da mistura asfáltica;
B - variação percentual da deformação horizontal inicial de tração (
ε
0) correspondente auma determinada redução da rigidez da mistura asfáltica.
No ensaio a tensão controlada, A = 0, portanto FM = -1. No de deformação controlada, B = 0, donde FM = +1. No modo intermediário o fator de modo assume valores entre -1 e +1. Na Figura 2.8 estão apresentados esquematicamente os gráficos de variação das tensões e deformações dos ensaios TC, DC e intermediário.
A Tabela 2.3 apresenta a relação entre os parâmetros da mistura asfáltica e o comportamento à fadiga tanto no ensaio a tensão controlada (TC) quanto no ensaio à deformação controlada (DC).
Tabela 2.3 – Fatores que afetam a rigidez e o comportamento à fadiga de concretos asfálticos (Preussler, 1983)
a existência de um teor ótimo para vida de fadiga máxima b poucos estudos
No início da década de 1960, foram descritas as formas básicas de representação da vida de fadiga em relação à deformação ou das diferenças de tensões geradas no centro do corpo de prova, descritas conforme as Equações 2.3 e 2.4. Estes modelos são tradicionalmente os mais utilizados no país.
1
1
1 nk
N
(2.3) 21
2 n tk
N
(2.4) onde:N - vida de fadiga expressa em número de solicitações de carga;
k1, k2, n1, n2 - constantes determinadas experimentalmente por meio de regressão linear;
Fator Variação do fator
Efeito de Variação do fator Na rigidez Na vida de
fadiga em TC
Na vida de fadiga em DC Penetração do asfalto decresce aumenta aumenta Decresce Teor de asfalto aumenta aumentaa aumentaa aumentab
Tipo de agregado rugosidade e aumenta a angularidade
aumenta aumenta Decresce Granulometria do
agregado aberta a densa aumenta aumenta decresceb Índice de vazios decresce aumenta aumenta aumentab Temperatura decresce aumenta aumenta Decresce
Δσ - diferença entre a tensão horizontal de tração (σt) e a tensão vertical de compressão
no centro da amostra (σc);