Avaliação de desempenho de pavimentos flexíveis brasileiros sob a influência de diferentes carregamentos e climas por meio da abordagem empírico-mecanicista da AASHTO

Abstract

Este estudo investiga o impacto do tráfego através de diferentes espectros de carga na durabilidade dos pavimentos rodoviários brasileiros, utilizando a metodologia MEPDG (Mechanistic-Empirical Procedure Design Guide) desenvolvida pela AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials). Com o crescimento significativo da malha rodoviária federal em termos de número de veículos pesados e volume de carga, o estudo analisa como diferentes variáveis podem influenciar o desempenho do pavimento. Foram realizados 864 dimensionamentos utilizando espectros de carga de diferentes postos de pesagem veicular e diferentes dados climáticos. Além disso, foram consideradas três cenários de carregamento (carga real, limitada à carga máxima legal e com flexibilização da tolerância permitida pela Lei n.º 14.229/2021), modificações na estrutura do pavimento (flexível e semirrígida) e diferentes misturas asfálticas com a mesma granulometria e asfaltos distintos (CAP 50/70, asfalto modificado por polímero, asfalto modificado por borracha e asfalto de alto módulo). A análise do desempenho do pavimento incluiu a evolução do Índice de Irregularidade Longitudinal (IRI), afundamento de trilha de roda (ATR) e trincamento por fadiga (FAD) ao longo de uma vida de projeto de 16 anos. Os resultados corroboram para a importância do uso do espectro de carga obtido por equipamentos de pesagem em movimento, oferecendo dados de tráfego suficientes para o dimensionamento de pavimentos, superando limitações impostas pelo uso de fatores médios de veículos e eixo-padrão equivalente. Os diferentes materiais asfálticos usados alteraram a rigidez das camadas e, consequentemente, seu comportamento mecânico. A comparação entre o carregamento real irrestrito (CR) ao limitado à carga máxima legal (CML), que representa os danos causados pelo excedente de carga mais a flexibilização das tolerâncias, demonstrou um aumento na evolução do dano por fadiga em pelo menos + 77% e a deformação permanente em + 14,3%. Em todos as simulações, o uso da mistura asfáltica com asfalto de alto módulo (AM) apresentou menores taxas em todos os critérios de desempenho. Quando comparada à mistura com CAP convencional, a mistura com asfalto modificado por polímero (AP) apresentou uma menor taxa de ATR nos primeiros oito anos de projeto (T1), enquanto a comparação com o asfalto modificado por borracha (AB) reduziu a taxa da fadiga (FAD) nos últimos oito anos (T2). O modelo de previsão climática do AASHTOWareTM Pavement ME Design (PMED) demonstrou maior sensibilidade ao ATR em comparação ao FAD. O clima do posto localizado em Feira de Santana/BA apresentou maior sensibilidade ao ATR, enquanto o clima localizado em Queluz/SP mostrou maiores taxas de evolução da FAD. Os pavimentos flexíveis (F) apresentaram menor impacto na evolução de IRI ao longo do tempo de projeto que os semirrígidos (SR), mas maior ATR; enquanto os pavimentos tipo SR mostraram maiores taxas de FAD em T1 e desempenho inferior a longo prazo sob excesso de peso. Por meio de uma análise estatística dos dados, comprovou-se a ausência de correlações significativas entre clima, carregamento e materiais, o que indica que cada cenário deve ser analisado de forma individualizada, reforçando a importância dos programas de análise empírico-mecanicistas para o dimensionamento de pavimentos e a dificuldade da identificação de comportamento singulares para a interação das variáveis estudadas.

Abstract: This study investigates the impact of traffic through different load spectra on the durability of Brazilian road pavements using the MEPDG (Mechanistic-Empirical Procedure Design Guide) methodology developed by AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials). Given the significant growth of the federal road network regarding the number of heavy vehicles and cargo volume, the study analyzes how various factors influence pavement performance. Eight hundred sixty-four pavement designs were carried out using load spectra from different weigh stations and various climatic data. Additionally, three loading scenarios were considered (actual load, limited to the maximum legal load, and with flexibility allowed by Law No. 14,229/2021), variations in pavement structure (flexible and semi-rigid), and different asphalt mixtures with the same gradation but different asphalt binders (CAP 50/70, polymer-modified asphalt, rubber-modified asphalt, and high modulus asphalt). The pavement performance analysis included the evolution of the International Roughness Index (IRI), permanent deformation (ATR), and fatigue cracking (FAD) over a 16-year design life. The results highlight the importance of using load spectra obtained from weigh-in-motion equipment, which provides sufficient traffic data for pavement design, overcoming the limitations imposed by using average vehicle factors and equivalent standard axles. The different asphalt materials used altered the stiffness of the layers and, consequently, their mechanical behaviour. Comparing unrestricted accurate loading (CR) to the maximum legal load (CML), which represents the damage caused by excess load plus the tolerance flexibility, showed an increase in fatigue damage evolution of at least +77% and permanent deformation of +14.3%. All simulations used the asphalt mixture with high modulus asphalt (AM), which showed the lowest rates across all performance criteria. Compared to the conventional CAP mixture, the mixture with polymer-modified asphalt (AP) showed a lower ATR rate in the first eight years of the project (T1), while the comparison with rubber-modified asphalt (AB) reduced the fatigue rate (FAD) in the last eight years (T2). The climatic prediction model of the AASHTOWareTM Pavement ME Design (PMED) demonstrated greater sensitivity to ATR compared to FAD. The station's climate in Feira de Santana/BA showed greater sensitivity to ATR, while the climate in Queluz/SP presented higher rates of FAD evolution. Flexible pavements (F) showed less impact on IRI evolution over the project period than semi-rigid pavements (SR) but higher ATR; SR pavements exhibited higher FAD rates in T1 and poorer long-term performance under overweight conditions. Statistical analysis of the data revealed no significant correlations between climate, loading, and materials, suggesting that each scenario should be analyzed individually, reinforcing the importance of mechanistic-empirical analysis programs for pavement design and the difficulty in identifying singular behaviours for the interaction of the studied variables.