ENSAIO: ÍNDICE DE SUPORTE CALIFÓRNIA – ISC (CBR)

O índice de Suporte Califórnia (CBR – California Bearing Ratio) é uma medida fundamental na engenharia de pavimentos, usada para avaliar a capacidade do solo de suportar o tráfego rodoviário. Este ensaio fornece informações cruciais sobre a resistência do solo e sua capacidade de suportar cargas sem deformações excessivas.

Esse índice é amplamente utilizado no projeto de estradas, aeroportos e outras estruturas de pavimentação, ajudando os engenheiros a determinar o tipo de pavimento adequado e a espessura necessária para garantir a durabilidade e segurança da infraestrutura viária.

A norma brasileira que regulamenta o procedimento de ensaio é a ABNT NBR 9895:2016 Solo – Índice de suporte Califórnia (ISC) – Método de ensaio.

PROCEDIMENTO DE ENSAIO

MOLDAGEM DOS CORPOS DE PROVA

Tem-se como pré-requisito para o ensaio de Índice de Suporte Califórnia – ISC (CBR) a preparação de amostras conforme ABNT NBR 6457 Amostras de solo – Preparação para ensaios de compactação e ensaios de caracterização ,e compactação de acordo com ABNT NBR 7182 Solo – Ensaio de compactação (Saiba mais sobre o Ensaio de Proctor – Compactação de Solos). Cabe destacar que a realização do ensaio CBR só é possível quando o ensaio de compactação (Proctor), previamente realizado para a moldagem dos corpos de prova, for realizado utilizando o CILINDRO GRANDE. A realização desta etapa permite determinar a umidade ótima e peso específico máximo. A Figura 1 ilustra a composição do corpo de prova quando concluída a realização da moldagem.

Após a moldagem dos corpos de prova, proceder conforme descrito abaixo:

EXPANSÃO

1º PASSO: Uma vez que o corpo de prova já está moldado, vira-se o mesmo e fixa-o de forma que o solo (5ª camada) fique sobre o prato base perfurado.

2º PASSO: Coloca-se em cada corpo de prova, no espaço deixado pelo disco espaçador o prato perfurado com a haste de expansão e sobre ele dois discos anelares (sobrecarga) cuja massa total deve ser de cerca de 4540 ± 20 g.

3º PASSO: Apoia-se na haste de expansão do prato perfurado a haste do relógio comparador (deflectômetro) acoplado ao suporte para relógio comparador (deflectômetro), colocado na borda superior do cilindro, conforme ilustrado na figura 2 abaixo.

4º PASSO: Ajusta-se o relógio comparador com a haste de forma a iniciar o experimento com o relógio comparador zerado. Cada corpo de prova deve permanecer imerso por pelo menos quatro dias e as leituras no relógio comparador (deflectômetro) são efetuadas a cada 24h e registradas em ficha conforme tabela 1.

Terminada a imersão, retira-se o corpo de prova e deixa-se escoar por 15 minutos, para iniciar a penetração.

TESTE DE PENETRAÇÃO

Coloca-se no topo de cada corpo de prova dentro do molde cilíndrico as mesmas sobrecargas descritas no 2º PASSO do ensaio de expansão, sem o prato perfurado com haste.

Coloca-se esse conjunto (cilindro + solo + disco de sobrecarga) no prato da prensa. Com auxílio do macaco hidráulico da prensa, eleva-se o prato da prensa de modo que o corpo de prova toque o pistão de penetração, aplicando uma carga de aproximadamente 45 N, controlada pelo deslocamento do relógio comparador (deflectômetro) do anel dinamométrico (ou célula de carga). Zera-se então o relógio comparador (deflectômetro) do anel dinamométrico (ou célula de carga) e o relógio que mede a penetração do pistão no solo, conforme ilustrado na Figura3.

Caso a prensa seja elétrica, aciona-se o sistema para iniciar o ensaio e anotações das leituras. Se a prensa for manual, deve-se girar a manivela de forma constante, de modo que a velocidade de penetração seja de 1,27 mm/min. Para facilitar o controle da velocidade, cada marcação da Leitura Externa (10, 20, 30… 90) deve ser alcançada a cada 4,7s.

LEITURAS: DEFLECTÔMETRO DE REGISTRO DA PENETRAÇÃO

Ao ativar o sistema elétrico ou girar a manivela, se a prensa for manual, o macaco hidráulico eleva o prato de suporte do cilindro. Isso permite que o solo compactado seja pressionado contra o pistão, que está conectado ao anel dinamométrico. À medida que o sistema é elevado pelo macaco hidráulico, o Relógio Comparador (Deflectômetro), posicionado sobre a borda do cilindro, quantifica a deformação do solo causada pelo pistão.

O deflectômetro que mede o deslocamento do conjunto, valor igual a penetração do pistão no solo compactado, tem precisão de 0,01 mm. Observe na ilustração abaixo que o deflectômetro possui duas marcações: externa e interna.

A leitura externa proporciona uma precisão de 0,01 mm, com numerações indicadas em múltiplos de 10 (10 x 0,01 mm = 0,1 mm). Uma volta completa no indicador externo reflete uma deformação total de 1 mm (100 x 0,01 mm = 1 mm).

O indicador interno registra o número de voltas completas realizadas pelo indicador externo. Consequentemente, cada marcação na leitura interna representa uma deformação de 1 mm.

LEITURAS: DEFLECTÔMETRO DE REGISTRO DA DEFORMAÇÃO DO ANEL DINAMOMÉTRICO

À medida que o macaco hidráulico eleva o conjunto contra o pistão, ocorre a deformação do anel dinamométrico ao qual está associado. Essas deformações no anel dinamométrico são de pequena escala, demandando a utilização de um relógio comparador (deflectômetro) com uma precisão de 1 μm (micrômetro), equivalente a 0,001 mm.

Observe a presença de dois marcadores: externo e interno. Na leitura externa, a primeira metade de uma volta (0 a 100) indica uma deformação de 0,1 mm (100 x 0,001 μm). A segunda metade, numerada de forma inversa (100 a 0), também representa uma deformação total de 0,1 mm. Assim, uma volta completa na leitura externa registra uma deformação de 0,2 mm (200 x 0,001 = 0,2 mm) no anel dinamométrico.

O leitor interno registra o número de voltas completas do marcador externo. Portanto, cada marcação no leitor interno corresponde a uma deformação total de 0,2 mm. Destaca-se que para atingir a deformação total de 1 mm, conforme indicado no leitor interno, são necessárias 5 voltas completas do marcador externo (5 x 0,2 mm = 1 mm).

As leituras realizadas durante o ensaio, utilizando o Relógio Comparador (Deflectômetro) conectado ao anel dinamométrico, devem ser efetuadas para cada penetração listada na Tabela 2, juntamente com seu tempo de ensaio correspondente.

Tomando como exemplo a primeira leitura, que deve ser realizada no tempo de 0,5 minuto (30 segundos), a penetração correspondente deve ser igual a 0,63 mm. O relógio comparador (deflectômetro) que mede a penetração do pistão no solo compactado deve se apresentar da seguinte forma:

Observe que a leitura externa indica a marcação 63 (63 x 0,01 = 0,63 mm). Como a leitura externa não chegou a completar uma volta, o ponteiro interno ainda não alcançou a primeira marcação.

Quando o deflectômetro indicar a penetração de 0,63 mm (que de ocorrer em 0,5 min), deve-se registrar o valor indicado no deflectômetro vinculado ao anel dinamométrico. No exemplo abaixo, o valor registrado é igual a 75, que representa uma deformação de 0,075 mm (75 x 0,001 = 0,075 mm) do anel dinamométrico.

Tomando como exemplo a quarta leitura, que deve ser realizada no tempo de 2,0 minutos, a penetração correspondente deve ser igual a 2,54 mm. O relógio comparador (deflectômetro) que mede a penetração do pistão no solo compactado deve se apresentar da seguinte forma:

Observe que a leitura interna indica que o marcador externo já completou duas voltas, resultando em uma deformação de 2 mm. O marcador externo está posicionado na marca 54 (54 x 0,01 = 0,54 mm). Assim, a deformação total é de 2,54 mm.

Quando o deflectômetro indicar a penetração de 2,54 mm (que de ocorrer em 2,0 min), deve-se registrar o valor indicado no deflectômetro vinculado ao anel dinamométrico. No exemplo abaixo, o valor registrado é igual a 325, que representa uma deformação de 0,325 mm (75 x 0,001 = 0,075 mm) do anel dinamométrico.

O leitor interno indica que o marcador externo completou uma volta completa. Cada volta do marcador externo corresponde a uma leitura total de 200 (de 0 a 100 e de 100 a 0), representando uma deformação de 0,2 mm (200 x 0,001 = 0,2 mm). O marcador externo avançou pela primeira metade, acrescentando 100 à leitura total, e um valor equivalente a 25 na segunda metade do leitor (100 – 75). Portanto, ao somar o valor da leitura interna (200) com a leitura externa (100 + 25), obtém-se o valor a ser registrado para a deformação do anel dinamométrico. Para a penetração de 2,54 mm do pistão no solo compactado aos 2 minutos de ensaio, esse valor é de 325.

CONSTANTE DO ANEL DINAMOMÉTRICO

A etapa de calibração do anel dinamométrico envolve a determinação de sua deformação diametral à medida que uma força é aplicada por meio do pistão. Como resultado desse procedimento, é gerado um gráfico, similar ao exemplificado abaixo:

As leituras no relógio comparador (deflectômetro) do anel (ou célula de carga) medem encurtamentos diametrais provenientes da atuação das cargas. No gráfico de aferição do anel tem-se a correspondência entre as leituras efetuadas no relógio comparador do anel e as cargas atuantes.

• EQUAÇÃO DA FORÇA: f(x) = 2,188x + 4,333 → (x = leitura da deformação do anel dinamométrico)
• EQUAÇÃO DA PRESSÃO: f(x) = 0,1121x + 0,22 → (x = leitura da deformação do anel dinamométrico)

A partir do diâmetro do pistão, é possível determinar também a equação da pressão x deformação. Essa equação é importante pois permite calcular a pressão de reação que o pistão exerce contra o solo compactado, sendo utilizada no gráfico da Curva CBR de cada ponto ensaiado.

EQUAÇÃO DA PRESSÃO: f(x) = 0,1121x + 0,22 → (x = leitura da deformação do anel dinamométrico)

No exemplo acima, o valor que precede x (indicando a leitura do deflectômetro associado ao anel dinamométrico) corresponde à constante do anel dinamométrico (0,1121), o qual deve ser registrado para o cálculo da pressão aplicada no solo compactado.

EXPRESSÃO DOS RESULTADOS – EXEMPLO

CÁLCULO DAS PRESSÕES

Ao realizar o ensaio de Índice de Suporte Califórnia – ISC (CBR), obteve-se as leituras indicadas abaixo. A partir das leituras, que representam a deformação do anel dinamométrico, calcule as pressões para a construção do gráfico. Considere a constante do anel dinamométrico igual a 0,106.

1º PASSO: para calcular a pressão aplicada, basta multiplicar a leitura pela constante do anel dinamométrico.

Para a penetração de 0,63 mm do pistão na amostra compactada, a leitura da deformação do anel dinamométrico foi igual a 190 μm. Portanto:

A pressão aplicada para gerar a deformação de 0,63 mm foi igual a 20,14 kg/cm².

Da mesma forma, calcula-se a pressão aplicada para os diferentes níveis de penetração do pistão.

• Para a deformação de 0,1″ (2,54 mm): Pressão = 0,106 x 384 = 40,70 kg/cm²
• Para a deformação de 0,2″ (5,08 mm): Pressão = 0,106 x 520 = 55,12 kg/cm²

DETERMINAÇÃO DO ÍNDICE DE SUPORTE CALIFÓRNIA – ISC (CBR)

O cálculo do índice CBR utiliza as pressões registradas durante o ensaio para penetrações de 0,1″ (2,54 mm) e 0,2″ (5,08 mm). Ele é expresso em termos percentuais porque compara as pressões obtidas durante o ensaio com as pressões padrão definidas na concepção do teste, utilizando uma amostra de BGS (brita graduada simples).

A BGS era um material comum como base em pavimentos quando o ensaio foi desenvolvido. Essa abordagem permite uma comparação direta da capacidade de suporte do solo testado com a do material padrão, facilitando a interpretação dos resultados e a tomada de decisões no projeto de pavimentação.

As pressões padrão são:

• Pressão padrão para a deformação de 0,1″ (2,54 mm): 70,31 kg/cm²
• Pressão padrão para a deformação de 0,2″ (5,08 mm): 105,46 kg/cm²

Dessa forma, podemos calcular:

O índice CBR do corpo de prova em análise é, portanto, o maior valor apresentado: CBR=57,9%

APRESENTAÇÃO DA CURVA CBR

De acordo com a norma ABNT NBR 9895:2016, é requisitado que os resultados do ensaio do Índice de Suporte Califórnia sejam representados em um gráfico juntamente com a curva de compactação do solo, também conhecida como curva de Proctor.

Perceba no exemplo abaixo que o ensaio para a determinação do índice CBR foi realizado com 3 pontos:

• 1º ponto: ramo seco
• 2º ponto: próximo à umidade ótima
• 3º ponto: ramo úmido

É importante destacar que o valor máximo do Índice de Suporte Califórnia – CBR nem sempre é alcançado na umidade ótima / densidade máxima do material. É comum que o ponto máximo da curva CBR esteja ligeiramente abaixo da umidade ótima (ramo seco).

Contudo, o material é compactado na umidade ótima pois essa condição promove o equilíbrio ideal em vários aspectos, como resistência, permeabilidade e expansão, que são cruciais para sua estabilidade.

EXPANSÃO

Após a compactação das amostras de solo, e antes do ensaio CBR, o conjunto apresentado abaixo é submerso em água por 96 horas (4 dias) para medir a expansão do material.

Um relógio comparador (deflectômetro) mede a expansão do material, que deve ser registrada à cada 24 h.

Supondo que a deformação medida após 96 horas seja de 0,03 mm:

e a altura do solo compactado igual a 114,3 mm:

podemos calcular a expansão:

A análise dos resultados de expansão de amostras compactadas em várias umidades permite a elaboração do gráfico abaixo:

CONCLUSÃO:

O Índice de Suporte Califórnia – ISC (CBR) é, ainda, o principal parâmetro utilizado na engenharia de pavimentos para avaliar a capacidade de suporte do solo e determinar a espessura adequada do pavimento, garantindo assim a segurança e durabilidade das estruturas viárias. Portanto, importante conhecer o seu procedimento de ensaio e como os resultados são obtidos e apresentados.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

• ABNT NBR 6457 Amostras de solo – Preparação para ensaios de compactação e ensaios de caracterização
• ABNT NBR 9895:2016 Solo – Índice de suporte Califórnia (ISC) – Método de ensaio
• ABNT NBR 7182 Solo – Ensaio de compactação

Pavimentação Asfáltica: Materiais, Projeto e Restauração

Mecânica dos Solos – Teoria e Aplicações