PROCEDIMENTO DE ENSAIO: ÍNDICE DE SUPORTE CALIFÓRNIA – ISC (CBR)

O índice de Suporte Califórnia (CBR) 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.

Figura 2 – Corpo de prova pronto para início do ensaio de expansão

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.

Tabela 1 – Modelo de relatório para leitura da expansão

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.

Figura 3 – Prensa montada com corpo de prova

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.

Figura 4 – Deflectômetro de leitura da penetração

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.

Figura 5 – Penetração do 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.

Figura 6 – Deflectômetro de leitura da penetração

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.

Figura 7 – Deflectômetro de leitura da deformação do anel dinamométrico

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).

Figura 8 – Deflectômetro de leitura da deformação do anel dinamométrico

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.

Tabela 2 – Modelo de anotação de leituras da deformação do anel dinamométrico

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:

Figura 9 – Penetração do pistão em 0,63 mm

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.

Figura 10 -Deformação de 0,075 mm no 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:

Figura 11 – Penetração do pistão em 2,54 mm

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.

Figura 12 – Deformação de 0,325 mm no 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:

Figura 13 – Gráfico de calibração do anel dinamométrico

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.

Figura 14 – Curva CBR

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.

Figura 15 – Gráfico CBR

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:

 y = 0,106x = 0,106\cdot 190 = 20,14 kg/cm^2

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:

 CBR_{(2,54 mm)} = \frac{40,70 kg/cm^2}{70,31 kg/cm^2} \times 100 \cong 57,9\%

 CBR_{(5,08 mm)} = \frac{55,12 kg/cm^2}{105,46 kg/cm^2} \times 100 \cong 52,3\%

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
Figura 16 – Curva CBR x Curva de compactação (Proctor)

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.

Figura 17 – Corpo de prova pronto para início do ensaio de expansão

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:

 E = \frac{0,03}{114,3}\times 100 = 0,026\%

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

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