Departamento de Engenharia Civil

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1 Departamento de Engenharia Civil Camadas de Desgaste Betuminosas com Incorporação de Seixo Britado Análise de Alguns Parâmetros Relativos ao Atrito Superficial Dissertação apresentada para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil Especialização em Construção Urbana Autor Elza Ferreira Sardão Orientador Prof. Doutor Silvino Dias Capitão Professor Coordenador do DEC-ISEC Coimbra, novembro de 2012

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3 CAMADAS DE DESGASTE COM SEIXO BRITADO ATRITO SUPERFICIAL AGRADECIMENTOS AGRADECIMENTOS Esta dissertação representa o meu objetivo académico ao qual me propus e me dediquei com a ajuda, apoio e colaboração de algumas pessoas a quem manifesto o meu sincero agradecimento. Agradeço especialmente ao Professor Doutor Silvino Dias Capitão, Professor Coordenador do Departamento de Engenharia Civil do Instituto Superior de Engenharia de Coimbra, pela sua orientação científica dedicada, pelos conhecimentos transmitidos, recomendações transmitidas e pela sua atenção, apoio e motivação dada, ao longo de todo o trabalho. Ao Engenheiro Técnico Carlos Renato, técnico do Laboratório de Pavimentos do Departamento de Engenharia Civil do Instituto Superior de Engenharia de Coimbra, ao Senhor Celestino Marques, técnico de laboratório do Departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra e à Sofia Matos, agradeço pela ajuda e incentivo dados nos trabalhos experimentais realizados. Um agradecimento especial à Professora Deolinda Rasteiro, Professora Adjunta do Departamento de Física e Matemática do Instituto Superior de Engenharia de Coimbra pela ajuda e conhecimento, disponibilidade e paciência. Agradeço às Empresas Júlio Lopes, S.A., na pessoa da Engenheira Filipa Gomes, e Estradas de Portugal - EP, com especial agradecimento à Engenheira Teresa Garido pela disponibilidade e cooperação na realização deste trabalho. A todos os meus colegas e amigos que me apoiaram, incentivaram e ajudaram ao longo deste trabalho, com especial agradecimento cheio de carinho à Mary Torres que tanta paciência teve e que tanto se dedicou a ajudar-me e a manter-me motivada nas horas mais complicadas, a uma pessoa especial e ao Marco Rodrigues que me ajudou e que tanta companhia me fez nas horas de trabalho. Por fim, um agradecimento especial aos meus pais e irmã, pela paciência e apoio que me deram, pois sem eles este trabalho não seria possível. Elza Ferreira Sardão Coimbra, novembro de 2012 Elza Ferreira Sardão i

4 CAMADAS DE DESGASTE COM SEIXO BRITADO ATRITO SUPERFICIAL AGRADECIMENTOS ii

5 CAMADAS DE DESGASTE COM SEIXO BRITADO ATRITO SUPERFICIAL RESUMO RESUMO Os pavimentos rodoviários têm como principal função garantir uma superfície de rolamento que permita a circulação de veículos com conforto e segurança, sob as ações climáticas e do tráfego que surgem durante o seu período de vida. Um pavimento deve assegurar dois tipos de características: as funcionais conforto e segurança para o tráfego, e as estruturais capacidade de suporte de cargas dos veículos sem colocar em causa a qualidade funcional. A camada de desgaste assegura primordialmente as qualidades funcionais do pavimento, enquanto as restantes camadas garantem a capacidade estrutural do pavimento. A presente dissertação centra-se na avaliação de algumas características superficiais de pavimentos cujas camadas de desgaste incorporam agregados de seixo britado, comparandoas com as de outras que contêm agregados graníticos, ou produzidos a partir de gnaisse. Além disso, faz-se também uma revisão das matérias de enquadramento, designadamente no que se refere aos materiais de pavimentação que habitualmente se utilizam na construção de camadas de desgaste, bem como na reabilitação das suas características superficiais. É ainda apresentada uma revisão bibliográfica sobre as propriedades da superfície dos pavimentos e sobre as técnicas que podem ser utilizadas para a sua medição. Os principais fatores que influenciam as características do atrito medido nos pavimentos são também apresentados e discutidos de forma sumária. As análises laboratoriais que são feitas na presente dissertação consideram o atrito e a profundidade da textura superficiais, medidos com o Pêndulo Britânico e com o método da mancha de areia, respetivamente. Os resultados foram obtidos sobre lajetas de misturas betuminosas produzidas em laboratório, as quais foram sujeitas a um processo de desgaste acelerado. Para um estudo mais detalhado, os resultados obtidos foram comparados com os valores medidos em alguns pavimentos em serviço, e cotejados com patamares de aceitação estabelecidos por outros autores. Com o estudo realizado, foi possível reunir um conjunto de conhecimentos relevantes para a problemática tratada, ao mesmo tempo que se avaliou o desempenho, em termos de atrito superficial e de textura, de camadas de desgaste incorporando seixo britado, por comparação com outras que contêm agregados britados considerados habitualmente mais aptos para aquela função. PALAVRAS-CHAVE: Agregados de seixo britado, atrito superficial, camadas de desgaste, misturas betuminosas, Textura Elza Ferreira Sardão iii

6 CAMADAS DE DESGASTE COM SEIXO BRITADO ATRITO SUPERFICIAL RESUMO. iv

7 CAMADAS DE DESGASTE COM SEIXO BRITADO ATRITO SUPERFICIAL ABSTRACT ABSTRACT The main role of a road pavement is to guarantee a circulating surface that ensures comfort and safety for the circulation of vehicles when it is submitted to the actions of climate and traffic, which occur throughout the lifespan of the pavement. A pavement must ensure two types of characteristics: functional properties comfort and safety for traffic, and structural properties bearing capacity for vehicle loads without decreasing the functional quality. The surface layer primarily ensures functional qualities of the pavement while the remaining layers ensure structural capacity of the pavement. This dissertation focuses on the evaluation of some surface characteristics of pavement layers that incorporate crushed gravel aggregates, comparing them with those of other layers that contain granite aggregates, or aggregates produced from gneiss. Furthermore, a review on the issues related to pavement surface properties is also presented, particularly those linked to paving materials commonly used in pavement surface construction, as well as in the rehabilitation of its surface characteristics. A literature review on the surface properties of pavements together with the techniques used for their measurement is also presented. The main factors influencing friction characteristics measured on pavements are also briefly presented and discussed. Laboratory tests made in this dissertation consider friction and mean texture depth, measured with the British Pendulum Tester and through the sand patch method, respectively. The results were obtained on slabs of asphalt mixtures produced in laboratory, which were subjected to an accelerated wear process. For a more detailed study, the results were compared with those measured in some in-service pavements and compared with acceptance levels established by other authors. This study also assembles important information regarding the issues studied, as well as performance evaluation of the texture and surface friction of wearing course layers, which incorporate crushed gravel. That evaluation was carried out by comparison with other asphalt surface layers that incorporate other types of crushed aggregates, usually considered more suitable to wearing course layers. KEYWORDS: Crushed gravel, skid resistance, surface layers, bituminous mixtures, texture. Elza Ferreira Sardão v

8 CAMADAS DE DESGASTE COM SEIXO BRITADO ATRITO SUPERFICIAL ABSTRACT vi

9 CAMADAS DE DESGASTE COM SEIXO BRITADO ATRITO SUPERFICIAL ÍNDICE ÍNDICE 1. INTRODUÇÃO E ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO 1.1. Enquadramento Objetivos e Metodologia do Trabalho Estrutura da Dissertação MATERIAIS DE PAVIMENTAÇÃO APLICADOS EM CAMADA DE DESGASTE 2.1. Considerações Iniciais Agregados Generalidades Características Mineralógicas/Petrográficas do Seixo Britado Requisitos dos Agregados para Camadas de Desgaste de Acordo com a Norma NP EN Requisitos dos Agregados de Acordo com o Caderno de Encargos da Estradas de Portugal S.A Requisitos dos Agregados de Acordo com um Caderno de Encargos do Grupo Brisa S.A Requisitos dos Agregados para Camadas de Desgaste Noutros Países Ligantes Betume Asfáltico Emulsões Betuminosas Betume Modificado Misturas Betuminosas Misturas Betuminosas do Grupo Betão Betuminoso em Camadas de Desgaste Misturas Betuminosas do Grupo do Betão Betuminoso Drenante em Camadas de Desgaste Técnicas de Reabilitação de Características Superficiais Revestimentos Superficiais Betuminosos Microaglomerado Betuminoso a Frio Lama Asfáltica (Slurry Seal) Considerações Finais CARACTERÍSTICAS E MÉTODOS DE OBSERVAÇÃO DO ATRITO 3.1. Considerações Iniciais Textura Método de Avaliação Pontual da Textura Mancha de Areia Avaliação da Textura em Contínuo a Laser Atrito Fatores que Influenciam o Atrito Métodos de Avaliação do Coeficiente de Atrito Índice Internacional de Atrito International Friction Index (IFI) Considerações Finais Elza Ferreira Sardão vii

10 CAMADAS DE DESGASTE COM SEIXO BRITADO ATRITO SUPERFICIAL ÍNDICE 4. ESTUDO LABORATORIAL DE CARACTERÍSTICAS SUPERFICIAIS DE MISTURAS PRODUZIDAS COM VÁRIOS TIPOS DE AGREGADOS BRITADOS 4.1. Considerações Iniciais Propriedades Físicas dos Materiais Granulares e Características do Betume Análise das Composições das Misturas em Estudo Avaliação de Características Superficiais em Laboratório Fabrico de Lajetas Avaliação de PTV e da Textura Resumo e Análise de Resultados de PTV Análise de Valores do Índice Internacional de Fricção - IFI Reabilitação de Características Superficiais em Laboratório Propriedades dos Materiais Constituintes do Microaglomerado a Frio Análise das Composições das Misturas em Estudo Fabrico e Aplicação da Mistura Avaliação de PTV Sobre as Superfícies Reabilitadas com Microaglomerado a Frio Análise de Resultados Comparativamente com Outros Casos Resultados do Estudo Relativamente ao CAT e MTD Obtidos pelo Instituto Superior Técnico Resultados do Estudo Relativamente ao PTV e MTD Obtidos pelo Instituto Politécnico de Leiria Resultado do Estudo da ACIV para Mirandela Considerações Finais CONCLUSÕES GERAIS E TRABALHOS FUTUROS 5.1. Síntese do Trabalho e Conclusões Gerais Prosseguimento de Trabalhos Futuros Considerações Finais REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APÊNDICES Apêndice I Análise granulométrica das misturas Apêndice II Características e composições das lajetas produzidas em laboratório Apêndice III Valores de PTV medidos em cada zona sujeita a desgaste, com pêndulo britânico, na direção da compactação e na direção perpendicular à compactação para as quatro lajetas produzidas viii

11 CAMADAS DE DESGASTE COM SEIXO BRITADO ATRITO SUPERFICIAL ÍNDICE Apêndice IV Valores de PTV obtidos com o pêndulo britânico sobre lajetas produzidas com agregados previamente submetidos a abrasão no equipamento de micro-deval Apêndice V Resultados do teste à normalidade da distribuição dos valores de PTV das lajetas Apêndice VI Valores de IFI obtidos sobre lajetas na direção da compactação e na direção perpendicular à compactação, após 130 minutos de desgaste Apêndice VII Análise estatística dos resultados de PTV Apêndice VIII Análise granulométrica das misturas de microaglomerado a frio duplo Elza Ferreira Sardão ix

12 CAMADAS DE DESGASTE COM SEIXO BRITADO ATRITO SUPERFICIAL ÍNDICE x

13 CAMADAS DE DESGASTE COM SEIXO BRITADO ATRITO SUPERFICIAL ÍNDICE DE FIGURAS ÍNDICE Figura 2.1. Distribuição territorial dos vários tipos de rocha segundo a sua classificação petrográfica em Portugal continental... 9 Figura 2.2. Equipamento de composição e aplicação da mistura de microaglomerado a frio Figura 2.3. Ensaio de consistência Figura 2.4. Relação entre a consistência e a quantidade de água ótima Figura 2.5. Equipamento de realização do ensaio de abrasão molhada Figura 2.6. Equipamento de realização do ensaio de resistência à torção Figura 3.1. As irregularidades da superfície de um pavimento Figura 3.2. À esquerda o princípio de funcionamento do Rugo e à direita o equipamento Rugo Figura 3.3. Relação entre o coeficiente de atrito longitudinal com a velocidade em função da macrotextura e da microtextura Figura 3.4. Variação do coeficiente de atrito de uma superfície molhada com a velocidade para dois tipos de mistura com granulometrias e profundidades de textura diferentes Figura 3.5. Distância de paragem em função dos valores de PSV e MPD Figura 3.6. Variação da inclinação da reta rq nº de ciclos com os valores de M DE (à esquerda) e com os valores de LA (à direita) Figura 3.7. Variação da inclinação da reta rq nº de ciclos com os valores de M DE +LA (à esquerda) e com os valores de PSV (à direita) Figura 3.8. Distâncias de paragem em função da altura de água na superfície e da velocidade de circulação num revestimento de betão betuminoso semi-grenu Figura 3.9. Evolução do atrito num curto intervalo de tempo Figura Evolução do coeficiente de atrito transversal em função do tráfego total acumulado Figura Variação de PTV com a temperatura Figura Sensibilidade da velocidade de hidroplanagem à temperatura de água Figura Equipamento de medição pontual do coeficiente de atrito Figura Definição do coeficiente de atrito longitudinal Figura Equipamento de medição do coeficiente de atrito longitudinal em contínuo Figura Definição do coeficiente de atrito transversal Figura Curva teórica de IFI com definição dos limites de intervenção Figura 4.1. Curva da mistura 1 (seixo britado) e fuso granulométrico para um AC 14 surf Figura 4.2. Curva da mistura 2 (gnaisse) e fuso granulométrico para um AC 14 surf Elza Ferreira Sardão xi

14 CAMADAS DE DESGASTE COM SEIXO BRITADO ATRITO SUPERFICIAL ÍNDICE Figura 4.3. Preparação da mistura betuminosa (à esquerda) e compactação da lajeta com um cilindro compactador (à direita) Figura 4.4. Lajeta 1.3 constituída pela mistura betuminosa 1 (à esquerda) e lajeta 2.2 constituída pela mistura betuminosa 2 (à direita) Figura 4.5. a) Equipamento a fazer desgaste com catrabucha de náilon; b) Desgaste a ser produzido pela catrabucha de náilon; c) Desgaste a ser produzido pela catrabucha de aço Figura 4.6. Aspeto final das zonas desgastadas ao fim de 130 minutos de desgaste na lajeta 1.3 (seixo) Figura 4.7. Aspeto final das zonas desgastadas ao fim de 130 minutos de desgaste na lajeta 2.1 (gnaisse) Figura 4.8. Evolução de PTV com o tempo de desgaste obtido em laboratório, medido na direção da compactação Figura 4.9. Evolução de PTV com o tempo de desgaste obtido em laboratório, medido na direção perpendicular à compactação Figura Equipamento micro-deval utilizado em laboratório Figura Seixo 11/16 antes do micro-deval (à esquerda) e seixo 11/16 depois de submetido ao desgaste provocado no equipamento de micro-deval (à direita) Figura Gnaisse 8/20 antes do micro-deval (à esquerda) e gnaisse 8/20 depois de submetido ao desgaste provocado no equipamento de micro-deval (à direita) Figura Lajeta 3.1 com seixo após ação de desgaste (à esquerda) e lajeta 3.2 com gnaisse após ação de desgaste (à direita) Figura Evolução de PTV com o tempo de desgaste obtido em laboratório, medido na direção da compactação, sobre lajetas produzidas com agregados previamente submetidos a abrasão Figura Evolução de PTV com o tempo de desgaste obtido em laboratório, medido na direção perpendicular à compactação, sobre lajetas produzidas com agregados previamente submetidos a abrasão Figura Espalhamento da areia calibrada sobre a superfície da lajeta Figura Gráfico de dispersão do parâmetro PTV medido na direção da compactação Figura Histograma dos valores de PTV obtidos sobre lajetas com gnaisse Figura Histograma dos valores de PTV obtidos sobre lajetas com seixo Figura Caixa de bigodes com representação dos resultados do parâmetro PTV para as lajetas com seixo e com gnaisse Figura Caixa de bigodes com representação dos valores de PTV obtidos para as lajetas com seixo e com gnaisse, para cada um dos tempos de desgaste Figura Regressão polinomial comparativa da variação dos valores de PTV obtidos sobre lajetas com seixo e sobre lajetas com gnaisse em função do tempo Figura Comparação de resultados de PTV, após 130 minutos de desgaste das lajetas, com os resultados obtidos depois de 50 minutos de desgaste nas lajetas com agregados sujeitos a micro-deval Figura Gráfico de dispersão do parâmetro PTV medido na direção perpendicular à compactação Figura Histograma dos valores de PTV obtidos sobre lajetas com gnaisse xii

15 CAMADAS DE DESGASTE COM SEIXO BRITADO ATRITO SUPERFICIAL ÍNDICE Figura Histograma dos valores de PTV obtidos sobre lajetas com seixo Figura Caixa de bigodes com representação dos resultados do parâmetro PTV para as lajetas com seixo e com gnaisse Figura Caixa de bigodes com representação dos valores de PTV obtidos para as lajetas com seixo e com gnaisse, para cada um dos tempos de desgaste Figura Regressão polinomial comparativa da variação dos valores de PTV obtidos sobre lajetas com seixo e sobre as lajetas com gnaisse em função do tempo de desgaste Figura Comparação de resultados de PTV, após 130 minutos de desgaste das lajetas com os resultados obtidos, depois de 50 minutos de desgaste nas lajetas com agregados sujeitos a micro-deval Figura Comparação da variação dos valores de PTV ao longo do tempo de desgaste, medidos na direção da compactação e na direção perpendicular à compactação Figura Representação gráfica das curvas de IFI das lajetas segundo a direção da compactação (à esquerda) e segundo a direção perpendicular à compactação (à direita) Figura Curva e fuso granulométrico da mistura para a primeira aplicação de microaglomerado a frio duplo Figura Curva e fuso granulométrico da mistura para a segunda aplicação de microaglomerado a frio duplo Figura Aspeto da mistura de microaglomerado betuminoso para a primeira aplicação antes da colocação sobre a superfície das lajetas (à esquerda) e espalhamento da mistura sobre a superfície da lajeta (à direita) Figura Aspeto final após a primeira aplicação do microaglomerado betuminoso sobre a superfície (à esquerda) e aspeto do microaglomerado betuminoso da segunda aplicação durante o espalhamento sobre a superfície (à direita) Figura Aspeto final após a segunda aplicação do microaglomerado betuminoso sobre a superfície (à esquerda) e aspeto final da lajeta 2.1 após a rotura da emulsão do microaglomerado betuminoso (à direita) Figura PTV das lajetas após desgaste durante 130 minutos e depois da reabilitação com microaglomerado duplo Figura Processo de aplicação da primeira camada de mistura de microaglomerado a frio sobre a superfície a reabilitar (à esquerda), aspeto final durante a rotura (ao centro) e aspeto final poucos dias após a aplicação (à direita) Figura Comparação da média dos valores de PTV obtidos na EN e em laboratório Figura º, 2º e 3º quartis dos valores de PTV medidos segundo a direção da compactação com identificação dos limites do CAT para os ambientes A1, A2 e A Figura º, 2º e 3º quartis dos valores de PTV medidos na direção perpendicular à compactação e limites do CAT para os ambientes A1, A2 e A Figura Valores médios de MTD (mm) das zonas de desgaste e limites para os ambientes A1, A2 e A Figura Comparação dos valores médios de MTD (mm) obtidos no IC analisado com os medidos em laboratório sobre superfícies sujeitas a desgaste durante 130 minutos Figura Comparação dos valores médios de PTV do IC analisado com os obtidos em laboratório sobre lajetas sujeitas a desgaste durante 130 minutos (direção da compactação) Elza Ferreira Sardão xiii

16 CAMADAS DE DESGASTE COM SEIXO BRITADO ATRITO SUPERFICIAL ÍNDICE Figura Comparação dos valores médios de PTV do IC analisado com os obtidos em laboratório sobre lajetas sujeitas a desgaste durante 130 minutos (direção perpendicular à compactação) Figura Valores médios de PTV obtidos em camadas de desgaste com agregados graníticos e medidos sobre lajetas sujeitas a desgaste prévio (direção da compactação) Figura Valores médios de PTV obtidos em camadas de desgaste com agregados graníticos e medidos sobre lajetas sujeitas a desgaste prévio (direção perpendicular à compactação) Figura Valores médios de PTV medidos nas zonas sujeitas a desgaste de 130 minutos, em lajetas com seixo e com gnaisse ÍNDICE DE FIGURAS DE APÊNDICES Figura VII.1. Caixa de bigodes com representação dos resultados de PTV para as lajetas com seixo e com gnaisse Figura VII.2. Caixa de bigodes com representação dos resultados de PTV para as lajetas com seixo e com gnaisse xiv

17 CAMADAS DE DESGASTE COM SEIXO BRITADO ATRITO SUPERFICIAL ÍNDICE DE QUADROS ÍNDICE Quadro 2.1. Requisitos dos agregados para camadas de desgaste Quadro 2.2. Requisitos dos agregados grossos para camadas de desgaste Quadro 2.3. Características dos agregados grossos para camadas de desgaste para os parâmetros FI e C x/y Quadro 2.4. Percentagem de partículas total e parcialmente trituradas, e de partículas totalmente roladas, para camadas de desgaste Quadro 2.5. Coeficiente de Los Angeles para agregado grosso Quadro 2.6. Coeficiente de polimento acelerado do agregado grosso Quadro 3.1. Características dos agregados que constituem os troços estudados Quadro 3.2. Valores das contantes a e b para o cálculo de Sp Quadro 3.3. Valores das constantes A, B e C para o cálculo de F60 segundo o anexo X2 da ASTM E Quadro 4.1. Granulometria de cada uma das frações provenientes da pedreira Quadro 4.2. Comparação de algumas características físicas dos materiais grossos com as categorias da NP EN e com o caderno de encargos da EP Quadro 4.3. Alguns requisitos físicos dos materiais finos utilizados Quadro 4.4. Características do filer comercial Quadro 4.5. Características do betume 35/ Quadro 4.6. Resultados dos valores de M DE * obtidos em laboratório de cada um dos agregados Quadro 4.7. Valores de MTD (mm) obtidos em laboratório sobre lajetas antes e depois de 130 minutos de desgaste Quadro 4.8. Valores de MTD (mm) obtidos em laboratório sobre lajetas produzidas com agregado sujeito a ensaio micro-deval, antes e depois de 50 minutos de desgaste com catrabucha de náilon Quadro 4.9. Qualidade de ajustamento de PTV das lajetas com seixo em função do tempo de desgaste Quadro Teste de significância da regressão linear obtida para as lajetas com seixo Quadro Qualidade de ajustamento de PTV das lajetas com gnaisse em função do tempo de desgaste Quadro Teste de significância da regressão linear obtida para as lajetas com gnaisse Elza Ferreira Sardão xv

18 CAMADAS DE DESGASTE COM SEIXO BRITADO ATRITO SUPERFICIAL ÍNDICE Quadro Análise estatística descritiva das variáveis de teste (PTV) Quadro Resultados do teste t-student Quadro Qualidade de ajustamento de PTV das lajetas com seixo em função do tempo de desgaste Quadro Teste de significância da regressão linear obtida para as lajetas com seixo Quadro Qualidade de ajustamento de PTV das lajetas com gnaisse em função do tempo de desgaste Quadro Teste de significância da regressão linear obtida para as lajetas com gnaisse Quadro Análise estatística descritiva das variáveis de teste (PTV) Quadro Resultados do teste t-student Quadro Granulometria de cada uma das frações granulométricas utilizadas no microaglomerado Quadro Algumas características físicas dos materiais granulares utilizados comparadas com os requisitos do cadernos de encargos da EP para tratamentos superficiais Quadro Características da emulsão C60BP5 utilizada na mistura de microaglomerado a frio duplo Quadro Características do aditivo declaradas pelo produtor Quadro Fórmula de trabalho utilizada em laboratório para aplicação de microaglomerado betuminoso a frio duplo Quadro Taxa média de aplicação de microaglomerado betuminoso a frio duplo recomendada pelo caderno de encargos da EP Quadro Resultados dos valores de PTV obtidos em laboratório sobre as superfícies reabilitadas com microaglomerado duplo Quadro Resultados de PTV e MTD (mm) medidos sobre o microaglomerado duplo aplicado na EN Quadro Limites de CAT e de MTD Quadro Valores de MDT obtidos no IC analisado Quadro Valores de PTV obtidos no IC analisado Quadro Valores de PTV médios obtidos no município de mirandela ÍNDICE DE QUADROS DE APÊNDICES Quadro I.1. Análise granulométrica da mistura 1 (seixo britado) Quadro I.2. Análise granulométrica da mistura 2 (gnaisse) xvi

19 CAMADAS DE DESGASTE COM SEIXO BRITADO ATRITO SUPERFICIAL ÍNDICE Quadro II.1. Características de cada lajeta produzida em laboratório Quadro II.2. Quantidades de cada uma das frações de agregado utilizadas nas misturas betuminosas Quadro III.1. Resultados dos valores de PTV obtidos em laboratório na 1ª zona de desgaste Quadro III.2. Resultados dos valores de PTV obtidos em laboratório na 2ª zona de desgaste Quadro III.3. Resultados dos valores de PTV obtidos em laboratório na 3ª zona de desgaste Quadro III.4. Resultados dos valores de PTV obtidos em laboratório na 4ª zona de desgaste Quadro IV.1. Resultados dos valores de PTV obtidos em laboratório Quadro V.1. Resultado do teste à normalidade da distribuição dos valores de PTV das lajetas com gnaisse Quadro V.2. Resultado do teste à normalidade da distribuição dos valores de PTV das lajetas com seixo Quadro V.3. Resultado do teste à normalidade dos valores de PTV das lajetas com seixo Quadro V.4. Resultado do teste à normalidade dos valores de PTV das lajetas com gnaisse Quadro VI.1. Valores de IFI obtidos sobre lajetas (1ª zona de desgaste) em laboratório segundo a direção da compactação Quadro VI.2. Valores de IFI obtidos sobre lajetas (1ª zona de desgaste) em laboratório segundo a direção perpendicular à compactação Quadro VI.3. Valores de IFI obtidos sobre lajetas (2ª zona de desgaste) em laboratório segundo a direção da compactação Quadro VI.4. Valores de IFI obtidos sobre lajetas (2ª zona de desgaste) em laboratório segundo a direção perpendicular à compactação Quadro VI.5. Valores de IFI obtidos sobre lajetas (3ª zona de desgaste) em laboratório segundo a direção da compactação Quadro VI.6. Valores de IFI obtidos sobre lajetas (3ª zona de desgaste) em laboratório segundo a direção perpendicular à compactação Quadro VI.7. Valores de IFI obtidos sobre lajetas (4ª zona de desgaste) em laboratório segundo a direção da compactação Quadro VI.8. Valores de IFI obtidos sobre lajetas (4ª zona de desgaste) em laboratório segundo a direção perpendicular à compactação Elza Ferreira Sardão xvii

20 CAMADAS DE DESGASTE COM SEIXO BRITADO ATRITO SUPERFICIAL ÍNDICE Quadro VII.1. Resultado do teste à normalidade da distribuição dos valores de PTV das lajetas com seixo Quadro VII. 2. Resultado do teste à normalidade da distribuição dos valores de PTV das lajetas com gnaisse Quadro VII.3. Análise estatística descritiva das variáveis de teste (média das médias de PTV) Quadro VII.4. Resultados do teste Quadro VII.5. Resultado do teste à normalidade da distribuição dos valores médios de PTV das lajetas com seixo Quadro VII.6. Resultado do teste à normalidade da distribuição dos valores médios de PTV das lajetas com gnaisse Quadro VII.7. Análise estatística descritiva das variáveis de teste (média das médias de PTV) Quadro VII.8. Resultados do teste Quadro VII.9. Resultados do teste de Kruskal-Wallis Quadro VIII.1. Análise granulométrica da mistura da primeira aplicação de microaglomerado a frio duplo Quadro VIII.2. Análise granulométrica da mistura da segunda aplicação de microaglomerado a frio duplo xviii

21 CAMADAS DE DESGASTE COM SEIXO BRITADO ATRITO SUPERFICIAL SIMBOLOGIA E ABREVIATURAS SIMBOLOGIA E ABREVIATURAS a, b Constantes que dependem do método de medição de textura A, B, C Constantes dependentes do equipamento de medição de atrito AAV Aggregate Abrasion Value AC Asphalt Concrete ACIV Associação para o Desenvolvimento da Engenharia Civil ACV Aggregate Crushing Value AIPCR/PIARC Association Mondiale de la Route/World Road Association AIV Aggregate Impact Value A N Coeficiente de abrasão nórdico ANOVA Análise de Variância ASTM American Society for Testing and Materials BB Betão Betuminoso BBd Betão Betuminoso Drenante BBr Betão Betuminoso Rugoso C x/y Percentagem de partículas esmagadas ou partidas e de partículas totalmente roladas CAL Coeficiente de Atrito Longitudinal CAT Coeficiente de Atrito Transversal CE Caderno de Encargos CEN Comité Europeu de Normalização CPA Coeficiente de Polimento Acelerado D 1 Diâmetro médio do círculo obtido através do espalhamento do material D Dimensão máxima do agregado DEC Departamento de Engenharia Civil df Número de graus de liberdade DND Desempenho não determinado E CS Angulosidade dos agregados finos ECG Coeficiente de escoamento Elza Ferreira Sardão xix

22 CAMADAS DE DESGASTE COM SEIXO BRITADO ATRITO SUPERFICIAL SIMBOLOGIA E ABREVIATURAS EN European Normalization EP Estradas de Portugal, S.A. f - teor de finos F Estatística do teste de Fisher F 1 Força de atrito longitudinal F 60 Valor do atrito à velocidade de 60 Km/h FCTUC Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra Fh Força horizontal FI Índice de achatamento FR 60 Valor do atrito convertido à velocidade de referência de 60 km/h FRS Valor de atrito medido à velocidade de deslizamento do equipamento a 10 km/h Fv Força vertical G.O. Grande comprimento de onda GN Grip Number H 0 Hipótese nula H 1 Hipótese alternativa IC Itinerário Complementar IFI International Friction Index IPQ Instituto Português de Qualidade IRI Índice Internacional de Irregularidade LA Categoria para o coeficiente de Los Angeles LCPC Laboratoire Central des Ponts et Chaussées LNEC Laboratório Nacional de Engenharia Civil LPAV Laboratório de Mecânica de Pavimentos LRPC Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées M.O. Médio comprimento de onda MACOPAV Manual de Conceção de Pavimentos para a Rede Rodoviária Nacional mbbr Micro Betão Betuminoso Rugoso MB F Valor de azul metileno M DE Coeficiente micro-deval xx

23 CAMADAS DE DESGASTE COM SEIXO BRITADO ATRITO SUPERFICIAL SIMBOLOGIA E ABREVIATURAS MTD Mean Texture Depth ou profundidade média da textura superficial ND Não Determinado pelo caderno de encargos NP Norma Portuguesa NP EN Norma Europeia traduzida para língua Portuguesa P.O. Pequeno comprimento de onda PA Porous Asphalt PTV - Pendulum Test Value PVS Polished Stone Value r Raio da roda de ensaio R Reação vertical do pavimento; coeficiente de correlação R 2 Coeficiente de determinação S Velocidade de deslizamento a 10 km/h S.A. Sociedade Anónima SCRIM Sideway-force Coefficient Routine Investigation Machine SI Índice de Forma valor-p significância do teste estatístico ou valor de prova SMA Stone Mastique Aspahalt Sp Medida de textura T Força de atrito transversal t Estatística do teste de Student TMD Número de veículos pesados por dia, na via mais solicitada, no ano de abertura ao tráfego Tx Profundidade da textura (igual a MTD) UNE Una Norma Española V Velocidade do veículo V 1 Volume do material espalhado WA Absorção de água θ Ângulo de desvio com o sentido de deslocação ρa Massa volúmica do material impermeável das partículas ρb Massa volúmica do betume componente duma mistura betuminosa ρrd Massa volúmica das partículas secas em estufa Elza Ferreira Sardão xxi

24 CAMADAS DE DESGASTE COM SEIXO BRITADO ATRITO SUPERFICIAL SIMBOLOGIA E ABREVIATURAS ρssd Massa volúmica das partículas saturadas com superfície seca υ Vazios Rigden (vazios do filer seco compactado) ω Velocidade angular da roda xxii

25 CAPÍTULO 1 1. INTRODUÇÃO E ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO 1.1. Enquadramento A segurança rodoviária é um tema da atualidade que merece especial atenção por parte das administrações rodoviárias, tanto as municipais como as de âmbito nacional. As características funcionais dos pavimentos são cada vez mais monitorizadas em consequência do aumento do tráfego que circula nas estradas, e da necessidade de garantir a segurança e o conforto dos utentes. Por causa disso, as administrações rodoviárias são levadas a construir e manter as características superficiais dos pavimentos acima dos limiares considerados seguros, nomeadamente no que diz respeito à textura e ao atrito superficial. Para concretizar aquele paradigma, torna-se necessária a verificação dos requisitos dos materiais utilizados na pavimentação logo na fase de construção, mantendo também um programa de monitorização das características funcionais do pavimento ao longo do tempo, após a entrada em serviço. No caso do seixo silicioso britado, utilizado frequentemente como agregado em misturas betuminosas para camada de desgaste em algumas regiões de Portugal, existe a expectativa de que possa proporcionar um desempenho adequado em termos de características superficiais dos pavimentos, desde que existam alguns cuidados na produção de agregados britados a partir de seixeiras. O propósito da concretização de um estudo sobre as características de atrito de camadas de desgaste que incorporam seixo britado ganha mais importância, porquanto o Caderno de Encargos da Estradas de Portugal S.A. (EP, 2011) prevê a inibição da utilização de seixo britado em camadas de desgaste, independentemente das características que aquele tipo de agregados apresente. Note-se que, aquela administração rodoviária tem tido necessidade de reabilitar as características superficiais em algumas vias da sua rede que apresentam níveis insuficientes de atrito superficial, verificando-se que em vários daqueles casos as camadas de desgaste incorporavam seixo britado. Contudo, noutros países da União Europeia, por exemplo em França (AFNOR, 2008) e em Espanha (DGC, 2004) onde os critérios relativos às características de atrito são semelhantes aos habitualmente aceites em Portugal, as administrações rodoviárias mantêm o uso de seixo britado em camadas de desgaste, embora exigindo o cumprimento de requisitos específicos. Desta forma, torna-se importante averiguar com maior detalhe como é que o seixo britado pode ser utilizado em camadas de desgaste betuminosas, de modo a reduzir o impacte ambiental e o custo devido ao transporte de agregados a longa distância, nas regiões do país onde são escassos outros agregados compatíveis com a utilização em camadas de desgaste. Elza Ferreira Sardão 1

26 INTRODUÇÃO E ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO 1.2. Objetivos e Metodologia do Trabalho Um dos objetivos deste trabalho é fazer o levantamento das características de atrito e de textura a cumprir pelas camadas de desgaste betuminosas de pavimentos rodoviários, assim como dos requisitos a cumprir pelos agregados a incorporar naquelas camadas superficiais. Tem-se ainda como objetivos a comparação daqueles requisitos com os adotados noutros países do espaço económico europeu e o cotejo da evolução, ao longo do tempo, de algumas características superficiais de pavimentos, quer quando incorporam seixo britado, quer quando contêm rochas granitoides. Espera-se obter mais informação relativa às propriedades associadas ao atrito superficial dos pavimentos quando incorporam agregados de seixo britado nas camadas de desgaste, com o objetivo de dar indicações sobre as circunstâncias em que isso poderá acontecer com vantagem. Relativamente à metodologia do trabalho, procede-se à descrição e análise das características dos materiais utilizáveis na construção e reabilitação de camadas de desgaste de pavimentos, assim como das suas características superficiais. Além disso, faz-se uma resenha sobre as propriedades das superfícies dos pavimentos que devem ser monitorizadas, e dos métodos de observação mais utilizados, com o objetivo de garantir boas condições de aderência superficial. Para a realização do estudo laboratorial, procede-se à caracterização de amostras de agregados de seixo britado e de agregados granitoides incorporados em lajetas de misturas betuminosas produzidas em laboratório. As características de textura superficial e de atrito medidas sobre as lajetas são avaliadas ao longo de vários períodos, ao longo de um processo de desgaste acelerado do material. Estudam-se também as mesmas características sobre um microaglomerado a frio duplo aplicado sobre as lajetas produzidas. Todas as características superficiais observadas são alvo de tratamento estatístico, de modo a comparar entre si os desempenhos de cada um dos materiais aplicados, considerando várias perspetivas de análise Estrutura da Dissertação A dissertação é composta por cinco capítulos e oito apêndices cuja estrutura e conteúdos se descrevem de seguida. No Capítulo 1 faz-se o enquadramento do tema estudado na dissertação, são definidos os objetivos e a metodologia de trabalho, e apresenta-se uma síntese da organização do mesmo. No Capítulo 2 descrevem-se de forma sumária as misturas betuminosas que mais correntemente se aplicam em camadas de desgaste, sendo também descritos os seus materiais constituintes. Além disso, analisam-se os requisitos a cumprir pelos agregados a utilizar em misturas betuminosas para camadas de desgaste, designadamente os estabelecidos no quadro normativo nacional e em outras especificações aplicadas por entidades rodoviárias em Portugal. São ainda apresentados aspetos particulares relativos às características de agregados 2

27 INTRODUÇÃO E ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO CAPÍTULO 1 de seixo britado, comparando também aquelas especificidades com os requisitos exigidos em alguns países do espaço económico europeu. No Capítulo 3 faz-se uma breve referência às características superficiais dos pavimentos, designadamente à textura e ao atrito, referindo-se os equipamentos de medição e as técnicas de ensaio habitualmente utilizados para a observação dos parâmetros utilizados para monitorizar aquelas características. Apresenta-se ainda uma breve análise dos principais fatores que influenciam o atrito proporcionado pela superfície dos pavimentos. No capítulo 4 é apresentado o estudo laboratorial realizado, no qual se estudam dois betões betuminosos para camada de desgaste: um AC 14 surf 35/50 com incorporação de seixo britado, e um AC 14 surf 35/50 com incorporação de gnaisse britado. Depois da caracterização dos materiais constituintes das misturas e do estabelecimento das respetivas composições, procede-se ao estudo das características superficiais das lajetas construídas em laboratório com as duas misturas. Os parâmetros avaliados são o PTV Pendulum Test Value, medido com o Pêndulo Britânico, e a profundidade da textura MTD, medida através do método da mancha de areia. O processo de caracterização é realizado após vários tempos de desgaste, o qual é efetuado em laboratório, de forma acelerada, com recurso a uma montagem especificamente concebida para o efeito. Complementarmente, é descrito um estudo adicional da textura e do atrito realizado sobre duas lajetas, com a mesma composição que as referidas anteriormente mas incorporando agregados sujeitos a abrasão prévia no equipamento micro- Deval. Descreve-se ainda o processo de reabilitação, com microaglomerado a frio duplo, das características superficiais das lajetas do estudo submetidas a desgaste e apresentam-se os resultados de medição da textura e do atrito. Ao longo do capítulo faz-se a análise dos resultados, incluindo o tratamento estatístico dos mesmos, no sentido de caracterizar o desempenho observado nas diversas situações estudadas. Por fim, é realizada uma análise comparativa dos resultados obtidos com outros casos, incluindo os relativos a alguns pavimentos em serviço. No Capítulo 5 faz-se uma síntese do trabalho desenvolvido, resumindo as principais conclusões obtidas, e referem-se possíveis desenvolvimentos futuros do presente trabalho. Além dos cinco capítulos que constituem o corpo da dissertação, esta inclui ainda oito apêndices, os quais contêm a informação que se descreve abaixo de forma resumida: O Apêndice I resume a análise granulométrica das misturas 1 (seixo britado) e 2 (gnaisse). O Apêndice II resume as características das lajetas produzidas com cada uma das misturas estudadas, para a medição dos parâmetros PTV e MTD. O Apêndice III reúne os valores de PTV medidos em cada zona sujeita a desgaste, com Pêndulo Britânico, na direção da compactação e na direção perpendicular à compactação para as quatro lajetas produzidas. O Apêndice IV mostra os valores de PTV obtidos com o pêndulo britânico sobre lajetas produzidas com agregados previamente submetidos a abrasão no equipamento de micro-deval. Elza Ferreira Sardão 3

28 INTRODUÇÃO E ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO O Apêndice V reúne os valores de IFI obtidos sobre lajetas na direção da compactação e na direção perpendicular à compactação, após 130 minutos de desgaste. O Apêndice VI mostra resultados do teste à normalidade da distribuição dos valores de PTV das lajetas com recurso ao programa de tratamento estatístico de dados SPSS - Statistical Package for Social Sciences, segundo a direção da compactação e a direção perpendicular à compactação. O Apêndice VII reúne a análise estatística dos resultados de PTV com recurso ao programa de tratamento estatístico de dados SPSS, segundo a direção da compactação e a direção perpendicular à compactação com a média das médias dos valores de PTV. O Apêndice VIII resume a análise granulométrica das misturas de microaglomerado a frio duplo. 4

29 CAPÍTULO 2 2. MATERIAIS DE PAVIMENTAÇÃO APLICADOS EM CAMADA DE DESGASTE 2.1. Considerações Iniciais As camadas dos pavimentos são constituídas por materiais que lhes conferem determinadas propriedades e desempenhos. Dado que o presente estudo se refere a camadas de desgaste betuminosas, apenas serão abordadas as características de pavimentos dos tipos flexível e semirrígido, cujas camadas superficiais são betuminosas. Este tipo de materiais tem sido utilizado na generalidade da rede rodoviária portuguesa, sendo muito mais corrente que as camadas de desgaste em betão cimento. Os pavimentos flexíveis são constituídos por camadas de misturas betuminosas, isto é, formadas por materiais estabilizados com ligantes hidrocarbonados, normalmente o betume asfáltico, em geral apoiadas sobre uma ou duas camadas de material granular. Os pavimentos semirrígidos apresentam uma ou mais camadas superiores formadas por misturas betuminosas, apoiadas sobre uma camada constituída por agregados estabilizados com ligantes hidráulicos, normalmente betão pobre cilindrado, podendo ainda dispor de uma camada de sub-base, constituída por material granular. Uma vez que a camada de desgaste constitui a superfície de rolamento sobre a qual se realiza o contacto direto com o tráfego, é necessário garantir níveis elevados de regularidade longitudinal, bem como características de rugosidade adequadas aos níveis de serviço pretendidos - função funcional. Consequentemente, a camada de desgaste deve ser capaz de garantir: bom coeficiente de atrito pneu/pavimento, quaisquer que sejam as condições climáticas; nível de ruído pneu/pavimento e características óticas dentro dos limites aceitáveis; superfície regular que garanta a circulação em condições de conforto, economia e segurança; adequada macrotextura para garantir o escoamento das águas que escoam sobre a superfície. Além disso, a camada de desgaste de um pavimento deve ser capaz de transmitir as cargas dos veículos às camadas inferiores, ao mesmo tempo que impermeabiliza o pavimento, de forma a evitar a infiltração de água para as camadas inferiores e para a fundação. Apenas no caso das camadas de desgaste porosas a função de impermeabilidade não é assegurada pela camada superficial. Nestes casos é a camada subjacente que é impermeável. Quando a camada de desgaste é delgada, ou consiste num tratamento superficial aplicado para recuperar as características superficiais, a sua contribuição estrutural é geralmente pouco importante ou mesmo desprezável. Contrariamente, nos pavimentos semirrígidos, a camada de desgaste tem um papel secundário quanto à degradação das cargas, uma vez que é a camada de betão pobre que desempenha essa função (Miranda, 2008). Elza Ferreira Sardão 5

30 MATERIAIS EM CAMADAS DE DESGASTE 2.2. Agregados Generalidades De acordo com a NP EN (IPQ, 2004), agregado é o material granular utilizado na construção de pavimentos, podendo ser natural, artificial ou reciclado. O agregado natural é um agregado de origem natural sujeito apenas a processamento mecânico. Um agregado artificial é um agregado de origem mineral resultante de um processo industrial que compreende modificações térmicas ou outras. O agregado reciclado é um agregado resultante do processamento de materiais inorgânicos anteriormente utilizados na construção. A utilização de agregados num pavimento tem como objetivo a formação de um esqueleto pétreo que resista à ação do tráfego. Os agregados numa camada superficial contribuem para as características antiderrapantes da superfície e asseguram a drenagem superficial do pavimento. De uma forma geral, são utilizados para produção de misturas betuminosas materiais pétreos resultantes da britagem de rochas extraídas de pedreiras. Num pavimento flexível, o desempenho das camadas ligadas é, em grande medida, função do agregado que as incorpora e da sua interação com os outros materiais constituintes. É possível que ocorram insucessos em obras de pavimentação devidos a vários fatores: o processo construtivo, o tipo de ligante, as condições meteorológicas e as deficientes características dos materiais aplicados, com origem em agregados inadequados, mesmo quando estes cumprem requisitos específicos (Capitão, 2011). Assim, tal como é indicado na NP EN 13043, quando é utilizado um material granular para produzir misturas betuminosas é essencial a caraterização de várias das suas propriedades: geometria das partículas, propriedades físicas e composição química. As características físicas dos agregados, tais como a resistência à abrasão e a dureza, são dependentes da rocha de origem. Contudo, o processo de produção a que são submetidos nas pedreiras e as impurezas contidas no seu interior, influenciam as suas características. Pode alterar-se significativamente a qualidade dos agregados, por eliminação de camadas fracas da rocha e, por efeito de britagem, por alteração da forma das partículas e da graduação do agregado (Marques, 2001). Geralmente, a resistência adequada obtém-se utilizando materiais duros, resistentes ao choque e a esforços a que estão sujeitos por atrito entre partículas, e que resistam ao polimento causado pelo tráfego que circula sobre a superfície do pavimento. Quanto à composição química dos agregados, esta deve ser analisada principalmente em agregados de origens invulgares, uma vez que podem conter matérias inconvenientes (Capitão, 2011). Contudo, as propriedades químicas dos agregados têm geralmente pouco efeito no seu desempenho, à exceção de quando é afetada a adesividade do ligante asfáltico ao agregado, e a compatibilidade com aditivos antidescolamento que podem ser adicionados ao ligante asfáltico, sendo as propriedades físicas as que mais determinam a adequação dos agregados para misturas betuminosas (Roberts et al, 1996). 6

31 MATERIAIS EM CAMADAS DE DESGASTE CAPÍTULO 2 A norma NP EN (IPQ, 2008 a), relativa às especificações dos materiais aplicados nas misturas betuminosas, e a norma NP EN que descreve as características dos agregados, definem os requisitos dos materiais constituintes e das misturas betuminosas a quente, em função do tipo de camada que constitui o pavimento. Isso também é feito, de forma mais detalhada, por exemplo, no Caderno de Encargos da EP (EP, 2011), muito utilizado em Portugal. A obtenção de bons agregados para misturas betuminosas não depende forçosamente da sua origem. Em qualquer dos tipos de agregados, naturais, artificiais ou reciclados, podem ocorrer materiais inadequados, ou porque são muito brandos, levando a problemas de durabilidade, ou porque apresentam má compatibilidade com o betume, levando à desagregação prematura das camadas betuminosas. Mesmo numa única pedreira pode ocorrer uma grande variação das propriedades de material extraído ao longo do tempo, de zona para zona, mesmo sem alteração da natureza petrográfica da rocha de origem, influenciando o desempenho do material em serviço (Capitão, 2011). Segundo Woodward (2007), mesmo tendo em atenção as solicitações a que estará sujeito o pavimento, não se pode garantir que a avaliação laboratorial habitualmente preconizada permita uma previsão suficientemente aproximada do real desempenho do pavimento, no que se refere às suas características superficiais. Aquele autor defende que apesar da contínua e variada avaliação dos agregados, enquanto constituintes de misturas betuminosas, ainda há muito para compreender no que toca a fatores que influenciam o desempenho daqueles quando em serviço. Para efeitos de avaliação do agregado, pode avaliar-se um conjunto alargado de propriedades, embora a importância relativa de cada uma delas varie com o tipo de utilização pretendido. Em geral, obtêm-se informações que permitam caracterizar o material, tais como: o tipo de rocha, as dimensões das partículas de agregado e a sua distribuição, o teor e a qualidade dos finos, a forma do agregado grosso, a percentagem de partículas esmagadas e partidas nos agregados grossos, a angulosidade do agregado fino, a resistência à fragmentação do agregado grosso, a resistência ao polimento do agregado grosso para camadas de desgaste, a resistência ao desgaste por atrito entre as partículas de agregado grosso, a resistência ao choque térmico, a massa volúmica das partículas e a absorção de água, a afinidade dos agregados grossos aos ligantes betuminosos e a constituição química. A identificação dos minerais constituintes de um agregado pode conduzir a informações relevantes acerca das propriedades físicas e químicas que o material tenderá a apresentar. A variedade de agregados suscetíveis de utilização em revestimentos betuminosos é elevada. Porém, cada utilização em particular requer agregados com características específicas, levando à inviabilização de utilização de muitos tipos de agregados. A aceitação ou rejeição dos agregados é determinada pela análise de determinadas características, sendo importante a recolha de amostras de forma adequada (Bernucci et al., 2008). Elza Ferreira Sardão 7

32 MATERIAIS EM CAMADAS DE DESGASTE O quartzo e o feldspato são minerais duros e resistentes ao polimento que geralmente podem ser encontrados em rochas ígneas, tais como o granito e o granito-gnaisse. Em contrapartida, a calcite e a dolomite que se encontram em calcários são exemplos de minerais macios. O calcário apresenta elevada percentagem de materiais macios que tendem a ser polidos mais rapidamente do que a maioria de outros tipos de agregados. A escória de aciaria, a laterite, alguns dos tipos de basaltos e agregados sintéticos são exemplos de materiais que podem apresentar elevada porosidade (Bernucci et al., 2008; Masad et al., 2009). Os minerais constituintes das partículas dos agregados contêm átomos dispostos segundo uma rede cristalina em que os átomos da superfície exercem atração sobre os átomos com que mantêm contacto. Desta forma provoca-se a adsorção química, principal fator de adesividade entre o agregado e os ligantes asfálticos (Bernucci et al., 2008). Grande parte dos agregados siliciosos, entre os quais o arenito, o quartzo e o cascalho, em presença de água ionizam-se negativamente. Já os materiais calcários, tornam-se positivamente carregados em presença de água. Existem agregados (basalto e calcários siliciosos) que contêm ambas as cargas por conterem na sua composição mineralógica minerais siliciosos (carga negativa) conjugados com cálcio, magnésio, alumínio ou ferro (minerais com carga positiva). Os agregados eletropositivos apresentam geralmente boa adesividade ao ligante asfáltico na presença de água (Bernucci et al., 2008). As rochas podem ser classificadas quanto ao teor de sílica. Rochas com teores de sílica superiores a 65% são classificadas como ácidas, rochas com teores de sílica entre 52 e 65% são classificadas como neutras, e com 45 a 52% são classificadas como básicas. Os agregados de rochas classificadas como ácidas geralmente apresentam problemas de adesividade, enquanto os agregados provenientes de rochas classificadas como básicas apresentam geralmente melhor adesividade ao ligante asfáltico (Bernucci et al., 2008). No entanto, a seleção de agregados para utilização em revestimentos betuminosos não depende apenas da qualidade destes. Também é necessário ter em conta, a disponibilidade, o custo e o tipo de aplicação. Na Figura 2.1 está representada a carta litológica de Portugal publicada em 1983 (Silva, 1983). Da figura depreende-se que existe uma ampla área do território onde abundam rochas sedimentares, as quais são em grande parte muito brandas, inibindo a sua utilização em camadas de desgaste (Capitão, 2011). Apesar disso, as questões relacionadas com a sustentabilidade e o impacto económico no setor da construção viária, nomeadamente no que se refere aos aspetos relacionados com a exploração de agregados, devem também ser levadas em consideração no processo de escolha daqueles materiais constituintes. 8

33 MATERIAIS EM CAMADAS DE DESGASTE CAPÍTULO 2 ~ ~ ^ Figura 2.1. Distribuição territorial dos vários tipos de rocha segundo a sua classificação petrográfica em Portugal Continental (Silva, 1983) Características Mineralógicas/Petrográficas do Seixo Britado O seixo é uma rocha sedimentar detrítica podendo apresentar dimensões entre cerca de 4 e 64 mm. Em formações detríticas mais grosseiras é vulgar encontrar na sua composição o quartzo e feldspatos, ambos pertencentes ao grupo dos silicatos. No que toca às formações detríticas finas, pode verificar-se quartzo, micas e minerais que resultam de meteorização (Cruz et al., 2011). O quartzo exibe brilho vítreo, podendo ser de várias cores, e apresenta uma dureza de 7 segundo a escala de Mohs. Trata-se de um dos minerais mais abundantes na natureza e surge na constituição de todos os grupos de rochas: sedimentares, metamórficas e magmáticas. O quartzo é quase inalterável, reduzindo apenas as suas dimensões por ação do transporte. Os quartzitos são rochas metamórficas provenientes dos arenitos siliciosos, não foliadas e essencialmente formadas por grãos finos de quartzo recristalizado fortemente unidos, compactos e duros. Estes apresentam um brilho semelhante ao do quartzo, mas menos nítido, e uma dureza de 4 a 7 segundo a escala de Mohs (Costa, 1993). Na sua constituição, os quartzitos podem apresentar outros minerais tais como, grãos detríticos, normalmente feldspato, ou novos minerais derivados da metamorfização. Geralmente, os quartzitos são brancos, cinza claro ou amarelados. No entanto, poderão apresentar outras cores, dependendo da existência de minerais acessórios, e normalmente não apresentam xistosidade. Quanto à composição química, os quartzitos assemelham-se à composição da sílica, com a diferença de poder conter pequenas porções de ferro, cálcio, alumínio, entre outros (Costa,1993). Elza Ferreira Sardão 9

34 MATERIAIS EM CAMADAS DE DESGASTE Alecrim (2009) concluiu que os quartzitos são essencialmente formados por grãos de quartzo e que, no que se refere às características físicas, químicas e à resistência, são materiais análogos devido à sua natureza ser semelhante. Os seixos são fragmentos de rocha relativamente arredondados e apresentam uma superfície relativamente lisa, sendo designados normalmente por seixos rolados. As partículas de maiores dimensões são submetidas a um processo de britagem mecânica para possibilitar a obtenção de uma proporção de material angular razoável (Pereira, 1971) Requisitos dos Agregados para Camadas de Desgaste de Acordo com a Norma NP EN Segundo a Norma NP EN 13043, os agregados a utilizar no fabrico de misturas betuminosas, tratamentos superficiais de pavimentos, aeroportos e outras áreas de circulação devem cumprir um conjunto de requisitos geométricos e físicos, os quais dependem da sua aplicação específica, ou da sua origem. Aquela norma apresenta limites de aceitação ou rejeição para determinadas propriedades, levando à realização de ensaios para demonstrar o cumprimento daqueles limites. Nos restantes casos, o produtor utiliza as categorias indicadas na norma para cada requisito, apresentando os valores das suas propriedades. Nestas circunstâncias as grandezas são indicadas por valores declarados, situação em que não é necessário o cumprimento de requisitos mais exigentes que os declarados pelo produtor. No caso de existir uma propriedade não requerida utiliza-se a designação de Não requerido (NR). - Requisitos geométricos A Norma NP EN considera, para efeitos de caracterização de agregados a utilizar em misturas betuminosas, os seguintes requisitos geométricos: dimensão do agregado, granulometria, teor e qualidade dos finos, forma do agregado grosso, percentagem de partículas esmagadas e partidas nos agregados grossos e angulosidade do agregado fino. As dimensões do agregado e a sua granulometria são propriedades relevantes dos agregados, devendo promover a obtenção de um esqueleto capaz de distribuir as cargas em profundidade, através do bom imbricamento entre os grãos do material. A distribuição percentual das dimensões das partículas que compõem o material influem diretamente na porosidade do betão betuminoso que é possível produzir. Geralmente, a obtenção da composição granulométrica necessária para produzir uma mistura só se consegue através da combinação, em determinadas proporções, de agregados com diferentes tamanhos (Capitão, 2011; Branco et al., 2008). A norma estabelece os requisitos gerais a cumprir pela granulometria dos agregados a utilizar no fabrico de betão betuminoso, impondo limites especificados para as percentagens de material que passa nos peneiros de dimensão D, 2 e 0,063 mm. Note-se que as frações grossas provenientes da britagem do seixo cumprem facilmente estes requisitos granulométricos impostos pela norma, uma vez que a mistura típica de agregados numa mistura betuminosa para camada de desgaste, AC 14 surf ligante, apresenta granulometria contínua, a qual apenas é conseguida com adição de partículas mais finas, tal como é normalmente efetuado para 10

35 MATERIAIS EM CAMADAS DE DESGASTE CAPÍTULO 2 outras misturas constituídas por outros tipos de agregados, por exemplo, rocha granítica britada (Capitão, 2011). Quanto ao teor e qualidade dos finos, a quantidade de partículas finas (isto é, de dimensão inferior a 2 mm) tem elevada influência nas características das misturas betuminosas, nomeadamente ao nível da solidez e coesão. A limpeza dos agregados é um fator preponderante, uma vez que a fraca limpeza (impurezas como a argila, matéria orgânica, etc.) prejudica a união entre o ligante e as partículas de agregado, havendo a possibilidade de ocorrência de variações volumétricas com a água e de prejuízo para o atrito entre os grãos (Capitão, 2011). Para garantir uma boa limpeza, a norma estabelece valores máximos para o teor de finos prejudiciais, determinado indiretamente através do valor de adsorção de azul de metileno. Quanto ao seixo britado, este normalmente não demonstra problemas de contaminações de argila ou de finos, pois é submetido a lavagem, ao contrário do que acontece geralmente na produção de rocha britada proveniente de pedreiras. No que diz respeito à forma do agregado grosso, as partículas devem ter uma forma aproximadamente cúbica, não sendo aconselhável a utilização de partículas frágeis, tais como partículas lamelares ou alongadas, pois poderão dar origem a misturas betuminosas menos homogéneas. As faces que têm origem na quebra de partículas durante a compactação ficam mal revestidas com ligante, prejudicando a coesão da mistura (Capitão, 2011; Branco et al., 2008). A norma indica categorias para os parâmetros que caracterizam a forma, designadamente o índice de achatamento (FI) e o índice de forma (SI), quando requeridos, não estabelecendo limiares de aceitação. Contudo, é importante avaliar a forma das partículas grossas, mesmo no caso do seixo britado, uma vez que as rochas duras apresentam fratura difícil, o que pode levar a partículas de forma inadequada durante a britagem. Quanto à percentagem de partículas esmagadas e partidas nos agregados grossos, normalmente são usadas percentagens elevadas de material britado (perto de cem por cento). A norma indica categorias para a percentagem de partículas esmagadas e partidas, incluindo a percentagem de partículas totalmente roladas. Aquela considera agregados pertencentes à categoria C 100/0, os quais são geralmente obtidos por britagem de maciços rochosos (C 100/0 significa que 100% das partículas são britadas e 0% do material é totalmente rolado). No que toca à utilização do seixo na produção de agregados, pode dar-se o caso de ocorrerem faces roladas em algumas partículas de agregado grosso, mesmo depois de o mesmo ser submetido ao processo de rebritagem, por existirem partículas que conseguem passar impunes à ação mecânica, prejudicando o desempenho da mistura. De facto, as faces roladas não contribuem para uma boa adesividade do betume asfáltico à superfície das partículas. Quando estes agregados são utilizados em camadas de desgaste, as faces roladas levam a uma baixa microtextura, originada pela baixa aspereza das partículas, influenciando o atrito entre o pneu e o pavimento (Capitão, 2011). Elza Ferreira Sardão 11

36 MATERIAIS EM CAMADAS DE DESGASTE Este problema pode ser contornado se a dimensão dos seixos sujeitos a britagem for bastante superior à dimensão máxima do agregado (D) a produzir, sendo frequente considerar-se adequadas relações de 4D (diâmetro de seixo submetido a britagem quatro vezes superior à dimensão D). No que toca à angulosidade do agregado fino, dado as misturas betuminosas correntes conterem cerca de 30% de agregado fino, interessa saber se as partículas são angulosas ou roladas. O comportamento do mastique das misturas é muito influenciado por esta fração de agregados. A norma NP EN institui ainda a determinação do parâmetro E CS (angulosidade dos agregados finos), o qual toma valores mais elevados para agregado fino mais anguloso. Normalmente, não é utilizado seixo britado como agregado fino em misturas betuminosas. Contudo, caso seja utilizado este problema resolve-se de forma semelhante à indicada para o caso do agregado grosso (Capitão, 2011). - Requisitos físicos A norma NP EN (IPQ, 2004) estabelece os seguintes requisitos físicos para os agregados utilizados no fabrico de misturas betuminosas: resistência à fragmentação do agregado grosso (LA), resistência ao polimento do agregado grosso para camadas de desgaste (PSV) e à abrasão (AAV), resistência ao desgaste por atrito do agregado grosso (M DE ), resistência à abrasão provocada por pneus pitonados do agregado grosso para utilização em camadas de desgaste (A N ), massa volúmica (valor declarado) das partículas e absorção de água (WA), resistência ao choque térmico, durabilidade e sonnenbrand do basalto e afinidade dos agregados grossos com ligantes betuminosos. Uma vez que as partículas de agregado grosso incorporadas na camada de desgaste estão sujeitas essencialmente à ação mecânica do tráfego, sendo importante manter as suas propriedades ao longo do tempo em que as camadas de desgaste estão em serviço, têm maior importância dentre as propriedades acima referidas as que avaliam a resistência mecânica. A avaliação da resistência a pneus pitonados em Portugal não tem interesse, pois não é uma situação habitual no país. No que toca às questões associadas à durabilidade, resistência ao gelo-degelo, estas são pouco relevantes devido às características climáticas do país (Capitão, 2011). O sonnenbrand do basalto pode ser requerido exclusivamente quando é utilizado agregado deste tipo. A resistência à fragmentação pretendida consiste na utilização de materiais duros, resistentes ao choque entre as próprias partículas e ao desgaste produzido pelo tráfego na superfície do pavimento. Esta resistência à fragmentação é determinada pelo coeficiente de Los Angeles, através de impactos de esferas de aço sobre o material, em sucessivas rotações de um tambor contendo o material. A resistência à fragmentação é uma medida da resistência mecânica do material, que deve ser confrontada com outros parâmetros de avaliação da resistência do agregado, de forma a não ser sobrevalorizada nas especificações geralmente adotadas em cada 12

37 MATERIAIS EM CAMADAS DE DESGASTE CAPÍTULO 2 um dos estados membros (Capitão, 2011; Branco et al., 2008). A norma indica categorias para o parâmetro LA, para que o produtor possa exprimir o requisito em termos de categoria ou de valor declarado. Quanto à resistência ao polimento do agregado grosso para camadas de desgaste, dado o atrito entre o pneu e o pavimento ser muito influenciado por este parâmetro, a utilização do agregado em camadas de desgaste exige uma avaliação criteriosa desta resistência. A resistência ao polimento PSV (Polishing Stone Value), é um requisito que mede de forma indireta, a capacidade de manter a rugosidade superficial das partículas de agregado quando submetidas a ações de polimento, tais como as produzidas pela ação direta dos pneus dos veículos durante o período de serviço da camada betuminosa. No entanto, a sua consideração isolada pode levar a más decisões na seleção de agregados para camadas de desgaste. Segundo Woodward (2007), à medida que se exigem maiores valores de PSV, a capacidade para o agregado suportar abrasão no estado húmido, medida pelo parâmetro M DE (micro- Deval), sofre grandes reduções. Assim, a longo prazo, os agregados com elevados valores de PSV podem levar a aumentos de custos de conservação das características superficiais, mesmo que a curto prazo o seu desempenho seja superior (Capitão, 2011). A norma NP EN indica categorias para o parâmetro PSV, para que o produtor possa exprimir o requisito em termos de categoria ou de valor declarado. No que diz respeito à resistência ao desgaste por atrito do agregado grosso, recorre-se ao ensaio de micro-deval que consiste na medição da resistência ao desgaste por atrito entre agregado grosso e uma carga abrasiva, quando ambos são sujeitos a um número elevado de rotações no interior de um tambor. Este processo pode ser realizado a seco ou com água, e o parâmetro M DE (Coeficiente micro-deval) deve ser apreciado em conjugação com outros indicadores de resistência mecânica, uma vez que a consideração individual de alguns requisitos pode conduzir a decisões pouco razoáveis, dado não avaliar de uma forma global as características do material a selecionar (Capitão, 2011). A norma NP EN define categorias para o parâmetro M DE, para que o produtor possa exprimir o requisito em termos de categoria ou de valor declarado. A resistência ao choque térmico deve ser também avaliada porque no processo de produção de misturas betuminosas a quente tem de se proceder à secagem e aquecimento dos agregados, em central, num período de tempo bastante curto. Este processo leva a que determinados materiais se degradem, por ação do choque térmico, particularmente nas situações em que a presença de humidade no agregado é relativamente elevada. As partículas que sofrem choque térmico podem partir, alterando a granulometria do material após o aquecimento. As avaliações da resistência ao choque térmico recorrem a um aquecimento súbito de cerca de 700ºC para medir a capacidade do agregado de sofrer perdas de resistência (Capitão, 2011). A norma NP EN define categorias para a resistência do agregado ao choque térmico, referindo que os resultados devem ser declarados. A massa volúmica das partículas e absorção de água são propriedades normalmente usadas no fabrico e aplicação de misturas betuminosas porque influenciam a densidade do betão Elza Ferreira Sardão 13

38 MATERIAIS EM CAMADAS DE DESGASTE betuminoso produzido. A absorção de água é considerada como um indicador de durabilidade, dado que materiais com maior absorção de água são normalmente mais sensíveis à ação do gelo e, também, tendem a absorver mais betume durante o processo de fabrico, o que leva a que uma menor quantidade de ligante aglutine as partículas pétreas (Capitão, 2011). A norma NP EN não define categorias para a massa volúmica do agregado e para a absorção de água, referindo apenas que os resultados devem ser declarados. Quanto à afinidade dos agregados grossos aos ligantes betuminosos, é essencial que o betume se mantenha bem ligado às partículas de agregado, dado que a camada de desgaste é sujeita à ação da chuva, da radiação solar e ainda à ação mecânica dos pneus dos veículos (Capitão, 2011). A norma apenas refere que os resultados da avaliação da afinidade dos agregados aos ligantes betuminosos devem ser declarados. Atualmente, são conhecidos alguns problemas de afinidade entre o agregado e o ligante, nomeadamente no caso de seixo britado e dos materiais graníticos. Para realizar uma avaliação destes problemas a norma NP EN considera a realização de ensaios de sensibilidade à água, os quais avaliam a resistência mecânica de provetes depois de terem sido submetidos a um conjunto de ações de carater térmico e hídrico. Esta avaliação faz-se de forma alternativa de acordo com a Norma EN (CEN, 2005), a qual faz uma quantificação aproximada da quantidade de agregado que fica sem cobertura de ligante num período de tempo quando submetido a condições desfavoráveis, avaliação esta que se julga menos objetiva que a recomendada na norma NP EN A norma NP EN apenas refere que os resultados da avaliação da afinidade dos agregados aos ligantes betuminosos devem ser declarados. Contudo, a baixa afinidade dos agregados grossos com o betume pode ser melhorada pelo recurso a aditivos que possibilitam a melhoria da ligação entre os dois materiais (Capitão, 2011). - Requisitos químicos As preocupações associadas a estes requisitos estão principalmente direcionadas à utilização de agregados reciclados, ou subprodutos. Assim, na grande maioria dos agregados obtidos por britagem de rochas convencionais, ou de seixos, não são normalmente estabelecidos estes requisitos (Capitão, 2011). Contudo, em casos em que se possa duvidar do bom comportamento dos agregados, a norma NP EN refere que o produtor deverá expressar o resultado da propriedade avaliada através de valor declarado Requisitos dos Agregados de Acordo com o Caderno de Encargos da Estradas de Portugal S.A. Os requisitos físicos e geométricos a cumprir pelos agregados a utilizar em misturas betuminosas para camadas de desgaste são indicados no capítulo 14 do caderno de encargos (EP, 2011), o qual considera o estipulado nas normas NP EN e NP EN O 14

39 MATERIAIS EM CAMADAS DE DESGASTE CAPÍTULO 2 caderno de encargos estabelece as categorias e os limiares de aceitação para os diferentes parâmetros especificados. No que se refere aos requisitos da granulometria, são considerados na norma fusos granulométricos próximos da prática tecnológica habitual. Contudo, a Estradas de Portugal estabelece requisitos mais específicos que os indicados na norma, uma vez que estabelece requisitos para vários peneiros das séries utilizadas ao invés da norma, a qual estabelece requisitos apenas para um número restrito de peneiros. No Quadro 2.1 estão representados os requisitos a cumprir pelos agregados para camadas de desgaste segundo o caderno de encargos. O Quadro 2.1 reproduz-se integralmente do caderno de encargos da EP. Numa análise aos requisitos a verificar pelos agregados segundo aquele caderno de encargos, verifica-se que são privilegiadas as rochas granitoides quanto aos requisitos de resistência à fragmentação (Los Angeles). De facto, a categoria exigida para os restantes tipos de agregados é LA 20 em vez da LA 30. Além disso, verifica-se que é proibida a utilização do seixo, independentemente de serem cumpridos os requisitos estabelecidos no Quadro 2.1, ou outros considerados mais ajustados. As frações grossas de seixo britado são as que têm mais utilização em misturas betuminosas para camadas de desgaste, pelo que interessa referir, para além do parâmetro LA, os restantes requisitos relativos a agregados grossos, designadamente os seguintes: forma do agregado grosso FI 20 ou FI 15, em função do tipo de mistura; percentagem de partículas esmagadas e partidas nos agregados grossos C 100/0 ; resistência ao desgaste por atrito do agregado grosso M DE 15 e resistência ao polimento do agregado grosso para camadas de desgaste PSV 50. Desta forma, o caderno de encargos estabelece limites de aceitação para os agregados para cada um dos parâmetros referidos. Para outros requisitos como a afinidade dos agregados grossos aos ligantes betuminosos, apenas exige que o valor seja declarado, sem limite de aceitação. Elza Ferreira Sardão 15

40 MATERIAIS EM CAMADAS DE DESGASTE Quadro 2.1. Requisitos dos agregados para camadas de desgaste (EP, 2011) Requisitos dos Agregados de Acordo com um Caderno de Encargos do Grupo Brisa S.A. O Grupo Brisa utiliza um caderno de encargos base (Brisa, s.d.) que é aplicado, com determinadas alterações em função de cada caso. Numa versão mais geral do documento, podem verificar-se os requisitos estabelecidos para a utilização de agregados em misturas betuminosas para camadas de desgaste, embora o documento não se encontre com a linguagem e conceitos adaptados às normas do CEN. 16

41 MATERIAIS EM CAMADAS DE DESGASTE CAPÍTULO 2 No que diz respeito aos requisitos físicos para os agregados grossos, o caderno de encargos da Brisa estabelece os seguintes requisitos para betão betuminoso em camadas de desgaste: - A percentagem máxima de desgaste na máquina de Los Angeles (granulometria B) é de 20% segundo a especificação do LNEC E (LNEC, 1970). No caso de granitos a percentagem de desgaste deverá ser igual ou inferior a 25%; - A percentagem máxima dos índices de lamelação e alongamento, definido de acordo com a Norma BS 812 (BSI, 1985), é de 15%; - Adesividade betume/agregado, medida através do ensaio de resistência conservada, tem de ser superior a 75% (variante ao ensaio ASTM D 1075 (ASTM, 2005)); - A percentagem mínima de material britado (pelo menos três superfícies de fratura recente) é de 90%; - O Coeficiente de Polimento Acelerado tem de ser maior ou igual a 0,55. Para além dos requisitos acima especificados, a brisa refere que a utilização de agregados na camada de desgaste será condicionada à pesquisa de minerais, pelo que o Empreiteiro deverá mandar proceder atempadamente, em laboratório acreditado, à sua caracterização mineralógica através de lâminas delgadas, a não ser que haja experiência prévia de bom comportamento dos materiais da pedreira ou da fonte de abastecimento dos materiais. Quanto à utilização de seixo britado é estabelecido que esta será condicionada ao emprego de um aditivo no betume, com vista a garantir uma boa adesividade do ligante betuminoso, a qual terá de ser comprovada com a devida antecedência. A comprovação é feita com recurso a ensaios de compressão Marshall, antes e após imersão dos provetes em água a 60 C, durante 24 horas, devendo o quociente dos valores de estabilidade do ensaio normal e do ensaio após imersão ser igual ou superior a 75% (variante ao ensaio ASTM D 1075). Para além disto, terá que ser feita a prova de adesividade passiva, em que a mistura de agregados com filer e betume é colocada dentro de um recipiente com água a 100 C e agitada com uma vareta de vidro durante 2 minutos. Por observação visual, far-se-á uma análise da percentagem de betume descolado das partículas dos inertes. A adesividade será considerada satisfatória se não houver descolagem de películas de betume. As características granulométricas dos agregados a utilizar em camadas de desgaste são estabelecidas por fusos granulométricos, permitindo a utilização de seixo britado, enquanto fração grossa da mistura (Brisa, s.d.; Capitão, 2011). Numa análise aos requisitos a verificar pelos agregados segundo o Grupo Brisa S.A., constata-se a possibilidade de utilização de seixo britado em camadas de desgaste, caso seja comprovada uma adesividade adequada entre o agregado e o betume. É exigida também uma percentagem de material britado superior ou igual a 90%. Isto é possível através do processo de britagem do seixo ao selecionar por peneiração partículas de diâmetro consideravelmente superior à dimensão máxima do agregado a produzir. Tal como acontece no caderno de encargos da EP, também são privilegiados os agregados graníticos, exigindo-se para estes LA 25 enquanto para os restantes agregados se indica LA 20. Elza Ferreira Sardão 17

42 MATERIAIS EM CAMADAS DE DESGASTE Além disso, sabe-se que, por vezes, tal como o seixo, também as rochas graníticas apresentam problemas de adesividade aos ligantes betuminosos. O caderno de encargos da Brisa exige a verificação de requisitos de adesividade pela ASTM D 1075 para todos os agregados, à exceção do material granítico que é dispensado dessa verificação Requisitos dos Agregados para Camadas de Desgaste Noutros Países (Capitão, 2011) - Requisitos dos agregados para camadas de desgaste utilizados em França Os requisitos a respeitar em França pelos agregados para camadas de desgaste estão estabelecidos na norma XP P (AFNOR, 2008), a qual considera várias normas harmonizadas do CEN, notando-se semelhança com os requisitos estabelecidos na NP EN Abaixo está representado um quadro resumo de requisitos relevantes a cumprir pelos agregados grossos pela norma francesa. Quadro 2.2. Requisitos dos agregados grossos para camadas de desgaste (AFNOR, 2008) Código LA categoria EN M DE categoria EN PSV categoria EN A LA 20 M DE 15 PSV 56 B LA 20 M DE 15 PSV 50 C LA 25 M DE 20 PSV 50 *Os parâmetros LA, M DE e PSV são definidos pelas categorias a respeitar pelos agregados. A norma XP P indica que para aplicações em que se justifique, pode recorrer-se aos códigos que são indicados com compensação máxima de cinco pontos entre as características de LA e M DE. Desde que a soma dos parâmetros de LA e M DE não ultrapasse o valor da sua soma tabelado, um daqueles parâmetros pode não cumprir a categoria indicada para o respetivo código. Esta utilização conjunta da resistência à fragmentação (LA) e da resistência ao desgaste por atrito do agregado grosso (M DE ) leva à possibilidade de utilização de materiais que não cumprem precisamente um dos parâmetros mas que respeitam os requisitos quando são considerados em conjunto, não prejudicando, à luz da norma, o previsível desempenho do agregado. Tal como a norma portuguesa NP EN 13043, a norma francesa também inclui requisitos relacionados com a granulometria, os quais são cumpridos de forma relativamente fácil. Por outro lado, a norma XP P inclui outros requisitos de natureza geométrica para uma boa avaliação dos agregados grossos, nomeadamente o índice de achatamento (FI) e a percentagem de partículas esmagadas ou partidas, e de partículas totalmente roladas nos agregados grossos (C x/y ), recorrendo a três categorias para cada um dos parâmetros, tal como se mostra no Quadro

43 MATERIAIS EM CAMADAS DE DESGASTE CAPÍTULO 2 Quadro 2.3. Características dos agregados grossos para camadas de desgaste para os parâmetros FI e C x/y (AFNOR, 2008) Código Índice de Achatamento (FI) I II III Percentagem de Partículas Partidas e Esmagadas (norma NF EN 13043) FI15 se D>6,3mm FI20 se D 6,3mm FI20 se D>6,3mm FI25 se D 6,3mm FI20 se D>6,3mm FI30 se D 6,3mm Coeficiente de escoamento dos agregados (ECG)* Ang 1 C95/1 110 Ang 2 C90/1 105 Ang 3 C50/10 96 *Caso o resultado do ensaio de escoamento dos agregados grossos, segundo a norma NF EN 933-6, esteja conforme com o critério correspondente à categoria, o material pode ser aceite nessa categoria da norma europeia. Em caso contrário, deve realizar-se o ensaio para determinação direta da percentagem de partículas partidas e esmagadas (partículas 6,3 D 14mm), segundo a norma NF EN 933-5, sendo a conformidade verificada sobre a fração mais fortemente representada na granulometria do material (4/6,3; 6,3/10; 4/10;10/14 mm). Numa breve análise da norma XP P verifica-se que: - São considerados vários códigos para os agregados em função de requisitos, os quais correspondem a níveis de exigência diferenciados; - Os requisitos que se referem aos parâmetros LA e M DE podem ser aplicados individualmente ou em conjunto, o que possibilita a utilização de agregados que não cumpram os limiares de aceitação estabelecidos individualmente; - Em qualquer dos códigos é possível a utilização de agregados com uma percentagem de material não totalmente britado e até totalmente rolado. Mesmo nas duas classes mais exigentes pode ser usado 5 e 10% de material com partículas não totalmente esmagadas ou partidas, e até 1% de partículas totalmente roladas; - Não existe referência à inibição de utilização de seixo britado, nem requisitos específicos relativos à adesividade deste ao ligante, ou mesmo requisitos que favoreçam agregados granitoides na resistência à fragmentação (LA). - Requisitos dos agregados para camadas de desgaste utilizados no Reino Unido Os requisitos a respeitar no Reino Unido nos agregados para camadas de desgaste estão estabelecidos na norma EN Posteriormente têm sido publicados documentos específicos que estabelecem limiares de aceitação dos agregados no que toca a diferentes parâmetros, e para os vários tipos de misturas betuminosas aplicáveis em camadas de desgaste. Segundo o quadro normativo deste país os requisitos mais importantes são: i) Resistência ao polimento do agregado grosso (PSV) Neste país são privilegiados os agregados que apresentem elevado valor de PSV (Polishing Stone Value), em detrimento de outros parâmetros, sendo requerido que este indicador Elza Ferreira Sardão 19

44 MATERIAIS EM CAMADAS DE DESGASTE apresente um mínimo de 50 para estradas com um tráfego de veículos comerciais no horizonte de projeto até 250 veículos/via/dia, e de 68 para estradas com mais de 6000 veículos/via/dia, no mínimo nos últimos três ensaios consecutivos efetuados. É de referir que a tabela apresentada pelo HD 36/06 (HA, 2006) é bastante extensa quanto ao parâmetro PSV, para conjuntos de tráfego e tipos de vias muito diversificados. ii) Resistência à abrasão (AAV Aggregate Abrasion Value) Em detrimento do parâmetro M DE, o Reino Unido recorre habitualmente à resistência à abrasão. O ensaio consiste na utilização de duas amostras que são pressionadas contra a superfície de um disco de aço, com rotação num plano horizontal, com uma força de 0,365 N/cm 2, onde são utilizadas areias como abrasivo. Após 500 rotações do disco, com base na quantidade de material desbastado, é medida a percentagem de perda de massa, conhecida como AAV. Segundo o definido pelo volume 7 do DMRB Design Manual for Roads and Bridges (HA, 2006), os requisitos relativos ao parâmetro AAV tornam-se mais exigentes em função do número crescente de veículos comerciais no horizonte de projeto, tendo os valores de variar entre 16 e 10. Quanto maior for a massa perdida pelos provetes pior será o desempenho destes, isto é, maior é o valor de AAV. Normalmente são obtidos resultados com uma variabilidade considerável, o que pode levar a uma variação do desempenho do agregado em serviço. Segundo Woodward (2007), o procedimento do ensaio não considera uma parte significativa das amostras de material recolhidas, o que pode comprometer o desempenho em serviço quando os agregados são heterogéneos. Em Portugal este ensaio está previsto na norma NP EN 13043, embora seja tipicamente utilizado o ensaio micro-deval em vez daquele. iii) Resistência à fragmentação do agregado grosso (LA) Woodward (2007) refere que no Reino Unido não é usual o recurso ao ensaio de Los Angeles devido à tradição de utilização de ensaios alternativos para medir parâmetros similares. Os ensaios mais vulgarizados são o Aggregate Crushing Value (ACV) e o Aggregate Impact Value (AIV). O parâmetro ACV permite uma medição relativa da resistência de um agregado ao esmagamento sob a ação de uma carga de compressão aplicada gradualmente. O ensaio consiste na aplicação da carga gradual numa amostra 10/14 mm de agregado durante 10 minutos. Posteriormente, é realizada uma peneiração para verificação da percentagem de massa original da amostra que apresenta dimensão inferior a 2,36 mm. Segundo Woodward (2007), geralmente os valores de ACV devem ser inferiores a 25, embora não exista referência a limiares de aceitação segundo a Specification for Highway Works (HA, 2008). Quanto ao parâmetro AIV, este permite uma avaliação da resistência de um agregado ao esmagamento sob a ação de sucessivos impactos produzidos com um pilão normalizado no interior de um molde de aço, com uma amostra 10/14mm. O resultado do ensaio é dado através da razão entre a massa de material que passa na malha de 2,36 mm e a massa inicial 20

45 MATERIAIS EM CAMADAS DE DESGASTE CAPÍTULO 2 da amostra. Os valores de AIV devem ser inferiores a 25 (Woodward, 2007). Segundo este autor, um agregado que cumpra os requisitos dos parâmetros ACV e AIV, deverá cumprir razoavelmente os requisitos estabelecidos com base em ensaios de Los Angeles. Considerando-se como máximo admissível para os agregados a utilizar por exemplo, para as camadas superficiais do tipo Thin Surface Course Systems, os agregados devem cumprir os requisitos da categoria LA 30 (HA, 2008). Numa breve apreciação dos requisitos a verificar pelos agregados no Reino Unido, verifica-se que é permitida a utilização de seixo britado e não são encontradas na bibliografia referências a requisitos específicos para aquele tipo de agregado, sendo dada prioridade a agregados com valores elevados de PSV, sem que sejam estabelecidas grandes exigências relativamente aos parâmetros obtidos no ensaio de Los Angeles. - Requisitos dos agregados para camadas de desgaste utilizados em Espanha Os requisitos a respeitar em Espanha pelos agregados para camadas de desgaste de misturas betuminosas convencionais estão estabelecidos no Pliego General de Firmes, Articulo 542 (DGC, 2004). A Espanha adaptou o seu quadro normativo às normas europeias publicadas pelo CEN, tendo publicado a UNE EN para os materiais agregados para misturas betuminosas. Neste documento é referida a possibilidade de utilização de seixo britado em camadas de desgaste, quer como agregado grosso, quer como agregado fino. No entanto, é exigida uma dimensão das partículas antes da trituração seis vezes superior à máxima dimensão do agregado final, para as classes correspondentes a um tráfego de pesados elevado (T1 e T2). Para as classes de tráfego mais exigentes (T00 e T0) está interdito o uso de agregados britados oriundos de depósitos granulares. No Quadro 2.4 faz-se uma síntese dos requisitos relativos à percentagem mínima de material triturado e à proporção máxima de material totalmente rolado. Quadro 2.4. Percentagem de partículas total e parcialmente trituradas, e de partículas totalmente roladas, para camadas de desgaste (DGC, 2004) Tipo de Camada Categoria de Tráfego Pesado / TMD T00 T0 e T1 T2 T3 e bermas T4 Desgaste C 100/0 C 90/1 C 75/10 Nota: As classes de tráfego apresentadas representam os seguintes números de veículos pesados por dia: T00: mais de 4000; T0: mais de 2000; T1: 800 a 2000; T2: 200 a 800; T3: 50 a 200 e T4: menos de 50. São também estabelecidos outros requisitos geométricos, tal como o índice de achatamento (FI), indicando FI 20 para a classe de tráfego T00, FI 25 para as classes T0 e T31, e FI 30 para os restantes casos. No que diz respeito à resistência à fragmentação, esta é avaliada pelo ensaio de Los Angeles. No Quadro 2.5 encontram-se os requisitos a aplicar em camadas de desgaste. Elza Ferreira Sardão 21

46 MATERIAIS EM CAMADAS DE DESGASTE Quadro 2.5. Coeficiente de Los Angeles para agregado grosso (DGC, 2004) Tipo de Camada Categoria de Tráfego Pesado / TMD T00 e T0 T1 T2 T3 e bermas T4 Desgaste LA 20 LA 25 Quanto à resistência ao polimento do agregado grosso (PSV), para camadas de desgaste, encontram-se definidos os requisitos estabelecidos no Quadro 2.6. Quadro 2.6. Coeficiente de Polimento Acelerado do agregado grosso (DGC, 2004) Camada de desgaste Categoria de Tráfego Pesado / TMD T32, T4 e T00 e T0 T1 a T31 bermas PSV 56 PSV 50 PSV 44 Nota: As classes de tráfego T00, T0 T1 e T4 têm o mesmo significado que nos Quadros 2.4 e 2.5. As restantes classes representam os seguintes números de veículos pesados por dia: T31: 100 a 200, T32: 50 a 100. Numa breve apreciação dos requisitos a verificar pelos agregados para camadas de desgaste betuminosas em Espanha, verifica-se que é permitida a utilização de seixo britado em camadas de desgaste, embora a sua utilização esteja vedada a pavimentos com um tráfego de pesados de projeto das classes T00 e T0, as quais representam as condições de solicitação mais gravosas. Para os pavimentos com classe de tráfego T1 e T2, as partículas de seixo a britar devem ter um diâmetro mínimo seis vezes maior que a dimensão máxima da fração granulométrica a produzir, de forma a garantir 100% de material com faces fraturadas. Não há outros requisitos especiais a cumprir adicionalmente pelos agregados provenientes da britagem de seixo Ligantes Existem inúmeras soluções para o fabrico de camadas de desgaste, as quais utilizam frequentemente ligantes betuminosos. Os ligantes betuminosos são materiais hidrocarbonados com propriedades adesivas, os quais podem apresentar-se na forma de diferentes produtos: betume asfáltico, emulsões betuminosas e betumes modificados. Estes constituintes além de ligarem os agregados, fornecendo coesão e estabilidade aos materiais da camada de desgaste, podem também conferir-lhe impermeabilidade (Cepsa, 2007). O betume asfáltico é o ligante betuminoso mais aplicado na realização de camadas de desgaste betuminosas (Cepsa, 2007). Uma vez que neste estudo é dado maior destaque a pavimentos flexíveis, nos pontos seguintes apresenta-se apenas informação mais detalhada sobre os ligantes betuminosos. 22

47 MATERIAIS EM CAMADAS DE DESGASTE CAPÍTULO Betume Asfáltico O betume é um aglutinante betuminoso que se obtém da destilação do petróleo bruto e é um material praticamente não volátil, adesivo e impermeável à água, sendo uma mistura complexa de hidrocarbonetos com massas moleculares diferentes (Branco et al., 2008). O betume asfáltico é o ligante mais utilizado em trabalhos de pavimentação rodoviária e existe em numerosos petróleos, onde se encontra em solução, sendo obtido após a eliminação dos óleos que servem de dissolventes (Branco et al., 2008). Pelo facto de o betume asfáltico apresentar uma reação dependente da temperatura e do tempo de solicitação, é necessário estabelecer padrões para avaliar as características de materiais desta natureza. Torna-se necessário que os betumes usados para pavimentação respeitem os critérios estabelecidos nas especificações aplicáveis para uma correta análise do seu possível comportamento. As propriedades de maior importância para a caracterização corrente de um betume são a penetração e a temperatura de amolecimento. Contudo, também podem ser avaliadas outras propriedades dos betumes asfálticos referentes às suas características de desempenho mecânico (Branco et al., 2008). A temperatura de amolecimento de anel e bola é medida através de um método experimental, normalizado pela EN 1427 (CEN, 2007 b), com o intuito de avaliar indiretamente a viscosidade do betume, a qual está relacionada com a sua consistência, possibilitando uma avaliação do intervalo de temperatura em que é possível a manipulação de um ligante em boas condições. Dado o comportamento do betume ser influenciado pela temperatura, é necessário utilizar um ligante betuminoso cujo comportamento seja adequado às temperaturas a que está sujeito no pavimento, uma vez que a mistura perde estabilidade quando a temperatura atinge valores próximos da temperatura de amolecimento de anel e bola. Contudo, se o pavimento estiver exposto a temperaturas inferiores ao ponto de fragilidade do betume pode ocorrer a fragilização da mistura e consequente fendilhamento (Cepsa, 2007). A penetração é um método experimental, normalizado pela EN 1426 (CEN, 2007 a), o qual possibilita a medição indireta da viscosidade do betume, recorrendo à utilização de uma agulha que penetra uma amostra de betume a uma temperatura de 25ºC. Destes limites de penetração resulta a designação dos betumes de pavimentação obtidos por destilação direta. À temperatura ambiente os betumes apresentam elevada viscosidade, encontrando-se num estado praticamente sólido. Em Portugal, recorre-se normalmente à utilização de três tipos de betume de pavimentação nas misturas betuminosas a quente fabricadas em central. As suas propriedades adaptam-se às necessidades inerentes de cada tipo de mistura, às condições climáticas e aos tipos de pavimentos em que esta é aplicada. Assim, recorre-se a betumes de classe de penetração 35/50 e 50/70, para misturas convencionais e para misturas de Alto Módulo de deformabilidade, recorre-se a betumes de classe 10/20 (betumes duros). Elza Ferreira Sardão 23

48 MATERIAIS EM CAMADAS DE DESGASTE Presentemente, os betumes de classe 35/50 são utilizados na execução de betão betuminoso para camada de desgaste e de base, e os betumes 50/70 podem ser empregados em particular para classes de tráfego mais ligeiro e para zonas climáticas favoráveis em camadas superiores, nas quais as temperaturas são relativamente baixas (Cepsa, 2007). Os betumes de pavimentação 35/50 e 50/70 devem cumprir os requisitos da norma NP EN 12591: Betumes e ligantes betuminosos Especificações para betumes de pavimentação (CEN, 2009). Esta especifica as propriedades e os respetivos métodos de ensaio para a caracterização deste tipo de betumes, indicando também os tipos de betume a utilizar para vários tipos de misturas betuminosas. A aplicação de betumes mais duros na camada de desgaste oferece como vantagem o aumento da resistência à deformação permanente. Contudo, pode contribuir, nalguns casos, para uma maior fragilidade da mistura, reduzindo a resistência ao fendilhamento. Uma alternativa que pode contribuir para resolver alguns problemas especiais é a utilização de betumes modificados nas misturas para camadas de desgaste (Cepsa, 2007). No que toca aos betumes do tipo 10/20 para misturas de alto módulo, devem ser cumpridos os requisitos da norma EN 13924, Bitumen and bituminous blinders Specifications for hard paving grade betumes (CEN, 2006). Este tipo de betumes obtém-se pelos processos de refinação dos petróleos brutos. Os betumes duros são geralmente aplicados em misturas betuminosas para qualquer tipo de camada betuminosa, sendo menos utilizados em camada de desgaste (Azevedo, s.d.) Emulsões Betuminosas Uma emulsão betuminosa é um sistema heterogéneo de duas fases, constituído por dois líquidos imiscíveis, betume e água, e um ou mais aditivos para a formação, estabilização e modificação das propriedades da emulsão. Através da utilização de um emulsionante a suspensão torna-se estável devido ao estabelecimento de uma camada de cargas em torno dos glóbulos de betume que repelam outros glóbulos, mantendo o sistema em equilíbrio. Desta forma, o betume fica disperso no meio formado pela água sob a forma de pequenos glóbulos com dimensões típicas de 0,1 e 5 microns de diâmetro (Capitão, 1996). Geralmente, a percentagem em massa de betume da emulsão varia entre 55% e 65% (Branco et al., 2008). Recorre-se à utilização deste tipo de ligante para melhorar determinadas propriedades críticas de um betume convencional, no que diz respeito à viscosidade e adesividade, entre outros (Duarte, 2011). São utilizados dois tipos de emulsões betuminosas para fins rodoviários: as aniónicas e as catiónicas. A sua classificação pode ser feita de acordo com a carga elétrica dominante na mistura e através da velocidade de rotura (Duarte, 2011). As emulsões aniónicas ou catiónicas são adotadas em função da natureza do agregado a utilizar e das condições climatéricas, sendo as aniónicas indicadas para tempo seco e inertes 24

49 MATERIAIS EM CAMADAS DE DESGASTE CAPÍTULO 2 calcários, e as catiónicas para todo o tipo de agregado e aplicáveis em tempo seco ou húmido mas sem chuva. A nível de velocidade de rotura, esta depende do tipo de trabalho a realizar, sendo as emulsões de rotura rápida apropriadas para revestimentos superficiais e misturas betuminosas a frio para preenchimento de covas e regas de colagem. No que toca às emulsões de rotura média, estas são indicadas para trabalhos que necessitem de uma estabilidade prolongada, tal como as misturas betuminosas a frio e regas de impregnação. No caso de emulsões de rotura lenta, são usadas em misturas betuminosas a frio (Branco et al., 2008). Os agregados siliciosos ionizam-se negativamente, como se referiu, o que dificulta o desenvolvimento de boas condições de adesividade com emulsões aniónicas. Contudo, as emulsões catiónicas demonstram boa adesividade aos agregados siliciosos (Branco et al., 2008) Betume Modificado O betume modificado é um produto resultante do betume convencional ao qual se juntam aditivos, ou seja, é um betume cujas propriedades reológicas foram modificadas no processo de fabrico através da utilização de um ou vários agentes químicos. Este tipo de betume tem como objetivo conferir a uma determinada mistura betuminosa menor sensibilidade térmica e maior flexibilidade, por forma a conseguir uma melhor resposta a solicitações climáticas no pavimento e um maior período de vida útil. Os agentes modificadores podem aumentar a viscosidade do betume a elevadas temperaturas e diminuir a sua fragilidade a baixas temperaturas. Podem ter ainda uma ação importante na melhoria de problemas funcionais, tais como a drenabilidade superficial, a geração de ruído de rolamento, e a aderência e regularidade superficiais (Branco et al., 2008; Duarte, 2011; EP, 2011; Menezes, 2008). Os principais grupos de aditivos utilizados são os polímeros (elastómeros e plastómeros), a borracha, o enxofre, as fibras (orgânicas ou inorgânicas), as resinas e os endurecedores (Shell, 2003). Em Portugal, o betume modificado mais utilizado é aquele em que o aditivo adicionado é um elastómero e geralmente tem a finalidade de fabrico de betão betuminoso drenante ou de microbetão betuminoso rugoso, aplicados em camadas de desgaste (Branco et al., 2008). Em França, por exemplo, este tipo de betume é utilizado em camadas estruturais para reduzir a espessura das camadas, aumento da vida útil do pavimento e reduzir a possibilidade de deformações permanentes nas camadas superficiais. Para além dos objetivos descritos, é possível obter melhores caraterísticas de segurança e conforto (Capitão, 1996). A norma EN (CEN, 2010) estabelece as propriedades que devem ser utilizadas para a caraterização dos betumes modificados em camadas de desgaste. - Betumes modificados com polímeros Os betumes modificados com polímeros são normalmente os mais utilizados recorrendo, quer a plastómeros que possibilitam a melhoria das propriedades do ligante a altas temperaturas de aplicação, quer recorrendo a elastómeros que apresentam melhores propriedades a altas e a Elza Ferreira Sardão 25

50 MATERIAIS EM CAMADAS DE DESGASTE baixas temperaturas, realçando o facto de conferirem ao betume elasticidade e coesão (Shell, 2003). No caderno de encargos da EP (EP, 2011) constam as principais características que os betumes modificados devem apresentar, em função do tipo de mistura (betão betuminoso drenante (BBd), betão betuminoso rugoso (BBr) e micro betão betuminoso rugoso). - Betumes modificados com borracha O betume modificado com borracha obtém-se por adição ao betume in situ ou em fábrica, de borracha triturada resultante de pneus fora de uso, permitindo que o betume apresente alta viscosidade e propriedades melhoradas através da adição de polímeros (Shell, 2003). Este tipo de betume é utilizado em misturas betuminosas a quente, podendo conferir às misturas melhores propriedades estruturais e funcionais, maior resistência à fadiga e à propagação de fendas, mais resistência ao envelhecimento, melhor textura superficial e menor geração de ruído (Fonseca et al., 2006). As misturas com betume modificado com borracha têm sido aplicadas em Portugal principalmente em camadas de desgaste e, por vezes, em camadas subjacentes a estas (Cepsa, 2007). - Betumes modificados com enxofre As misturas com betume modificado com enxofre apresentam boa trabalhabilidade e estabilidade, razão pela qual se torna interessante a sua utilização para o tamponamento de covas, permitindo uma superfície nivelada e rigidez suficiente para suporte de tráfego (Branco et al., 2008). - Betumes modificados com fibras Este tipo de betume obtém-se através da adição de microfibras de origem mineral (rocha natural ou artificial, ou de vidro) ou de origem orgânica, celulose. Geralmente são utilizados ambos os tipos de fibras para fixarem uma quantidade considerável de ligante, sem risco de escorrência, em resultado da sua elevada superfície específica e qualidades de interface. Pode ainda obter-se um aumento de resistência mecânica da mistura devido à geometria e aderência ao ligante que proporciona o reforço do mástique que liga o agregado (Capitão, 1996). - Betumes modificados com resinas e endurecedores Este tipo de betume modificado resulta da mistura de um componente líquido que contém resina e outro com endurecedor que reagem quimicamente formando uma estrutura tridimensional forte, sendo aplicável em várias situações em camadas de desgaste e como ativantes de adesividade. Apresentam como vantagem na sua utilização a menor suscetibilidade à temperatura, não sendo afetados pelas alterações de temperatura no pavimento. Trata-se de materiais mais resistentes à fluência e a ataques químicos por solventes, combustíveis e óleos. Contudo, 26

51 MATERIAIS EM CAMADAS DE DESGASTE CAPÍTULO 2 apresentam como desvantagem o período limitado de aplicação que depende da temperatura; maior temperatura leva a menor tempo de aplicação (Capitão, 1996) Misturas Betuminosas As misturas betuminosas são normalmente constituídas por um conjunto de materiais granulares doseados de forma ponderal ou volumétrica, misturados numa central com uma quantidade previamente determinada de ligante. Posteriormente à mistura, esses materiais são transportados, espalhados e compactados, formando uma camada de pavimento (Branco et al., 2008). Existem dois tipos de misturas betuminosas, as misturas betuminosas a frio, que se produzem através da utilização dos materiais constituintes à temperatura ambiente, e as misturas betuminosas a quente que se produzem utilizando materiais aquecidos. As misturas betuminosas a frio possibilitam maior facilidade de manipulação. Contudo, as misturas betuminosas a quente permitem menores probabilidades de insucesso e melhor qualidade final. Desta forma, as misturas a quente são as mais usadas em pavimentações de estradas em que se prevê tráfego pesado significativo (Branco et al., 2008). Contudo, é referido pelo caderno de encargos da EP (EP, 2011) que as misturas fabricadas a frio podem ser utilizadas na execução de camadas com características de base, ligação e regularização, sendo a sua utilização recomendada apenas para estradas com volumes de tráfego enquadráveis entre as classes T7 e T4, tal como definidas no MACOPAV (JAE, 1995). Existem vários tipos de misturas betuminosas a aplicar em camadas betuminosas, consoante a função que desempenham nas diferentes camadas dos pavimentos. Dependendo do tipo de camada pretendida, pode pretender-se o uso de misturas com boas características mecânicas, como principal exigência, ou pode pretende-se o uso de uma mistura que apresente fundamentalmente aptidões para o desempenho de funções de segurança e conforto dos utentes da via. Contudo, as características funcionais são decisivas na formulação destas misturas, o que tem levado ao desenvolvimento de misturas betuminosas especiais para camadas de desgaste: as misturas drenantes e as misturas rugosas que apresentam elevada textura e excelentes características funcionais em vias rápidas, mesmo na presença da água (Cepsa, 2007). Seja qual for o caso, devem ser sempre garantidas as características de estabilidade, durabilidade, flexibilidade, resistência à fadiga, aderência, impermeabilidade e trabalhabilidade na mistura, garantindo critérios de economia, durabilidade e facilidade de execução (Capitão, 1996; Cepsa, 2007). A estabilidade de uma mistura betuminosa consiste na sua capacidade para resistir à ação do tráfego sem sofrer grandes deformações, o que depende em grande medida do atrito interno entre materiais e da sua coesão. Qualquer que seja o agregado utilizado, a estabilidade tende a aumentar com a compacidade do material, tornando necessária a utilização de granulometrias que permitam obter materiais de densidade adequada e realizar uma boa compactação da Elza Ferreira Sardão 27

52 MATERIAIS EM CAMADAS DE DESGASTE mistura. A coesão é assegurada pela introdução de betume na realização de misturas betuminosas, garantindo a ligação entre partículas. Contudo, esta propriedade aumenta apenas até um certo ponto, pois a partir deste, leva à lubrificação de partículas e reduz a fricção interna (Capitão, 1996). A durabilidade caracteriza a resistência da mistura betuminosa quanto à desintegração motivada pelo tráfego e pelas condições climáticas. A utilização de materiais de granulometria contínua e bem compactados leva a misturas mais impermeáveis, melhorando a sua durabilidade. Outro fator muito importante é a resistência à ação da água por parte da mistura, a qual é conseguida através da produção de misturas densas e com elevadas percentagens de betume, de forma a que os agregados consigam manter o revestimento de ligante na presença de água (Capitão, 1996). A flexibilidade de uma mistura betuminosa está relacionada com a capacidade de adaptação aos movimentos do seu suporte para que se consiga pavimentos sem fissuração provocada por assentamentos diferenciais dos aterros resultantes de má compactação, ou compressão de zonas do pavimento por ação do tráfego que resultam em assentamentos (Capitão, 1996). A fadiga de um pavimento é resultante da passagem repetida de veículos que induzem nos materiais ligados extensões de tração. Esta extensão é composta por uma componente reversível e uma componente irreversível, sendo o acumular sucessivo de extensões irreversíveis que acaba por provocar a abertura das fendas. As misturas betuminosas mais densas, com materiais bem graduados e com grande teor de betume, sem ocorrência do fenómeno de exsudação do ligante, tendem a ser mais resistente à fadiga (Capitão, 1996). Quanto à aderência, torna-se importante a utilização de agregados com textura superficial rugosa e boa resistência ao desgaste, não utilizando betume em excesso, por forma a não obter superfícies demasiado lisas (Capitão, 1996). No que toca à impermeabilidade, uma mistura betuminosa convencional deve garantir resistência à passagem de água e do ar pelo pavimento, à exceção do betão betuminoso drenante (Capitão, 1996). Por fim, a trabalhabilidade é uma característica muito importante para que o pavimento seja colocado e compactado com facilidade. Geralmente, ao serem cumpridas as regras de operação dos equipamentos e conseguida uma boa formulação da mistura obtém-se uma trabalhabilidade adequada, embora, por vezes, a utilização de agregados que confiram maior estabilidade à mistura, possam levar a misturas difíceis de aplicar (Capitão, 1996). Em Portugal, tal como preconizado no caderno de encargos da EP, as misturas betuminosas mais utilizadas para camada de desgaste são o AC 14 surf ligante, com um agregado cuja dimensão máxima é de 14 mm, o PA 12,5 ligante (BBd), com um agregado cuja dimensão máxima é de 12,5 mm, o AC 14 surf ligante (BBr), com um agregado cuja dimensão máxima 28

53 MATERIAIS EM CAMADAS DE DESGASTE CAPÍTULO 2 é de 14 mm, e o AC 10 surf ligante (mbbr), com um agregado cuja dimensão máxima é de 10 mm. A norma NP EN , Misturas betuminosas Especificações dos materiais - Parte 21: Controlo da Produção em Fábrica (IPQ, 2008 b), e a norma NP EN , Misturas betuminosas Especificações dos materiais - Parte 20: Ensaios de Tipo (IPQ, 2008 c), são parte integrante do sistema de avaliação de conformidade das misturas betuminosas Misturas Betuminosas do Grupo Betão Betuminoso em Camadas de Desgaste i) Betão betuminoso A norma EN especifica os requisitos para as misturas betuminosas do grupo do betão betuminoso, produzidas a quente, devendo ser utilizada em conjunto com as NP EN e NP EN O Betão Betuminoso AC 14 surf, aplicado em camada de desgaste, é uma mistura com baixa permeabilidade, resistente à ação abrasiva do tráfego, apresentando uma macrotextura que pode ser relativamente baixa. Pode tornar-se pouco adequada para vias com elevadas velocidades de circulação e climas chuvosos, mesmo sendo a mistura mais utilizada em Portugal (Cepsa, 2007). Normalmente esta camada é aplicada com espessuras que variam entre 4 e 6 cm. ii) Betão betuminoso rugoso e microbetão betuminoso rugoso As misturas rugosas, e em particular o Betão Betuminoso Rugoso AC 14 surf ligante (BBr) e o Microbetão Betuminoso Rugoso AC 10 surf ligante (mbbr), oferecem uma excelente macrotextura. Quando comparadas com o betão betuminoso drenante, aquelas contêm maior percentagem de material fino, conferindo-lhes maior resistência à ação abrasiva do tráfego (Cepsa, 2007). Este tipo de camada, apresenta espessuras inferiores às tradicionais, geralmente entre 2,5 e 3,5 cm, pelo que a sua contribuição para a resistência estrutural do pavimento pode considerar-se desprezável (Branco et al., 2008). iii) SMA Stone Mastique Asphalt As misturas betuminosas do tipo Stone Mastic Asphalt (SMA) utilizadas em camadas de desgaste são constituídas por misturas de agregados de granulometria descontínua e por quantidades de ligante relativamente elevadas. Devido à elevada quantidade de betume na mistura, torna-se normalmente necessário utilizar aditivos, como por exemplo fibras, por forma a evitar o escorrimento do ligante. Podem ser utilizados também betumes modificados, de forma a contribuir não só para a redução do risco de escorrimento do ligante, mas também para melhorar as propriedades mecânicas das misturas (Batista et al., 2012). A fração grossa de agregado nas misturas do tipo SMA proporciona um elevado imbricamento entre partículas e, consequentemente, uma elevada resistência à deformação permanente, enquanto que o mastique rico em betume preenche os vazios entre partículas garantindo durabilidade à mistura (Batista et al., 2012). Elza Ferreira Sardão 29

54 MATERIAIS EM CAMADAS DE DESGASTE As vantagens da utilização desta mistura, para além de uma maior durabilidade e um melhor desempenho do pavimento, são possibilitar uma superfície com boa resistência à derrapagem e uma redução dos níveis de ruído. Devido a estas características, este tipo de misturas é frequentemente aplicado em vias urbanas, assegurando uma circulação cómoda e em segurança, embora a sua utilização em Portugal seja ainda reduzida (Batista et al., 2012) Misturas Betuminosas do Grupo do Betão Betuminoso Drenante em Camadas de Desgaste A norma EN , Bituminous mixtures Material specifications Part 7: Porous asphalt (CEN, 2008), estabelece os requisitos específicos para as misturas betuminosas do grupo do betão betuminoso drenante, produzidas a quente, devendo ser utilizada em conjunto com as NP EN e NP EN O Betão Betuminoso Drenante, designado pela sigla PA 12,5 ligante (BBd), apresenta características particulares para aplicação em camada de desgaste, permitindo melhorar a segurança e comodidade da circulação. Este tipo de mistura é especialmente indicado para eliminar ou reduzir os problemas de hidroplanagem dos veículos que circulam sobre o pavimento em tempo de chuva, e para reduzir o ruído de rolamento. A contribuição para a capacidade estrutural do pavimento é relativamente fraca, embora a resistência mecânica da própria camada não seja muito inferior à das camadas tradicionais. As camadas formadas por misturas PA 12,5 apresentam o mesmo tipo de problemas de desagregação superficial que as convencionais, não podendo ser utilizadas em rotundas ou interseções prioritárias com viragens acentuadas (Branco et al., 2008). Além disso, as misturas porosas têm uma menor resistência aos efeitos abrasivos do tráfego, e podem colmatar-se quando aplicadas em zonas onde não chove com frequência e se acumule sujidade (Cepsa, 2007). Este tipo de mistura destina-se exclusivamente a ser aplicada em camada de desgaste e é normalmente aplicada com espessura de 4 cm. A drenagem da água é feita no interior da camada superficial até às bermas, ao contrário do que ocorre nas camadas mais fechadas, nas quais o escoamento ocorre à superfície (Branco et al., 2008) Técnicas de Reabilitação de Características Superficiais O crescente nível de investigação produzido tem levado à introdução de técnicas com resultados expressivos, quer do ponto vista técnico, quer económico, de forma a prolongar a vida útil do pavimento e conferindo características superficiais de qualidade superior. A comodidade e a segurança da condução são fatores que dependem em grande parte das características superficiais (Intevial, 2009). As técnicas de reabilitação das características superficiais atuam apenas ao nível da camada de desgaste e devem ser aplicadas em pavimentos que apresentem boas condições estruturais, sendo utilizadas com a finalidade de melhorar as características de segurança, conforto, impermeabilidade e redução de ruído da camada de desgaste. Geralmente, as técnicas de reabilitação são aplicadas sobre superfícies polidas e/ou com exsudação de betume, em curvas 30

55 MATERIAIS EM CAMADAS DE DESGASTE CAPÍTULO 2 ou rampas, ou locais em que há visibilidade reduzida por projeção de água ou reflexão de luz em tempo de chuva (Branco et al., 2008; Vicente, 2006). Geralmente, aquelas técnicas apresentam custos de produção relativamente baixos e rendimentos de trabalho altos, permitindo a sua aplicação em zonas urbanas sem causar grandes transtornos. Em qualquer tipo das técnicas aplicadas, a superfície do pavimento existente deve estar limpa, de forma a garantir a ligação entre o pavimento e a camada de revestimento aplicada (Vicente, 2006). Descrevem-se nos pontos seguintes as técnicas de reabilitação superficial mais utilizadas em Portugal Revestimentos Superficiais Betuminosos Segundo o caderno de encargos da EP, um revestimento superficial consiste na aplicação de ligante betuminoso sobre a superfície, seguido da aplicação de uma camada de agregado com granulometria especificada, resultando numa camada de desgaste delgada sobre o pavimento existente. Em função do número de camadas e da sua disposição, os revestimentos superficiais podem ser simples, simples com duas aplicações de agregado, duplo e inverso. O tipo de revestimento a adotar é função das características e do estado de conservação da superfície a reabilitar e da intervenção a executar (EP, 2011). Caso seja pretendido diminuir o ruído, em revestimentos duplos, a granulometria deverá ser descontínua para permitir o imbricamento das partículas e uma melhor rugosidade. Por outro lado, se o objetivo for a melhoria da aderência e da drenagem superficial em pavimentos com tráfego elevado, os agregados deverão ser grossos (Branco et al., 2008). Desta forma, os revestimentos superficiais apresentam várias vantagens, entre as quais, a rapidez de execução, o baixo custo, a boa aderência entre o pneu e o pavimento, a durabilidade, a flexibilidade e a boa impermeabilidade que conferem aos pavimentos. Contudo, quando se melhora consideravelmente o atrito superficial, tende a ocorrer um conjunto de desvantagens: maior ruído, maior desgaste dos pneus e maior consumo de combustível (Vicente, 2006) Microaglomerado Betuminoso a Frio O microaglomerado betuminoso a frio é uma mistura fabricada à temperatura ambiente, com emulsão betuminosa catiónica de rotura controlada e modificada com elastómeros, agregados de granulometria selecionada, água e eventualmente, fíler comercial e aditivos, sendo a sua formulação otimizada para as características da obra e do objetivo da aplicação (Cepsa, 2007). A composição da mistura é realizada no momento imediatamente antes da sua aplicação, devido à rotura relativamente rápida da emulsão. A dosagem dos constituintes é realizada num equipamento específico para este tipo de misturas. A ordem de mistura dos constituintes da mistura geralmente utilizada é a seguinte: agregado, cimento, água, aditivo e, por fim, a emulsão, podendo o microaglomerado ser aplicado em camada simples ou dupla. Na Figura 2.2 mostra-se um equipamento de composição e aplicação de microaglomerado a frio. Elza Ferreira Sardão 31

56 MATERIAIS EM CAMADAS DE DESGASTE Figura 2.2. Equipamento de composição e aplicação da mistura de microaglomerado a frio (adaptado de Cyan et al., 2006) A consistência desta mistura é relativamente fluída à temperatura ambiente, o que permite facilidade de espalhamento sobre a superfície do pavimento quando se utiliza um equipamento apropriado. Após a sua aplicação e evaporação da água, a mistura constitui uma camada estanque, densa, rugosa e delgada com cerca de 1 cm. Não traduz diretamente qualquer tipo de melhoramento a nível de capacidade estrutural mas melhora substancialmente as características superficiais, prolongando o seu período de vida, ao mesmo tempo que leva à preservação do pavimento a nível estrutural, uma vez que impermeabiliza o pavimento, conferindo estabilidade às suas camadas inferiores (Cepsa, 2007; Intevial, 2009). Segundo Pereira et al. (1999), o interesse do microaglomerado reside no rendimento de colocação e custo reduzido, conjugados com as características de impermeabilidade que confere ao pavimento, e com a melhoria da aderência entre o pneu e o pavimento e da rugosidade superficial. Salienta-se que não é necessária a utilização de equipamentos de compactação na aplicação desta técnica. Para a formulação do microaglomerado betuminoso utilizam-se habitualmente o ensaio do cone de consistência, o ensaio de abrasão molhada e o ensaio de resistência à torção. Uma vez que esta técnica foi utilizada na parte experimental deste trabalho, nos próximos parágrafos apresenta-se de forma resumida o processo de formulação referido. i) Ensaio do cone de consistência Este ensaio possibilita a determinação da quantidade ótima de água que a mistura deve apresentar para uma boa dispersão do ligante betuminoso e uma correta trabalhabilidade da mistura (Pavia, s.d.). O ensaio é preconizado pela norma EN (CEN, 2002 b) e consiste na adição de diferentes quantidades de água aos componentes agregados, filer e emulsão até obter um assentamento de 2 a 3 cm ao retirar o cone de consistência (Figura 2.3). A quantidade de água obtida pode sofrer ajustamentos em obra. A Figura 2.4 mostra o princípio usado para determinar a quantidade de água ótima com base na relação entre a consistência e a quantidade de água. 32

57 MATERIAIS EM CAMADAS DE DESGASTE CAPÍTULO 2 Figura 2.3. Ensaio de consistência (adaptado de Pavia, s.d.) Figura 2.4. Relação entre a consistência e a quantidade de água ótima (adaptado de Cyan et al., 2006) ii) Ensaio de abrasão molhada Wet Track Abrasion Test (WTAT) Este ensaio, preconizado pela norma EN (CEN, 2002 a), possibilita a determinação do teor ótimo de ligante, pretendendo simular a ação de corte do pneu sobre o revestimento durante as travagens ou as mudanças de direção. As amostras, com 280 mm de diâmetro, previamente secas em estufa até massa constante, são imersas em água a 25 º C durante 1 hora, e/ou 6 dias, para posterior aplicação de uma ação de um patim de borracha, animado com um movimento de rotação planetária, carregado com 2,3 kg, durante 5 minutos. Posteriormente a amostra é seca e pesada. A resistência ao desgaste é limitada a uma perda máxima de 500 a 800g/m 3, a qual é função do tráfego da via, permitindo estabelecer a percentagem mínima de ligante a usar (Cyan et al., 2006). O equipamento para a realização do ensaio encontra-se ilustrado na Figura 2.5. Elza Ferreira Sardão 33

58 MATERIAIS EM CAMADAS DE DESGASTE Figura 2.5. Equipamento de realização do ensaio de abrasão molhada (adaptado de Pavia, s.d.) iii) Ensaio de resistência à torção Este ensaio possibilita a determinação do teor de finos a incorporar na mistura (cimento e cal), e permite avaliar a evolução da coesão, a qual condiciona a abertura da via ao tráfego. O ensaio é preconizado pela norma EN (CEN, 2002 c), e é realizado através da utilização de uma pastilha de borracha com 32 mm de diâmetro, sobre uma bolacha de microaglomerado com uma espessura de 6 a 8 mm, a qual serve para aplicar uma tensão de 200 kpa. As medições do binário resistente faz-se aos 20, 30, 60, 90, 150, 210 e 220 minutos após a aplicação da mistura de microaglomerado no molde. O equipamento para realização do ensaio encontra-se ilustrado na Figura 2.6. Figura 2.6. Equipamento de realização do ensaio de resistência à torção (adaptado de Pavia, s.d.) Lama Asfáltica (Slurry Seal) A lama asfáltica é uma mistura betuminosa com composição idêntica ao microaglomerado betuminoso a frio duplo, mas de granulometria mais fina, e geralmente não incorpora emulsões modificadas com polímeros. A lama asfáltica é constituída por agregados finos, 34

59 MATERIAIS EM CAMADAS DE DESGASTE CAPÍTULO 2 muitas vezes de dimensões inferiores a 2 mm. É utilizada em reparações localizadas, por exemplo na impermeabilização de zonas com fendas, por apresentar problemas de textura superficial, a lama asfáltica não cria condições para um bom nível de atrito entre o pneu e o pavimento (Branco et al., 2008; Cunha, 2010). A sua aplicação é relativamente rápida, com um equipamento semelhante ao do microaglomerado, e a abertura ao tráfego é geralmente rápida, embora condicionado pela rotura da emulsão (Duarte, 2011) Considerações Finais Da análise global das normas relativas a cada estado membro, depreende-se que a utilização de seixo britado é explicitamente proibida pela EP em Portugal (EP, 2011), enquanto no Reino Unido nada é expressamente referido em relação a requisitos específicos para aquele tipo de agregados. Os restantes estados membros da União Europeia estudados permitem a utilização daquele tipo de material depois de cumpridos determinados requisitos específicos. No caso de Espanha, proíbe-se a sua utilização para níveis muito elevados de tráfego de pesados. Fez-se ainda uma breve descrição das características dos materiais utilizados na construção de camadas de desgaste, e das técnicas mais aplicadas para a reabilitação das características superficiais, como são os revestimentos superficiais, o microaglomerado a frio e a lama asfáltica. Elza Ferreira Sardão 35

60 36 MATERIAIS EM CAMADAS DE DESGASTE

61 CAPÍTULO 3 3. CARACTERÍSTICAS E MÉTODOS DE OBSERVAÇÃO DO ATRITO 3.1. Considerações Iniciais Ao longo dos anos tem existido uma preocupação notória com os pavimentos, existindo uma procura crescente de conforto e segurança de circulação e de resistência às ações transmitidas pelos veículos ao pavimento (Pinto, 2003). É, portanto, fundamental a avaliação das características funcionais dos pavimentos. A aderência entre o pneu e o pavimento é preponderante na segurança dos utentes. Consiste na capacidade de mobilização de forças de atrito entre o pneu e o pavimento durante as ações desencadeadas pela condução: aceleração, travagem e mudança de direção. A aderência está intimamente associada à textura, ao coeficiente de atrito (fortemente influenciado pelo polimento dos agregados produzido pelos pneus) e à existência de sulcos nos pneus (Pereira, 2008; Barros, s.d.; Pinto, 2003). O atrito é uma força que atua num objeto que está em contacto com outro, tendo uma magnitude igual à da força necessária para colocar o objeto em movimento. Assim, o coeficiente de atrito é uma medida do grau de rugosidade entre as superfícies de dois corpos em contacto. Para efeitos de uso rodoviário, consideram-se habitualmente as seguintes componentes: atrito dinâmico, existente desde o momento em que o corpo realiza o deslocamento, e atrito estático, o qual surge no principio da atuação da força externa, isto é, quando há iminência de movimento do corpo. A medição daquele coeficiente permite quantificar a aderência (Silva, 2008; Barros, s.d.). Uma boa aderência leva à redução de distâncias de travagem e permite um aumento da capacidade de conservação da trajetória desejada para o veículo, principalmente em curvas. Geralmente, em pavimentos com a superfície seca, a sua camada de desgaste é capaz de oferecer níveis de aderência regulares ou até mesmo bons. Contudo, em situações em que existe água sobre a superfície do pavimento, a aderência diminui com a quantidade de água e com a velocidade de circulação (Fontes et al., s.d.). Na presença de uma lâmina de água, desenvolvem-se pressões hidrodinâmicas na área de contacto do pneu com o pavimento que aumentam com a velocidade e são influenciadas pela textura da superfície. A onda que ocorre na frente do pneu origina pressões com valores altos, podendo levar ao levantamento do pneu. Quando a carga aplicada aos pneus pelo peso do veículo é inferior à resultante das pressões hidrodinâmicas, os pneus deslizam sem contacto direto com o pavimento e perde-se o controlo direcional, fenómeno designado por hidroplanagem. A formação da lâmina de água ocorre maioritariamente em trechos planos e com pouca inclinação transversal, e em curvas de raios elevados. O facto de existirem pavimentos com inclinações transversais e longitudinais insuficientes, ou inadequadas, os quais retêm a água sobre a sua superfície por longos períodos, leva ao aumento de espessura das películas de água e, consequentemente, ao agravamento da hidroplanagem. Elza Ferreira Sardão 37

62 OBSERVAÇÃO DO ATRITO CAPÍTULO 3 O nível de aderência alcançado resulta, em grande medida, de duas propriedades da superfície do pavimento: a microtextura e a macrotextura. Estas propriedades do pavimento, conjugadas com o relevo dos pneus, permitem a evacuação da água que se escoa superficialmente. A microtextura influencia a fricção e a macrotextura a capacidade de evacuar a água rapidamente, impedindo ou dificultando o fenómeno de hidroplanagem (Aps. M, 2006; Barros, s.d.; Fernandes, 2010). Ao longo dos últimos anos, a nível internacional, tem-se tentado desenvolver estudos para a determinação de um índice de fricção internacional (I.F.I. International Friction Index) que relacione o coeficiente de atrito medido a uma velocidade de referência e um indicador da macrotextura superficial Textura Para garantir a segurança e comodidade de circulação, a textura na camada de desgaste é essencial. Esta desempenha um papel fundamental na qualidade funcional de um pavimento, designadamente, na resistência à derrapagem, no desgaste dos pneus, no ruído e vibrações transmitidas ao interior dos veículos. Trata-se de um parâmetro que influencia diretamente a segurança, o custo de operação dos veículos, o conforto e o ambiente. A textura da camada de desgaste é determinada pelas suas irregularidades superficiais que possuem diferentes bandas de comprimento de onda, isto é, ondulações da camada de desgaste (Delanne, 1993; AIPCR/PIARC, 2003). Na Figura 3.1 mostra-se o significado das diferentes características da textura. Figura 3.1. As irregularidades da superfície de um pavimento (adaptado de AIPCR/PIARC, 2003) Assim, a textura de um pavimento é avaliada através de quatro níveis que correspondem a diferentes bandas de representação espetral em comprimento de onda de perfil (AIPCR/PIARC, 2003): microtextura, macrotextura, megatextura e irregularidades. As irregularidades caracterizam-se por comprimentos de onda de textura iguais ou superiores a 0,5 m e são defeitos geométricos da camada de desgaste que provocam vibrações, as quais 38

63 OBSERVAÇÃO DO ATRITO influenciam significativamente o conforto dos utentes da via e moderadamente os custos de circulação, embora em casos extremos também possam afetar a segurança. i) Microtextura A microtextura corresponde a comprimentos de onda que variam entre 1 μm e 0,5 mm e a amplitudes verticais entre 1 μm e 0,2 mm, sendo traduzida pelas irregularidades presentes em cada partícula de agregado, dependendo essencialmente da estrutura mineralógica e petrográfica do agregado utilizado na mistura betuminosa, depois de libertada a película de betume que envolve os agregados superficialmente, e da superfície do agregado ser áspera ou polida (Pinto, 2003). A microtextura, ou seja, as microscópicas pontas agudas existentes na superfície do agregado da camada de desgaste do pavimento tem como efeito a adesão nos pontos de contacto com o pneu (Fontes, 2009). Quando um pavimento acaba de ser executado a microtextura é geralmente áspera. Contudo, quando a via entra em serviço, aquela varia com o efeito de circulação de veículos e com as condições atmosféricas, consoante o tipo de agregado que é usado para a mistura da camada de desgaste e da velocidade de circulação, podendo a superfície tornar-se polida. Note-se que o polimento dos agregados, designado normalmente por polishing em terminologia anglosaxónica, é o resultado da utilização do pavimento ao longo do tempo e depende fortemente do tipo de material utilizado como agregado, sendo tanto maior, quanto menor for a sua dureza (Luís, 2010). A microtextura é o fator predominante na determinação da resistência à derrapagem em veículos que se deslocam a velocidades até 50 km/h (Fontes et al., s.d). Em situações de pavimentos com a superfície molhada é a microtextura que tem um papel preponderante na aderência pneu-pavimento uma vez que rompe o filme de água que escoa sobre o pavimento, restabelecendo o contacto entre ambos e mantendo um coeficiente de atrito elevado. Mesmo em situação de pavimento seco, a existência de microtextura contribui para a manutenção do coeficiente de atrito (Specht et al., 2007; Masad, 2009; Baskara, 2009). A microtextura pode ser avaliada indiretamente através da determinação do coeficiente de atrito do pavimento, uma vez que não existe forma direta para a sua avaliação. A forma mais simples de medição indireta da microtextura é feita através do pêndulo britânico, normalizado pela EN , mas também pode ser utilizado o ensaio de PSV Polished Stone Value (Specht et al., 2007). ii) Macrotextura e megatextura Os comprimentos de onda da macrotextura podem variar entre 0,5 e 50 mm, com uma amplitude vertical a variar entre 0,2 e 10 mm, os quais resultam das partículas maiores do agregado contido na mistura. A macrotextura caracteriza-se pela profundidade média dos espaçamentos das partículas do agregado, influenciando a capacidade de drenagem superficial da água pelos canais de escoamento que se formam, o que evita o fenómeno de hidroplanagem. Segundo a PIARC (AIPCR/PIARC, 2003), considera-se que existe um bom nível de macrotextura a partir de 0,8 mm. Elza Ferreira Sardão 39

64 OBSERVAÇÃO DO ATRITO CAPÍTULO 3 Além da sua importância ao nível da drenagem, a macrotextura também é responsável pelo fenómeno de histerese, isto é, da deformação mecânica que ocorre no pneumático em superfícies não regulares, contribuindo também para a resistência à derrapagem, principalmente em situações de elevada velocidade e de pavimento molhado (Duarte, 2011). A macrotextura final de um pavimento depende da distribuição granulométrica das partículas dos agregados (a qual é em grande medida função da sua forma e tamanho), da composição da mistura, do processo construtivo e, consequentemente, do tipo de pavimento. Normalmente, em pavimentos flexíveis, a macrotextura depende essencialmente da composição da mistura betuminosa e do grau de compactação das camadas (Specht et al., 2007; Duarte, 2011). A forma mais simples de medição da macrotextura é através do ensaio da mancha de areia, normalizado pela EN (CEN, 2001). Em situações de altas velocidades de circulação a macrotextura torna-se tão importante como a microtextura no coeficiente de atrito alcançado. Assim, o estado ideal da superfície de circulação é aquele que apresenta simultaneamente uma superfície com boa macrotextura e boa microtextura, ou seja, uma superfície rugosa e com partículas de superfície áspera (Fontes, s.d., Masad, 2009; Baskara, 2009). Quanto à megatextura, os comprimentos de onda podem variar entre 50 e 500 mm e a amplitude vertical entre 1 e 50 mm. Esta característica geralmente não é avaliada e resulta de deformações e de degradações de reduzido comprimento da camada de desgaste, apresentando-se sob a forma de ninhos ou deformações localizadas. Em consequência destas deformações, são geradas vibrações, as quais geram ruído de baixa frequência. Além disso, as vibrações podem levar à redução da carga dinâmica aplicada pelos pneus e, consequentemente, ao aumento da distância de paragem (Branco et al., 2008). A estagnação de água ocorre nas zonas do domínio da megatextura durante a precipitação, gerando variações de altura de água, o que reduz a aderência da camada de desgaste (Branco et al., 2008) Método de Avaliação Pontual da Textura Mancha de Areia O método que permite a avaliação pontual da textura é designado por ensaio da mancha de areia. Este ensaio tem como objetivo medir a profundidade média da mancha de areia (ou altura de areia) sobre a superfície de uma determinada camada de desgaste, podendo ser aplicado em qualquer tipo de betão betuminoso ou de betão de cimento. A macrotextura da superfície consiste nos desvios entre a superfície do pavimento e a superfície plana de referência (Branco et al., 2008). O ensaio é normalizado pela EN (CEN, 2001), sendo esta norma uma atualização do ensaio da mancha de areia, tendo substituído a areia de granulometria normalizada por esferas de vidro. O ensaio consiste no espalhamento de um volume fixo de material conhecido (areia ou esferas de vidro) na superfície do pavimento a avaliar, obtendo uma área de superfície de 40

65 OBSERVAÇÃO DO ATRITO espalhamento de areia que permite determinar a profundidade média das depressões da superfície do pavimento, através da expressão (3.1): Sendo, MTD Profundidade média da textura superficial, em mm; V Volume do material espalhado, em mm 3 D Diâmetro médio do círculo obtido através do espalhamento do material, em mm. Embora este ensaio não indique diretamente o atrito pneu-pavimento constitui um bom indicador do seu potencial, principalmente em estradas de velocidade elevada, uma vez que fornece uma medida direta da macrotextura da superfície da camada de desgaste em estudo (Branco et al., 2008). Quanto menor for a área do círculo maior será a textura do pavimento, dado que a areia fica retida nas depressões existentes à superfície, as quais, em conjunto com os sulcos existentes nos pneus, permitem o escoamento da água e o contacto entre o pneu e o pavimento. Contudo, o contacto não garante uma boa aderência em caso de agregados polidos à superfície. Assim, é necessário proceder à avaliação do atrito (Barros, s.d.) Avaliação da Textura em Contínuo a Laser (3.1) É possível realizar a medição da textura superficial de um pavimento em contínuo com recurso a vários equipamentos com laser, tal como o Rugo utilizado em França pelo Laboratoire des Ponts et Chaussés (Figura 3.2) que permite fazer a avaliação da macrotextura de um pavimento (Branco et al., 2008). O aparelho é constituído por um emissor de raios laser e um potenciómetro ótico. O raio luminoso emitido atinge a superfície do pavimento e é refletido por meio de uma lente de focagem num potenciómetro ótico. O laser tem uma frequência de amostragem de Hz, o que permite gravar uma sucessão de alturas relativas dos pontos, constituindo o perfil do pavimento e, consequentemente, a medição das distâncias relativas à superfície do pavimento. Os registos feitos pelo equipamento tornam possível o tratamento estatístico dos dados observados, sendo possível a dedução de características de rugosidade, valores a partir dos quais se faz a dedução indireta do parâmetro altura de areia, nestes casos designados por MPD Mean Profile Depth. Para evitar a perturbação da aquisição da informação, a medição da textura deve ser realizada com a superfície do pavimento seca (Branco et al., 2008; Gothié, 2005; LCPC, 2007). Elza Ferreira Sardão 41

66 OBSERVAÇÃO DO ATRITO CAPÍTULO 3 Figura 3.2. À esquerda o princípio de funcionamento do Rugo (Branco et al, 2008) e à direita o equipamento Rugo (adaptado de LCPC, 2007) 3.3. Atrito O atrito define-se como a resistência ao movimento entre duas superfícies em contacto. O atrito que é desenvolvido entre o pneu e a superfície do pavimento é importante para a segurança de circulação dos veículos, bem como para os custos de circulação, influenciando diretamente o fator velocidade de circulação e o número de acidentes, particularmente em condições de superfície molhada (Fernandes, 2010; Branco et al., 2008). É o atrito que possibilita ao veículo em circulação manter a trajetória desejada, reduzindo também a distância de travagem (Branco et al., 2008). O coeficiente de atrito corresponde ao rácio entre duas forças, uma paralela à superfície de contacto entre dois corpos e oposta ao movimento do corpo, e outra perpendicular à superfície de contacto (força de atrito e força normal). Numa situação real no contexto rodoviário, a superfície de contacto é a interface pneu-pavimento e a força normal corresponde à carga da roda. Nestes casos, o coeficiente de atrito pode variar entre valores próximos de 0 até valores iguais ou superiores a 1, sendo suscetível a variações ao longo da vida útil do pavimento. Podem verificar-se duas situações tipicamente diferentes: uma a curto prazo, correspondendo a variações do atrito originadas pelas condições climatéricas sazonais; outra a longo prazo, produzida pela degradação da superfície do pavimento por ação do tráfego (Fernandes, 2010). A avaliação do atrito pode ser feita através de dois parâmetros: o coeficiente de atrito longitudinal (CAL) e o coeficiente de atrito transversal (CAT). O primeiro influencia sobretudo a distância de paragem, e o segundo avalia a segurança de circulação em curva ou nas mudanças bruscas de direção. Ambos os parâmetros têm importância, mas é o coeficiente de atrito transversal que tem maior influência ao nível de acidentes e da velocidade de circulação (Fernandes, 2010). 42

67 OBSERVAÇÃO DO ATRITO O atrito pneu-pavimento é o resultado de duas componentes principais: a adesão e a histerese, estando ambas relacionadas com a velocidade. A adesão tem uma magnitude dependente dos materiais em contacto (borracha e agregados), e a histerese é a perda de energia causada pela deformação da borracha do pneu, a qual também dependente da textura do pavimento (Fernandes, 2010). O caderno de encargos da EP (EP, 2011) estabelece valores limites de resistência à derrapagem e profundidade de textura para pavimentos novos, abaixo dos quais ocorre maior risco de acidente. Estes valores resultam de aproximações de investigações realizadas, as quais relacionam o risco de acidente com as características da superfície, tendo sido identificados como cruciais, entre outros fatores, as características dos pneus e a velocidade de circulação (Fernandes, 2010). Assim, a escolha dos materiais que constituem a camada de desgaste são alvo de atenção especial, uma vez que o atrito entre o pneu e o pavimento depende de variadas condicionantes, desde as características da superfície e dos materiais que a constituem, aos aspetos relacionados com as propriedades dos pneus e as condições de circulação dos veículos (Branco et al., 2008) Fatores que Influenciam o Atrito Segundo Pereira et al. (1999), o atrito que é proporcionado pela superfície dos pavimentos varia em função de vários fatores, tais como: o desgaste dos agregados devido à ação de polimento provocada pelos pneus (tráfego); a exsudação do betume na camada de desgaste; o aparecimento de descontinuidades devidas ao fendilhamento; a redução da porosidade do pavimento devido à densificação da camada de desgaste; a geometria de traçado da estrada e as condições de drenagem; a formação de rodeiras que leva à acumulação de água, com produção de hidroplanagem e a formação de gelo; a poluição devida ao derrame de combustíveis que afetam os materiais constituintes da camada de desgaste. Segundo Delanne et al. (2005), os fatores que influenciam a aderência entre o pneu e o pavimento de forma mais determinante, no que diz respeito ao pneu, são a profundidade do rasto e a pressão de enchimento, a carga suportada, o padrão do rasto, a velocidade angular e a velocidade de deslizamento pneu-pavimento. No caso do pavimento, os fatores que mais influenciam a aderência são a microtextura e a capacidade de drenabilidade superficial do pavimento, que depende da forma, tamanho e distribuição dos agregados na mistura, isto é, da macrotextura. - Textura e velocidade Tal como foi referido na seção 3.2, a textura é basicamente caracterizada pela microtextura e pela macrotextura, e a sua importância depende da velocidade de circulação. A Figura 3.3 mostra graficamente e de forma qualitativa o que se referiu anteriormente. Observa-se que para baixas velocidades é suficiente a garantia de bons valores de microtextura para uma resistência à derrapagem satisfatória, enquanto para velocidades Elza Ferreira Sardão 43

68 OBSERVAÇÃO DO ATRITO CAPÍTULO 3 elevadas são necessários, quer bons níveis de microtextura quer de macrotextura, embora o aumento da velocidade diminua a resistência à derrapagem em todos os casos. Figura 3.3. Relação entre o coeficiente de atrito longitudinal com a velocidade em função da macrotextura e da microtextura (adaptado de OCDE, 1984). Do (2005) apresenta um estudo do coeficiente de atrito realizado pelo LCPC Centre de Nantes medido com o equipamento Adhera, com roda bloqueada, em camadas de betão betuminoso do tipo semi-grenu francês (betão betuminoso de granulometria descontínua, 0/10) e em camadas delgadas de granulometria 0,8/1,5 (mm), com profundidades de textura de 1,3 e de 0,58 mm, respetivamente. Os resultados obtidos da relação entre o coeficiente de atrito com a velocidade em função da profundidade da textura encontram-se representados na Figura 3.4. Com base nesta figura, depreende-se que para baixas velocidades a aderência depende da microtextura mas que para velocidade elevadas a aderência depende tanto da microtextura como da macrotextura. Verifica-se que à velocidade de 30 km/h a aderência é mais elevada para a mistura betuminosa de granulometria 0,8/1,5 (suave e áspera) do que a mistura betuminosa com granulometria 0/10. Contudo, a velocidades superiores a macrotextura torna-se essencial. Isto acontece porque, quando a velocidade aumenta, a água acumula-se na zona de contacto e supera o comprimento de onda da microtextura, tornando-a menos importante do que a profundidade de textura. Note-se que o equipamento Adhera é constituído por um reboque com uma roda única, atrelado a um veículo que circula a velocidade constante, com o valor máximo de 120 km/h, que permite medir o coeficiente de atrito longitudinal numa superfície molhada (Gothié, 2005). 44

69 OBSERVAÇÃO DO ATRITO Figura 3.4. Variação do coeficiente de atrito de uma superfície molhada com a velocidade para dois tipos de mistura com granulometrias e profundidades de textura diferentes (adaptado de Do, 2005). - Propriedades dos agregados Tal como já foi referido, as propriedades do agregado tais como, a dimensão, a granulometria, a forma das partículas, a resistência à fragmentação, ao polimento, ao desgaste e ao choque térmico, a absorção de água, a afinidade dos agregados grossos com o betume e a estabilidade química são importantes para a resistência à derrapagem. Para melhores desempenhos das características superficiais do pavimento, procura-se que os agregados sejam duros e que resistam ao polimento originado pelos equipamentos de compactação e pelo tráfego, assim como aos efeitos de abrasão interna provocados pela ação de cargas repetidas. Uma boa resistência ao polimento é conseguida pela utilização de agregados compostos por minerais de durezas diferentes e agregados que se desgastem por remoção de grãos dos minerais constituintes (Fernandes, 2010). Na Figura 3.5 é possível verificar a relação entre a distância de paragem e os valores de PSV coeficiente de polimento acelerado em função dos valores da profundidade da textura medida com laser (MPD). Facilmente se depreende que quanto maior for o valor de MPD, maior é a distância de paragem para valores de PSV baixos. Thang (2007) realizou um estudo sobre a evolução da aderência em função da composição das misturas. Este estudo realizou-se com nove agregados com características diferentes, as quais se resumem no Quadro 3.1. Aquele autor traçou gráficos de variação de um indicador da altura da aspereza superficial (Rq - média quadrática das alturas da aspereza) com o número de ciclos de desgaste obtidos em condições normalizadas (máquina de Wehner e Schulze). Maiores pendentes negativas de Rq com o número de ciclos correspondem a reduções mais rápidas da aspereza superficial dos agregados com o número de ciclos. Os resultados das inclinações daquelas retas, obtidas para cada um dos agregados testados, apresentam-se nas Figuras 3.6 e 3.7 em função de várias características físicas dos agregados. Elza Ferreira Sardão 45

70 OBSERVAÇÃO DO ATRITO CAPÍTULO 3 Distância de paragem (m) PSV Figura 3.5. Distância de paragem em função dos valores de PSV e MPD (adaptado de Sullivan, 2005) Quadro 3.1. Características dos agregados que constituem os troços estudados Troço Natureza do agregado Granulometria PSV LA MDE A Riolito 7,2/ B Riolito 4/6, C Spilite 7,2/ C Spilite > D Gabro 7,2/ E Diorito 7,2/ F Leptinito 7,2/ G Calcário 7,2/ H Grés quartzítico 7,2/ M DE Figura 3.6. Variação da inclinação da reta Rq Nº de ciclos com os valores de M DE (à esquerda) e com os valores de LA (à direita) (adaptado de Thang, 2007) 46

71 OBSERVAÇÃO DO ATRITO Inclinação da reta Rq nº de ciclos Inclinação da reta Rq nº de ciclos Da Figura 3.6 verifica-se que um agregado com valor de M DE alto, tende a perder mais rapidamente as asperezas, e que o mesmo acontece para agregados com valores de LA elevados. Ao avaliar a relação entre o valor de M DE +LA, Figura 3.7 à esquerda, verifica-se que os agregados com grandes valores de M DE +LA perdem as asperezas mais rapidamente, isto é, o parâmetro M DE +LA pode ser relacionado com o decréscimo das irregularidades da superfície das partículas, podendo considerar-se uma medida da capacidade do agregado para resistir ao desgaste. Quanto à Figura 3.7 à direita, conclui-se que quanto menor é o valor de PSV do agregado, mais rapidamente os agregados tendem a perder as asperezas. Além disso, Tang (2007) verificou no seu estudo que os resultados obtidos em vários trechos experimentais, com diferentes agregados de diferentes granulometrias, confirmam que um bom PSV da fração grossa conduz a uma melhor aderência e a escolhas melhores do ponto de vista económico. Quanto aos valores de M DE e LA, verifica-se que influem na macrotextura da superfície, influenciando na capacidade do agregado para resistir ao desgaste. Isto é, segundo Tang (2007), para uma boa macrotextura e para um boa aderência devem procurar-se agregados com valores altos de PSV e baixos valores de M DE +LA. As conclusões apresentadas, apenas indicam tendências, uma vez que as leis de variação referidas têm valores de R 2 relativamente baixo para cada uma das características físicas dos agregados. - Drenagem superficial M DE + LA Figura 3.7. Variação da inclinação da reta Rq Nº de ciclos com os valores de M DE +LA (à esquerda) e com os valores de PSV (à direita) (adaptado de Thang, 2007) A presença de água sobre a superfície do pavimento perturba significativamente a aderência entre o pneu e o pavimento. Segundo Delanne et al. (2005), comparando o atrito de uma superfície seca de um betão betuminoso, do tipo semi-grenu, com outra superfície idêntica mas molhada, pode observar-se uma redução de aderência de 20 a 30%, para velocidades que variam de 50 a 100 km/h, e até 80% com 1 mm de água quando a velocidade é de 100 km/h, tanto na direção longitudinal como na transversal. Uma quantidade muito pequena de água Elza Ferreira Sardão 47

72 OBSERVAÇÃO DO ATRITO CAPÍTULO 3 sobre a superfície pode submergir as irregularidades geométricas das partículas superficiais de agregado em apenas alguns centésimos de milímetro, podendo levar a uma redução da aderência, pois o atrito em pavimentos molhados é muito sensível a baixos níveis de microtextura. Num estudo do LCPC realizado sobre uma camada de desgaste com betão betuminoso semigrenu, com diferentes alturas de água colocadas sobre a superfície, e utilizando quatro velocidades de referência, 50, 70, 90 e 110 km/h, com recurso ao equipamento Grip-Tester, obtiveram os resultados representados na Figura 3.8. Analisando esta figura, conclui-se que a velocidade afeta muito a distância de paragem e que para alturas de água até 0,5 mm é notório o aumento da distância de paragem (mantendo-se a velocidade), embora sem grande alteração para alturas de água mais elevadas, se a espessura da lâmina de água permanecer abaixo do nível que leva à hidroplanagem. Figura 3.8. Distâncias de paragem em função da altura de água na superfície e da velocidade de circulação num revestimento de betão betuminoso semi-grenu (adaptado de Coiret, 2005). Harwood et al. (1989) referem que basta uma pelicula de água com 2,5 mm de espessura para reduzir a resistência à derrapagem em 75% e poder acontecer hidroplanagem. Esta pode ocorrer de duas formas: hidroplanagem viscosa e dinâmica. A hidroplanagem viscosa acontece geralmente em situação de travagem, podendo ocorrer a velocidades de circulação baixas, devido ao efeito de viscosidade da água que dificulta a sua expulsão entre o pneu e o pavimento na área de contacto. Este fenómeno ocorre geralmente em superfícies relativamente lisas (baixa macrotextura), ou em pavimentos que tenham borracha de pneu impregnada devido ao seu desgaste, podendo o fenómeno ser agravado pela presença de argilas ou siltes, por exemplo (Soares, 2011). A hidroplanagem dinâmica ocorre para 48

73 OBSERVAÇÃO DO ATRITO velocidades de circulação superiores, geralmente acima de um limiar considerado crítico, que leva a água a penetrar nas concavidades do rasto do pneu e, por consequência, reduz a área de contacto entre o pneu e o pavimento, ou leva mesmo à perda de contacto total entre as duas superfícies (Fernandes, 2010). A presença de deformações na superfície, tais como rodeiras e depressões, pode levar à acumulação de água, a qual, aliada a velocidades elevadas, pode originar hidroplanagem dinâmica. Caso exista um diferencial significativo de resistência à derrapagem sob os dois eixos do veículo pode ocorrer perda de controlo do veículo por rotação do mesmo (Fernandes, 2010). Assim, afigura-se importante garantir dispositivos de drenagem adequados e construir estradas cujas inclinações evitem a acumulação de águas no pavimento, ou complementarmente aplicar misturas betuminosas porosas que drenam a água no seu interior. - Condições atmosféricas e de poluição/sujidade da superfície Na superfície do pavimento num período seco, acumulam-se detritos (poeiras, borracha e partículas resultantes do desgaste do próprio pavimento) à superfície da camada de desgaste, tapando os vazios da textura e reduzindo ligeiramente o atrito. Quando chove, cria-se uma pasta muito fina e fluída que funciona como um lubrificante, a qual resulta da mistura dos detritos com a água, reduzindo significativamente o atrito. Ao fim de algum tempo esta película tende a desaparecer por ação da chuva e dos veículos. Quando terminada a chuva a água escoa-se da superfície, secando o pavimento, restabelecendo-se os valores normais de atrito. A evolução qualitativa do atrito, num curto intervalo de tempo, quando ocorre uma chuvada, está representada na Figura 3.9. Figura 3.9. Evolução do atrito num curto intervalo de tempo (Pereira et al., 1999) O valor do CAT e o tempo necessário para a secagem da superfície dependem do perfil transversal do pavimento, da macrotextura e da permeabilidade da camada de desgaste. Normalmente, o atrito é medido em piso molhado, uma vez que quase todas as camadas de Elza Ferreira Sardão 49

74 OBSERVAÇÃO DO ATRITO CAPÍTULO 3 desgaste apresentam melhores níveis de resistência à derrapagem em piso seco, e a situação crítica se verifica quando este está molhado (Branco et al., 2008; Do et al., 2007; Fernandes, 2010). - Tráfego Outro fator preponderante sobre o CAT é o tráfego a que o pavimento está sujeito durante a sua vida útil. Ao longo desse período ocorrem variações do coeficiente de atrito devido à degradação da camada de desgaste, por ação das ações climáticas e do tráfego. Deste modo, imediatamente após a construção do pavimento, este apresenta elevados valores de CAT, mas não apresenta o seu valor máximo de serviço, dado que as partículas de agregado existentes à superfície do pavimento estão cobertas por uma película de betume que causa a diminuição da macrotextura e da microtextura. Após alguma ação dos pneus dos veículos, ocorre o arranque da película betuminosa superficial e, consequentemente, o valor do CAT de serviço sobe. Numa fase final da vida útil do pavimento, pode ocorrer um aumento da macrotextura e da permeabilidade da camada de desgaste, devido à avançada degradação desta, por exemplo, com o desenvolvimento de fendilhamento generalizado (Branco et al., 2008). A Figura 3.10 ilustra a variação do CAT com o tráfego ao longo da vida de um pavimento. Figura Evolução do coeficiente de atrito transversal em função do tráfego total acumulado (Pereira et al., 1999) Segundo Pereira et al. (1999), interessa observar o atrito transversal para identificação de zonas com aderência insuficiente, de modo a programar a recuperação das características das camadas de desgaste, e para avaliação e estudo dos materiais e técnicas de construção, quanto à textura final que permitem obter. A influência do tráfego varia sazonalmente. Verifica-se que a resistência à derrapagem em piso molhado varia do inverno para o verão pois, durante o inverno, a água que atinge a superfície tem maior regularidade, o que ajuda na lavagem do pavimento, ao contrário do que acontece no verão em que são acumulados diversos detritos secos que, quando o piso fica molhado, levam à formação de pastas lubrificantes. 50

75 OBSERVAÇÃO DO ATRITO A influência do tráfego no atrito mobilizado varia também com a geometria da estrada. Geralmente, os pneus provocam mais polimento em curvas do que em retas, porque as tensões tangenciais mobilizadas em curva têm maior magnitude. - Irregularidade superficial A irregularidade superficial é o desvio verificado entre a superfície real de um pavimento e a correspondente superfície de referência teórica, correspondendo a comprimentos de onda superiores a 0,5 m. A irregularidade resulta de defeitos geométricos da camada de desgaste durante a construção, passagem sucessiva de veículos e falta de capacidade de suporte e/ou deformação do terrapleno, podendo ser observada tanto longitudinalmente como transversalmente (Fontul, 2005; Pinto, 2003). A nível de segurança de circulação, a irregularidade pode levar à retenção de águas que originam a perda de aderência entre o pneu e o pavimento, isto é, fenómenos de hidroplanagem, perda de controlo do veículo e da trajetória, instabilidade de circulação de motociclos, etc. Ao nível económico, as irregularidades podem levar a um aumento de consumo de combustível e ao agravamento do efeito das cargas transmitidas pelos pneus ao pavimento, o que leva ao aumento do seu efeito dinâmico e à redução da vida útil do pavimento, devido à diminuição das suas características estruturais (Pinto, 2003). Existem dois tipos de irregularidade longitudinal, a de elevado comprimento de onda e de reduzida frequência, e a de pequeno comprimento de onda e grande frequência. Ambos os tipos provocam desconforto para os utentes (Branco et al., 2008). O perfil transversal de um pavimento apresenta, ao longo da sua vida útil, assentamentos na banda de passagem de rodados dos veículos pesados, isto é, rodeiras. Isto tende a acorrer mesmo que não existam deficiências de projeto, nos materiais aplicados ou no processo de construção. Desta forma, a avaliação da regularidade transversal, tem como objetivo a medição da profundidade máxima das rodeiras (Branco et al., 2008). As rodeiras levam à acumulação de águas e ao consequente risco de hidroplanagem (Pinto, 2003). Têm sido realizados alguns estudos, os quais têm mostrado uma elevada correlação entre a irregularidade longitudinal de pequeno comprimento de onda e a redução do atrito. Gothié (1999), por exemplo, verificou que a passagem do melhor para o pior nível de irregularidade longitudinal dum pavimento (parâmetro NBO notation de bandes d ondes utilizado em França), fez aumentar, para as condições de ensaio que utilizou, a distância de paragem dos veículos em 30 %. Trata-se dum resultado significativo, uma vez que é manifesta a perda de atrito por influência direta duma deficiente regularidade longitudinal. - Outros fatores de influência Outro fator que tem influência no atrito, embora numa magnitude menor que os anteriormente referidos, e com alguma controvérsia, é a temperatura do ar e do pavimento. Sendo os pneus constituídos por materiais viscoelásticos, as deformações que sofrem quando em serviço são Elza Ferreira Sardão 51

76 OBSERVAÇÃO DO ATRITO CAPÍTULO 3 influenciadas pelas variações de temperatura, devido à histerese que afeta a resistência à derrapagem. Segundo Oliver (1980), Hill et al. (1981) e Hosking (1992), a resistência à derrapagem baixa com o aumento da temperatura do pavimento e do ar, sendo que as variações de temperatura apresentam maior influência nas propriedades do pneu que nas características de atrito do pavimento, mas com influência indireta na aderência pneupavimento. Bazlamit et al. (2005) realizaram um estudo em laboratório com cinco provetes constituídos por misturas de betão betuminoso com cascalho ou com calcário, as quais foram sujeitas a um processo de polimento. Um dos objetivos daquele estudo foi verificar os efeitos da temperatura sobre a força de atrito desenvolvida no contacto pneu-pavimento. Ao contrário dos estudos referidos acima, os resultados obtidos por Bazlamit et al. (2005) indicam que numa superfície em serviço a resistência à derrapagem diminui com o aumento da temperatura. Este resultado é significativo, implicando uma correção dos valores de atrito medidos, para que possam comparar-se valores de atrito obtidos a diferentes temperaturas. Na Figura 3.11 reproduz-se um gráfico no qual se observa a diminuição do valor de PTV em função da temperatura. No mesmo gráfico estão também representadas as componentes histerese e adesão do atrito e a sua variação com a temperatura. C = ºK - 273,15 Figura Variação de PTV com a temperatura (adaptado de Bazlamit et al., 2005) Note-se que, na parte experimental do presente trabalho os valores de PTV medidos (resultados apresentados no capítulo 4) são corrigidos em função da temperatura de medição, tal como preconizado na norma EN (CEN, 2003), na qual se indicam níveis de correção do atrito crescentes com a temperatura. Quanto à temperatura da água que pode acumular-se sobre a superfície de rolamento, pode considerar-se que o seu efeito é desprezável na resistência à derrapagem (Fernandes, 2010). A Figura 3.12 representa a influência da temperatura da água na velocidade de hidroplanagem, segundo o método de Anderson. Este modelo consiste numa equação unidimensional que relaciona a profundidade da lâmina de água ao longo do caminho do fluxo, considerando determinadas taxas de precipitação e de infiltração, levando também em linha de conta o tipo de camada de desgaste do pavimento: betão de cimento, betão betuminoso e betão betuminoso 52

77 OBSERVAÇÃO DO ATRITO drenante. O método foi aplicado a um betão betuminoso e verifica-se que à medida que a temperatura da água diminui, a viscosidade cinemática aumenta. Tal resulta, numa maior resistência ao escoamento da água e, consequentemente, são produzidas maiores alturas de água sobre a superfície e a hidroplanagem ocorre a velocidades mais baixas (Soares, 2011). Contudo, não existe uma diferença significativa de velocidade crítica de hidroplanagem e como tal, mostra-se que a temperatura da água tem um efeito desprezável na resistência à derrapagem. Figura Sensibilidade da velocidade de hidroplanagem à temperatura de água (adaptado de Soares, 2011) Métodos de Avaliação do Coeficiente de Atrito Ao longo dos anos foram desenvolvidos equipamentos para a medição do coeficiente de atrito. A medição direta do atrito proporcionado pela superfície de uma camada de desgaste é realizada, em geral, através dos seguintes métodos: medição do atrito pontual, sem utilização de pneu; medição do atrito longitudinal em contínuo, com pneu parcialmente bloqueado; medição do atrito transversal em contínuo, com pneu livre. - Método de medição pontual do coeficiente de atrito O método utilizado geralmente para medição pontual do coeficiente de atrito longitudinal é designado por ensaio com o Pêndulo Britânico. Embora seja limitado a pequenas áreas (por exemplo, curvas) e sendo de baixo rendimento, torna-se inadequado para avaliar uma rede viária. É contudo o único passível de ser utilizado também em laboratório em ensaios realizados em lajetas de pequenas dimensões, ou para a caracterização do coeficiente de atrito e do Coeficiente de Polimento Acelerado (CPA) dos agregados constituintes das misturas betuminosas aplicadas em camadas de desgaste (Pereira, 2008; Alves, 2007). O Pêndulo Britânico, representado na Figura 3.13, é um equipamento que foi desenvolvido pelo United States National Bureau of Standards, e que posteriormente foi aperfeiçoado pelo British Road Research Laboratory, com o intuito de proceder a ensaios de resistência à Elza Ferreira Sardão 53

78 OBSERVAÇÃO DO ATRITO CAPÍTULO 3 derrapagem. As características do equipamento foram desenvolvidas para simular a passagem do pneu de um veículo a uma velocidade de aproximadamente 50 km/h sobre o pavimento molhado (Alves, 2007). O seu funcionamento é simples. Soltando-se a haste do pêndulo sobre o pavimento em estudo, a borracha existente desliza sobre o mesmo, e a perda de energia decorrente do movimento determina a medida de atrito, através de uma escala graduada, cuja leitura permite registar valores de PTV que variam entre 0 e 150. Valores baixos de PTV significam que o pavimento apresenta baixa resistência à derrapagem enquanto valores mais altos significam que o pavimento apresenta melhor resistência à derrapagem. Assim, este equipamento torna-se um dos mais utilizados a nível internacional devido ao seu baixo custo e facilidade de utilização (Silva, 2008). O procedimento de ensaio é estabelecido pela Norma EN , Road and airfield surface characteristics - Test methods - Part 4: Method for measurement of slip/skid resistance of a surface - The pendulum test. Figura Equipamento de medição pontual do coeficiente de atrito (adaptado de Tecnilab - Método de medição do coeficiente de atrito longitudinal em contínuo O coeficiente de atrito longitudinal resulta da razão entre a força F e a reação R normal à superfície do pavimento, em resultado da carga que é exercida sobre a roda que realiza o ensaio, como se mostra na Figura Este método é realizado com recurso a reboques tracionados a uma velocidade constante, nos quais a roda que realiza o ensaio é alinhada no sentido de deslocamento, podendo estar bloqueada, ou parcialmente bloqueada (Pereira, 2008). 54

79 OBSERVAÇÃO DO ATRITO Figura Definição do coeficiente de atrito longitudinal (adaptado de Pereira, 2008) O equipamento geralmente utilizado neste tipo de ensaio é o Grip-Tester, representado na Figura Consiste num reboque ligeiro, com uma massa entre 85 e 90 kg e com dimensões de 1,01 de comprimento, 0,79 m de largura e 0,51 m de altura. O ensaio baseia-se na utilização de uma roda de ensaio com pneu normalizado, com 10 polegadas de diâmetro e 4 a 5 polegadas de espessura. O rasto é liso para que o seu desgaste não influencie os resultados obtidos. A roda é parcialmente bloqueada com uma taxa de deslizamento constante igual a 15% face à rotação das restantes rodas do aparelho. Dentro do veículo existe um depósito para assegurar o fornecimento da água necessária para molhar a superfície do pavimento na zona de contacto com a roda de ensaio. O coeficiente de atrito longitudinal que se obtém do ensaio designa-se por Grip Number (GN) e corresponde à relação das forças Fh/Fv medidas pelo equipamento. Os valores registados correspondem a médias de leituras efetuadas durante o ensaio, apresentado valores compreendidos entre 0 e 1,2 (Pereira, 2008; Menezes, 2008; Duarte, 2011). Figura Equipamento de medição do coeficiente de atrito longitudinal em contínuo (adaptado de Tecnilab - Método de medição do coeficiente de atrito transversal em contínuo O coeficiente de atrito transversal resulta da razão entre a força T, perpendicular ao plano de rotação da roda, e a reação R, normal à superfície do pavimento, devido à ação de uma massa exercida por uma carga suspensa sobre a roda de ensaio, como se ilustra na Figura Elza Ferreira Sardão 55

80 OBSERVAÇÃO DO ATRITO CAPÍTULO 3 Figura Definição do coeficiente de atrito transversal (adaptado de Pereira, 2008) Para medição deste coeficiente é utilizada uma velocidade constante e um equipamento munido de uma roda de ensaio com rotação livre e oblíqua em relação ao sentido do deslocamento. O equipamento geralmente utilizado é o Sideway-force Coefficient Routine Investigation Machine SCRIM. Aquele equipamento consiste num camião, com um reservatório de água com capacidade de 5500 litros de água que liberta o caudal sobre a frente da roda de medida, de forma constante e fixa, de modo a molhar o pavimento e simular as condições mais desfavoráveis. O pneu de ensaio tem um plano de rotação que forma um angulo de 20º com a direção do movimento. Este é normalizado e liso de forma a não condicionar os resultados obtidos ao longo do seu uso, apresentando um espessura de 76 mm e 508 mm de diâmetro. A carga exercida sobre a roda de ensaio é obtida através da ação de uma massa suspensa (200 kg ± 1 kg), a qual se pode deslocar verticalmente sobre duas guias metálicas, formando um sistema que assegura o contacto permanente da roda de ensaio sobre a superfície do pavimento. O equipamento SCRIM pode estar também equipado com um texturómetro laser que permite a medição da macrotextura em simultâneo com o CAT. Este texturómetro localiza-se na parte da frente do veículo, no alinhamento do ponto de contacto da roda de ensaio com o pavimento. Alguns destes equipamentos possuem texturómetros laser e rodas de ensaio, de ambos os lados, o que leva à possibilidade de caracterização da aderência em ambas as zonas de passagem dos rodados. As leituras obtidas podem ser apresentadas em intervalos de 5, 10 ou 20 m, consoante o selecionado pelo operador antes da medição e correspondem à média de valores lidos durante o ensaio (Pereira, 2008; Pinto, 2003) Índice Internacional de Atrito International Friction Index (IFI) Pelo facto de existirem vários métodos de medição de textura e de atrito de um pavimento, para os vários equipamentos, cujos resultados são dificilmente comparáveis entre si, e partindo da ideia de que para avaliar um determinado pavimento não é suficiente avaliar a textura ou o atrito em separado, mas sim o conjunto das duas características para uma correta avaliação da aderência proporcionada por um pavimento, foi desenvolvido o Índice Internacional de atrito International Friction Index (IFI). Trata-se de um parâmetro que resultou de um estudo realizado pela Permanent International Association of Road 56

81 OBSERVAÇÃO DO ATRITO Congresses (PIARC) em 16 países, a partir da medição do atrito e da textura. O IFI procura uma melhor comparação de resultados obtidos pelos vários equipamentos de medição, para diversas condições de atrito, textura e velocidade de circulação, em diversos tipos de vias, constituindo uma escala comum de avaliação das características de superfície de um pavimento (Duarte, 2011). Sendo necessário avaliar o conjunto das gradezas, atrito e textura, para determinar a segurança que um pavimento proporciona, desenvolveram-se procedimentos normativos, como o descrito na norma ASTM E1960 (ASTM, 2001 a). Este baseia-se na medição do parâmetro (FR 60 ) e numa medida da textura (S p ) para uma velocidade de referência de 60 km/h, sendo estes valores obtidos por medição com equipamentos e pela aplicação das equações (3.2) e (3.3): onde, Tx profundidade da textura (mm); S p =a+b.t x (3.2) a, b constantes que dependem do equipamento de medição de textura. No caso de a textura ser avaliada pelo método da mancha de areia (avaliação pontual da textura) os valores de a e de b para o cálculo de S p são os indicados no Quadro 3.2. Quadro 3.2. Valores das constantes a e b para o cálculo de Sp Norma Ensaio a b ASTM E (ASTM, 2001 b) Mancha de areia -11,6 113,6 FR 60 =FRS.e (S-60)/Sp (3.3) onde, FR 60 valor do atrito convertido à velocidade de 60 km/h; FRS valor do atrito medido à velocidade S S velocidade de deslizamento do equipamento (km/h) Assim, é possível determinar o IFI para um determinado pavimento através da expressão (3.4): onde, F 60 =A+B.FR 60 +C.Tx A, B, C constantes dependentes do equipamento de medição do atrito. (3.4) Elza Ferreira Sardão 57

82 OBSERVAÇÃO DO ATRITO CAPÍTULO 3 No caso de o atrito ser avaliado pelo Pêndulo Britânico, os valores de A, B e C para o cálculo de F 60 são os indicados no Quadro 3.3. Quadro 3.3. Valores das constantes A, B e C para o cálculo de F 60 segundo o anexo X2 da norma ASTM E-1960 (ASTM, 2001 a) Equipamento S A B C Pêndulo Britânico 10 km/h 0,056 0,008 0 Traçando diagramas atrito-textura, tal como ilustrado na Figura 3.17, pode proceder-se à deteção de características de aderência inadequadas, estabelecendo-se níveis de intervenção para efeitos de melhoria daquelas propriedades, segundo os valores de F 60 e de S p. Na Figura 3.17 é possível verificar a curva de IFI teórica com a qual são estabelecidos os limites de intervenção a realizar num determinado pavimento, em caso de degradação das características superficiais. Figura Curva teórica de IFI com definição dos limites de intervenção (Aps, 2006) Embora se venha fazendo um esforço para implementar este procedimento de avaliação de características superficiais, o parâmetro IFI ainda está envolvido em alguma controvérsia, por se ter verificado que os valores do parâmetro IFI calculados para determinado tipo de equipamento não se repetem como esperado. Assim, alguns autores sugerem a melhoria do método de cálculo com a incorporação das características de cada equipamento (Roa, 2008) Considerações Finais O atrito de um pavimento pode ser avaliado a partir do coeficiente de atrito longitudinal que interfere na distância de paragem, ou pode ser avaliado pelo coeficiente de atrito transversal que avalia a segurança de circulação em curvas. O atrito varia a curto prazo devido à precipitação e a longo prazo devido à ação de trafego acumulado. Existem vários outros fatores associados aos materiais da camada de desgaste e às 58

83 OBSERVAÇÃO DO ATRITO condições de serviço do pavimento que influenciam de forma assinalável os parâmetros de aderência que podem ser medidos no pavimento ao longo da sua vida. Por essa razão, é importante conhecer aqueles fatores, de modo a que as avaliações do atrito possam ser corretamente interpretadas. A combinação de diferentes níveis de microtextura e de macrotextura resulta em diferentes níveis de aderência. Por forma a evitar alturas de água significativas que facilitem a ocorrência de hidroplanagem, devem utilizar-se critérios adequados no projeto de traçado das estradas, designadamente em termos de inclinações transversais e longitudinais. Além disso, deve haver um cuidado especial na obtenção de adequados níveis de macrotextura, ou no uso de camadas que garantam uma adequada drenagem superficial. A utilização dos equipamentos de medição de textura e de atrito têm um papel fundamental na avaliação das características superficiais, adequando-se à dimensão dos ensaios que se pretendem realizar. Os parâmetros utilizados para a medição de aderência continuam a ser importantes para a garantia de condições de segurança para a circulação. Contudo, os equipamentos utilizados para o efeito ainda não permitem uma comparação fácil entre os resultados obtidos em cada um deles. O parâmetro IFI, estabelecido para ajudar a resolver aquele tipo de dificuldades, ainda não é utilizado regularmente na avaliação do atrito, e não permite ainda uma resposta cabal ao problema da comparabilidade dos resultados. Elza Ferreira Sardão 59

84 OBSERVAÇÃO DO ATRITO CAPÍTULO 3 60

85 CAPÍTULO 4 4. ESTUDO LABORATORIAL DE CARACTERÍSTICAS SUPERFICI- AIS DE MISTURAS PRODUZIDAS COM VÁRIOS TIPOS DE AGREGADOS BRITADOS 4.1. Considerações Iniciais Neste capítulo é apresentado um estudo laboratorial de comparação das características superficiais obtidas pela aplicação de duas misturas betuminosas para camada de desgaste. Uma das misturas é um AC 14 surf 35/50 que incorpora agregados grossos obtidos por trituração mecânica de seixo (seixo britado), e a outra mistura é semelhante à primeira mas incorpora como agregado grosso um gnaisse. Os materiais constituintes das misturas foram cedidos pela empresa Construções Júlio Lopes, S.A., a qual vem utilizando os mesmos em várias obras de pavimentação rodoviária. As composições utilizadas para a realização da mistura são as que a empresa aplica habitualmente. Com base no caderno de encargos da EP, nas normas NP EN e NP EN foi feita a análise da conformidade dos materiais constituintes da mistura. Posteriormente procedeu-se à análise das características da superfície de lajetas produzidas em laboratório com os materiais referidos, à luz do referido caderno de encargos (EP, 2011). Fez-se, ainda, a reabilitação da superfície das lajetas, após um processo de desgaste acelerado, aplicando um microaglomerado duplo a frio, tendo-se avaliado também as suas características de aderência superficial Propriedades Físicas dos Materiais Granulares e Características do Betume As características físicas dos materiais granulares que foram empregados na formulação das misturas em laboratório, no âmbito do enquadramento normativo, cumprem os requisitos exigidos pela norma NP EN 13043, conforme o que consta nas fichas técnicas do produto. O seixo utilizado é proveniente da região de Vale do Amieiro, nas frações 11/16 e 4/16, assim como o pó de calcário 0/4 e o fíler calcário. O gnaisse, utilizado nas frações 8/20 e 4/12, é proveniente da pedreira da Malaposta. As características físicas dos materiais granulares utilizados resumem-se nos Quadros 4.1 a 4.4, as quais são comparadas com os requisitos e categorias indicados nas normas NP EN e NP EN , bem como com o caderno de encargos da Estradas de Portugal. Elza Ferreira Sardão 61

86 ESTUDO DE MISTURAS COM VÁRIOS TIPOS DE AGREGADOS BRITADOS Quadro 4.1. Granulometria de cada uma das frações provenientes da pedreira Peneiros (mm) ,5 0,125 0,063 Material Percentagem de material passado em massa Brita gnaisse 8/20 100,0 46,0 16,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 Brita gnaisse 4/12 100,0 98,5 61,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 Brita seixo 11/16 100,0 59,3 8,6 3,0 2,0 2,0 2,0 1,2 Brita seixo 4/16 100,0 90,4 61,3 4,0 2,0 2,0 2,0 1,5 Pó calcário 0/4 100,0 100,0 100,0 95,0 60,0 20,0 11,0 9,0 Filer 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 98,4 98,0 82,0 Quadro 4.2. Comparação de algumas características físicas dos materiais grossos com as categorias da NP EN e com o caderno de encargos da EP Característica Massa volúmica (Mg/m³) ρa ρrd ρssd Granulometria FI (%) SI (%) C (%) LA (%) M DE (%) Material Brita seixo 11/16 2,64 2,61 2,62 G c 85/35 DND DND C 79/1 * Brita seixo 4/16 2,64 2,6 2,61 G c 90/15 DND DND C 10/5 * LA 25 M DE 10 LA 25 M DE 10 Brita gnaisse 8/20 2,63 2,61 2,61 G c 90/15 FI 15 SI 15 C 100/0 LA 20 M DE 10 Brita gnaisse 4/12 2,62 2,59 2,61 G c 90/15 FI 15 SI 15 C 100/0 LA 20 M DE 10 Limite/ Categoria ±0,05 Mg/m³ do valor declarado Caderno de encargos da EP A declarar FI 15 ND C 100/0 LA 20 ** M DE 15 *As percentagens de partículas totalmente britadas ou esmagadas e totalmente roladas foram determinadas em laboratório, por não terem sido indicadas na ficha de produto do produtor. **Para rochas granitoides: LA 30 Quadro 4.2. (Continuação) Comparação de algumas características físicas dos materiais com as categorias da NP EN e com o caderno de encargos da EP Característica Baridade (Mg/m³) ρb PSV (%) WA (%) Afinidade Inerte-Betume Material Brita seixo 11/ DND 0,4 DND Brita seixo 4/ DND 0,5 DND Brita gnaisse 8/20 1,37 PSV 50 0,5 --- Brita gnaisse 4/12 1,38 PSV 50 0,5 --- Caderno de encargos da EP Limite/ Categoria A declarar PSV 50 WA 24 1 A declarar 62

87 ESTUDO DE MISTURAS COM VÁRIOS TIPOS DE AGREGADO BRITADO CAPÍTULO 4 Da análise dos valores apresentados nos Quadros 4.1, 4.2, depreende-se que os agregados grossos cumprem algumas das exigências indicadas no caderno de encargos (EP, 2011). Ao analisar os valores apresentados de PSV coeficiente de polimento acelerado, apenas determinado para as frações de brita de gnaisse 8/20 e 4/12, verifica-se que cumpre a categoria de PSV 50, tal como requerido pelo CE da EP. Quanto ao parâmetro M DE coeficiente de micro-deval, com a categoria M DE 10 para ambos os agregados, verifica-se que cumpre o limite de M DE 15 requerido pelo CE da EP. Dadas as condições climatéricas características do país, a resistência ao gelo e degelo não é um parâmetro importante em Portugal. Aquela resistência pode avaliar-se através da absorção de água, porquanto uma reduzida absorção não propicia a formação de gelo a baixas temperaturas. Os valores apresentados indicam uma boa resistência ao gelo e degelo, à luz do CE da EP que impõe uma categoria de WA A absorção de água pode também ser considerada como um indicador da absorção de betume. Quanto aos materiais finos, torna-se importante avaliar o valor de adsorção de azul de metileno, por forma a analisar a nocividade dos finos. A fração de material que passa no peneiro 0,063 mm está compreendida entre 3 e 10%. O CE da EP estabelece que o valor de azul de metileno deve cumprir os requisitos da categoria MB F 10. No Quadro 4.3 apresentamse algumas características do pó calcário utilizado. Quadro 4.3. Alguns requisitos físicos dos materiais finos utilizados Característica MB F (g/kg) f Material Pó Calcário 0/4 MB F 10 NA Caderno de encargos da EP Limite/ Categoria MB F 10 ND De acordo com a categoria apresentada no Quadro 4.3. verifica-se que o pó calcário apresenta limpeza satisfatória para a sua aplicação em misturas betuminosas, segundo o CE da EP. De igual forma, o filer comercial também tem requisitos a cumprir segundo a norma NP EN Assim, apresentam-se no Quadro 4.4 as propriedades do filer. Quadro 4.4. Características do filer comercial Material Característica Massa volúmica (g/cm³) Vazios de filer seco compactado - Ridgen (%) Filer Comercial 2,7 32 Caderno de encargos da EP Limite/ Categoria 0,2 Mg/m³ do valor declarado υ28/38 Elza Ferreira Sardão 63

88 ESTUDO DE MISTURAS COM VÁRIOS TIPOS DE AGREGADOS BRITADOS O tipo de betume utilizado para a formulação das duas misturas foi o 35/50 por ser o ligante betuminoso geralmente utilizado em Portugal para camadas de desgaste. Este betume foi recolhido na Empresa Construções Júlio Lopes S.A., a qual tem como fornecedor a Repsol. As características do betume são as apresentadas no Quadro 4.5. Quadro 4.5. Características do betume 35/50 Características Betume 35/50 NP EN 12591; CE da EP Penetração a 25ºC (mm) Temperatura de amolecimento ( C) 55, Viscosidade cinemática a 135ºC (mm 2 /s) Índice de penetração -0,4-1,5 a +0,7 Variação em massa (%) 0,5 5 A viscosidade do betume é uma propriedade importante uma vez que quantifica a consistência do ligante a uma determinada temperatura, levando à avaliação do intervalo de temperaturas em que é exequível, por exemplo, a sua manipulação em boas condições. O índice de penetração é uma medida de suscetibilidade térmica dos betumes Análise das Composições das Misturas em Estudo Realizou-se a análise granulométrica de cada fração dos materiais granulares disponíveis, por forma a estudar a composição da mistura de agregados e verificar se a sua granulometria cumpre os limites que constam na norma NP EN Nos Quadros I.1 e I.2 do Apêndice I encontram-se as percentagens, em massa, de material passado nos peneiros para cada uma das misturas, bem como os limites gerais do fuso granulométrico da série base + série 2, para uma mistura com uma dimensão máxima de agregado de 14 mm (IPQ, 2008). Utilizando a combinação de frações utilizada pelo produtor, ou seja, 18% de brita seixo 11/16, 31% de brita seixo 4/16, 48% de pó calcário e 3% de filer comercial resulta a curva granulométrica da mistura com seixo representada na Figura

89 ESTUDO DE MISTURAS COM VÁRIOS TIPOS DE AGREGADO BRITADO CAPÍTULO 4 Percentagem de material passado 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 Curva de estudo 20,0 Mínimo admitido NP EN ,0 Máximo admitido NP EN ,0 0,01 0, Abertura do peneiro (mm) Figura 4.1. Curva da mistura 1 (seixo britado) e fuso granulométrico para um AC 14 surf Da mesma forma, utilizando a combinação de frações de gnaisse indicada pelo produtor, ou seja, 10% de brita gnaisse 8/20, 40% de brita gnaisse 4/12, 48% de pó calcário e 2% de filer comercial, resulta a curva granulométrica da mistura com gnaisse representada na Figura 4.2. A percentagem mínima de betume recomendada para um AC 14 surf ligante (BB), segundo a norma NP EN é de 4,9%. Percentagem de material passado 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 Curva de estudo Máximo admitido NP EN ,0 Mínimo admitido NP EN ,0 0,01 0,1 1 Abertura do peneiro (mm) Figura 4.2. Curva da mistura 2 (gnaisse) e fuso granulométrico para um AC 14 surf 4.4. Avaliação de Características Superficiais em Laboratório Para analisar o atrito e a textura que podem ser obtidos em camadas betuminosas superficiais produzidas com os agregados descritos acima, procedeu-se à construção de dois grupos de duas lajetas cada, um deles incorporando seixo britado e o outro produzido com gnaisse, com as composições descritas anteriormente. Elza Ferreira Sardão 65

90 ESTUDO DE MISTURAS COM VÁRIOS TIPOS DE AGREGADOS BRITADOS Depois mediram-se os parâmetros PTV Pendulum Test Value e MTD Mean Texture Depth, segundo as normas EN e EN , respetivamente, para comparar aqueles parâmetros em função do tipo de agregado utilizado Fabrico de Lajetas A percentagem de betume utilizada em ambas as misturas betuminosas produzidas foi de 5%. Esta percentagem de betume não foi determinada pelo método de Marshall, optando-se pela utilização de valores correntes, cumprindo a percentagem mínima recomendada pela norma NP EN Com o procedimento seguido, foi possível obter lajetas com características superficiais semelhantes às que se obtêm habitualmente nos pavimentos convencionais. Na Figura 4.3 (imagem da esquerda) observa-se a preparação da mistura para posterior compactação. As características das lajetas encontram-se no Apêndice II (Quadros II.1 e II.2). Cada uma das lajetas produzidas tinha mm 3 e a sua compactação foi realizada com um cilindro compactador, tal como se ilustra na Figura 4.3 (imagem da direita). Desta forma resultaram as lajetas representadas na Figura 4.4. Figura 4.3. Preparação da mistura betuminosa (à esquerda) e compactação da lajeta com um cilindro compactador (à direita) Seixo Gnaisse Figura 4.4. Lajeta 1.3 constituída pela mistura betuminosa 1 (à esquerda) e lajeta 2.2 Lajeta de seixo britado Lajeta de gnaisse constituída pela mistura betuminosa 2 (à direita) Avaliação de PTV e da Textura Depois de construídas as quatro lajetas, estas foram submetidas a ensaios de medição de PTV e da profundidade da textura em laboratório, através do ensaio com Pêndulo Britânico e do ensaio da mancha de areia, respetivamente. 66

91 ESTUDO DE MISTURAS COM VÁRIOS TIPOS DE AGREGADO BRITADO CAPÍTULO 4 Fez-se a avaliação das características superficiais das lajetas produzidas logo após o fabrico e depois de sujeitas a uma ação de desgaste. O procedimento utilizado procurou avaliar a evolução das características superficiais ao longo de um processo de polimento, tal como acontece com a sucessiva passagem de tráfego sobre as camadas de desgaste dos pavimentos, ao longo da sua vida útil. Simulou-se o efeito de desgaste através da utilização de uma catrabucha de náilon, e de outra de aço, adaptadas a uma misturadora, tal como é ilustrado na Figura 4.5. Até aos 100 minutos de desgaste foi utilizada a catrabucha de náilon (catrabucha tipo tacho fio de nylon com corindo abrasivo grão 80 da Bosch). Para o prosseguimento da ação de desgaste a partir daí foi utilizada uma catrabucha de arames de aço (catrabucha tipo tacho arame ondulado da Bosch) na tentativa de acelerar o processo de desgaste e, assim, produzir uma evolução mais rápida do desgaste. Note-se que, até aos 100 minutos, o efeito da ação da catrabucha de náilon sobre a textura das partículas mais grosseiras de agregado não foi muito abrasiva, para simular melhor o efeito de arranque da película de betume que ocorre nos pavimentos logo após a sua entrada ao serviço. Com a substituição da catrabucha a partir daquele instante, foi possível produzir uma maior ação abrasiva sobre as partículas de agregado, tal como acontece nos pavimentos. a) b) c) Figura 4.5. a) Equipamento a fazer desgaste b) com catrabucha de náilon; b) Desgaste c) a ser produzido pela catrabucha de náilon; c) Desgaste a ser produzido pela catrabucha de aço - Avaliação de PTV Para verificar a evolução de PTV em função do desgaste provocado, foram realizadas medições para os seguintes tempos de desgaste: 1, 50, 100, 105, 110, 115, 120, 125 e 130 minutos. Tendo em conta a velocidade de rotação do equipamento, os tempos referidos correspondem aos seguintes números de ciclos de desgaste das catrabuchas, respetivamente: 72, 3600, 7200, 7560, 7920, 8280, 8640, 9000 e Para aumentar o tamanho da amostra de medições de PTV foram realizadas 4 zonas de desgaste por lajeta, com cerca de 15 cm de diâmetro. Em cada zona foi medido o PTV na direção da compactação das lajetas e na direção perpendicular àquela. Desta forma, obtiveram-se os resultados de PTV apresentados nos Quadros III.1 a III.4 do Apêndice III. Nas Figuras 4.6 e 4.7 ilustra-se o aspeto final de uma lajeta de cada um dos tipos de mistura após um desgaste com a duração de 130 minutos. Elza Ferreira Sardão 67

92 ESTUDO DE MISTURAS COM VÁRIOS TIPOS DE AGREGADOS BRITADOS Figura 4.6. Aspeto final das zonas desgastadas ao fim de 130 minutos de desgaste na lajeta 1.3 (seixo) Figura 4.7. Aspeto final das zonas desgastadas ao fim de 130 minutos de desgaste na lajeta 2.1 (gnaisse) Nas Figuras 4.8 e 4.9 apresenta-se a evolução dos valores medidos para cada um dos grupos de materiais em estudo. De modo a tornar mais clara a variação obtida, apresenta-se também uma linha de tendência correspondente ao ajuste de uma função polinomial de grau 3. O estudo de uma lei de variação será retomado mais adiante. O PTV médio das lajetas com seixo antes do desgaste é de 84,5 segundo ambas as direções, e o PTV médio das lajetas com gnaisse antes do desgaste é de 88. Estes valores cumprem o requisito mínimo de PTV igual a 60 exigido no caderno de encargos da EP (EP, 2011) para pavimentos novos. 68

93 ESTUDO DE MISTURAS COM VÁRIOS TIPOS DE AGREGADO BRITADO CAPÍTULO PTV Seixo Gnaisse Tempo em minutos Figura 4.8. Evolução de PTV com o tempo de desgaste obtido em laboratório, medido na direção da compactação PTV Seixo Gnaisse Tempo em minutos Figura 4.9. Evolução de PTV com o tempo de desgaste obtido em laboratório, medido na direção perpendicular à compactação Para cada um dos grupos de materiais em estudo, foi ainda produzida uma lajeta adicional, com as mesmas dimensões e composições que as demais. Todavia, as partículas com dimensão nominal superior a 4 mm foram sujeitas a um processo de desgaste no equipamento micro-deval preconizado pela NP EN (IPQ, 2002) antes da produção das misturas. Tal como acontece no ensaio de desgaste habitualmente realizado, submeteram-se os agregados a ±10 voltas nos tambores rotativos, de modo a sujeitá-los à fricção entre as partículas que os constituem e uma carga abrasiva (esferas de aço), na presença de água. Note-se que o objetivo principal foi o de desgastar os agregados com dimensão superior a 4 mm, pelo que não foi realizado o ensaio sob todas as condições definidas na respetiva norma. Verifica-se que a textura superficial do pavimento é muito influenciada pelas partículas com dimensões intermédias e mais grosseiras dos agregados. Por essa razão, decidiu-se submeter ao processo de desgaste as partículas de dimensão superior a 4 mm, e não apenas as maiores que 10 mm, tal como se faz habitualmente para o ensaio de micro-deval. Na Figura 4.10 encontra-se representado o equipamento de micro-deval. Elza Ferreira Sardão 69

94 ESTUDO DE MISTURAS COM VÁRIOS TIPOS DE AGREGADOS BRITADOS Figura Equipamento micro-deval utilizado em laboratório Nas Figuras 4.11 e 4.12 apresentam-se vistas das partículas submetidas ao processo de desgaste. Figura Seixo 11/16 antes do micro-deval (à esquerda) e seixo 11/16 depois de submetido ao desgaste provocado no equipamento de micro-deval (à direita) Figura Gnaisse 8/20 antes do micro-deval (à esquerda) e gnaisse 8/20 depois de submetido ao desgaste provocado no equipamento de micro-deval (à direita) 70

95 ESTUDO DE MISTURAS COM VÁRIOS TIPOS DE AGREGADO BRITADO CAPÍTULO 4 Verifica-se que, por observação organolética, as diferenças não são significativas entre os agregados antes e depois da abrasão provocada pelo equipamento de micro-deval. Os resultados obtidos encontram-se no Quadro 4.6. Quadro 4.6. Resultados dos valores de M DE * obtidos em laboratório para cada um dos agregados Agregados Gnaisse 4/12 Gnaisse 8/20 Seixo 4/16 Seixo 11/16 M DE * *Ensaiou-se material com dimensão nominal de 4 mm ou superior, ou seja, com alterações em relação ao ensaio normalizado, pelo que os resultados não podem ser comparados com os do produtor. Mesmo assim, é possível uma comparação da resistência ao desgaste dos dois tipos de agregados depois de submetidos a abrasão com o equipamento micro-deval. Ao analisar os valores de M DE * depreende-se que os agregados de seixo apresentam maior resistência à abrasão do que os agregados de gnaisse. Com os agregados resultantes do desgaste com cargas abrasivas no equipamento de micro- Deval, procedeu-se ao fabrico das lajetas 3.1 (com seixo) e 3.2 (com gnaisse). Estas lajetas foram submetidas à simulação do efeito de algum tráfego provocado pelos veículos através da utilização de uma catrabucha de Náilon, tal como se descreveu anteriormente, mas apenas durante 50 minutos, ou seja, bastante menos tempo que nos casos em que os agregados grossos foram utilizados sem qualquer desgaste prévio. O intuito foi apenas o de retirar, em parte, a película de betume que envolve os agregados superficiais, tal como acontece aquando da entrada ao serviço de uma camada superficial (Figura 4.13), uma vez que os agregados já tinham sido sujeitos a uma ação prévia de desgaste. Os valores de PTV obtidos pelas medições com o Pêndulo Britânico constituem o Apêndice IV (Quadro IV.1), sendo representados graficamente nas Figuras 4.14 a Figura Lajeta 3.1 com seixo após ação de desgaste (à esquerda) e lajeta 3.2 com gnaisse após ação de desgaste (à direita) Elza Ferreira Sardão 71

96 ESTUDO DE MISTURAS COM VÁRIOS TIPOS DE AGREGADOS BRITADOS PTV Seixo Gnaisse Tempo em minutos Figura Evolução de PTV com o tempo de desgaste obtido em laboratório, medido na direção da compactação, sobre lajetas produzidas com agregados previamente submetidos a abrasão PTV Seixo Gnaisse Tempo em minutos Figura Evolução de PTV com o tempo de desgaste obtido em laboratório, medido na direção perpendicular à compactação, sobre lajetas produzidas com agregados previamente submetidos a abrasão Comparando o comportamento do seixo e do gnaisse nas Figuras 4.14 e 4.15 verifica-se que embora a lajeta com gnaisse apresente melhores valores de PTV com 1 minuto de desgaste, ao fim de 50 minutos verifica-se o inverso. A variação dos valores de PTV na lajeta com seixo são muito baixas enquanto nas que incorporam gnaisse se observa uma diminuição significativa com o tempo de desgaste. Este fenómeno não ocorreu nas lajetas produzidas com agregado não sujeito a desgaste prévio. - Avaliação da textura Para avaliar a textura de cada uma das lajetas construídas em laboratório recorreu-se ao ensaio da mancha de areia, como já foi referido. Este ensaio permite avaliar a profundidade média da textura, através da altura média da mancha de areia que é possível formar sobre a camada de desgaste. Na Figura 4.16 encontra-se representado um ensaio da mancha de areia realizado em laboratório. 72

97 ESTUDO DE MISTURAS COM VÁRIOS TIPOS DE AGREGADO BRITADO CAPÍTULO 4 Figura Espalhamento da areia calibrada sobre a superfície da lajeta Depois de espalhada a areia calibrada sobre a superfície da lajeta, procedeu-se à medição dos diâmetros do círculo de areia. Foram realizadas medições sobre as lajetas disponíveis antes e após os desgastes efetuados com as catrabuchas. Para que fosse possível a medição dos valores de MTD dentro do círculo submetido a desgaste, utilizou-se uma quantidade de areia calibrada de 7,07 cm 3, inferior ao valor normalizado de 25 cm 3. Os valores obtidos encontram-se representados no Quadro 4.7. Quadro 4.7. Valores de MTD (mm) obtidos em laboratório sobre lajetas antes e depois de 130 minutos de desgaste Lajetas Antes do desgaste 1ª Zona de Desgaste 2ª Zona de Desgaste 3ª Zona de Desgaste 4ª Zona de Desgaste Valor médio de MTD após desgaste seixo 0,5 0,5 0,5 0,6 0,6 0, seixo 0,5 0,5 0,7 0,5 0,5 0, gnaisse 0,5 0,5 0,6 0,5 0,5 0, gnaisse 0,6 0,6 0,7 0,6 0,8 0,7 Analisando os valores de MTD antes do desgaste, verifica-se que, em todos os casos, são inferiores aos preconizados no caderno de encargos da EP (EP, 2011), o qual indica para um AC 14 surf valores mínimos de 0,7 mm. Os valores médios de MTD obtidos para as lajetas com seixo são muito próximos dos medidos para as lajetas com gnaisse. Mediram-se também os valores de MTD para as lajetas produzidas com agregados sujeitos à ação do equipamento de micro-deval (Quadro 4.8). Embora o procedimento de ensaio tenha sofrido alterações relativamente ao que está normalizado, verifica-se que os valores de MTD da lajeta com seixo são inferiores aos obtidos para a lajeta com gnaisse, em todas as zonas de desgaste realizadas. Não parece haver grande influência do efeito da abrasão prévia dos agregados (com dimensão nominal superior a 4 Elza Ferreira Sardão 73

98 ESTUDO DE MISTURAS COM VÁRIOS TIPOS DE AGREGADOS BRITADOS mm) no equipamento micro-deval, porquanto os valores apresentados nos Quadros 4.7 e 4.8 são bastante próximos. Quadro 4.8. Valores de MTD (mm) obtidos em laboratório sobre lajetas produzidas com agregado sujeito a ensaio micro-deval, antes e depois de 50 minutos de desgaste com catrabucha de náilon Lajetas Antes do desgaste com catrabucha 1ª Zona de Desgaste 2ª Zona de Desgaste 3ª Zona de Desgaste 4ª Zona de Desgaste Valor médio de MTD após desgaste seixo 0,4 0,4 0,5 0,5 0,5 0, gnaisse 0,7 0,9 0,7 0,7 0,8 0, Resumo e Análise de Resultados de PTV Para realizar uma melhor análise dos resultados obtidos, recorreu-se ao programa de tratamento estatístico de dados SPSS - Statistical Package for Social Sciences. - Análise de PTV na direção da compactação A análise dos resultados da variável PTV que se faz tem como objetivo uma melhor compreensão da sua variação com o tempo de desgaste, para cada um dos grupos de misturas betuminosas em avaliação. Além disso, procura-se uma comparação mais detalhada entre os resultados obtidos para cada um dos grupos de misturas betuminosas estudados. Numa primeira fase, optou-se por construir um gráfico de dispersão para identificar uma possível relação linear entre os valores de PTV obtidos para as misturas produzidas com gnaisse e com seixo (Figura 4.17). Da observação da Figura 4.17 é possível afirmar que não existe uma relação linear entre os valores de PTV obtidos para as misturas com seixo e com gnaisse. Torna-se razoável afirmar que a maioria dos pontos pertencem ao semiplano superior, o que leva a concluir que a incorporação de agregados de gnaisse na mistura conduziu a valores de PTV superiores aos obtidos para a mistura com seixo. Esta observação corrobora o que se tinha verificado na Figura

99 ESTUDO DE MISTURAS COM VÁRIOS TIPOS DE AGREGADO BRITADO CAPÍTULO 4 Figura Gráfico de dispersão do parâmetro PTV medido na direção da compactação A avaliação da regressão linear entre os valores de PTV e o tempo de desgaste foi efetuada através do coeficiente de correlação, do coeficiente de determinação e do teste de Fisher (teste F), sendo este um teste não paramétrico potente para comparar duas amostras independentes de pequena dimensão. Com a finalidade de averiguar a qualidade de ajustamento, utilizou-se o valor do coeficiente de correlação, R, e o valor do coeficiente de determinação, R 2, tal como indicado nos Quadros 4.9 a Por definição, o coeficiente de determinação, R 2 representa a proporção de variabilidade da variável dependente (PTV) que é explicada pela variável independente (tempo de desgaste). Quadro 4.9. Qualidade de ajustamento de PTV das lajetas com seixo em função do tempo de desgaste Modelo R R² R² ajustado Desvio-padrão estimado PTV =83,596-0,659x 0,659 0,434 0,426 7,48218 x: tempo de desgaste Como o valor de R 2 é de 0,434, isso significa que 43,4% da variação de PTV é explicada pelo tempo de desgaste. A tabela da análise da variância (ANOVA) apresentada no Quadro 4.10 permite também testar a significância da regressão e concluir sobre a qualidade do ajustamento. Elza Ferreira Sardão 75

100 ESTUDO DE MISTURAS COM VÁRIOS TIPOS DE AGREGADOS BRITADOS Quadro Teste de significância da regressão linear obtida para as lajetas com seixo Modelo Soma dos quadrados df Valor quadrático médio F Valor-p Regressão 2876, ,467 51,381 0,000 Resíduo 3750, ,983 Total 6627, Neste caso a probabilidade de significância, valor-p, associado ao teste F é aproximadamente zero, pelo que se rejeita a hipótese nula, o que significa que não existe relação linear entre o PTV das lajetas produzidas com seixo e o tempo de desgaste, o que confirma o baixo valor de R 2 calculado para o modelo indicado no Quadro 4.9. Fez-se o mesmo tipo de análise para avaliar a qualidade de ajustamento de PTV das lajetas com gnaisse com o tempo (Quadro 4.11). Quadro Qualidade de ajustamento de PTV das lajetas com gnaisse em função do tempo de desgaste Modelo R R² R² ajustado Desvio-padrão estimado PTV=87,263-0,638x 0,638 0,407 0,398 7,59979 x: tempo de desgaste Como R 2 é igual a 0,407, isso significa que 40,7% da variação de PTV é explicada pelo tempo de desgaste. Analisando a qualidade de ajustamento com base nos resultados da análise da variância, ANOVA, obtiveram-se os resultados que se mostram no Quadro Quadro Teste de significância da regressão linear obtida para as lajetas com gnaisse Modelo Soma dos quadrados df Valor quadrático médio F Valor-p Regressão 2773, ,008 48,012 0,000 Resíduo 4042, ,757 Tota1l 6815, Do teste de significância da regressão obtida para as lajetas que incorporam gnaisse resulta um valor-p associado ao teste F de aproximadamente zero, pelo que se rejeita a hipótese nula. O mesmo é afirmar que não existe uma relação linear entre o PTV das lajetas produzidas com gnaisse e o tempo de desgaste. 76

101 ESTUDO DE MISTURAS COM VÁRIOS TIPOS DE AGREGADO BRITADO CAPÍTULO 4 Alguns testes, a realizar mais adiante, como o teste t (de Student) para comparação de médias, só é aplicável para amostras com distribuição aproximadamente normal. Por isso, de seguida procede-se à análise da normalidade das amostras, através de um teste de ajustamento Kolmogorov-Smirnov, representado nas Figuras 4.19 e 4.20 e no Apêndice V, nos Quadros V.1 e V.2. O teste de ajustamento de Kolmogorov-Smirnov exige que a distribuição populacional seja quantitativa contínua. Quando esta distribuição está completamente definida, isto é, quando são conhecidos a forma e os parâmetros, a distribuição da estatística de teste é exata. Este teste tem como objetivo analisar o ajustamento de um conjunto de dados observados a uma distribuição normal. Desta forma, as hipóteses a analisar são: H 0, a qual admite a normalidade da distribuição de PTV médio das lajetas com gnaisse ou com seixo ou, em alternativa, H 1 que considera a distribuição de PTV médio das lajetas com gnaisse ou com seixo não é uma distribuição normal. O intervalo de confiança é, por predefinição, de 95% e o nível de significância é de 5%. PTV Figura Histograma dos valores de PTV obtidos sobre lajetas com gnaisse Uma vez que o valor-p é de 0,702, ou seja, superior a 0,05 não se rejeita a hipótese nula. PTV Figura Histograma dos valores de PTV obtidos sobre lajetas com seixo Uma vez que o valor-p é de 0,032, ou seja, inferior a 0,05 rejeita-se a hipótese nula. Elza Ferreira Sardão 77

102 ESTUDO DE MISTURAS COM VÁRIOS TIPOS DE AGREGADOS BRITADOS Pode-se concluir através das Figura 4.18 que no caso das lajetas com gnaisse não se rejeita a hipótese de normalidade da distribuição dos valores de PTV, ao contrário do que acontece com as de seixo para as quais a hipótese de normalidade é rejeitada, tal como se ilustra na Figura Embora o teste t-student só possa ser aplicado quando pode admitir-se a normalidade das amostras, o teste foi aplicado mesmo assim para as amostras com seixo segundo a direção da compactação. Isto porque, o valor prova não é muito baixo e realizando o estudo da média das médias dos valores de PTV (Apêndice VII: Quadro VII.1) para as lajetas com seixo, não se rejeita a hipótese de normalidade da distribuição. O mesmo se concluiu para as lajetas com gnaisse (Apêndice VII: Quadro VII.2). Desta forma, procede-se ao teste de igualdade de médias com o teste t-student, dado pretender-se comparar duas médias provenientes de amostras independentes. As hipóteses nula e alternativa são as seguintes: H 0 a média dos valores de PTV obtidos para as amostras com gnaisse é igual ao PTV médio das amostras com seixo; H 1 os valores médios de PTV obtidos para os dois grupos são diferentes. Os resultados da análise estatística e do teste encontram-se representados nos Quadros 4.13 e Quadro Análise estatística descritiva das variáveis de teste (PTV) Agregados grossos utilizados na produção das amostras Nº amostras Média Desvio-padrão Erro padrão da média Seixo 69 68,3333 9, ,18848 Gnaisse 72 72,4861 9, ,15470 Quadro Resultados do teste t-student Agregados grossos utilizados na produção das amostras t df Valor-p Diferença média Intervalo de confiança de 95% para a diferença Inferior Superior Seixo 57, ,000 68, , ,7049 Gnaisse 62, ,000 72, , ,7885 Ao analisar os Quadros 4.13 e 4.14, verifica-se que o valor-p é inferior ao nível de significância, logo a hipótese H 0 é rejeitada, ou seja, os valores médios de PTV dos dois grupos de amostras são diferentes. Além disso, verifica-se que o PTV médio das amostras com seixo é de 68,3 e o PTV médio das amostras com gnaisse é de 72,5. 78

103 ESTUDO DE MISTURAS COM VÁRIOS TIPOS DE AGREGADO BRITADO CAPÍTULO 4 Para melhor análise visual dos resultados obtidos relativamente à comparação de médias foram construídas representações gráficas de caixa de bigodes, as quais se apresentam na Figura Da análise da Figura 4.20 verifica-se que a mediana de PTV das lajetas com seixo é de 65. Abaixo desse valor o PTV das lajetas com seixo apresenta pouca variabilidade. No entanto, acima do percentil 50 os valores apresentam maior variabilidade. No que se refere às amostras com gnaisse, estas apresentam uma mediana de 73. A variabilidade de PTV é aproximadamente semelhante entre o primeiro e o terceiro quartis. Desta forma, conclui-se que as lajetas com gnaisse apresentam valores de PTV tendencialmente superiores aos obtidos para as amostras com seixo, como já se tinha concluído anteriormente aquando da comparação das médias. Nos Quadros VII.3 e VII.4 do Apêndice VII e respetivos comentários, apresenta-se ainda uma análise similar à que se fez anteriormente, mas utilizando os conjuntos de nove valores médios, um para cada tempo de desgaste. As conclusões a que se chegou corroboram as assinaladas acima. PTV Seixo Gnaisse Figura Caixa de bigodes com representação dos resultados do parâmetro PTV para as lajetas com seixo e com gnaisse Para uma análise mais detalhada dos resultados, comparou-se também a sua evolução ao longo do tempo com as sucessivas ações de desgaste induzidas em laboratório. Para tal, realizou-se a representação gráfica das caixas de bigodes dos valores de PTV das amostras com seixo e das amostras com gnaisse para cada um dos tempos de desgaste (Figura 4.21). Da Figura 4.21 conclui-se que ao longo do tempo de desgaste as lajetas com gnaisse apresentam geralmente medianas dos valores de PTV superiores às das lajetas com seixo, acontecendo o mesmo para os valores do terceiro quartil. Excetuam-se os casos referentes aos Elza Ferreira Sardão 79

104 ESTUDO DE MISTURAS COM VÁRIOS TIPOS DE AGREGADOS BRITADOS tempos de 105, 110 e 130 minutos de desgaste para os quais se verifica uma tendência contrária. Para terminar a análise optou-se por construir um gráfico de dispersão com uma linha de tendência polinomial de grau 3 que permitisse verificar a evolução de PTV das amostras com seixo e com gnaisse ao longo do tempo, tal como apresentado na Figura * Outlier severo Outlier moderado Figura Caixa de bigodes com representação dos valores de PTV obtidos para as lajetas com seixo e com gnaisse, para cada um dos tempos de desgaste PTV Gnaisse Seixo: Seixo R²= 0,497 Tempo de desgaste em minutos PTV=82,811-0,420x+0,007x²-4, x 3 Gnaisse: R²= 0,495 PTV=87,458-0,495x+0,009x²-4, x 3 Figura Regressão polinomial comparativa da variação dos valores de PTV obtidos sobre lajetas com seixo e sobre lajetas com gnaisse em função do tempo de desgaste 80

105 ESTUDO DE MISTURAS COM VÁRIOS TIPOS DE AGREGADO BRITADO CAPÍTULO 4 As curvas apresentadas na Figura 4.22 apresentam uma tendência qualitativamente semelhante à geralmente verificada para pavimentos em serviço, à medida que aumenta o número de veículos que passam sobre eles. Em comparação com a curva de evolução do atrito transversal representada na Figura 3.10, esta tendência obtida em laboratório assemelha-se ao que acontece na fase A, na qual se verifica uma redução lenta e gradual de PTV. Comparando ambas as misturas testadas em laboratório, verifica-se que a mistura com gnaisse apresenta normalmente valores de PTV superiores aos da mistura com seixo, e que a diferença observada para os dois materiais diminui à medida que aumenta o tempo de desgaste produzido em laboratório. Na Figura 4.23 apresenta-se ainda uma comparação dos resultados obtidos, depois de 130 minutos de desgaste das lajetas, com os valores de PTV obtidos após 50 minutos de desgaste das lajetas que incorporavam agregados previamente sujeitos à ação abrasiva do equipamento de micro-deval. 80 PTV médio das zonas de desgaste Seixo Gnaisse PTV das lajetas após 130 minutos de desgaste PTV das lajetas com agregado sujeito a micro-deval Figura Comparação de resultados de PTV, após 130 minutos de desgaste das lajetas, com os resultados obtidos depois de 50 minutos de desgaste nas lajetas com agregados sujeitos a micro-deval Depreende-se da Figura 4.23 que os valores de PTV medidos sobre as lajetas com agregado de seixo, depois de submetidas a 130 minutos de desgaste, são inferiores aos observados para as lajetas do mesmo material depois de submetido a abrasão prévia (12000±10 voltas) no equipamento micro-deval, tal como era esperado ao analisar os valores de M DE obtidos em laboratório. Nas lajetas com gnaisse observou-se o inverso. Com base nestes resultados, pode afirmar-se que a abrasão do micro-deval reduziu mais o valor médio do atrito das lajetas com agregado de gnaisse que nas produzidas com seixo. - Análise de PTV na direção perpendicular à compactação A análise que se apresenta abaixo segue de muito perto a que se realizou para a direção da compactação, pelo que as explicações da metodologia apresentadas para esse caso mantêm-se válidas. Construiu-se um gráfico de dispersão para identificar uma possível relação linear entre os valores de PTV observados para as misturas fabricadas com gnaisse e com seixo (Figura 4.24). Elza Ferreira Sardão 81

106 ESTUDO DE MISTURAS COM VÁRIOS TIPOS DE AGREGADOS BRITADOS Da observação da Figura 4.24 é possível afirmar que não existe uma relação linear entre os valores de PTV obtidos para as misturas com seixo e com gnaisse. A maioria dos pontos pertencem ao semiplano superior, o que leva a concluir que a incorporação de gnaisse na mistura conduziu a valores de PTV superiores. Confirma-se, portanto, a tendência que já tinha sido verificada na Figura 4.9. Figura Gráfico de dispersão do parâmetro PTV medido na direção perpendicular à compactação O estudo da qualidade de ajustamento linear resume-se nos Quadros 4.15 a Quadro Qualidade de ajustamento de PTV das lajetas com seixo em função do tempo de desgaste Modelo R R² R² ajustado Desvio-padrão estimado PTV=86,783-0,673x 0,673 0,453 0,445 8,17399 x: tempo de desgaste Como R 2 é igual a 0,453, isso significa que 45,3% da variação de PTV é explicada pelo tempo de desgaste. Os resultados da análise da variância, ANOVA, são apresentados no Quadro

107 ESTUDO DE MISTURAS COM VÁRIOS TIPOS DE AGREGADO BRITADO CAPÍTULO 4 Quadro Teste de significância da regressão linear obtida para as lajetas com seixo Modelo Soma dos quadrados df Valor quadrático médio F Valor-p Regressão 3817, ,487 57,136 0,000 Resíduo 4610, ,814 Total 8427, O valor-p associado ao teste F é aproximadamente zero, pelo que se rejeita a hipótese nula, o que significa que não existe relação linear entre o PTV das lajetas produzidas com seixo e o tempo de desgaste. Quadro Qualidade de ajustamento de PTV das lajetas com gnaisse em função do tempo de desgaste Modelo R R² R² ajustado Desvio-padrão estimado PTV=88,453-0,674x 0,674 0,454 0,446 7,88826 x: tempo de desgaste Como R 2 é igual a 0,454, isso significa que 45,4% da variação de PTV é explicada pelo tempo de desgaste. Analisando a qualidade de ajustamento com base nos resultados da análise da variância, ANOVA, obtiveram-se os resultados que se mostram no Quadro Quadro Teste de significância da regressão linear obtida para as lajetas com gnaisse Modelo Soma dos quadrados df Valor quadrático médio F Valor-p. Regressão 3626, ,049 58,273 0,000 Resíduo 4355, ,225 Total 7981, Para as lajetas que incorporam gnaisse resulta um valor-p de aproximadamente zero, pelo que não existe uma relação linear entre o PTV das lajetas produzidas com gnaisse e o tempo de desgaste. A análise da normalidade da amostra fez-se através de testes de Kolmogorov-Smirnov, apresentando-se os resultados nas Figuras 4.25 e 4.26 e no Apêndice V (Quadros V.3 e V.4). Elza Ferreira Sardão 83

108 ESTUDO DE MISTURAS COM VÁRIOS TIPOS DE AGREGADOS BRITADOS Figura Histograma dos valores de PTV obtidos sobre lajetas com gnaisse PTV Uma vez que o valor-p é de 0,308, superior a 0,05, admite-se a normalidade da distribuição. PTV Figura Histograma dos valores de PTV obtidos sobre lajetas com seixo Como o valor-p é inferior a 0,05 (0,007), rejeita-se a hipótese nula, não podendo admitir-se a normalidade da distribuição. Pelas razões referidas, a propósito dos resultados medidos na direção da compactação, fez-se um estudo da média das médias dos valores de PTV, o qual se encontra no Apêndice VII (Quadros VII.5 e VII.6), tendo sido realizado quer para as lajetas de seixo, quer para as lajetas de gnaisse. Concluiu-se que não é de rejeitar a hipótese de normalidade da distribuição para ambos os grupos de lajetas avaliados. Desta forma, aplicou-se o teste t-student para comparação dos dois conjuntos de valores de PTV (amostras com seixo e com gnaisse). As hipóteses nula e alternativa são as seguintes: H 0 a média dos valores de PTV obtidos para as amostras com gnaisse é igual à média dos valores de PTV das amostras com seixo; H 1 os valores médios de PTV obtidos para os dois grupos são diferentes. Os resultados encontram-se representados nos Quadros 4.19 e

109 ESTUDO DE MISTURAS COM VÁRIOS TIPOS DE AGREGADO BRITADO CAPÍTULO 4 Quadro Análise estatística descritiva das variáveis de teste (PTV) Agregados grossos utilizados na produção das amostras Nº amostras Média Desvio-padrão Erro padrão da média Seixo 71 69, , ,29566 Gnaisse 72 71, ,6028 1,24955 Quadro Resultados do teste t-student Agregados grossos utilizados na produção das amostras t df Valor-p Diferença média Intervalo de confiança de 95% para a diferença Inferior Superior Seixo 53, ,000 69, , ,0066 Gnaisse 57, ,000 71, ,064 74,0471 Ao analisar os Quadros 4.19 e 4.20, verifica-se que o valor-p (0,000) é inferior ao nível de significância, logo a hipótese H 0 é rejeitada, ou seja, os coeficientes de atrito médios dos dois grupos são diferentes. Verifica-se também que o PTV médio das amostras com seixo é 69,4 e o PTV médio das amostras com gnaisse é 71,6. Para melhor análise visual dos resultados obtidos relativamente à comparação de médias foram construídas representações gráficas de caixa de bigodes, as quais se apresentam nas Figura 4.27 e Da análise da Figura 4.27 verifica-se que a mediana de PTV das lajetas com seixo é de 66. Abaixo desse valor de PTV das lajetas com seixo apresentam pouca variabilidade. No entanto, acima do percentil 50 os valores já apresentam maior variabilidade. No que se refere às amostras com gnaisse, estas apresentam uma mediana de 70. A variabilidade de PTV é aproximadamente semelhante entre o primeiro e terceiro quartis. Desta forma, conclui-se que as lajetas com gnaisse apresentam valores de PTV tendencialmente superiores aos obtidos para as amostras com seixo, embora entre o segundo e o terceiro quartis, os valores sejam mais elevados nas lajetas com seixo que nas lajetas com gnaisse. Nos Quadros VII.7 e VII.8 do Apêndice VII e respetivos comentários, apresenta-se ainda uma análise similar à que se fez anteriormente, mas utilizando os conjuntos de nove valores médios no caso do gnaisse e de dez valores médios no caso do seixo, um para cada tempo de desgaste. As conclusões a que se chegou corroboram as assinaladas acima. Elza Ferreira Sardão 85

110 ESTUDO DE MISTURAS COM VÁRIOS TIPOS DE AGREGADOS BRITADOS PTV Seixo Gnaisse Figura Caixa de bigodes com representação dos resultados do parâmetro PTV para as lajetas com seixo e com gnaisse Para comparar a evolução dos valores de PTV do gnaisse e do seixo ao longo do tempo com as sucessivas ações de desgaste induzidas em laboratório, realizou-se a representação gráfica das caixas de bigodes de PTV das amostras com seixo e com gnaisse, para cada um dos tempos de desgaste (Figura 4.28). Da Figura 4.28 conclui-se que ao longo do tempo de desgaste as lajetas com gnaisse apresentam geralmente medianas dos valores de PTV superiores às apresentadas pelas lajetas com seixo, acontecendo o mesmo para os valores do terceiro quartil. Excetuam-se os casos referentes aos tempos de 100, 105 e 110 minutos de desgaste em que se verifica a tendência contrária. Quando se analisa o terceiro quartil verifica-se que ao longo do tempo de desgaste os valores de PTV das lajetas com gnaisse são superiores aos apresentados pelas que incorporam seixo, à exceção dos resultados observados após 50 e 105 minutos de desgaste, nos quais se verifica uma tendência contrária. Para terminar a análise construiu-se um gráfico de dispersão com uma linha de tendência polinomial de grau 3 que permitisse verificar a evolução de PTV das amostras com seixo e com gnaisse ao longo do tempo, tal como se mostra na Figura

111 ESTUDO DE MISTURAS COM VÁRIOS TIPOS DE AGREGADO BRITADO CAPÍTULO 4 * Outlier severo Outlier moderado Figura Caixa de bigodes com representação dos valores de PTV obtidos para as lajetas com seixo e com gnaisse, para cada um dos tempos de desgaste As curvas apresentadas na Figura 4.29 apresentam um traçado semelhante ao obtido para a variação dos valores de PTV na direção da compactação. De forma semelhante, verifica-se que a mistura com gnaisse apresenta geralmente valores de PTV superiores aos da mistura com seixo e que essa diferença quase se anula para tempos de desgaste entre 25 e 50 minutos, diminuindo novamente de forma substancial após 100 minutos de desgaste. No geral, as curvas apresentadas na Figura 4.29 têm pequenas diferenças. Seixo: PTV Seixo Gnaisse R²= 0,480 PTV=86,800-0,440x+0,006x²-3,412 *10-5 x 3 Gnaisse: R²= 0,485 PTV=89,4701-0,543x+0,008x²-3,935 *10-5 x 3 Tempo de desgaste em minutos Figura Regressão polinomial comparativa da variação dos valores de PTV obtidos sobre lajetas com seixo e sobre as lajetas com gnaisse em função do tempo de desgaste Elza Ferreira Sardão 87