Departamento de Engenharia Civil e Arquitectura Secção de Urbanismo, Transportes, Vias e Sistemas Mestrado Integrado em Engenharia Civil Construção e Manutenção de Infra-estruturas de Transportes GUIA DE LABORATÓRIO Prof. José Neves Lisboa, Abril de 2008
Mestrado Integrado em Engenharia Civil Construção e Manutenção de Infra-estruturas de Transportes GUIA DE LABORATÓRIO 1 Objectivos e âmbito As aulas de laboratório da disciplina de Construção e Manutenção de Infra-estruturas de Transportes, do Mestrado em Engenharia Civil do Instituto Superior Técnico, têm o objectivo principal de proporcionar aos alunos o contacto com alguns dos principais ensaios de caracterização e desempenho de materiais utilizados na construção de pavimentos de infra-estruturas de transportes. Com estas aulas, os alunos deverão: Reconhecer a importância da actividade experimental no controlo de qualidade das obras de infra-estruturas de transportes. Identificar e descrever as principais propriedades geométricas, físicas e mecânicas dos materiais mais correntes na pavimentação. Conhecer os equipamentos e as técnicas dos ensaios abordados nas aulas. Analisar e interpretar os resultados dos ensaios. Este guia destina-se aos alunos e constitui um documento orientador no que diz respeito nomeadamente à organização, conteúdos e avaliação das aulas de laboratório. 2 Organização São leccionadas 2 aulas que permitirão aos alunos presenciar e simular ensaios, quer de laboratório quer realizados no próprio pavimento: Aula N.º 1 Ensaios de caracterização física e mecânica de betumes e de misturas betuminosas a quente. Aula N.º 2 Ensaios de caracterização da textura e do atrito de pavimentos. Página 1 de 12
As aulas são realizadas no Laboratório de Vias de Comunicação e Transportes (LVCT) do Departamento de Engenharia Civil e Arquitectura, (Sala 01.10 do Piso 01, Pavilhão de Civil). A calendarização das aulas de laboratório está definida no planeamento das aulas proposto em cada ano lectivo para a disciplina. A presença nas aulas é recomendada aos alunos e será tida em conta na avaliação da componente prática da disciplina. 3 Conteúdos 3.1 Conteúdo da Aula N.º 1 a. Apresentação e breve descrição das propriedades de materiais de pavimentação mais correntes: a.1. a.2. a.3. Solos e solos tratados Agregados naturais e britados Misturas betuminosas b. Descrição do equipamento, técnica e resultados de ensaios de betumes: b.1. Ensaio de penetração (EN 1426) b.2. Ensaio de determinação da temperatura de amolecimento (método do anel e bola) (EN 1427) c. Descrição do equipamento, técnica e resultados de ensaios de misturas betuminosas a quente: c.1. Ensaio Marshall (EN 12697-34) ANEXO A 3.2 Conteúdo da Aula N.º 2 Descrição do equipamento, técnica e resultados de ensaios de medição de propriedades da superfície de pavimentos: Página 2 de 12
1. Medição da profundidade da macrotextura da superfície de pavimentos pela técnica volumétrica da mancha (EN 13036-1) ANEXO B 2. Medição da resistência ao deslizamento de uma superfície. Ensaio do pêndulo (EN 13036-4) NOTA: os ANEXOS A e B contêm um resumo dos correspondentes métodos de ensaio e são apresentados na parte final deste guia. Apenas se apresenta os resumos do ensaio Marshall e do ensaio de medição da profundidade da macrotextura da superfície de pavimentos pela técnica volumétrica da mancha porque só estes ensaios são objecto de avaliação, conforme se refere seguidamente. 4 Avaliação A avaliação das aulas de laboratório faz parte do trabalho de grupo. Cada grupo receberá resultados dos seguintes ensaios: Aula N.º 1 Ensaio Marshall. Aula N.º 2 Ensaio de medição da profundidade da macrotextura da superfície de pavimentos pela técnica da mancha de areia. Com estes dados, os alunos procederão ao preenchimento do respectivo boletim de ensaio, realizando todos os cálculos necessários à expressão dos resultados. Será elaborado um relatório de síntese que apresenta os cálculos e comenta os resultados obtidos nos ensaios (limite máximo de 2 páginas A4). Este relatório, conjuntamente com os boletins de ensaio, fará parte do trabalho de grupo (Volume 2). Bibliografia EN 1426:2007. Bitumen and bituminous binders. Determination of needle penetration. CEN. European Committee for Standardization. EN 1427:2007. Bitumen and bituminous binders. Determination of the softening point. Ring and Ball method. CEN. European Committee for Standardization. EN 12697-34:2004. Bituminous mixtures Test methods for hot mix asphalt Part 34: Marshall test. CEN. European Committee for Standardization. Página 3 de 12
EN 13036-1:2001. Road and airfield surface characteristics Test methods Part 1: Measurement of pavement surface macrotexture depth using a volumetric patch technique. CEN. European Committee for Standardization. EN 13036-4:2003. Road and airfield surface characteristics Test methods Part 4: Method for measurement of slip/skid resistance of a surface The pendulum test. CEN. European Committee for Standardization. Página 4 de 12
ANEXO A EN 12697-34: 2004 Bituminous mixtures Test methods for hot mix asphalt Part 34: Marshall test (Ensaio Marshall) 1 Objectivo, campo de aplicação e conceitos O ensaio Marshall aplica-se ao betão betuminoso, mistura betuminosa fabricada a quente, e destina-se a determinar a estabilidade, deformação e quociente Marshall de provetes de misturas betuminosas: Estabilidade (S) é a resistência máxima à deformação, em kilonewtons (kn), de um provete moldado de mistura betuminosa; Deformação (F) é a diferença em milímetros (mm) entre a deformação na rotura do provete e a deformação obtida extrapolando, até zero a tangente do gráfico da carga função da deformação (A a M na Figura A.1); Deformação tangencial (F t ) é a diferença em milímetros (mm) entre a deformação do provete obtida por extrapolação da tangente do gráfico da carga função da deformação até à força de rotura e a deformação obtida por extrapolação da tangente até ao valor zero da carga (A a B na Figura A.1); Quociente Marshall é o rácio da estabilidade, S, à deformação, F, S/F (Figura A.1) A Figura A.1 é uma representação gráfica das definições relativas à estabilidade, S (1), fluxo, F (3), e ao fluxo tangencial, F t. A tangente é representada por (2). Os provetes Marshall são compactados com o compactador de impacto. A estabilidade Marshall, a deformação e o quociente são determinados e registados conjuntamente com a massa volúmica do provete. 2 Equipamento Máquina de compressão com capacidade mínima recomendada de 28 kn e capaz de aplicar cargas aos provetes a uma taxa de deformação de (50±2) mm/min após Página 5 de 12
um período transitório inferior a 20% do tempo de carga. A taxa de deformação deverá ser mantida constante. S, kn B M 1 2 0 A B M F t 3 F, mm Figura A.1 Dispositivo para medição da deformação, com capacidade para determinar a deformação com exactidão de 0,1mm. Dispositivo gráfico: dispositivo para avaliação da curva de força em função da deformação, como por exemplo, plotter de gráficos, gravador em banda ou um programa de computador. Estabilómetro Marshall. Banho-maria, com profundidade mínima de 150mm e capaz de manter a água à temperatura de (60±1) ºC. Este banho deve ter um fundo falso perfurado ou prateleira que garanta a suspensão dos provetes de ensaio a pelo menos 25mm do fundo do banho, permitindo uma altura mínima de água de 25mm acima do topo dos provetes. As dimensões do banho-maria devem permitir a colocação dos provetes com a parte superior voltada para baixo e sem contacto directo uns com os outros. Deve ter um dispositivo que assegure circulação contínua da água. Termómetro, capaz de medir a temperatura de 60ºC com exactidão de 0,5ºC. Estufa, capaz de manter a temperatura de (110±5) ºC. 3 Procedimento 3.1 Os provetes deverão ser compactados com compactador de impacto para que sejam aplicadas 50 pancadas em cada face do provete, dentro do intervalo de variação Página 6 de 12
da temperatura definido. Os provetes compactados devem ser retirados dos moldes e arrefecidos ao ar de forma a evitar qualquer deformação. Após desmoldagem, esperar pelo menos 4h antes de se darem início aos ensaios. Todos os ensaios devem ser completados até 32h após a desmoldagem. Deve ser determinada a baridade e medida a altura de cada provete. 3.2 Os provetes cilíndricos são mergulhados, sobre a sua superfície lisa, no banhomaria durante pelo menos 40 min e não excedendo os 60 min. Manter a temperatura da água do banho-maria a (60±1) ºC. 3.3 Limpar cuidadosamente os eixos guia e as superfícies internas do estabilómetro Marshall. Lubrificar os eixos guia de forma a assegurar que a peça superior do estabilómetro Marshall deslize livremente sobre estes. 3.4 Preparar o estabilómetro Marshall pré-aquecendo-o durante pelo menos 30 min. a (60±1)ºC no banho-maria ou durante uma hora na estufa. Esta acção deve ser efectuada no início de cada ensaio que envolva um lote de provetes não superior a 12, em número. No caso de um atraso superior a 3 min. entre ensaios consecutivos de dois provetes, o estabilómetro Marshall deverá ser aquecido numa estufa adequada ou num banho-maria mantido à temperatura de ensaio. O período mínimo de re-aquecimento deve igual ao menor atraso verificado acrescido de 30 minutos quando aquecido num banho de água, ou o dobro deste quando aquecido num forno. 3.5 Remover o provete de ensaio do banho-maria e colocá-lo de lado no centro do estabilómetro Marshall de forma a assegurar um bom contacto da superfície do provete com a superfície do estabilómetro. Colocar o conjunto no centro da máquina de ensaio. Antes da execução do ensaio em cada um dos provetes, o estabilómetro Marshall deve ser limpo conforme estabelecido. Poderá ser utilizado um solvente ambientalmente adequado para limpeza devendo ser aplicado um spray de silicone para evitar a adesão dos provetes à superfície de contacto do estabilómetro Marshall. 3.6 Aplicar a carga ao provete de ensaio de forma a atingir-se uma taxa de deformação constante de (50±2) mm/min tendo em consideração o período de transição. Manter a aplicação desta carga até ser obtida a leitura máxima no dispositivo de medição de cargas. Registar a carga indicada. Esta fase do ensaio deve ser executada dentro de 40s após a remoção do provete do banho-maria. Medir também a distância até 0,5mm, a Página 7 de 12
partir da intersecção da tangente e a linha de base até ao ponto em que é atingida a carga máxima. Os ensaios devem ser executados num grupo de quatro provetes. 4 Resultados A carga máxima atingida representa a estabilidade da mistura apenas nos casos em que a altura do provete seja igual a 63,5mm, tal como definido. Deve ser apresentado um valor de estabilidade corrigido através da multiplicação da carga máxima pelo factor de correcção calculado a partir das seguintes equações: c 0,0258 h = 5,2 e ou c = 5,24 e 0,0032 V em que: c é o factor de correcção h é a altura em milímetros (mm) v é o volume do provete, em mililitros (ml) A estabilidade, S, é apresentada arredondada a 0,1 kn. As correcções das alturas dos provetes que não estejam entre 60,5mm e 66,5mm poderão levar a resultados pouco precisos. Registar os valores de deformação, F e F t, arredondados a 0,1mm. Os resultados dos ensaios devem ser considerados como fiáveis se a variação na estabilidade entre provetes, Vs, for inferior a 15% e a variação na deformação entre provetes, Vf, for inferior a 20%. Se os valores de um ou mais provetes divergirem da média em mais de 15% relativamente à estabilidade e em mais de 20% relativamente à deformação, rejeitar o provete de ensaio que apresente a maior variação e calcular o valor médio dos outros provetes. Para além disso, se algum valor divergir da nova média em mais de 15% relativamente à estabilidade e em mais de 20% relativamente à deformação, repetir o ensaio. O quociente Marshall deve ser obtido através do cálculo S/F e apresentado o valor obtido arredondado a 0,1 kn/mm. Página 8 de 12
ANEXO B EN 13036-1: 2001 Road and airfield surface characteristics Test methods Part 1: Measurement of pavement surface macrotexture depth using a volumetric patch technique (Medição da profundidade da macrotextura da superfície de pavimentos pela técnica volumétrica da mancha) 1 Objectivo, campo de aplicação e conceitos O ensaio destina-se à medição da profundidade da macrotextura da superfície de pavimentos pela técnica volumétrica da mancha e consiste no espalhamento cuidadoso de um volume conhecido de pequenas esferas de vidro de diâmetro normalizado na superfície do pavimento e subsequente medição da área total abrangida. Este ensaio é uma versão actualizada do ensaio conhecido por mancha de areia, anteriormente realizado com areia de granulometria obtida por passagem em peneiros normalizados. Este ensaio consiste em de terminar a profundidade média de textura macrotextura da superfície de pavimento testada: Profundidade média de textura (macrotextura), MTD, expressa em mm, resulta do quociente entre o volume de material espalhado na superfície do pavimento (V) e a área total abrangida com geometria aproximadamente circular de diâmetro D (A) (Figura B.1). D Superfície do pavimento MTD Esferas de vidro/areia Figura B.1 Página 9 de 12
2 Equipamento Ecrã portátil de protecção do vento e da passagem do tráfego. Recipiente com pequenas esferas de vidro normalizadas. Disco de espalhamento do material, com aproximadamente 25mm de espessura e 60mm a 75mm de diâmetro, com superfície de espalhamento em borracha dura. Escovas para limpeza da superfície do pavimento, de pêlo rígido e macio. Proveta cilíndrica, metálica ou plástica, com capacidade mínima de 25 000mm 3 (25ml). Régua com pelo menos 300mm de comprimento, com divisão mínima de 1mm. 3 Procedimento 3.1 Realizar a inspecção visual da superfície do pavimento e seleccionar um local de ensaio seco, homogéneo e sem degradações, como por exemplo fissuras ou juntas. Proceder à limpeza da superfície com o auxílio das escovas. Colocar o ecrã portátil de protecção à volta do local de ensaio. 3.2 Encher a proveta com o material seco esferas de vidro normalizadas e bater levemente a base da proveta numa superfície rígida. Adicionar mais material até encher completamente a proveta com o volume pretendido (V). 3.3 Verter o volume de material da proveta na superfície de ensaio limpa. Espalhar cuidadosamente o material numa mancha circular, com o disco, preenchendo totalmente os vazios da superfície com as pequenas esferas normalizadas. Pressionar levemente com a mão, o suficiente para garantir que o disco espalha o material, até que o disco toca nos topos da superfície das partículas de agregado. 3.4 Medir e registar o diâmetro da área circular coberta pelo espalhamento do material em pelo menos quatro locais igualmente espaçados à volta da circunferência. Calcular e registar o diâmetro médio (D). 3.5 O mesmo operador deve repetir o ensaio em pelo menos quatro locais, aleatoriamente distribuídos num dado tipo de superfície de ensaio. A média aritmética dos valores individuais deve ser considerada como a profundidade média de textura (macrotextura) da superfície do pavimento ensaiada. Página 10 de 12
4 Resultado A profundidade média de textura (macrotextura), MTD, é calculada pela seguinte equação: 4 V MTD = π D 2 em que: MTD é a profundidade média de textura (macrotextura), em milímetros (mm) V é o volume de material espalhado (volume interno da proveta), em milímetros cúbicos (mm 3 ) D é o diâmetro médio da área coberta pelo material, em milímetros (mm) Página 11 de 12