Ensaio de determinação da resistência à perfuração em profundidade

A) Equipamento de ensaio

Este ensaio foi realizado com o equipamento designado por Sistema de Medição do Ensaio de Resistência à Perfuração (SMERP), traduzido da designação original Drilling Resistance Test Measurement System (DRTMS). Foi desenvolvido para caracterização do estado de alteração e avaliação da eficácia de tratamentos na pedra aplicada no património edificado, no âmbito do projecto europeu de investigação HardRock (Tiano et al., 2000). Deste projecto resultaram um protótipo e seis aparelhos para investigação, produzidos pela firma SINT Technology S.r.l.. Actualmente, a versão do equipamento disponível no mercado também é produzida por esta firma (Figura 4.14).

(a)

(b)

Figura 4.14 Equipamento DRTMS: a) Ensaio num paramento de edificado monumental; b) Ensaio no Laboratório da Pedra do Departamento de Conservação e Restauro.

O dispositivo principal de ensaio consiste num berbequim que permite a medição quasi contínua em profundidade, cada 0,1 mm, da força axial (W) e em alguns aparelhos, do torque (T) aplicados

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numa broca quando esta efectua a microperfuração da pedra por rotação. A célula de carga pode efectuar a medição de valores de força até 100 N e a célula de torque permite a medição de valores de torque até 500 Nmm. A perfuração é efectuada sob controlo dos seguintes parâmetros registados pelo equipamento: velocidade de rotação, entre 0 e 1200 rpm; velocidade de avanço ou de penetração, entre 1 e 20 mm/min.

As brocas utilizáveis podem ter diâmetros entre 1 e 8,5 mm, respectivamente para rochas muito resistentes e para rochas muito brandas. As brocas utilizadas geralmente têm um diâmetro de 5 mm e a profundidade máxima alcançável por perfuração é de 50 mm. As ponteiras podem ser triângulares, feitas de tungsténio (ângulo de bevel de 130º) ou de placas de diamante policristalino para ensaios em rochas abrasivas.

O equipamento restante é constituído por: um tripé na versão protótipo; um suporte para amostras para fixar ao berbequim, adequado para realizar ensaios em laboratório; cabos de ligação e um laptop portátil com software instalado que permite operar o berbequim, registar e processar toda a informação obtida nos ensaios.

Os resultados dos ensaios são curvas de deslocamento, em milímetros, registados durante a perfuração realizada pela broca, nas abcissas e de forças medidas, actuantes na broca, em N, nas ordenadas. Quando se encontra disponível a modalidade de medição do torque, os valores deste também surgem em curvas nas ordenadas. O software do equipamento permite apresentá-las no écran do laptop, assim como proceder ao cálculo da força média por furo, num determinado troço, e.g., entre 2 e 8 mm. Não se considera o primeiro milímetro de perfuração no cálculo da média das forças por ser esse o comprimento aproximado da ponteira e por esse troço reflectir a acomodação da mesma.

O software referido também torna possível a exportação dos resultados para ficheiros Excel de modo a permitir a reconstituição das curvas e os cálculos necessários.

Nos ensaios efectuados, no âmbito da presente tese, foi utilizada a versão comercial do equipamento produzida pela firma SINT (Figura 4.14) e as brocas seleccionadas foram as de ponteira de diamante produzidas pela firma Diaber. Esta versão do equipamento, disponível no Laboratório da Pedra do Departamento de Conservação e Restauro, difere da versão produzida para o HardRock (Tiano et al., 2000), descrita acima e referida em Ludovico Marques e Delgado Rodrigues (2002a, 2002b). Foi concebida para realizar ensaios em superfícies de elementos construtivos no próprio edificado (Figura 4.14): o apoio do berbequim que é um tripé na versão protótipo, foi substituído por uma vara telescópica na versão comercial, o que requere a presença permanente de um operador a segurá-la durante os ensaios e não permite realizá-los em provetes no laboratório.

Para se conseguir tal intento, tornou-se necessário adoptar um suporte que conferisse estabilidade ao berbequim (Figura 4.14). Consiste num cilindro de 30 cm de altura, no topo do qual se solidarizou uma estrutura metálica na devida horizontalidade com um sistema de fixação ao berbequim por parafuso adequado. Adoptaram-se varões roscados com maior comprimento, para fixação dos discos

efectuar correlações com resultados de parâmetros provenientes de ensaios triaxiais (Exadactylos et

al., 2000; Stavropoulou, 2006).

B) Método de ensaio

Os provetes foram submetidos a secagem prévia em estufa a 60º ± 1º C, durante o período de tempo necessário para que duas pesagens sucessivas com intervalo de 24 horas não diferissem mais de 0,1% de massa. Finda a secagem foram colocados em exsicador com sílica gel, para arrefecerem, à temperatura ambiente. Procedeu-se depois à instalação no porta amostras do equipamento e ensaiaram- -se provetes diversos das várias tipologias de arenitos, fixando-se diversos parâmetros de velocidade de rotação e de penetração, em furos com cerca de 10 mm de profundidade. Destes ensaios preliminares concluiu-se que os valores dos parâmetros mais adequados, para se obter uma caracterização em termos de resistências, de um espectro amplo de tipologias (B, C e M), foram 600 rpm e 10 mm/min. Estas constantes, porém, conduziram a valores de força medida, menores em todo o espectro de resistências à perfuração. Se nas variedades pétreas de resistência mais elevada (B), só assim foi possível obter resultados, nas de menor resistência (M), os valores foram registados numa escala que não permite ter sensibilidade a diferenças por variações do estado de alteração ou por consolidação aplicada. Assim, verificou-se que os valores de parâmetros de 200 rpm e 20 mm/min cumpriram melhor aqueles requisitos, aliás como já se constatara nos ensaios efectudos em tufos vulcânicos de baixa resistência (Ludovico Marques e Delgado Rodrigues, 2002 a,b).

Nas rochas abrasivas mesmo as ponteiras de diamante das brocas são objecto de desgaste no decorrer da perfuração contínua, i.e. com o aumento do comprimento de perfuração. No âmbito do projecto HardRock (Tiano et al.,2000), preconizou-se inicialmente que para se proceder ao controlo deste fenómeno, devia-se tomar um material como referencial e efectuar neste os primeiros furos da série. Depois com a continuação da perfuração, devia-se voltar a efectuar furos no material de referência, intervalados com furos noutros materiais e avaliar pela média das forças e pela configuração das curvas de ensaio a existência de desgaste e proceder à sua avaliação. Para o efeito foi criado um material cerâmico, designado ARS. Porém devido a alguns problemas resultantes de uma não total homogeneidade no material produzido, começou-se a perceber a dificuldade na criação de

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um material de referência universal. Aliás, no âmbito desse mesmo projecto, Singer et al. (2000) preconizam que a correcção do desgaste da broca fosse efectuada por uma regressão linear estabelecida em função dos valores de força medidos e do comprimento total perfurado. Os valores de força medidos seriam então corrigidos pelo factor de correcção assim obtido. Exemplificam a aplicação da correcção em oito furos realizados numa parede de alvenaria, no litótipo de arenitos

Sander, existente no mosteiro de Birkenfeld. O cômputo dos valores de força medidos, corrigidos do

desgaste da broca foi efectuado pela seguinte expressão:

Fc = Fnc – Cf . Ldb (4.14)

Sendo Fc a força corrigida;

Fnc a força não corrigida;

Cf o factor de correcção;

Ldb o comprimento total percorrido antes da posição actual.

Delgado Rodrigues et al. (2002), Ferreira Pinto (2002), Ludovico Marques e Delgado Rodrigues (2002 a, b), preconizaram que o material de referência seja o próprio litótipo a ser ensaiado, mantendo- se sempre a mesma broca por provete ou mesmo litótipo no conjunto de furos realizados. Delgado Rodrigues e Costa (2004) reportaram dados obtidos na realização de uma série de 20 furos com 1 cm de profundidade cada, no litótipo arenítico Sander. Referiram que foram efectuados dois furos no material ARS por cada cinco efectuados no Sander. Os valores médios de força foram calculados no intervalo compreendido entre 2 e 8 mm. Os resultados indicam inequivocamente que a taxa de desgaste da broca no Sander foi muito superior à do ARS, apesar da resistência inicial nos dois materiais ser similar. Concluíram ser absolutamente claro que a taxa de desgaste da broca determinada no ARS não é apropriada para a correcção dos valores no arenito Sander.

O valor de resistência à perfuração propriamente dito σd é obtido pela divisão da força média

determinada, pela área transversal da broca.

Os valores medidos de resistência à perfuração podem ser afectados por diversos factores de cariz dimensional, geométrico, material (composição das ponteiras, dos provetes e em termos de textura e arranjo geométrico espacial), atrítico (entre a ponteira e a pedra), operacional (constantes seleccionadas do equipamento).