Ensaios de caracterização dos betumes

Para produção das duas misturas betuminosas em estudo foram utilizados dois betumes com características distintas, um betume 50/70 convencional e um betume modificado com borracha. Estes materiais têm uma grande influência no comportamento à deformação permanente, e por isso fez-se a sua caracterização básica como se descreve em seguida.

3.2.1.1 Ensaio de penetração

O ensaio de penetração foi realizado de acordo com a norma europeia EN 1426 e consiste em preparar uma amostra de betume num recipiente apropriado, que depois é colocada num banho de água com temperatura controlada a 25 ºC. Finamente, a amostra é levada a ensaio onde é penetrada 3 vezes, durante 5 segundos, por uma agulha padronizada (em termos de dimensão e peso) num aparelho adequado denominado de penetrómetro (Figura 17). Para

Figura 17 – Ensaio de penetração

3.2.1.2 Ensaio de anel e bola

O ensaio de anel e bola foi realizado de acordo com a norma europeia EN 1427 e permite determinar o ponto de amolecimento, isto é, a temperatura necessária para que uma esfera metálica padronizada atravesse um anel padronizado (perfeitamente cheio com o ligante betuminoso), e toque na placa de referência após ter percorrido uma distância de 25,4 mm (Figura 18). Este ensaio tem uma relação mais direta com a resistência das misturas à deformação permanente, podendo considerar-se que essa resistência diminui drasticamente depois do betume começar a fluir quase livremente (temperatura de amolecimento).

3.2.2 Ensaio de pista

3.2.2.1 Descrição

O ensaio de pista para avaliação da resistência à deformação permanente (na nomenclatura anglo-saxónica wheel-tracking test ou WTT) consiste no movimento de uma roda sobre uma lajeta com mistura betuminosa fixa na mesa de ensaio, e encontra-se normalizado a nível europeu (EN 12697-22). A mesa sob a roda, ou a roda sobre a mesa, move-se da frente para trás (e vice-versa) enquanto um dispositivo de monitorização mede a variação da deformação permanente que ocorre na superfície da amostra. A mesa de ensaio deve permitir um provete de diâmetro mínimo de 200 mm. A linha do eixo da roda não pode distar mais de 5 mm do centro teórico da amostra. A temperatura deverá ser a desejada para realização do ensaio, com um erro máximo de 1 ºC.

Para a preparação laboratorial da amostra, o procedimento de ensaio remete para a norma EN 12697-35 (procedimento utilizado neste trabalho) ou para uma mistura betuminosa obtida in situ, a qual deverá ser obtida de acordo com a norma EN 12697-27. Relativamente ao acondicionamento da temperatura de amostras de grande tamanho, a temperatura do ar tem de ser medida usando uma sonda instalado no lado da parece do molde, e não deverá exceder os 75 ºC se a temperatura for de 60 ºC ou menos, assim como não deverá exceder a temperatura do ensaio em mais de 15 ºC se o ensaio for realizado a mais de 60 ºC.

A amostra deverá estar nas condições de ensaio (temperatura) num período de 12 a 16 horas antes do ensaio. Para amostras de tamanho extra grande o provete deverá estar nestas condições durante 14 a 18 horas antes do ensaio. Para amostras de tamanho pequeno (como as utilizadas neste trabalho), se estas forem testadas em ar (procedimento A ou B), serão condicionados para a temperatura de ensaio num período mínimo de 4 horas, caso as amostras tenham uma espessura nominal menor ou igual a 60 mm, ou um mínimo de 6 horas se as amostras tiverem uma espessura nominal superior a 60 mm, e num máximo de 24 horas.

No que concerne à obtenção de resultados através do ensaio de pista podem-se descrever dois procedimentos. Seguindo o procedimento A, a monotorização da deformação permanente é realizada por um sensor de deslocamento, o qual mede o deslocamento vertical no provete.

da área de carga no ponto central. Neste procedimento, a posição vertical da roda é lida sem parar o ensaio, o qual é realizado durante 10 mil ciclos ou até a deformação permanente exceder 20 mm. Na Figura 19, apresenta-se o equipamento disponível no laboratório de Engenharia Civil da Universidade do Minho, utilizado no presente estudo, o qual permitiu realizar ensaios em amostras de tamanho pequeno, ensaiadas em ar, pelo procedimento B.

Figura 19 – Equipamento para a realização do ensaio de pista

3.2.2.2 Parâmetros de ensaio e instrumentação

Na execução deste ensaio foram utilizadas cinco lajetas, as quais foram sujeitas a diferentes temperaturas e velocidades (ou seja, frequências) pré-estabelecidas durante 10 mil ciclos, de modo a estudar o efeito da variação desses parâmetros. As frequências utilizadas foram 1 Hz e 0,3 Hz e as temperaturas adotadas foram 30 ºC e 50 ºC. Importa salientar que os valores adotados para a temperatura e a frequência basearam-se nas condições existentes em Portugal. A mesa realizou um deslocamento linear de vaivém com 23 cm e a roda aplicou uma solicitação vertical de 700 N.

Neste estudo o procedimento adotado foi o procedimento B, e os provetes utilizados apresentavam dimensões aproximadas de 30cm×30cm×4cm (Figura 20). Para a medição da deformação permanente, além do sensor existente no topo da roda do ensaio de pista (designado neste estudo por sensor externo), foram ainda adicionados dois sensores colocados em contacto com o provete de ensaio (lajeta), como se ilustra na Figura 21, que acompanham de forma contínua a deformação que ocorre no centro da lajeta. Estes sensores foram

fundamentais para se conseguir obter as bacias de deformação que indicam a deformação no centro da lajeta (sensor) em função da distância a que está a carga da roda.

Figura 20 – Geometria do provete do ensaio de pista

Figura 21 – Esquema dos sensores colocados no ensaio de pista

Os sensores colocados no interior da máquina (Figura 22), em contato com a lajeta, são designados neste estudo por sensores internos, e para a sua colocação foi necessária a introdução de duas placas de alumínio coladas às paredes que mantêm a lajeta confinada. Esses sensores estão em contacto com uma placa metálica inserida dentro da mistura, no centro da laje e na zona de passagem do rodado, que está perfeitamente ligada a esta.

Figura 22 – Sensores internos colocados no ensaio de pista

Finalmente, de modo a registar a posição horizontal da roda na lajeta em ensaio, integrou-se no equipamento de ensaio um potenciómetro (Figura 23). Este dispositivo foi colado à parede do equipamento de ensaio e a extremidade oposta na mesa com a lajeta em movimento. Este sensor também é fundamental para se obter, em conjunto com os sensores de deslocamento internos, as bacias de deformação das misturas.

Figura 23 – Potenciómetro para leitura da posição da lajeta

3.2.3 Ensaio triaxial

3.2.3.1 Descrição

O ensaio tem como objetivo a determinação da resistência à deformação permanente de um provete cilíndrico representativo de uma mistura betuminosa submetido a carregamento cíclico, e encontra-se normalizado na Europa pela norma EN 12697-25. Este ensaio também

permite determinar o módulo de elasticidade da mistura betuminosa nas condições de ensaio utilizadas (temperatura e frequência). O provete pode ser preparado em laboratório ou retirado do pavimento. No caso deste trabalho o provete foi realizado no laboratório.

Para a realização do ensaio, o provete é mantido a temperatura constante e colocados entre dois pratos paralelos. Durante o ensaio, o provete é submetido a uma tensão cíclica axial (sobre confinamento lateral constante através de um sistema constituído por uma bomba de vácuo e uma camisa de latex) e é registada a alteração de altura em função do número de solicitações (ciclos de carregamentos), assim como a deformação radial do provete. A bomba de vácuo (Figura 24) foi programada para obter o confinamento desejado (50 kPa), seguindo as indicações da EN 12697-25.

Figura 24 – Equipamento para o controlo do confinamento associado a uma bomba de vácuo

Os resultados destes ensaios triaxiais permitem calcular a evolução da extensão axial cumulativa em função do número de cargas aplicadas, bem como o módulo de deformabilidade em cada ciclo de carga. Na Figura 25 ilustra-se o sistema disponível no laboratório de pavimentos da Universidade do Minho para a realização do ensaio triaxial.

Figura 25 – Equipamento para a realização do ensaio triaxial

3.2.3.2 Parâmetros de ensaio e instrumentação

O ensaio foi realizado a partir de amostras de misturas betuminosas realizadas no laboratório, obtidas com a ajuda de uma caroteadora para amostras cilíndricas com 10 cm de diâmetro extraídas duma laje com 10 cm de altura (Figura 26). A altura dos provetes esteve limitada pelo curso máximo da máquina utilizada para realização dos ensaios.

Figura 26 – Exemplos de (a) provete de ensaio e (b) laje após carotagem

O ensaio é efetuado num equipamento apropriado (Figura 27) para realizar carregamentos cíclicos de compressão e de descompressão, sendo que neste estudo foram aplicados 10 mil ciclos. O provete foi colocado entre duas placas de plástico, e de seguida foi colocada a

membrana de látex (presa em ambas as extremidades por o-rings). Este conjunto foi de seguida ligado a uma bomba de vácuo para se aplicar a tensão de confinamento desejada.

Figura 27 – Máquina utilizada para o ensaio triaxial

A instrumentação do provete pretende medir localmente as deformações ocorridas durante a aplicação cíclica da solicitação, e foi realizada através de 4 sensores (Figura 28) colocados de forma a se poder medir a deformação horizontal (radial) e vertical (axial), complementado com a medição do sensor externo do atuador axial do sistema de aplicação de carga. O cálculo realizado para as extensões, axial e radial, foram realizados tendo em conta as Equações 4 e 5.

= (4)

Pode dizer-se que à medida que o provete perde volume ocorre uma maior deformação, tanto para a extensão axial como para a extensão radial. Para a extensão axial a altura, L, utilizada dependeu, de provete para provete, da altura do provete e/ou da distância entre os sensores verticais. O cálculo da tensão aplicada também é fundamental para o estudo a realizar e foi feito pela Equação 6, onde a máxima tensão aplicada é de 200 kPa.

( ) = ( ) (6)

= ( )

4 ANÁLISE DOS RESULTADOS

No decorrer deste trabalho foi efetuada uma campanha experimental alargada com o intuito de realizar análises comparativas entre os resultados da evolução da deformação permanente obtidos pelos ensaios anteriormente descritos. De seguida será apresentada a análise comparativa entre as duas misturas utilizadas, bem como a comparação entre os dois ensaios.