3.1 - Introdução
A dureza superficial é uma propriedade mensurável da superfície do betão que, em condições normais, aumenta com a idade e com a resistência. Este facto conduziu ao desenvolvimento de métodos de ensaio para medir esta propriedade e, desde logo, a tentativas no sentido de estabelecer a sua relação com a resistência. Contudo, nenhuma relação fundamental ou correlação única foi encontrada entre estas duas propriedades, ou mesmo, entre a dureza e outra propriedade mensurável do betão [17, 24, 63]. Apesar disso, é possível conseguir correlações com precisão aceitável, se as calibrações forem obtidas para um conjunto de circunstâncias específicas em cada situação [63]. A utilidade destes ensaios não se esgota, porém, apenas na estimativa do valor da resistência e, como se verá mais adiante, eles poderão ser úteis num vasto número de outras aplicações.
Os métodos de ensaio entretanto desenvolvidos para medir a dureza superficial podem dividir-se em dois grupos: os métodos de medição da indentação e os métodos de medição do ressalto.
Métodos de medição da indentação
Os métodos de medição da indentação tiveram origem na Alemanha em 1934, tendo sido incorporados nas normas alemãs em 1935 [63]. Estes ensaios baseiam-se na medição da largura e profundidade da indentação provocada na superfície em consequência do impacto de uma determinada massa com uma determinada energia cinética. Os três equipamentos de ensaio historicamente conhecidos, baseados neste princípio, são a pistola de ensaio de Williams, o martelo de mola de Frank e o martelo pendular de Einbeck.
do betão e a sua dureza, medida pelos métodos de indentação, muitos investigadores publicaram correlações empíricas entre estas propriedades [63]. No entanto, talvez pela imprecisão das suas correlações, os métodos de indentação foram já abandonados, o que aliás é referido por Malhotra [63] e confirmado pela norma britânica “BS1881: Part 202: 1986” [17] que, referindo-se ao facto do método de indentação não ser mais utilizado, passa a considerar apenas o método do ressalto (de mola) na medida da dureza superficial.
Métodos de medição do ressalto
O método do ressalto surgiu em 1948 e foi desenvolvido pelo Engenheiro Suíço, Ernst Schmidt [24, 63], que projectou um aparelho de ensaio para medir a dureza do betão pelo princípio do ressalto, o qual ficou conhecido por “Martelo de Ressalto de Schmidt” ou, mais correntemente, por “Esclerómetro de Schmidt”. Este método ganhou aceitação considerável desde então e as versões mais modernas, baseadas no mesmo princípio, têm sido usadas em todo o mundo. Podem, por exemplo, ser encontradas recomendações acerca do seu uso na norma britânica BS 1881: Part 202 [17], na norma americana ASTM C805 [11] e nas normas ISO.
Na sua essência, o método consiste em medir o ressalto de uma massa elástica depois de sofrer impacto contra o betão. Este princípio serviu de base à definição daquilo que hoje se convencionou ser uma medida da dureza superficial. A norma britânica [17], por exemplo, define dureza superficial como «uma propriedade da superfície do betão medida em termos da proporção de energia devolvida a uma massa padrão que é projectada contra a superfície, ou contra uma haste em contacto com a superfície, com uma energia inicial fixa».
Todas as considerações que se fizerem na parte restante deste capítulo, em relação aos ensaios de medição da dureza superficial, serão sempre referentes aos métodos de ressalto medidos com base no esclerómetro de Schmidt.
3.2 - Aplicações
Em geral são identificadas as seguintes aplicações úteis para os ensaios de medição da dureza superficial com recurso ao esclerómetro de Schmidt [11, 17, 24, 63]:
1. Verificar a uniformidade da qualidade do betão;
2. Comparar um betão com determinadas exigências específicas; 3. Estimar aproximadamente a resistência;
4. Avaliar a qualidade do revestimento.
1. Verificação da uniformidade da qualidade do betão
Foi já referido no Capítulo 2 que a aplicação mais importante e mais fiável do ensaio de medição da dureza superficial é para as situações onde não é necessário converter os resultados para qualquer outra propriedade do betão. Nesse sentido - e beneficiando ainda do facto destes ensaios serem mais económicos, mais rápidos de executar e menos destrutivos que a maioria dos outros ensaios secundários - eles poderão ser utilizados com grandes vantagens na monitorização de grandes áreas para análise comparativa, permitindo definir áreas de diferente qualidade a partir apenas do número de ressalto. Do mesmo modo, são também úteis para detectar zonas críticas onde posteriormente poderão ser aplicados outros ensaios mais fiáveis, mas também muitas vezes mais dispendiosos ou que causam maiores danos à superfície do betão.
2. Comparação um betão com determinadas exigências específicas
Na indústria da pré-fabricação, onde os procedimentos são muitas vezes repetitivos, é possível manter constantes um maior número de factores que influenciam os resultados do esclerómetro de Schmidt. Tirando partido dessa situação, poderá ser útil definir-se um valor mínimo do número de ressalto correspondente a determinada exigência específica do betão em termos da resistência adequada, por exemplo, para a remoção de suportes temporários, transporte dos elementos ou aplicação de pré-esforço. Esse valor
elemento em questão, por exemplo, quando este foi submetido a uma carga de prova ou outros ensaios destrutivos para verificação da conformidade [17, 24]. Na verificação da conformidade, um pequeno número de ensaios destrutivos pode também ser complementado por um número elevado de ensaios de dureza que cobrem uma área mais extensa [17].
3. Estimativa aproximada da resistência
Esta representa a aplicação menos fiável e por isso as normas são claras ao referirem que este método não pode ser considerado como alternativa para a determinação da resistência [11, 17], mas somente como um método preliminar ou complementar útil [17]. A precisão depende inteiramente da eliminação de influências que não são levadas em conta nas calibrações. Deste modo, a utilização do esclerómetro de Schmidt para estimar a resistência “in-situ” não deve nunca ser tentada a menos que calibrações específicas se encontrem disponíveis e, mesmo assim, o recurso apenas a este método não é recomendável [24, 63]. Idealmente, o número de ressalto deveria ser correlacionado com a resistência à compressão obtida pelo ensaio de carotes [11].
4. Avaliar a qualidade do revestimento
O acesso à qualidade do revestimento de um pavimento em betão pode ser baseado na sua dureza. A característica da superfície do betão que governa a resistência à abrasão tem mostrado uma razoável correlação com as características que determinam as leituras do martelo de ressalto [17]. A este respeito Bungey e Millard [24] referem que resistência à abrasão é geralmente afectada pelos mesmos factores que a dureza superficial e por isso é natural que o martelo de Schmidt possa fornecer informação útil acerca desta propriedade.
3.3 - Equipamentos de ensaio
Existem vários martelos de ressalto comercialmente disponíveis, os quais fornecem diferentes energias de impacto e áreas de contacto, aplicáveis a betões leves, betões estruturais normais e a grandes massas de betão. Como exemplo, apresenta-se a seguir uma lista de alguns dos equipamentos deste tipo comercializados pela empresa suíça PROCEQ, SA [80], fazendo também uma breve referência à sua aptidão principal em função do tipo de betões e elementos em estudo.
Diferentes tipos de martelos de ressalto (esclerómetros) comercializados pela PROCEQ, SA [80]:
Tipo N – energia de impacto = 2,207 N.m – é adequado para ensaiar betões em construções correntes de edifícios e pontes;
Tipo NR – energia de impacto = 2,207 N.m – corresponde substancialmente ao tipo N, mas está equipado com um acessório especial de registo;
Tipo L – energia de impacto = 0,735 N.m – é uma versão reduzida do tipo N. É adequado para ensaiar elementos de betão de tamanho reduzido ou sensíveis ao impacto e para ensaiar pedras artificiais;
Tipo LR - energia de impacto = 0,735 N.m – corresponde substancialmente ao tipo L, mas está equipado com um acessório especial de registo;
Tipo LB – energia de impacto = 0,735 N.m – é particularmente adequado para o controle contínuo da qualidade de produtos cerâmicos;
Tipo M – energia de impacto = 29,43 N.m – é especialmente indicado para determinar a resistência da massa do betão e para testar a qualidade dos pavimentos em betão de estradas e de pistas de aviação.
Tipo P – martelo pendular, com energia de impacto = 0,883 N.m – é adequado para ensaiar materiais de baixa dureza e resistência tais como materiais de construção leves (de baixa densidade). Para betões de baixa resistência (resistência à compressão em cubos de 5 MPa a 25 MPa) o tipo P dá melhores resultados que os
Tipo PT – energia de impacto = 0,883 N.m – é adequado para ensaiar materiais de construção com resistências à compressão extremamente baixas (resistências à compressão em cubos de 0,5 a 5 MPa). A área de impacto do pistão do aparelho é maior em comparação com o tipo P.
Refira-se que o aparelho mais correntemente utilizado, por ser mais apropriado para betão estrutural normal, com resistências da gama de 20 MPa a 60 MPa, é o martelo de ressalto (esclerómetro) do Tipo N, com uma energia de impacto de cerca de 2,2 N.m. A Figura 3.1 ilustra um aparelho deste tipo. Na mesma Figura observa-se também a pedra de carborundo e a caixa de transporte do equipamento. A Figura 3.2 mostra a secção longitudinal do mesmo aparelho.
O esclerómetro que consta na Figura 3.1 foi também o aparelho utilizado na análise experimental que se apresenta neste trabalho, com respeito à medição da dureza superficial, seleccionado de entre as opções disponíveis no Laboratório de Materiais e Estruturas do Departamento de Engenharia Civil (DEC) da Universidade da Beira Interior (UBI), os esclerómetros dos Tipos N e L. Acrescenta-se que os pormenores de procedimento de ensaio apresentadas pela norma britânica [17], tais como o espaçamento mínimo entre as posições de impacto, referem-se especificamente a este esclerómetro. Por outro lado, também a norma americana [11] faz referência à determinação do número de ressalto em betões endurecidos, por aplicação de um martelo de aço accionado por uma mola, no qual esta versão se inclui.
Por todas as razões já referidas, mas em especial por ser o equipamento mais utilizado e por ter servido de base à análise experimental do presente trabalho, justifica-se uma abordagem mais pormenorizada do esclerómetro de ensaio do Tipo N. Em geral, as recomendações apresentadas neste capítulo podem ser generalizadas a todos os martelos de ressalto de mola. Porém, determinados factores dirão respeito apenas ao martelo (esclerómetro) do Tipo N e, nesse caso, será feita uma referência especial, para a qual se recomenda especial atenção.
Figura 3.1 – Esclerómetro de Schmidt do Tipo N (energia de impacto = 2,207 N.m)
LEGENDA:
1- Pistão de impacto. 2- Superfície de ensaio. 3- Corpo do aparelho.
4- Ponteiro e respectiva haste de guia. 5- ---
6- Botão de bloqueio.
7- Haste de guia do martelo. 8- Disco. 9- Porca. 10- Anilha. 11- Garra. 12- Massa do martelo. 13- Mola de retenção. 14- Mola de impacto. 15- Manga de guia. 16- Anilha de feltro.
17- Lâmina em plástico com escala de leitura impressa. 18- Parafuso de ajustamento. 19- Porca de bloqueio. 20- Parafuso de ajustamento. 21- Porca de bloqueio. 22- Pino. 23- Mola de garra.
Considere-se como referência a Figura 3.2. Poderá então descrever-se o aparelho de ressalto no seu interior como sendo constituído por uma mola (16) e uma massa (14) que se deslocam ao longo de uma haste que serve de guia (7). Quando o pistão do aparelho (1) é pressionado contra a superfície do betão (esta pressão deverá aumentar de forma lenta e gradual), a garra (13) tracciona, por sua vez, a massa (14) e a mola (16) no interior do aparelho que se liberta automaticamente quando o pistão se encontra totalmente pressionado. Quando a mola é libertada (16), projecta a massa do aparelho (14) contra a parte superior do pistão de impacto (próximo do ponto B da figura) que, por sua vez, está em contacto com a superfície do betão (2). Após o impacto, a massa incidente (14) recua e arrasta consigo um ponteiro (4) que se encontra inserido numa escala (19) que representa o número de ressalto e que é visível na superfície lateral do aparelho.
Enquanto se mantém o aparelho pressionado contra o betão (posição em que se encontra a figura), o ponteiro permanece fixo na sua posição, permitindo a leitura. Por não se poder mover o aparelho, a posição do observador não é por vezes a mais adequada para a realização da leitura. Em alternativa poderá optar-se por carregar no botão de bloqueio (6), permitindo assim libertar o aparelho e observar mais atentamente a escala do número de ressalto. Alguns aparelhos modernos permitem já uma leitura e registo automático de um determinado número de leituras num aparelho electrónico ligado lateralmente ao esclerómetro (p. ex. o esclerómetro Tipo NR), reduzindo assim o erro inerente à leitura efectuada pelo observador.
O resultado final fornecido pelo aparelho é expresso directamente em termos de número de ressalto, R, que é uma grandeza adimensional. Importa acrescentar que o número de ressalto é também uma grandeza arbitrária, já que depende sobretudo da energia acumulada numa determinada mola e da massa utilizada, ou seja, martelos de Schmidt com diferentes energias de impacto conduzem à obtenção de resultados diferentes quando aplicados numa mesma superfície, que se admite possuir a mesma dureza. Este facto é de extrema importância e deverá ser tido em conta sempre que se interpretam correlações existentes.
Aferição do aparelho de ensaio
O esclerómetro é um equipamento robusto que exige pouca manutenção e se adapta bem a muitas circunstâncias em obra. Porém, como todos os equipamentos, está sujeito a alterações em consequência da variação das propriedades dos materiais ao longo do tempo, do próprio desgaste pela utilização, ou mesmo, devido a uma avaria ocasional , a qual poderá até aparentemente não ser detectada. Por forma a permitir uma aferição rápida e expedita das condições de funcionamento dos martelos de ressalto será adequado dispor-se de equipamento de aferição que, no caso dos martelos de ressalto de mola, é geralmente constituído por um pequeno, mas pesado, cilindro em aço. Este cilindro de aferição, referido correntemente na literatura inglesa por “unvil test”, será adiante designado de forma abreviada por “bigorna”, para maior facilidade de expressão.
A Figura 3.3 ilustra uma bigorna deste tipo, com uma massa de cerca de 16 kg, adequada para aferir alguns dos aparelhos anteriormente listados (é o caso dos esclerómetros dos Tipos N, NR, L e LR). Esta bigorna encontra-se disponível no Laboratório de Materiais e Estruturas do DEC/UBI, tendo sido utilizada durante a análise experimental apresentada neste trabalho, para aferir o esclerómetro do Tipo N.
Na Figura 3.3 é ainda possível observar-se a operação de aferição, a qual consiste unicamente em comparar o resultado do ensaio efectuado na bigorna (Ra) com o valor de
referência (Rr) especificado pelo fabricante para o aparelho em questão. Durante o ensaio
de calibração a bigorna deve ser colocada sobre uma superfície rígida e lisa, por forma a impedir possíveis influências no número de ressalto em consequência da sua vibração. Por exemplo, o esclerómetro do Tipo N fornecido pela PROCEQ,SA [80] e utilizado na análise experimental do presente trabalho, deverá ter um número de ressalto dentro do intervalo de 79±2, o que confirmará o funcionamento correcto do aparelho. Estes valores de referência encontram-se geralmente indicados na própria bigorna. Um resultado fora do intervalo previsto pode indicar a necessidade de limpeza do aparelho e, no caso de persistir, um ajustamento da distensão da mola ou a sua substituição. As superfícies de contacto da bigorna e do pistão do aparelho devem também ser limpas.
O fabricante do aparelho [80] sugere, nos casos em que o esclerómetro não verifica sequer o valor mínimo, que seja introduzida uma correcção no número de ressalto medido, proporcional à diferença registada na bigorna. Obviamente esta correcção tem por objectivo permitir que se continuem a utilizar as correlações já determinadas com o aparelho em condições correctas de funcionamento. À luz das recomendações da norma americana [11], este procedimento não deveria ser utilizado, já que não há garantias de que os valores intermédios variem proporcionalmente. De qualquer forma, essa correcção é apresentada a seguir apenas como descrição do procedimento referido.
Particularizando para o esclerómetro do Tipo N/NR, dir-se-ia que o valor medido no betão se desvia do valor real na mesma proporção em que o número de ressalto na bigorna Ra (apenas para Ra ≥ 72) se desvia do valor de referência Rr (Rr=79). Assim, para n
resultados obtidos numa localização, o valor médio do n.º de ressalto (corrigido) R, pode ser obtido pela Equação 3.1 [80]:
a r n 1 i i R R n R R = ⋅
∑
= (3.1)Onde:
R = Valor médio do número de ressalto (corrigido) numa localização, Ri = número de ressalto do ensaio (i) (sem correcção),
n = número de leituras individuais,
Ra = número de ressalto do esclerómetro quando aplicado na bigorna,
Rr = número de ressalto de referência na bigorna.
Importa, por fim, salientar que o ensaio de aferição na bigorna apenas deverá ser considerado como garantia de que um aparelho utilizado para estabelecer uma determinada correlação se encontra em perfeitas condições quando utilizado “in situ” ou, que esse aparelho mantém as mesma condições relativas quando utilizado para análise comparativa. A bigorna não poderá, no entanto, ser utilizada para garantir que dois aparelhos do mesmo tipo (com a mesma energia de impacto) têm o mesmo comportamento. A norma americana [11] refere, a este respeito, que o facto de dois esclerómetros do mesmo tipo registarem o mesmo valor no aparelho de aferição (bigorna), não garante que estes forneçam os mesmos resultados em outros pontos da escala de ressalto e, acrescenta, essas variações poderão ser da ordem de 1 a 3 unidades de escala.
3.4 - Procedimento de ensaio
Neste item far-se-á referência aos diferentes procedimentos de ensaio, propostos por diferentes organismos de normalização e autores em geral, para caracterizar uma determinada localização com base em ensaios de dureza. Antes de se iniciar propriamente a discussão deste assunto interessa referir duas fases que precedem a execução do ensaio, nomeadamente, a escolha da localização dos ensaios e a preparação da superfície.
Escolha da localização dos ensaios
recomendações:
- As áreas exibindo vazios, protuberâncias, textura rugosa ou alta porosidade devem ser evitadas [11], assim como as juntas de betonagem [80];
- Se possível as lajes estruturais devem ser ensaiadas na face inferior para evitar os revestimentos e superfícies de acabamento [11];
- Tendo em conta o modo como são geralmente obtidas as correlações, deverá dar-se preferência às superfícies verticais de estruturas em betão que estiveram em contacto com as superfícies do molde durante a betonagem;
- Os elementos de espessura muito reduzida poderão condicionar a localização dos ensaios. Recomenda-se, por isso, que sejam observadas as condições referidas no item seguinte (factores que influenciam os resultados).
Preparação da superfície para ensaio
Se os ensaios de dureza são utilizados apenas para análise comparativa entre posições relativas idênticas de elementos similares, produzidos a partir de betões com a mesma composição e que apresentam a mesma maturidade, basta garantir que os elementos em comparação apresentem superfícies em condições idênticas. “Condições idênticas” não significa, porém, “quaisquer condições desde que sejam idênticas”. Logicamente que a superfície deverá apresentar-se em condições razoáveis que permitam a obtenção de resultados coerentes e, no mínimo, deverá apresentar-se limpa e lisa. Por exemplo, as superfícies com texturas rugosas ou salpicadas de argamassa devem ser esmerilhadas previamente com a pedra de carborundo fornecida com o aparelho. Não se devem comparar superfícies polidas com superfícies não polidas. Devem também evitar-se superfícies com alta porosidade e, no caso de existirem revestimentos superficiais de acabamento, estes deverão ser previamente removidos até se atingir a textura normal do betão em estudo.
Quando o objectivo é estimar a resistência “in situ”, com base em correlações empíricas previamente estabelecidas, haverá que assegurar que as condições actuais “in
situ” coincidam com aquelas que conduziram à obtenção de tais correlações. Neste caso, o número de factores em “jogo” é muito maior e, muitas vezes, é difícil, ou mesmo impossível, reproduzir as condições desejadas. Para além das condições exigidas para a situação anterior, que se mantêm válidas também neste caso, seria necessário acrescentar algumas outras. Porém, para evitar repetições desnecessárias, recomenda-se que os factores apresentados no item seguinte (factores que afectam os resultados) sejam também observados.
Procedimentos de ensaio para caracterizar uma determinada localização
Os procedimentos a adoptar para caracterizar uma determinada localização variam com as normas nacionais de diferentes países. Estes procedimentos, que se exemplificam a seguir para três destes casos, definem sobretudo o número mínimo de leituras válidas para caracterizar uma localização e o critério de validação dessas leituras.
Recorda-se que, no Capítulo 2, se fez referência a um número mínimo de 12 leituras necessárias para caracterizar uma localização pelos ensaios de dureza superficial