O FENDILHAMENTO COM ORIGEM NA SUPERFÍCIE E A QUALIDADE DE CONSTRUÇÃO

ELISABETE FREITAS ASSISTENTE, UNIVERSIDADE DO MINHO PAULO PEREIRA PROFESSOR CATEDRÁTICO, UNIVERSIDADE DO MINHO LUÍS DE PICADO-SANTOS PROFESSOR AUXILIAR COM AGREGAÇÃO, UNIVERSIDADE DE COIMBRA RESUMO O Fendilhamento Com Origem na Superfície (FCOS) é uma degradação dos pavimentos rodoviários flexíveis cuja ocorrência e evolução depende, entre outros factores, da qualidade de construção. O trabalho que se apresenta tem por objectivo avaliar a influência dos parâmetros da qualidade de construção na ocorrência e no desenvolvimento de FCOS, nomeadamente, da porosidade, do teor em betume, do tipo de betume, da granulometria e da segregação. Assim, foram construídas em laboratório 17 lajetas, posteriormente ensaiadas num simulador de tráfego a três níveis de temperatura. Os resultados indicam que a porosidade e o teor em betume elevados determinam a ocorrência de FCOS, enquanto que a utilização de um betume duro reduz a sua ocorrência. Verificou-se que a temperatura elevada favorece a ocorrência do FCOS, assim como a deformação permanente. 1. INTRODUÇÃO O Fendilhamento Com Origem na Superfície (FCOS) é uma degradação dos pavimentos rodoviários flexíveis, em que as fendas iniciam no topo da camada desgaste, progredindo ao longo do tempo para as restantes camadas. Embora o FCOS seja uma degradação conhecida há muito tempo, só recentemente tem sido objecto de estudo, nomeadamente quanto às causas que o determinam. O interesse de estudo do FCOS verifica-se em todos os domínios dos sistemas de gestão dos pavimentos, em particular no que concerne os modelos de dimensionamento e de previsão do comportamento. O FCOS aparece normalmente nos primeiros anos da vida dos pavimentos, os quais apresentam estruturas variadas e se encontram submetidos a condições climáticas

diversificadas. As fendas localizam-se sobretudo fora da banda de rolamento dos rodados, em áreas com uma elevada exposição solar. Os principais factores que influenciam a ocorrência e o desenvolvimento do FCOS são seis: condições climáticas [1] [2], tráfego [3], envelhecimento [4], estrutura [1] [5] [6], propriedades das misturas [7] e a qualidade de construção [5] [6] [8] [9]. O objectivo do estudo que se apresenta é avaliar a influência dos parâmetros da qualidade de construção na ocorrência e no desenvolvimento de FCOS, nomeadamente, da porosidade, do teor em betume, do tipo de betume, da granulometria e da segregação, a diferentes temperaturas. A concepção do estudo apoiou-se essencialmente na análise dos parâmetros de controlo da qualidade de uma estrada onde o FCOS era dominante, nos resultados da caracterização física da sua camada de desgaste e num estudo preliminar do FCOS implementado nessa estrada [10] [8]. O estudo do efeito dos parâmetros da qualidade que se apresenta é composto pela formulação e construção em laboratório de 17 lajetas, com o objectivo de reproduzir as condições observadas em campo, pelo carregamento repetido dessas lajetas, recorrendo a um simulador de tráfego de laboratório e pela análise dos parâmetros que influenciam a ocorrência e a progressão do FCOS. 2. FORMULAÇÃO DAS MISTURAS E CONSTRUÇÃO DAS LAJES Para cada um dos parâmetros de caracterização das misturas – granulometria, porosidade, teor em betume e tipo de betume – estabeleceu-se um valor de referência em torno do qual se faz variar a influência que se pretende estudar. Para além destes parâmetros, considerou-se também a utilização de aditivo e a existência de segregação. Como granulometria de referência, considerou-se a curva média relativa ao fuso granulométrico indicado no caderno de encargos da obra. Na figura 1 apresenta-se o fuso referido, assim como as três curvas granulométricas adoptadas, tendo em conta os pressupostos que o excesso de finos (curva B) e o excesso de grossos (curva C) são responsáveis pela ocorrência do FCOS. O teor em betume considerado de referência foi obtido pela expressão empírica francesa baseada na superfície específica [11], da qual resultou o valor de 5,8%. O valor de porosidade considerado como referência é de 4,0%. Os dois parâmetros, teor em betume e porosidade estão de acordo com o observado no pavimento estudado, embora o primeiro apresente com frequência valores superiores nos ensaios laboratoriais [8].

O betume utilizado é do tipo 50/70 e os agregados são de natureza granítica, semelhantes aos materiais usados na camada de desgaste do pavimento estudado em [8] [10]. As lajes foram construídas num molde com 75×55×7 cm3, e compactadas com um cilindro de rolos.

0102030405060708090

100

0,01 0,1 1 10 100abertura do peneiro (mm)

mat

eria

l pas

sado

(%)

gran A

gran B

gran C

lim sup

lim inf

Figura 1 - Fuso granulométrico e granulometrias tipo Na reprodução da segregação em laboratório teve-se em consideração que as misturas estudadas em campo apresentam uma parte substancial dos seus agregados com dimensões superiores dispostos na parte superior da camada. 3. CARACTERIZAÇÃO DAS LAJES E CONDIÇÕES DE ENSAIO O conjunto de lajes, cujas misturas foram fabricadas com base nas características referidas é composto por 17 lajes. O número de lajes, as temperaturas de ensaio e os parâmetros da qualidade envolvidos foram ajustados ao longo da realização dos ensaios com o simulador de tráfego em laboratório. Assim, em vez de se considerar apenas duas temperaturas de ensaio (50ºC e 30ºC), como estava previsto inicialmente, considerou-se mais uma temperatura intermédia (40ºC), em detrimento do número de ensaios a realizar a 30ºC. Com a introdução desta temperatura foi possível caracterizar melhor o seu efeito. No quadro 1 apresenta-se todas as combinações dos parâmetros de qualidade considerados e as respectivas temperaturas de ensaio. A negrito evidencia-se os parâmetros que se pretende estudar em pormenor. Os parâmetros considerados nas duas últimas lajes (16 e 17) resultaram da observação do comportamento das misturas. Com a utilização de um betume do tipo 35/50 e a com alteração das condições de ligação entre os agregados e o ligante através da utilização de um aditivo, pretendeu-se constituir um conjunto de possíveis medidas mitigadoras do FCOS.

Quadro 1 - Parâmetros de caracterização física e condições de ensaios das lajetas

Identificação da laje Parâmetro

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Granulometria

(A, B, C) A A A B C A A A A A B C A A A A A

Baridade (g/cm3)

2,24 2,32 2,34 2,33 2,31 2,30 2,26 2,32 2,29 2,31 2,30 2,30 2,30 2,30 2,31 2,27 2,24

Porosidade (%)

8,2 4,1 2,1 4,1 4,6 5,6 7,8 4,1 4,4 3,8 3,2 4,9 4,6 3,8 4,2 6,6 7,8

Teor betume (%)

5,7 5,8 7,6 6,1 5,8 5,8 5,3 5,7 5,8 5,8 6,1 5,8 5,8 5,8 5,3 5,8 5,8

Tipo betume (1:50/70; 2:35/50 )

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1

Aditivo (0/00)

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3

Segregação (sim, não)

não não não não não não não não não não não não sim sim não não sim

Temperatura (ºC)

50 50 50 50 50 50 50 30 50 40 30 40 50 30 40 50 50

4. ENSAIO DE SIMULAÇÃO DE TRÁFEGO DE LABORATÓRIO O simulador de tráfego de laboratório utilizado é constituído por uma mesa que comporta uma lajeta com as dimensões máximas de 30,5×30,5×8 cm3, por uma roda fixa, à qual é transmitida uma força através de um peso colocado na extremidade de um braço, ambos no interior de uma câmara, por um sistema de aquisição de deslocamentos ligado a um computador e por um motor. O rolamento da roda é produzido pelo movimento, para trás e para diante, da mesa com uma frequência média de 43 passagens por minuto. A temperatura no interior da câmara pode atingir 75ºC. Neste estudo foi utilizado um peso que transmite à roda uma força de 69 kg, distribuída por uma área efectiva de 4,9×2,2 cm2, correspondendo a uma pressão de 627 kPa, aproximadamente a pressão transmitida pelos rodados dos veículos pesados à superfície dos pavimentos, e três níveis de temperatura – 30ºC, 40ºC e 50ºC. Na figura 2, em A mostra-se o interior da câmara do simulador de tráfego e em B e C ilustra-se o aspecto das superfície de duas lajetas com e sem segregação, respectivamente. A execução do ensaio foi acompanhada de observações frequentes e do registo das alterações observadas na superfície, para a posterior comparação do comportamento e avaliação do efeito de cada um dos parâmetros considerados. O ensaio de carregamento repetido com simulador de tráfego de laboratório demonstrou ser eficaz na produção de fendas com origem na superfície. No entanto, a análise dos resultados

assim obtidos deve ter em consideração que a roda não tem a mesma estrutura dos pneus e que o rolamento é livre, tendo como consequência uma distribuição das tensões, quer normais quer tangenciais, diferente da real. No quadro 2 apresenta-se o número de passagens correspondente à observação da primeira fenda (NP) e o número de passagens final (NF), para cada lajeta. De uma forma geral, verificou-se que o fendilhamento aparece junto à roda, que o tipo de fendilhamento produzido é diversificado e não parece ser determinado por um factor em particular. Verificou-se também que a disposição dos agregados e a deformação da camada parecem influenciar o local de abertura da primeira fenda e o tempo de observação da primeira fenda, respectivamente.

B

A C

Figura 2 - Interior do simulador de tráfego e aspecto da superfície das lajetas

Quadro 2 - Número de carregamentos: 1ª fenda (NP) e total (NF)

laje temperatura NP NF laje temperatura NP NF 1 50ºC 500 2880 10 40ºC 6250 12550 2 50ºC 645 6868 12 40ºC 1075 10000 3 50ºC 344 1763 15 40ºC 1075 10000 4 50ºC 860 4042 8 30ºC 7700 19318 5 50ºC - 5917 11 30ºC > 16500 19136 6 50ºC 860 7614 14 30ºC > 10000 16063 7 50ºC 1300 10000 9 50ºC 860 4200

13 50ºC 650 2947 16 50ºC 2150 10300 17 50ºC 9800 10274

4.1. Análise das condições de ocorrência Efeito da temperatura O efeito da temperatura na ocorrência de fendilhamento à superfície é notório. A comparação do estado superficial das lajetas 8, 10 e 2 (figura 3 a), b) e c)), as quais têm parâmetros de formulação semelhantes e foram ensaiadas respectivamente à temperatura de 30ºC, 40ºC e 50ºC, evidencia esse efeito. À medida que a temperatura aumenta, o número de aplicações de carga a partir do qual se observa a formação de fendas na superfície das lajes diminui consideravelmente.

a) laje 8; 30ºC; NF = 19318 b) laje 10; 40ºC; NF = 12550

c) laje 2; 50ºC; NF = 6868 d) laje 1; 50ºC; NF = 2880

Figura 3 - Aspecto das lajes após o ensaio com simulador de tráfego de laboratório Efeito da Porosidade Os resultados obtidos nas lajetas 1 (figura 3 d)), 6 e 9 mostram que à medida que a porosidade aumenta, diminui o número de aplicações de carga correspondente à ocorrência da primeira fenda. Efeito da granulometria O efeito da granulometria é menos evidente que o dos parâmetros anteriores. Para as temperaturas de 30ºC e de 40ºC, aparecem em torno dos agregados grossos isolados microfendas (figura 3 b)), cuja importância aumenta quando estes se situam junto à

extremidade da zona de passagem da roda, independentemente do tipo de granulometria. A 50ºC, o arranjo das partículas é facilitado pela temperatura elevada, tendo como consequência uma menor perturbação em torno dos agregados na passagem da roda e, consequentemente, uma menor ocorrência de microfendas. Efeito do teor em betume A porosidade das lajetas 2, 3 e 7 varia na ordem inversa do teor em betume (Quadro 1). A laje fabricada com o teor em betume correspondente ao óptimo da formulação (5,8%) apresenta maior densidade de fendilhamento do que as restantes. A laje fabricada com um teor em betume excessivo não desenvolveu fendilhamento. Contrariamente ao esperado, a densidade de fendilhamento referente ao teor em betume reduzido é pequena. Este fenómeno pode dever-se à maior dificuldade de arranjo das partículas, devido à menor deformabilidade da mistura conferida pelo teor em betume reduzido. Verifica-se que para o parâmetro teor em betume, parece haver um valor crítico para o qual se observa a ocorrência de FCOS. Efeito da segregação A falta de agregados de dimensões reduzidas na superfície das lajetas com segregação conferiu-lhes um aspecto descontínuo. A alteração da largura das descontinuidades (abertura das fendas naturais) depende da temperatura de ensaio, sendo superior a 50ºC. A maior deformação da superfície devido à temperatura elevada parece contribuir para a aceleração da velocidade de abertura das fendas. Na presença de tensões tangenciais transmitidas pela roda à superfície é provável que este efeito seja potenciado, nomeadamente a temperaturas reduzidas. Efeito do tipo de betume O tipo de betume tem uma grande influência na ocorrência do FCOS. Após 10300 passagens da carga, as fendas observadas à superfície da laje 16, fabricada com um betume duro (35/50), começam apenas a delinear-se e a deformação ocorrida é praticamente nula. Observa-se que mais uma vez a deformação permanente parece ter participado no mecanismo FCOS. Isto pode significar que as tensões produzidas pela deformação ocorrida inicialmente por adensamento e depois por corte também são as responsáveis pela ocorrência do FCOS. Efeito da adesividade No decurso dos primeiros ensaios com o simulador de tráfego observou-se que as fendas tendiam a aparecer primeiro junto aos agregados mais grossos e na sua interface com o mastique. A ligação deficiente entre o agregado e o ligante parecia, assim, ser uma das causas de ocorrência do FCOS. Para verificar se a ligação agregado ligante tem alguma influência no FCOS produziu-se uma laje com uma dosagem de aditivo de 3 0/00, com segregação, a qual foi ensaiada a 50ºC. Verifica-se que a presença de aditivo reduziu a abertura das fendas, contudo, a presença de segregação não permitiu avaliar convenientemente o seu efeito.

4.2. Análise das condições de progressão De forma a conhecer a profundidade das fendas observadas na superfície das lajetas submetidas ao carregamento repetido, procedeu-se ao seu corte. As lajetas que exibem fendilhamento foram cortadas sobre as fendas com uma serra, paralelamente e perpendicularmente à direcção da passagem da roda. No quadro 3 apresenta-se a profundidade das fendas e na figura 4 mostra-se alguns aspectos das fendas nas zonas dos cortes.

Quadro 3 - Profundidade das fendas medida após o corte das lajes

Identificação da lajeta 1 2 5 6 7 15 16

profundidade máxima da fenda

(mm) 10 < 10 < 7 5 7 10 5

NF 2280 6868 5917 7614 10000 10000 103000

a) laje 7; 50ºC; NF = 10000 b) laje 17; 50ºC; NF = 10274

Figura 4 - Aspectos do corte das lajes Nestas condições de ensaio, o excessivo volume de vazios (lajeta 1) e o teor em betume reduzido (lajetas 7 e 15) parecem ser os factores que mais contribuem para a progressão do fendilhamento. A utilização de um betume duro parece reduzir ligeiramente a propagação do fendilhamento, enquanto que a aglomeração de agregados grossos à superfície, devido à segregação, associada ao uso de aditivo parece ter impedido que o fendilhamento se desenvolvesse, contrariando as observações realizadas em campo [12]. Esta contrariedade pode ser explicada pela ausência de tensões tangenciais entre o pneu e a superfície capazes de promover o arrancamento dos agregados. Por outro lado, a aglomeração dos agregados grossos à superfície tem como consequência a redução da sua mobilidade devido à falta de mastique e o aumento localizado da porosidade, o que parece ter contribuído para impedir a progressão do fendilhamento.

5. CONCLUSÕES Ao longo deste artigo avaliou-se o efeito dos principais parâmetros da qualidade de construção na ocorrência e no desenvolvimento do FCOS, a partir de ensaios realizados com um simulador de tráfego de laboratório em 17 lajetas construídas com diferentes combinações desses parâmetros. Os parâmetros considerados no estudo foram a temperatura, a porosidade, a granulometria, o teor em betume, a segregação, o tipo de betume e a adesividade. Quanto às condições de ocorrência de fendilhamento foi possível concluir-se que: § a ocorrência do FCOS é determinado pela temperatura de ensaio, e os efeitos dos outros parâmetros são na generalidade potenciados com o aumento da temperatura; § a velocidade de ocorrência da primeira fenda e a evolução do fendilhamento aumentam

com o aumento da porosidade; § a granulometria parece ter efeitos diferentes consoante a temperatura de ensaio; § o teor em betume parece ter um valor crítico para a ocorrência do FCOS, que neste estudo

se aproxima ao teor óptimo de formulação; § a relação da segregação com o FCOS não é clara e as condições de ensaio não se

mostraram ser as mais adequadas para o seu estudo; § a utilização de um betume duro aumenta significativamente o número de passagens para a

observação da primeira fenda; § o benefício da utilização de um aditivo para melhorar a ligação entre os agregados e o

mastique não é evidente, sendo necessário estudar mais o seu efeito; § a deformação permanente contribui para a ocorrência de FCOS. Quanto às condições de progressão do FCOS, as relações de causa-efeito são menos claras. Por um lado, a temperatura elevada, o excessivo volume de vazios e um reduzido teor em betume parecem ser os factores que mais contribuem para a progressão do fendilhamento. Por outro lado, a segregação parece contribuir para impedir que o fendilhamento progrida. Este estudo constitui um ponto de partida para a procura de novas soluções ou para a adopção de soluções pouco utilizadas de estruturas de pavimentos, tais como as propostas pela Associação Mundial da Estrada [13], que permitam prevenir a ocorrência e a progressão do FCOS. A colocação de uma camada de desgaste em betão betuminoso de alto módulo sobre uma camada intermédia, caracterizada por um elevado volume de vazios e agregados de dimensões elevadas, apresenta-se como uma configuração de estrutura capaz de minimizar os efeitos da degradação FCOS. Essas camadas teriam como função principal reduzir a deformação permanente e dissipar as fendas eventualmente produzidas e, assim, evitar a sua propagação em direcção à base.

AGRADECIMENTOS A realização deste trabalho foi possível graças à colaboração do Laboratório de Mecânica dos Pavimentos do DEC-FCT da Universidade de Coimbra, o qual disponibilizou o Laboratório de Pavimentos para a realização do ensaio com o Simulador de Tráfego, e ao Fundo Social Europeu, o qual financiou parte do trabalho através do Programa de Desenvolvimento Educativo para Portugal. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] – Matsuno, S. and Nishizawa, T. – “Mechanism of Longitudinal Surface Cracking in Asphalt Pavement”. 7th International Conference on Asphalt Pavements, volume 2, University of Nottingham, 1992. 277-291. [2] – Merrill, D. – “Investigating the Causes of Surface Cracking in Flexible Pavements Using Improved Mathematical Models”. PhD. Thesis, Department of Civil Engineering, University of Wales Swansea, Wales, 2000. [3] – Myers L. – “Development and Propagation of Surface Initiated Longitudinal Wheel Path Cracks in Flexible Highway Pavements”. PhD. Thesis, University of Florida, Florida, 2000. [4] – Uchida, K., Kurokawa, T., Himeno, K. and Nishizawa T. – “Healing Characteristics of Asphalt Mixture Under High Temperature Conditions”. CD-Rom, Ninth International Conference on Asphalt Pavements, Copenhagen, 2002. [5] – Uhlmeyer, J., Willoughby, K., Pierce, L. and Mahoney, J. – “Top-Down Cracking in Washington State Asphalt Concrete Wearing Courses”. Issues in Pavement Design and Rehabilitation, Transportation Research Record No. 1730, Transportation Research Board, Washington D.C., 2000. 110-116. [6] – Svasdisant, T., Achorsch, M., Baladi, G. and Pinyosunun, S. – “Mechanistic Analysis of Top-Down Cracking in Asphalt Pavements”. CD-Rom, 81st Transportation Research Board Annual Meeting, Washington D.C., 2002. [7] – Komoriya, K., Yoshida, T. and Nitta, H. – “(WA-DA-CHI-WA-RE) Surface Longitudinal Cracks on Asphalt Concrete Pavement”. CD-Rom, Transportation Research Board 80th Annual Meeting, Washington, D.C., 2001. [8] – Freitas, E., Pereira, P., Picado-Santos, L. – “Assessment of Top-Down Cracking Causes in Asphalt Pavements”. 3rd International Symposium on Maintenance and Rehabilitation of Pavements and Technological Control, Guimarães, Portugal, 2003. 555-564. [9] – Schorsch, M., Chang, C. and Baladi, Y. – “Effects of Segregation on the Initiation and Propagation of Top-Down Cracks”. CD-Rom, Transportation Research Board 82nd Annual Meeting, Washington, D.C., 2003. [10] – Freitas, E., Pereira, P., Picado-Santos, L. – “Estudo do Fendilhamento com Origem na Superfície”. Estrada 2002, 2º Congresso Rodoviário Português, Lisboa, 2002. 319-330. [11] – Duriez, M. “Traité de Materiaux de Construction”. Dunot. Paris, 1950. [12] – Schorsch, M., Chang, C. and Baladi, Y. – “Effects of Segregation on the Initiation and Propagation of Top-Down Cracks”. CD-Room, Transportation Research Board 82nd Annual Meeting, Washington, D.C., 2003. [13] – PIARC – C7/8. – “Innovative Pavement Design”. PIARC Technical Committee on Road Pavements (C7/8), World Road Association, 2003.