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AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO ESTRUTURAL E FUNCIONAL DAS GRELHAS PRÉ-REVESTIDAS DE BETUME NA REABILITAÇÃO DAS INFRAESTRUTURAS DE TRANSPORTES

Filipe Dourado

S&P Clever Reinforcement Iberica, Departamento Técnico, Rua José Fontana nº 76, Amora, Seixal, Portugal

email: filipe.dourado@sp-reinforcement.pt http://www.sp-reinforcement.eu

Sumário

A reabilitação de pavimentos rígidos ou flexíveis tem cada vez mais como objectivo principal dar resposta à

crescente necessidade de uma gestão eficaz e sustentável dos recursos, e impulsionar o desenvolvimento de

novas técnicas de reforço e de reabilitação de pavimentos rodoviários e aeroportuários, o que conduz a

consequências e impactos significativos a nível social, económico e ambiental. Verifica-se em muitos casos, e

após pouco tempo de utilização, que os pavimentos apresentam degradações prematuras, nomeadamente

fissuração extensa, fadiga e deformações plásticas permanentes ou destacamento de estratos superficiais do

pavimento. Estas anomalias têm vindo a pôr em causa as técnicas tradicionais utilizadas na reabilitação de

pavimentos, sendo cada vez mais urgente recorrer a elementos estruturais que possam responder às solicitações

a que os pavimentos estão sujeitos, aumentando o seu ciclo de vida. Uma nova geração de grelhas pré-

revestidas de betume em fibras de vidro e carbono têm vindo a ser usadas para dar resposta a esta necessidade.

Palavras-chave: Fibras de carbono; Fibras de vidro; Reforço estrutural; Aderência; Ensaio de Leutner; Anti-fissuração 1 INTRODUÇÃO

A utilização das grelhas pré-revestidas de betume no reforço de pavimentos foi um passo tecnológico importante para a solução de alguns problemas na reparação de pavimentos existentes. Esta nova tecnologia aparece na sequência da existência prévia de outros materiais de reforço da mesma natureza, utilizados nas diversas áreas da engenharia, mais concretamente nas estruturas de betão armado. Destaca-se que para esta família de materiais ser funcional, há que ter uma especial atenção na aderência destas soluções às camadas envolventes.

Na área da pavimentação, os mais recentes estudos têm levado ao desenvolvimento de grelhas revestidas de betume oxidado, de forma a permitirem uma aplicação por fusão térmica, garantindo uma elevada aderência entre camadas. Uma vez conseguida esta aderência, as grelhas contribuem para um efectivo reforço à progressão de fissuras no caso das grelhas em fibra de vidro, e para uma resposta bastante positiva na melhoria estrutural devido ao elevado módulo de elasticidade, no caso das grelhas de fibra de carbono.

Tendo em conta a falta de normalização internacional para este tipo de reforços, pretende-se com este artigo advertir para a importância da verificação da aderência entre camadas betuminosas contíguas, apresentando alguns métodos que permitem fazer essa avaliação.

É dado também um especial foco às grelhas de fibra de carbono pelas inúmeras vantagens da sua utilização, nomeadamente pela sua contribuição estrutural. Apresentam-se resultados dos respectivos ensaios demonstrativos.

Está em curso o projecto de norma prEN 12697-48 que avalia a ligação entre camadas de pavimentos rodoviários e aeroportuários. Na sequência desta pré-norma, está em preparação pelo Laboratório Nacional de Engenharia

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Civil, LNEC, um Documento de Aplicação, D.A., que avalia as principais características de desempenho das grelhas pré-revestidas de betume e a sua aderência às camadas vizinhas. Para a elaboração deste estudo, recorreu-se a amostras realizadas em laboratório e amostras recolhidas em campo, em pavimentos reforçados com esta técnica.

2 ENSAIOS DE DESEMPENHO DAS GRELHAS

Foram realizados vários ensaios no laboratório oficial de materiais da Suíça, EMPA, onde pavimentos de mistura betuminosa com diferentes tipos de reforço foram examinados e avaliados pelo ensaio de fadiga por flexão em quatro pontos (EN 12697-24:2012). As figuras que se seguem mostram os diferentes modos de ruptura.

2.1 Ensaios de fadiga por flexão em 4 pontos, EMPA.

Fig.1. Provete de referência

Fig.2. Provete reforçado com grelha de fibra de carbono pré-revestida de betume oxidado

Na camada de pavimento não reforçado (Fig.1), uma fissura no centro da amostra de referência conduz a uma ruptura do pavimento. A amostra do pavimento reforçado com grelha de fibra de carbono (Fig.2) demonstrou uma óptima distribuição de tensões e fissuras.

Neste teste foram comparados os desempenhos de uma grelha tradicional de poliéster, com as grelhas pré-revestidas de betume em fibra de vidro e fibra de carbono.

A grelha de poliéster com um módulo elástico de 15 kN/mm², deforma-se sob influência da carga sendo incapaz de absorver forças de tracção actuantes no pavimento. A grelha de fibra de vidro pré-revestida de betume, com um módulo elástico de 70 kN/mm², absorve tensões activas na camada do pavimento, tendo por esse motivo capacidade de reduzir a propagação das fissuras. A carga última pode ser significativamente aumentada quando analisamos a grelha de fibra de carbono pré-revestida de betume. A grelha de fibra de carbono, com um módulo elástico de 240 kN/mm2, aumenta o valor estrutural do pavimento reforçado e melhora substancialmente a resistência à propagação de fissuras (Fig. 3).

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Fig.3. Ensaio comparativo entre diversos tipos de grelha

A amostra reforçada com grelha de fibra de carbono demonstrou um aumento significativo da carga de ruptura e resistência a propagação de fissuras em todos os casos estudados.

2.2 Ensaio de carga dinâmico com carregamento cíclico

No centro de estudos do EMPA, na Suíça, foi comparado o desempenho de dois pavimentos: um não reforçado e outro reforçado com grelha de fibra de carbono, sob cargas cíclicas de rodados tipo (Fig. 4). Para simular a deflexão da fundação, as amostras foram aplicadas sob uma base de borracha deformável e sujeitas a 0,5 milhões de cargas cíclicas de rodados, a uma temperatura controlada de 25 ºC.

Fig.4. Carga dinâmica com carregamento cíclico

Quadro 1. Constituição resumida das amostras

Teste K1: Duas camadas de pavimento sem reforço

Teste K5: Duas camadas de pavimento reforçadas com grelha de carbono colocada a 4 cm (sub-base fresada)

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Foram colocados extensómetros (LVDT) na base do pavimento no sentido longitudinal e transversal. Os resultados experimentais foram então modelados pelo EMPA, usando um sistema de elementos finitos. O modelo e os resultados experimentais foram comparados, tendo-se concluído que eram coincidentes. A expansão no sentido transversal ao sentido da carga foi reduzida em 33%, como resultado do reforço com grelhas de fibras de carbono.

Uma análise de modelação em elementos finitos representada nas Fig. 5 e Fig. 6, apresenta as tensões de compressão (elementos de área a azul) na frente e na retaguarda da carga do rodado, quando sujeito à carga cíclica, bem como as tensões de tracção (elementos de área a vermelho, laranja e amarelo) sob a carga de rodado. Na amostra, reforçada com grelha de fibra de carbono, as forças foram absorvidas e concentradas na grelha. Assim o pavimento apresenta uma redução significativa de tensões, como demonstra este ensaio.

Fig.5. Sem grelha de fibra de carbono

Fig.6. Com grelha de fibra de carbono

3 REFORÇO DE PAVIMENTOS COM GRELHAS. ADERÊNCIA ENTRE CAMADAS DE PAVIMENTO REFORÇADOS COM GRELHAS

3.1 Factores que influenciam a ligação entre camadas

Tendo em conta a importância da aderência entre camadas para todos os pavimentos em geral, não só para o seu correcto desempenho, mas principalmente para a sua durabilidade a longo prazo, é de grande importância a caracterização e identificação dos factores que influenciam a eficiência da aderência entre camadas. Este ponto torna-se ainda mais importante para o caso particular do uso de grelhas, visto que se trata de um elemento “estranho” à constituição dos pavimentos. Em geral, os factores que afectam a ligação entre camadas são: as condições climatéricas de aplicação das misturas betuminosas, a sua constituição (agregados e betume), as emulsões de aderência (método de aplicação e taxa de aplicação), o método de construção do pavimento (limpeza das camadas subjacentes, nível de compactação, etc.), as acções sobre o pavimento e a existência de elementos de reforço. Foquemo-nos neste último ponto em particular, uma vez que todos os outros fenómenos são bem conhecidos nos pavimentos não reforçados.

3.2 Técnicas de avaliação de aderência entre camadas.

Existem dois tipos de métodos de avaliação da aderência entre camadas: os destrutivos e os não destrutivos. Ambos os métodos são efectuados sobre amostras retiradas do local da obra ou em amostras representativas produzidas em laboratório.

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Os métodos não destrutivos recorrem em geral à propagação de ondas, sendo o mais comum o Falling Weigth

Deflectometer (FWD). Estes métodos, apesar de terem a vantagem de serem não destrutivos, só conseguem detectar falhas na aderência (não conseguem avaliar a dimensão dessa falha).

Os métodos destrutivos apesar de terem a desvantagem de serem irrepetíveis sobre a amostra, são o único método capaz de medir a aderência e avaliar parâmetros. O RILEM (2012) agrupa este tipo de ensaios em 4 tipos (Fig. 7):

• Ensaios de corte;

• Ensaios de tracção;

• Ensaios de torque;

• Ensaios de separação de camada em cunha

Fig.7. Métodos de ensaio destrutivos na análise da ligação entre camadas.

De todos os métodos apresentados, o ensaio de corte directo sem carga normal, ou shear bond test, também conhecido por método de ensaio de Leutner, é o mais usado hoje em dia em países como a Alemanha, Suíça, Polónia e outros, visto ser o de mais fácil realização, e por se obter dados mais precisos e de mais fácil avaliação. A Fig. 8 apresenta um esquema simplificado do método e equipamento de ensaio.

Fig.8. Esquema de ensaio de Leutner

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Como resultado dos ensaios, registam-se os valores de força de corte máxima e o seu correspondente deslocamento relacionado com a força máxima. Os valores podem ser obtidos através da equação (1);

σmáx = Fmáx/( π x r2) x 103 (1)

Em que :

σmáx - Tensão máxima de corte no interface entre camadas [MPa];

Fmáx - Força máxima na interface entre camadas [kN];

r - Raio do provete;

Pode-se ainda determinar o módulo de reacção ao corte (K) ou módulo de rigidez, através da equação (2)

K=σmáx/δmáx (2)

Em que δmáx é deslocamento relativo no momento de ruptura na interface entre camadas [MPa];

A aderência eficaz entre camadas é um factor preponderante para o desempenho do pavimento, sendo este o veículo para as transmissões de tensões entre camadas. Desta forma consegue-se a transferência de cargas em profundidade e um desempenho adequado de acordo com o dimensionamento previsto.

De forma a garantir a aderência desejada, há que controlar todos os parâmetros mencionados que influenciam na ligação das camadas e recorrer aos métodos de ensaio que avaliam a eficácia desta ligação, sobretudo quando se aplica uma grelha intercalar. Estes ensaios, hoje em dia, são fáceis e rápidos de executar.

Apresenta-se no Quadro 2 os valores recomendados por Sutanto (2009) e pelas normas alemãs e suíças, expressos em valores de força e tensão de ruptura, calculados através da expressão (1).

Quadro 2. Valores recomendados pela bibliografia para força, tensão e deslocamento de corte

4 ESTUDOS EFECTUADOS EM OBRAS NACIONAIS

De um conjunto de obras de diferentes especificidades estudadas pelo LNEC, no âmbito da elaboração do DA (documento de aplicação), escolhemos duas obras de grande dimensão, onde foram avaliadas as ligações entre camadas com introdução de grelhas pré-revestidas de betume oxidado. Estes dois casos de aplicação – uma obra num grande aeroporto internacional que vamos designar obra A, e outra obra numa auto-estrada, a que

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designamos por obra B –, tinham constituições de pavimentos e materiais distintos. Em ambos os casos foram extraídos tarolos por amostragem e ensaiados em laboratório. Para o ensaio foi utilizado o método de Leutner, e foram comparados os ensaios de amostras em campo e amostras realizadas em Laboratório.

4.1. Obra A

A constituição do pavimento na plena via da obra A apresenta-se esquematizada na figura 8.

Entre a camada de base e a camada subjacente, foi aplicada uma grelha de fibra de carbono pré-revestida de betume oxidado por termofusão, sobre a camada previamente impregnada com emulsão catiónica do tipo C60BP4TER termo-aderente com uma taxa de 400gr/m2.

Fig.8. Esquema das camadas constituintes do pavimento

Apresentam-se em seguida os resultados obtidos para as amostras retiradas em obra, bem como alguns dados estatísticos relativos ao conjunto dos provetes ensaiados, atendendo também ao calculo das tensões máximas, e deslocamento relativo máximo, através da aplicação das expressões (1) e (2).

Quadro 3. Valores dos ensaios de Leutner modificado para amostras de campo recolhidas em plena via – obra A.

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Analisando os resultados apresentados, conclui-se que o valor máximo obtido para a força máxima de corte é de 45,8 KN, e que o menor valor da força máxima de corte é de 37,6 KN. Estes valores denotam uma boa consistência dos resultados obtidos, dado que a dispersão em relação ao valor médio é considerada baixa. Em termos de força/tensão de corte esta ligação entre camadas de base demonstra um bom desempenho, superando todos os valores propostos pela bibliografia.

4.2. Obra B

Os dados fornecidos para este caso de estudo, tanto para a plena via como para o trecho experimental realizado no âmbito deste estudo, foram apenas formulações das camadas subjacentes e sobrejacentes à interface a analisar, não havendo informação da estrutura completa do pavimento.

Na Fig. 9 apresenta-se a constituição das camadas referentes à plena via do pavimento, cuja interface em análise possui grelha de fibra de vidro pré-revestida de betume oxidado. A Fig. 10 mostra a aplicação da grelha aderente ao pavimento existente (fresado) através do método de termofusão.

Fig.9. Esquema das camadas constituintes do pavimento Fig.10. Aplicação da grelha

A rega de colagem aplicada sobre a camada betuminosa fresada, corresponde a uma emulsão betuminosa catiónica de ruptura rápida termo-aderente com uma taxa de aplicação de 450gr/m2.

No Quadro 4 apresentam-se os resultados relativos às amostras de campo recolhidas na plena via da obra B, cuja interface possui grelha de reforço em fibra de vidro pré-revestida de betume.

Quadro 4. Valores de ensaio de Leutner modificado para amostras de campo recolhidas em plena via - obra B

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Para as amostras recolhidas da plena via com a presença de grelha de fibra de vidro pré-revestida de betume oxidado, temos um valor médio de força de corte de 33,1 KN, em que o valor maior obtido corresponde ao provete BCG1 é de 35,9 KN, e o mínimo de 29,2 KN correspondente ao provete BCG3.

Os valores obtidos são consistentes, pois apresentam uma baixa dispersão em relação ao valor médio. Em relação aos valores obtidos de força/tensão, estes demonstram um bom desempenho pois superam os valores propostos pela bibliografia existente.

5 CONCLUSÕES

A campanha experimental decorreu sobre provetes provenientes de duas obras distintas, identificadas por obra A e B com misturas diversas e com diferentes taxas de aplicação de emulsão de aderência, mas ambas com introdução de grelhas pré-revestidas de betume oxidado. A obra A recorreu às grelhas anti-reflexão de fissuras; a obra B, para além desta última técnica, beneficiou também do reforço estrutural.

Os valores obtidos neste estudo, que em parte foram apresentados neste documento, demonstram que, embora a ligação entre camadas sem a presença de grelhas seja sempre superior, em valores de corte e tensão, em relação aos valores obtidos com grelha intercalar, é possível obter resistências ao corte semelhantes (nas situações em que há introdução destas grelhas de reforço). Os valores obtidos, com a introdução da grelha, foram sempre superiores aos valores propostos pela bibliografia existente, validando o seu desempenho e o seu impacto na estrutura do pavimento.

Em suma, pode-se concluir que estas grelhas tiveram uma influência reduzida na aderência das camadas contíguas, não comprometendo a transferência de cargas entre camadas. A dispersão dos resultados entre as duas grelhas/obras fica-se a dever essencialmente ao processo construtivo envolvido, à qualidade da mistura e às características/taxa da emulsão aplicada.

6 AGRADECIMENTOS

Este estudo teve como base fundamental a dissertação da Engª. Carla Alexandra Andrade Gil, a quem agradecemos, quer pelo empenho, quer pelo excelente trabalho desenvolvido.

7 REFERÊNCIAS

1. C. Gil, Estudo da ligação entre camadas betuminosas de pavimentos flexíveis, Dissertação de Mestrado, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Lisboa, 2015.

2. RILEM, Advances in interlaboratory testing and evaluation of bituminous materials, state-of–the-art Report of Rilem, 2012.

3. J. Sherer, Reforço com grelhas de fibra de carbono em pavimentos rodoviários, aumento da vida útil e

redução de custos de manutenção, 2007.

4. S&P (2012), Reforço de pavimentos de mistura betuminosa com grelhas pré-revestidas de betume oxidado, especificações técnicas, 2012.

5. Sutanto M. H., Assessment of bond between asphalt layers, Thesis submitted to the University of Nottingham for the degree of Doctor of Philosophy, Nottingham, 2009.