Departamento de Engenharia Civil e Arquitectura

Secção de Urbanismo, Transportes, Vias e Sistemas

Mestrado Integrado em Engenharia Civil

Construção e Manutenção de Infra-estruturas de Transportes

GUIA DE LABORATÓRIO Prof. José Neves

Lisboa, Abril de 2008

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Mestrado Integrado em Engenharia Civil

Construção e Manutenção de Infra-estruturas de Transportes

GUIA DE LABORATÓRIO 1 – Objectivos e âmbito

As aulas de laboratório da disciplina de Construção e Manutenção de Infra-estruturas de

Transportes, do Mestrado em Engenharia Civil do Instituto Superior Técnico, têm o

objectivo principal de proporcionar aos alunos o contacto com alguns dos principais

ensaios de caracterização e desempenho de materiais utilizados na construção de

pavimentos de infra-estruturas de transportes. Com estas aulas, os alunos deverão:

• Reconhecer a importância da actividade experimental no controlo de qualidade

das obras de infra-estruturas de transportes.

• Identificar e descrever as principais propriedades geométricas, físicas e

mecânicas dos materiais mais correntes na pavimentação.

• Conhecer os equipamentos e as técnicas dos ensaios abordados nas aulas.

• Analisar e interpretar os resultados dos ensaios.

Este guia destina-se aos alunos e constitui um documento orientador no que diz respeito

nomeadamente à organização, conteúdos e avaliação das aulas de laboratório.

2 – Organização

São leccionadas 2 aulas que permitirão aos alunos presenciar e simular ensaios, quer de

laboratório quer realizados no próprio pavimento:

• Aula N.º 1 – Ensaios de caracterização física e mecânica de betumes e de

misturas betuminosas a quente.

• Aula N.º 2 – Ensaios de caracterização da textura e do atrito de pavimentos.

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As aulas são realizadas no Laboratório de Vias de Comunicação e Transportes (LVCT)

do Departamento de Engenharia Civil e Arquitectura, (Sala 01.10 do Piso 01, Pavilhão de

Civil). A calendarização das aulas de laboratório está definida no planeamento das aulas

proposto em cada ano lectivo para a disciplina.

A presença nas aulas é recomendada aos alunos e será tida em conta na avaliação da

componente prática da disciplina.

3 – Conteúdos

3.1 – Conteúdo da Aula N.º 1

a. Apresentação e breve descrição das propriedades de materiais de pavimentação

mais correntes:

a.1. Solos e solos tratados

a.2. Agregados naturais e britados

a.3. Misturas betuminosas

b. Descrição do equipamento, técnica e resultados de ensaios de betumes:

b.1. Ensaio de penetração (EN 1426)

b.2. Ensaio de determinação da temperatura de amolecimento

(método do anel e bola) (EN 1427)

c. Descrição do equipamento, técnica e resultados de ensaios de misturas

betuminosas a quente:

c.1. Ensaio Marshall (EN 12697-34) – ANEXO A

3.2 – Conteúdo da Aula N.º 2

Descrição do equipamento, técnica e resultados de ensaios de medição de

propriedades da superfície de pavimentos:

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1. Medição da profundidade da macrotextura da superfície de pavimentos pela

técnica volumétrica da mancha (EN 13036-1) – ANEXO B

2. Medição da resistência ao deslizamento de uma superfície. Ensaio do pêndulo

(EN 13036-4)

NOTA: os ANEXOS A e B contêm um resumo dos correspondentes métodos de ensaio e

são apresentados na parte final deste guia. Apenas se apresenta os resumos do ensaio

Marshall e do ensaio de medição da profundidade da macrotextura da superfície de

pavimentos pela técnica volumétrica da mancha porque só estes ensaios são objecto de

avaliação, conforme se refere seguidamente.

4 – Avaliação

A avaliação das aulas de laboratório faz parte do trabalho de grupo. Cada grupo receberá

resultados dos seguintes ensaios:

Aula N.º 1 – Ensaio Marshall.

Aula N.º 2 – Ensaio de medição da profundidade da macrotextura da superfície de

pavimentos pela técnica da mancha de areia.

Com estes dados, os alunos procederão ao preenchimento do respectivo boletim de

ensaio, realizando todos os cálculos necessários à expressão dos resultados. Será

elaborado um relatório de síntese que apresenta os cálculos e comenta os resultados

obtidos nos ensaios (limite máximo de 2 páginas A4). Este relatório, conjuntamente com

os boletins de ensaio, fará parte do trabalho de grupo (Volume 2).

Bibliografia

EN 1426:2007. Bitumen and bituminous binders. Determination of needle penetration.

CEN. European Committee for Standardization.

EN 1427:2007. Bitumen and bituminous binders. Determination of the softening point.

Ring and Ball method. CEN. European Committee for Standardization.

EN 12697-34:2004. Bituminous mixtures – Test methods for hot mix asphalt – Part 34:

Marshall test. CEN. European Committee for Standardization.

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EN 13036-1:2001. Road and airfield surface characteristics – Test methods – Part 1:

Measurement of pavement surface macrotexture depth using a volumetric patch

technique. CEN. European Committee for Standardization.

EN 13036-4:2003. Road and airfield surface characteristics – Test methods – Part 4:

Method for measurement of slip/skid resistance of a surface – The pendulum test.

CEN. European Committee for Standardization.

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ANEXO A

EN 12697-34: 2004 “Bituminous mixtures – Test methods for hot

mix asphalt – Part 34: Marshall test”

(Ensaio Marshall)

1 – Objectivo, campo de aplicação e conceitos

O ensaio Marshall aplica-se ao betão betuminoso, mistura betuminosa fabricada a

quente, e destina-se a determinar a estabilidade, deformação e quociente Marshall de

provetes de misturas betuminosas:

• Estabilidade (S) é a resistência máxima à deformação, em kilonewtons (kN), de

um provete moldado de mistura betuminosa;

• Deformação (F) é a diferença em milímetros (mm) entre a deformação na rotura

do provete e a deformação obtida extrapolando, até zero a tangente do gráfico da

carga função da deformação (A a M’ na Figura A.1);

• Deformação tangencial (Ft) é a diferença em milímetros (mm) entre a deformação

do provete obtida por extrapolação da tangente do gráfico da carga função da

deformação até à força de rotura e a deformação obtida por extrapolação da

tangente até ao valor zero da carga (A a B’ na Figura A.1);

• Quociente Marshall é o rácio da estabilidade, S, à deformação, F, S/F (Figura A.1)

A Figura A.1 é uma representação gráfica das definições relativas à estabilidade, S (1),

fluxo, F (3), e ao fluxo tangencial, Ft. A tangente é representada por (2).

Os provetes Marshall são compactados com o compactador de impacto. A estabilidade

Marshall, a deformação e o quociente são determinados e registados conjuntamente com

a massa volúmica do provete.

2 – Equipamento

• Máquina de compressão com capacidade mínima recomendada de 28 kN e capaz

de aplicar cargas aos provetes a uma taxa de deformação de (50±2) mm/min após

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um período transitório inferior a 20% do tempo de carga. A taxa de deformação

deverá ser mantida constante.

S, kN

1 2

F, mmFt0 A B’ M’

B M

3

S, kN

1 2

F, mmFt0 A B’ M’

B M

3

Figura A.1

• Dispositivo para medição da deformação, com capacidade para determinar a

deformação com exactidão de 0,1mm.

• Dispositivo gráfico: dispositivo para avaliação da curva de força em função da

deformação, como por exemplo, “plotter” de gráficos, gravador em banda ou um

programa de computador.

• Estabilómetro Marshall.

• Banho-maria, com profundidade mínima de 150mm e capaz de manter a água à

temperatura de (60±1) ºC. Este banho deve ter um fundo falso perfurado ou

prateleira que garanta a suspensão dos provetes de ensaio a pelo menos 25mm

do fundo do banho, permitindo uma altura mínima de água de 25mm acima do

topo dos provetes. As dimensões do banho-maria devem permitir a colocação dos

provetes com a parte superior voltada para baixo e sem contacto directo uns com

os outros. Deve ter um dispositivo que assegure circulação contínua da água.

• Termómetro, capaz de medir a temperatura de 60ºC com exactidão de 0,5ºC.

• Estufa, capaz de manter a temperatura de (110±5) ºC.

3 – Procedimento

3.1 Os provetes deverão ser compactados com compactador de impacto para que

sejam aplicadas 50 pancadas em cada face do provete, dentro do intervalo de variação

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da temperatura definido. Os provetes compactados devem ser retirados dos moldes e

arrefecidos ao ar de forma a evitar qualquer deformação. Após desmoldagem, esperar

pelo menos 4h antes de se darem início aos ensaios. Todos os ensaios devem ser

completados até 32h após a desmoldagem. Deve ser determinada a baridade e medida a

altura de cada provete.

3.2 Os provetes cilíndricos são mergulhados, sobre a sua superfície lisa, no banho-

maria durante pelo menos 40 min e não excedendo os 60 min. Manter a temperatura da

água do banho-maria a (60±1) ºC.

3.3 Limpar cuidadosamente os eixos guia e as superfícies internas do estabilómetro

Marshall. Lubrificar os eixos guia de forma a assegurar que a peça superior do

estabilómetro Marshall deslize livremente sobre estes.

3.4 Preparar o estabilómetro Marshall pré-aquecendo-o durante pelo menos 30 min. a

(60±1)ºC no banho-maria ou durante uma hora na estufa. Esta acção deve ser efectuada

no início de cada ensaio que envolva um lote de provetes não superior a 12, em número.

No caso de um atraso superior a 3 min. entre ensaios consecutivos de dois provetes, o

estabilómetro Marshall deverá ser aquecido numa estufa adequada ou num banho-maria

mantido à temperatura de ensaio. O período mínimo de re-aquecimento deve igual ao

menor atraso verificado acrescido de 30 minutos quando aquecido num banho de água,

ou o dobro deste quando aquecido num forno.

3.5 Remover o provete de ensaio do banho-maria e colocá-lo de lado no centro do

estabilómetro Marshall de forma a assegurar um bom contacto da superfície do provete

com a superfície do estabilómetro. Colocar o conjunto no centro da máquina de ensaio.

Antes da execução do ensaio em cada um dos provetes, o estabilómetro Marshall deve

ser limpo conforme estabelecido. Poderá ser utilizado um solvente ambientalmente

adequado para limpeza devendo ser aplicado um spray de silicone para evitar a adesão

dos provetes à superfície de contacto do estabilómetro Marshall.

3.6 Aplicar a carga ao provete de ensaio de forma a atingir-se uma taxa de

deformação constante de (50±2) mm/min tendo em consideração o período de transição.

Manter a aplicação desta carga até ser obtida a leitura máxima no dispositivo de medição

de cargas. Registar a carga indicada. Esta fase do ensaio deve ser executada dentro de

40s após a remoção do provete do banho-maria. Medir também a distância até 0,5mm, a

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partir da intersecção da tangente e a linha de base até ao ponto em que é atingida a

carga máxima. Os ensaios devem ser executados num grupo de quatro provetes.

4 – Resultados

• A carga máxima atingida representa a estabilidade da mistura apenas nos casos

em que a altura do provete seja igual a 63,5mm, tal como definido. Deve ser

apresentado um valor de estabilidade corrigido através da multiplicação da carga

máxima pelo factor de correcção calculado a partir das seguintes equações:

hec 0258,02,5 −= ou Vec 0032,024,5 −=

em que:

c é o factor de correcção

h é a altura em milímetros (mm)

v é o volume do provete, em mililitros (ml)

• A estabilidade, S, é apresentada arredondada a 0,1 kN. As correcções das alturas

dos provetes que não estejam entre 60,5mm e 66,5mm poderão levar a

resultados pouco precisos.

• Registar os valores de deformação, F e Ft, arredondados a 0,1mm.

• Os resultados dos ensaios devem ser considerados como fiáveis se a variação na

estabilidade entre provetes, Vs, for inferior a 15% e a variação na deformação

entre provetes, Vf, for inferior a 20%. Se os valores de um ou mais provetes

divergirem da média em mais de 15% relativamente à estabilidade e em mais de

20% relativamente à deformação, rejeitar o provete de ensaio que apresente a

maior variação e calcular o valor médio dos outros provetes. Para além disso, se

algum valor divergir da nova média em mais de 15% relativamente à estabilidade

e em mais de 20% relativamente à deformação, repetir o ensaio.

• O quociente Marshall deve ser obtido através do cálculo S/F e apresentado o

valor obtido arredondado a 0,1 kN/mm.

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ANEXO B

EN 13036-1: 2001 “Road and airfield surface characteristics –

Test methods – Part 1: Measurement of pavement surface

macrotexture depth using a volumetric patch technique”

(Medição da profundidade da macrotextura da superfície de

pavimentos pela técnica volumétrica da mancha)

1 – Objectivo, campo de aplicação e conceitos

O ensaio destina-se à medição da profundidade da macrotextura da superfície de

pavimentos pela técnica volumétrica da mancha e consiste no espalhamento cuidadoso

de um volume conhecido de pequenas esferas de vidro de diâmetro normalizado na

superfície do pavimento e subsequente medição da área total abrangida.

Este ensaio é uma versão actualizada do ensaio conhecido por “mancha de areia”,

anteriormente realizado com areia de granulometria obtida por passagem em peneiros

normalizados.

Este ensaio consiste em de terminar a profundidade média de textura – macrotextura –

da superfície de pavimento testada:

• Profundidade média de textura (macrotextura), MTD, expressa em mm, resulta do

quociente entre o volume de material espalhado na superfície do pavimento (V) e

a área total abrangida com geometria aproximadamente circular de diâmetro D (A)

(Figura B.1).

Superfície do pavimentoD

MTDEsferas de vidro/areia

Superfície do pavimentoD

MTDEsferas de vidro/areia

Figura B.1

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2 – Equipamento

• Ecrã portátil de protecção do vento e da passagem do tráfego.

• Recipiente com pequenas esferas de vidro normalizadas.

• Disco de espalhamento do material, com aproximadamente 25mm de espessura e

60mm a 75mm de diâmetro, com superfície de espalhamento em borracha dura.

• Escovas para limpeza da superfície do pavimento, de pêlo rígido e macio.

• Proveta cilíndrica, metálica ou plástica, com capacidade mínima de 25 000mm3

(25ml).

• Régua com pelo menos 300mm de comprimento, com divisão mínima de 1mm.

3 – Procedimento

3.1 Realizar a inspecção visual da superfície do pavimento e seleccionar um local de

ensaio seco, homogéneo e sem degradações, como por exemplo fissuras ou juntas.

Proceder à limpeza da superfície com o auxílio das escovas. Colocar o ecrã portátil de

protecção à volta do local de ensaio.

3.2 Encher a proveta com o material seco – esferas de vidro normalizadas – e bater

levemente a base da proveta numa superfície rígida. Adicionar mais material até encher

completamente a proveta com o volume pretendido (V).

3.3 Verter o volume de material da proveta na superfície de ensaio limpa. Espalhar

cuidadosamente o material numa mancha circular, com o disco, preenchendo totalmente

os vazios da superfície com as pequenas esferas normalizadas. Pressionar levemente

com a mão, o suficiente para garantir que o disco espalha o material, até que o disco toca

nos topos da superfície das partículas de agregado.

3.4 Medir e registar o diâmetro da área circular coberta pelo espalhamento do material

em pelo menos quatro locais igualmente espaçados à volta da circunferência. Calcular e

registar o diâmetro médio (D).

3.5 O mesmo operador deve repetir o ensaio em pelo menos quatro locais,

aleatoriamente distribuídos num dado tipo de superfície de ensaio. A média aritmética

dos valores individuais deve ser considerada como a profundidade média de textura

(macrotextura) da superfície do pavimento ensaiada.

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4 – Resultado

• A profundidade média de textura (macrotextura), MTD, é calculada pela seguinte

equação:

2

4DVMTD

π=

em que:

MTD é a profundidade média de textura (macrotextura), em milímetros (mm)

V é o volume de material espalhado (volume interno da proveta), em milímetros

cúbicos (mm3)

D é o diâmetro médio da área coberta pelo material, em milímetros (mm)