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].
material passado (%)
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.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0,01
gran A
gran B
gran C
lim sup
lim inf
0,1
1
abertura do peneiro (mm)
10
100
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
Parâmetro
1
2
3
4
5
6
7
Identificação da laje
8
9
10
11
12
13
14
Granulometria
A
A
A
B
C
A
A
A
A
A
B
C
A
A
(A, B, C)
Baridade
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
(g/cm3)
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
(%)
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
(%)
Tipo betume
(1:50/70;
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2:35/50 )
Aditivo
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
(0/00)
Segregação
não não não não não não não não não não não não sim sim
(sim, não)
Temperatura
50 50
50
50
50
50
50
30
50
40
30
40
50 30
(ºC)
15
16
17
A
A
A
2,31 2,27 2,24
4,2
6,6
7,8
5,3
5,8
5,8
1
2
1
0
0
3
não
não
sim
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 cm 2, 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
C
A
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
1
2
3
4
5
6
7
9
13
16
17
temperatura
50ºC
50ºC
50ºC
50ºC
50ºC
50ºC
50ºC
50ºC
50ºC
50ºC
50ºC
NP
500
645
344
860
860
1300
860
650
2150
9800
NF
2880
6868
1763
4042
5917
7614
10000
4200
2947
10300
10274
laje
10
12
15
8
11
14
temperatura
40ºC
40ºC
40ºC
30ºC
30ºC
30ºC
NP
6250
1075
1075
7700
> 16500
> 10000
NF
12550
10000
10000
19318
19136
16063
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
profundidade
máxima da fenda
(mm)
NF
a) laje 7; 50ºC; NF = 10000
Identificação da lajeta
6
1
2
5
10
< 10
<7
2280
6868
5917
7
15
16
5
7
10
5
7614
10000
10000
103000
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.
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[12] – Schorsch, M., Chang, C. and Baladi, Y. – “Effects of Segregation on the Initiation and
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