CARACTERIZAÇÃO DA INTERFACE BETÃO-BETÃO UTILIZANDO UM RUGOSÍMETRO LASER

PEDRO SANTOS Mestre Eng. Civil ISISE-FCTUC-DEC Coimbra, Portugal

EDUARDO JÚLIO Doutor Eng. Civil ISISE-FCTUC-DEC Coimbra, Portugal

SUMÁRIO A resistência ao corte longitudinal da interface betão-betão em elementos compósitos de betão armado, essencial para assegurar o monolitismo do conjunto, é condicionada pela textura da superfície do betão do substrato. Neste artigo, apresenta-se um estudo destinado a caracterizar este parâmetro de forma quantitativa, utilizando um rugosímetro laser desenvolvido pelos autores, em alternativa às propostas de avaliação qualitativa dos actuais regulamentos de dimensionamento de estruturas de betão armado. Palavras-chave: Betão; Superfície; Interface; Aderência; Resistência; Corte; Rugosidade; Laser; Rugosímetro. 1. INTRODUÇÃO A resistência da interface entre betões de diferentes idades é fundamental para assegurar o comportamento monolítico de elementos compósitos de betão armado. Vigas pré-fabricadas com laje betonada in situ e tabuleiros de pontes reforçados por adição de uma camada de betão são exemplos típicos. Os actuais códigos e regulamentos de dimensionamento de estruturas de betão armado, tais como o CEN Eurocódigo 2 [3], ACI 318-05 [4] e CSA-A23.3-94 [5], propõem expressões de dimensionamento para determinar a resistência ao corte longitudinal da interface entre camadas de betão com diferentes idades.

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Estas expressões são baseadas na teoria do corte-atrito e a resistência ao corte longitudinal é determinada considerando diversos parâmetros como: 1) resistência à compressão do betão mais fraco; 2) tensão normal na interface; 3) quantidade de armadura cruzando a interface; e 4) rugosidade da superfície do substrato. A expressão de dimensionamento proposta pelo CEN Eurocódigo 2 [3] é dada por: ( )μσ ρ μ α α ν= + + + ≤sin cos 0.5Rdi ctd n yd cdV cf f f (1)

onde VRdi é o valor de cálculo da resistência da interface ao corte longitudinal, c é um coeficiente de coesão, fctd é o valor de cálculo da resistência do betão à tracção simples, µ é o coeficiente de atrito, σn é a tensão normal na interface devido a acções externas, ρ é a percentagem de armadura, fyd é o valor de cálculo da tensão de cedência da armadura, α é o ângulo entre a armadura e a interface, ν é um coeficiente de redução e fcd é o valor de cálculo da resistência do betão à compressão. Comum a todos estes códigos e regulamentos de dimensionamento é a avaliação qualitativa da rugosidade da superfície, sendo esta habitualmente classificada como: muito lisa, lisa, rugosa, ou muito rugosa. Dependendo desta classificação, os valores dos coeficientes de atrito e de coesão são definidos para serem utilizados nas expressões de dimensionamento. Esta abordagem não é a mais adequada porque depende de uma avaliação subjectiva. Para auxiliar na classificação da rugosidade, alguns códigos e regulamentos de dimensionamento relacionam esta com acabamentos típicos de superfícies de betão, os quais incluem: 1) superfície betonada contra cofragem metálica, plástica ou de madeira; 2) superfície sem qualquer tratamento adicional após vibração do betão; e 3) superfície intencionalmente rugosa, utilizando diversos métodos. Este apoio apresenta óbvias limitações e pode conduzir a valores incorrectos dos coeficientes de atrito e de coesão. Os exemplos fornecidos pelos códigos e regulamentos estão longe de cobrirem todas as aplicações práticas. Por exemplo, o CEN Eurocódigo 2 [3] considera rugosa “a superfície com pelo menos 3mm de rugosidade espaçados de 40mm, obtida por raspagem, expondo os agregados ou por outros métodos que conduzam a um comportamento equivalente”. Esta indicação é claramente insuficiente tendo em consideração a diversidade de métodos disponíveis para remover a camada superficial do betão e/ou aumentar a rugosidade da superfície, conduzindo cada um deles a diferentes valores da resistência da interface ao corte. Igualmente com o propósito de auxiliar na classificação dos métodos de tratamento, o ACI 555R-01 [6] propõe quatro categorias, em função do tipo de equipamento utilizado e das especificações de cada um: 1) remoção mecânica (picagem, escova de aço, escarificação, etc.); 2) impacto de partículas (jacto de grenalha e jacto de areia); 3) hidro-demolição (jacto de água); e 4) remoção química (acid etching). A consideração exaustiva de todos estes métodos não constitui o desenvolvimento necessário e desejável porque diferentes resultados podem ser obtidos com o mesmo método. Considerando como exemplo a técnica de jacto de areia, é evidente que a rugosidade da

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superfície depende de: 1) betão do substrato; 2) tipo e finura da areia utilizada; 3) características do equipamento utilizado; 4) distância entre a agulha e o substrato; 5) tempo de aplicação; etc. Definir um protocolo para cada método complicaria ainda mais o dimensionamento, o qual deve ser simples, e não resolveria o problema porque, na prática, seria necessário garantir que este seria realizado in situ. Por todas estas razões, o desenvolvimento lógico das expressões de dimensionamento consiste na substituição da abordagem qualitativa da rugosidade da superfície por uma abordagem quantitativa. 2. ESTADO DA ARTE 2.1 Métodos de quantificação da textura Não existe um método que seja consensualmente aceite para medir a textura de uma superfície ou, como também é usualmente designada de uma forma um pouco menos correcta, a sua “rugosidade”, sendo esta apenas uma componente da textura de uma superfície. O método qualitativo mais divulgado para a quantificação da textura de uma superfície foi proposto pelo International Concrete Repair Institute [7] e consiste na comparação visual da superfície de estudo com nove amostras padrão com rugosidade incremental. Apesar de ser rápido e fácil de executar, este método apresenta a desvantagem de ser dependente da avaliação subjectiva do observador. O Sand Patch Test, definido pela ASTM E 965 [8], é o método quantitativo mais simples para avaliação da textura de uma superfície e consiste em espalhar uniformemente sobre a superfície de estudo um volume conhecido de areia calibrada. Após medição do diâmetro da superfície de espalhamento em várias direcções, e calculado o diâmetro médio, determina-se o parâmetro Profundidade Média da Textura (Mean Texture Depth) através da expressão:

π

=2

4VMTD

D (2)

onde V é o volume de areia espalhada sobre a superfície (mm3) e D é o diâmetro médio da área coberta pela areia (mm). Este método apresenta a vantagem de ser económico e fácil de executar, tanto in situ como em laboratório, mas está limitado a superfícies horizontais e apenas permite caracterizar a macro-textura da superfície. O perfilómetro mecânico é o equipamento mecânico mais comum para avaliação da textura de uma superfície. É essencialmente constituído por um estilete, um condicionador/amplificador, uma unidade mecânica para avanço da cabeça de medição e um computador para aquisição de dados. A agulha da cabeça de medição, habitualmente constituída por uma ponta de diamante, é arrastada sobre a superfície ao longo de uma linha, medindo-se as variações da textura da superfície. A precisão das medições é influenciada por diversos parâmetros como:

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1) dimensão e dureza da agulha; 2) tecnologia de aquisição do sinal; 3) velocidade de medição; e 4) irregularidades da superfície; entre outras. As suas principais vantagens são: 1) rapidez na execução de leituras; 2) ausência da necessidade de preparação da amostra; e 3) sendo um equipamento portátil, a possibilidade de ser utilizado in situ. Outros equipamentos, como o Circular Track Meter (CTMeter), proposto na ASTM E 2157 [9], ou o Digital Surface Roughness Meter (DSRM), desenvolvido por Maerz et al. [10], são constituídos por um sensor laser acoplado a uma câmara CCD. O software de controlo permite obter informação da textura da superfície recorrendo à análise de imagens digitais e calcular diversos parâmetros numéricos. Métodos baseados em microscopia, nos quais se incluem a microscopia óptica e a electrónica, de acordo com Goodhew et al. [11] e Brundle et al. [12], podem igualmente ser utilizados para caracterização da textura de superfícies. A Microscopia Electrónica de Varrimento (SEM – Scanning Electron Microscopy) ou a Microscopia Electrónica de Transmissão (TEM – Transmission Electron Microscopy), são dois tipos distintos de microscopia, os quais consistem em fazer incidir um feixe de electrões na superfície de estudo. Analisando as alterações no feixe de electrões, reflexão e dispersão no corpo, é possível obter informação acerca da sua morfologia externa, como a textura, e micro-estrutura interna, como a micro-fissuração. A microscopia electrónica apresenta como desvantagens: 1) elevados custos de aquisição e manutenção; 2) necessidade de inserção da amostra num sistema de vácuo; 3) necessidade de fornecer alimentação estável e de alta voltagem; e 4) ser necessário um equipamento não portátil. A microscopia óptica não requer a introdução da amostra num sistema de vácuo, nem necessita de alimentação de alta voltagem, mas tem a desvantagem de ser sensível ao fenómeno de difracção da luz. A principal vantagem da microscopia é o aumento da precisão das medições e a ausência de contacto nas mesmas. Técnicas como a estereografia e a microscopia confocal permitem melhorar ainda mais a informação, obtida por microscopia, da textura. A utilização de ondas acústicas é também uma alternativa aos métodos de contacto. Sukmana et al. [13] propôs este novo método, que não requer contacto, para caracterizar a textura da superfície por dispersão de ultra-sons. Estes investigadores utilizaram nove amostras de folhas de papel com diferentes texturas e uma placa de aço inoxidável polido como referência, tendo sido estas superfícies também caracterizadas por um perfilómetro mecânico. Embora o âmbito deste trabalho de investigação não tenha sido a superfície de betão, ele representa um contributo valioso nesta área. Fotogrametria, em particular a fotogrametria digital de curto-alcance, é um método que também não requer contacto e que pode ser utilizado para caracterizar a textura de superfícies. Com esta técnica, as propriedades geométricas de um corpo são determinadas utilizando diversas fotografias obtidas a partir de diferentes posições. São identificados pontos comuns em cada fotografia e determinadas as coordenadas tridimensionais utilizando algoritmos matemáticos. Esta técnica tem um vasto campo de aplicação em topografia, arquitectura, engenharia, etc. Alguns autores, Whiteman et al. [14] e Valença et al. [15], utilizaram a técnica de fotogrametria para determinação de deformações estruturais, comprovando a vasta aplicabilidade desta

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técnica. A fotogrametria digital de curto-alcance apresenta diversas vantagens relativamente à tradicional instrumentação de medição de deformações. É um método que não requer contacto e que fornece um modelo tridimensional da amostra de uma forma fácil, rápida e quase sem custos. Têm sido utilizados diversos métodos para ultrapassar a falta de um equipamento de medição normalizado. O Método Slit-Island consiste em cobrir a superfície com uma camada suplementar de material e, depois, poli-la paralelamente a um plano. Removendo camadas sucessivas, aparecem diversas “ilhas”, que crescem e se agrupam entre si. Para cada linha de contorno localizada a diferentes planos de elevação, determina-se a área e o perímetro de cada “ilha” e representa-se a relação área/perímetro num gráfico log-log. Ajustando uma regressão linear ao conjunto de pontos, pelo método dos mínimos quadrados, é possível determinar a dimensão fractal. Issa et al. [16] utilizou uma versão modificada do Método Slit-Island para caracterizar a superfície fracturada de elementos de betão, com água estacionária em vez de um material de revestimento, verificando-se uma boa correlação entre a dimensão fractal e a rugosidade da superfície. A avaliação da dimensão fractal, como indicado por Bigerelle et al. [17], é influenciada por diversos parâmetros. Os erros introduzidos na medição da área e perímetro podem conduzir a falsas correlações entre a dimensão fractal e a rugosidade da superfície. O método de cálculo adoptado, Slit-Island; Vertical Section; Box Counting; etc., é outro importante parâmetro, porque pode conduzir a valores diferentes da dimensão fractal e, desde logo, a diferentes valores da rugosidade da superfície. Outro método foi proposto por Abu-Tair et al. [18] para caracterizar a textura de uma superfície, designado por Método do Gradiente de Rugosidade. De acordo com este investigador, o perfil de rugosidade da superfície é determinado utilizando um medidor de texturas, constituído por 500 agulhas de 0.8mm de diâmetro e espaçadas de 1.0mm entre si sendo deixadas cair livremente sobre a superfície de betão. O perfil formado pelas agulhas é depois fotografado. Ampliando a fotografia, é possível efectuar leituras mais precisas e o perfil de rugosidade é então definido por uma série de ondas irregulares, sendo o parâmetro de rugosidade dependente da profundidade pico-vale e do respectivo comprimento de onda. Os autores do presente artigo desenvolveram igualmente uma técnica baseada no tratamento de imagem digital, Santos et al. [2], tendo-a aperfeiçoado, posteriormente, com o desenvolvimento do rugosímetro laser apresentado neste documento, tendo por objectivo ultrapassar as limitações entretanto encontradas com o anterior método. Uma vez obtido o perfil da textura da superfície do substrato, esta pode ser numericamente definida utilizando parâmetros de rugosidade e ondulação, os quais são baseados em características da superfície, tais como a altura e espaçamento entre picos e vales. 2.2 Parâmetros numéricos e filtros De acordo com Smith [20], a textura de uma superfície resulta da combinação de: 1) forma; 2) ondulação; e 3) rugosidade. A forma é a característica predominante da superfície. A ondulação resulta de movimentos, deformações ou vibrações do equipamento, sendo uma

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componente significativa da textura da superfície. À ondulação sobrepõe-se a rugosidade, a qual é uma consequência das irregularidades provocadas pela remoção do material e/ou das irregularidades do molde. De acordo com Mummery [19], podem ser utilizados diversos parâmetros numéricos para caracterizar quantitativamente a textura de uma superfície. Estes podem ser divididos nas seguintes quatro categorias: 1) parâmetros de rugosidade ou amplitude; 2) parâmetros de ondulação ou espaçamento; 3) parâmetros híbridos; e 4) parâmetros estatísticos. Os parâmetros de rugosidade e ondulação encontram-se relacionados com as características verticais e horizontais dos desvios da superfície, respectivamente. Os parâmetros híbridos são uma combinação de ambos e os parâmetros estatísticos são parâmetros de textura, tratados como conjuntos estatísticos de dados. A análise da textura de uma superfície inicia-se com a medição do seu perfil, habitualmente designado como perfil primário. Este contém informação acerca da superfície tal como é medida, sem filtragem e com as limitações do equipamento de medição. De seguida, a forma da superfície é removida, utilizando por exemplo uma regressão linear, para garantir que a linha média do perfil, ou o plano médio da superfície, se encontra horizontal. Este passo é necessário devido à possível falta de paralelismo entre a superfície e o equipamento de medição. Posteriormente, procede-se à filtragem, realizada através de uma transformação electrónica, mecânica, óptica ou matemática. A filtragem é aplicada ao perfil primário, o qual é constituído por perfis com diferentes comprimentos de onda, e permite extrair os perfis de rugosidade e ondulação. Os perfis com frequências elevadas (ondas curtas) correspondem à rugosidade, enquanto que os que apresentam frequências baixas (ondas longas) correspondem à ondulação. Dependendo do tipo de filtro utilizado, o perfil de ondulação é extraído do perfil primário e o perfil de rugosidade é posteriormente obtido pela diferença entre o perfil primário e o perfil de ondulação. Finalmente, os parâmetros de ondulação e rugosidade são determinados a partir destes perfis. A utilização de filtros tem uma influência significativa nos perfis de rugosidade e ondulação obtidos e, por esse motivo, devem ser cuidadosamente seleccionados. Entre os filtros mais comuns, Raja et al. [21], encontram-se: 1) o filtro 2RC; 2) o filtro Gaussiano; e 3) o filtro Spline. O filtro Gaussiano foi desenvolvido para ultrapassar as desvantagens do filtro 2RC, apresentando as vantagens de ser um filtro corrector de fase e permitir obter o perfil de rugosidade directamente pela subtracção do perfil de ondulação ao perfil primário. Através da implementação de diversos algoritmos computacionais, Hara et al. [22] e Yuan et al. [23], o tempo de cálculo foi significativamente reduzido. As principais limitações prendem-se com as superfícies com fortes curvaturas, a necessidade de um comprimento adicional para estabilização das medições e a existência de vales profundos. Os filtros Spline, Krystek [24] e Numada et al. [25], são uma alternativa aos filtros tradicionais, utilizam polinómios contínuos de elevado grau, com primeira e segundas derivadas contínuas, garantindo uma linha média suavizada. São igualmente filtros correctores de fase, não

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provocando distorção nas extremidades e requerendo menos esforço e tempo computacional do que os filtros tradicionais. 3. RUGOSÍMETRO LASER 3.1 Descrição do equipamento O rugosímetro laser utiliza dois sensores laser com uma gama de 30 a 50mm e 30 a 130mm e uma resolução de 10µm e 60µm, respectivamente. A gama do sensor laser corresponde aos intervalos de distância a que a superfície inspeccionada deve estar colocada do sensor, de forma a que o laser incida, seja reflectido e captado novamente pelo sensor. Uma mesa de deslocamento linear permite ao sensor laser efectuar um comprimento de varrimento da superfície a inspeccionar até 220mm. Na Figura 1 é apresentada uma vista interna do equipamento e, na Figura 2, uma foto deste juntamente com um computador portátil e um provete de betão. Este equipamento foi desenvolvido no Departamento de Engenharia Civil, em parceria com o Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores, da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra durante o ano de 2006 e 2007.

Figura 1: Vista interna Figura 2: Teste

O software de controlo, desenvolvido em LabView 7.1 da National Instruments, Figura 3, é executado num sistema operativo Microsoft Windows 2000 ou XP, sendo o rugosímetro laser conectado a um computador portátil através de uma ligação USB. A função do software é o controlo do equipamento, possibilitando definir o comprimento de avaliação, seleccionar a precisão do sensor laser utilizado, movimentar o sensor laser para a posição inicial, iniciar as operações de leitura e interrompê-las, em caso de emergência. O perfil de rugosidade é medido e representado graficamente, em tempo real, durante a realização das leituras. O gráfico representa a distância entre o sensor laser e a superfície de betão para cada posição ao longo do caminho de avaliação. Os resultados obtidos são armazenados em ficheiro de texto, com valores separados por tabulação, o que é compatível com uma folha de cálculo para posterior edição e tratamento. Foi igualmente desenvolvida uma aplicação para calcular de forma expedita alguns parâmetros de rugosidade a partir destes ficheiros de texto, Figura 4. Esta aplicação permite importar o

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ficheiro de texto, remover leituras inválidas, calcular diversos parâmetros de rugosidade, determinar a posição da linha média e representar o perfil de rugosidade, com e sem remoção da forma da superfície.

Figura 3: Software de controlo Figura 4: Cálculo de parâmetros numéricos

3.2 Aferição de resultados Para avaliar o desempenho do rugosímetro laser e comparar este novo método com o método desenvolvido pelos autores em estudos anteriores, Santos et al. [2], foram utilizados três provetes de betão com diferentes tipos de superfícies: 1) superfície lisa – superfície betonada contra cofragem metálica, sem tratamento (ST), e considerada como referência, Figura 5a); 2) superfície rugosa sem exposição de agregados – superfície preparada com escova de aço (EA), Figura 5b); e 3) superfície rugosa com exposição de agregados – superfície preparada com jacto de areia (JA), Figura 5c).

Figura 5: Tipos de superfícies: a) superfície lisa; b) superfície rugosa sem exposição de

agregados; c) superfície rugosa com exposição de agregados Foram realizadas dez leituras para cada tipo de superfície e definidos os seus perfis primários. Na Figura 6 é representado um perfil primário típico de uma superfície lisa. Posteriormente,

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com base nestes perfis primários, foram determinados doze parâmetros de rugosidade: 1) rugosidade média, Ra; 2) altura média pico-vale, Rz(DIN); 3) altura máxima pico-vale, Rmax; 4) média da terceira altura pico-vale mais elevada, R3z; 5) máximo da terceira altura pico-vale mais elevada, R3zmax; 6) altura dos dez pontos, Rz(ISO); 7) altura total da rugosidade, Ry; 8) valor quadrático médio da altura do perfil (RMS), Rq; 9) altura média do pico, Rpm; 10) altura máxima do pico, Rp; 11) profundidade média do vale, Rvm; e 12) profundidade máxima do vale, Rv.

Figura 6: Perfil típico de uma superfície lisa

Na Figura 7 são representados os valores dos doze parâmetros de rugosidade obtidos com o rugosímetro laser para cada superfície. Estes resultados e os valores dos mesmos parâmetros obtidos com o método baseado no tratamento de imagem digital, desenvolvido anteriormente pelos autores, Santos et al. [2], são apresentados no Quadro 1.

Figura 7: Parâmetros de rugosidade

A definição de parâmetros como a média da terceira altura pico-vale mais elevada, R3z, e o máximo da terceira altura pico-vale mais elevada, R3zmax, implica a selecção manual da terceira

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altura pico-vale. Constatou-se que a determinação destes parâmetros não era completamente objectiva porque a selecção teria de ser realizada manualmente, sendo necessário automatizar este procedimento de selecção em trabalhos futuros. Sem realizar a selecção manual, os parâmetros média da terceira altura pico-vale mais elevada, R3z, e máximo da terceira altura pico-vale mais elevada, R3zmax, são bastante semelhantes à altura média pico-vale, Rz(DIN) e à altura máxima pico-vale, Rmax, respectivamente. No Quadro 1 são apresentados estes parâmetros sem selecção manual.

Quadro 1: Parâmetros de rugosidade

Parâmetro de rugosidade (mm)

Tratamento de Imagem Digital Rugosímetro laser

ST EA JA ST EA JA Rugosidade média, Ra 0.032 0.095 0.202 0.019 0.129 0.227Altura média pico-vale, Rz(DIN) 0.214 0.413 0.818 0.106 0.391 1.015Altura máxima pico-vale, Rmax 0.371 0.749 0.999 0.146 0.555 1.553Média da 3ª altura pico-vale mais elevada, R3z 0.206 0.403 0.781 0.097 0.376 0.998Máximo da 3ª altura pico-vale mais elevada, R3zmax 0.370 0.707 0.994 0.136 0.541 1.537Altura dos dez pontos, Rz(ISO) 0.356 0.853 1.192 0.146 0.846 1.697Altura total da rugosidade, Ry 0.371 0.887 1.235 0.156 0.864 1.710Valor quadrático médio da altura do perfil (RMS), Rq 0.049 0.119 0.254 0.024 0.160 0.309Altura média do pico, Rpm 0.084 0.162 0.411 0.054 0.209 0.623Altura máxima do pico, Rp 0.133 0.282 0.529 0.079 0.413 1.130Profundidade média do vale, Rvm 0.131 0.252 0.406 0.052 0.182 0.392Profundidade máxima do vale, Rv 0.239 0.605 0.706 0.078 0.451 0.580 O perfil de rugosidade da superfície lisa foi avaliado utilizando ambos os sensores laser, com 10µm e 60µm de precisão, de forma a verificar se o segundo seria suficiente para analisar superfícies lisas como as resultantes da betonagem contra cofragem metálica. Os resultados obtidos são apresentados na Figura 8.

Figura 8: Parâmetros de rugosidade da superfície lisa avaliados com ambos os sensores laser

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Na Figura 9 é apresentada uma comparação entre os coeficientes de variação dos parâmetros de rugosidade.

Figura 9: Comparação dos coeficientes de variação

Analisando os resultados obtidos com ambos os métodos de quantificação da rugosidade, Quadro 1, verifica-se que, para a superfície rugosa sem exposição de agregados, os parâmetros de rugosidade apresentam, em geral, valores similares quando calculados por ambos os métodos. Para a superfície rugosa com exposição de agregados, a generalidade dos parâmetros de rugosidade apresenta valores superiores quando calculados através dos perfis obtidos com o rugosímetro laser. Pelo contrário, para a superfície lisa, quase todos os parâmetros de rugosidade apresentam valores inferiores quando é utilizado o rugosímetro laser. Esta análise confirma que o rugosímetro laser conduz à obtenção de perfis de rugosidades mais exactos. De forma a correlacionar os parâmetros de rugosidade com a resistência da interface foi realizado um pequeno programa experimental. Foi adoptado o Slant Shear Test e o Pull-Off Test para avaliar a resistência da interface betão-betão, ao corte e à tracção, propostos pela ASTM C 882 [26] e ASTM C 1583 [27], respectivamente. Foi adoptado um provete prismático para o Slant Shear Test, com dimensões 200×200×400mm3 e com a interface definindo um ângulo de 30º com a vertical, sendo ensaiado à compressão, ficando a interface sujeita a um estado de tensão de compressão e corte, Figura 10. Para o Pull-Off Test foi adoptado um provete prismático, com dimensões 200×200×200mm3 e com a interface horizontal, localizada a meia altura. Uma carotagem com 75mm de diâmetro é realizada no provete, até atingir a interface, prolongando-se cerca de 15mm além desta. Finalmente, a carote é traccionada, ficando a interface sujeita a um estado de tensão de tracção, Figura 11.

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Figura 10: Slant Shear Test Figura 11: Pull-Off Test

Foram realizados cinco provetes do tipo Slant Shear e do tipo Pull-Off para cada tipo de superfície considerada: 1) lisa; 2) rugosa sem exposição de agregados; e 3) rugosa com exposição de agregados. Após a betonagem do substrato, os provetes foram sujeitos ao correspondente método de tratamento e, passados 84 dias, foi colocada a segunda camada de betão. A cura dos provetes foi realizada em laboratório, sem controlo de temperatura e humidade relativa. O ensaio dos provetes foi realizado aos 28 dias de idade do betão novo. O betão do substrato e o betão adicionado apresentaram uma resistência média de 50.40MPa e 46.22MPa, respectivamente, aos 28 dias de idade. Todos os provetes do tipo Slant Shear e tipo Pull-Off apresentaram rotura adesiva, não tendo sido possível realizar o ensaio Pull-Off no caso dos provetes com a superfície lisa, por ter ocorrido descolamento da interface durante a execução do furo. A resistência da interface betão-betão, sujeita a corte e a tracção, é representada na Figura 12 e Figura 13, respectivamente.

Figura 12: Resistência da interface ao corte Figura 13: Resistência da interface à tracção

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Apresentam-se no Quadro 2 os coeficientes de correlação, assumindo uma relação linear entre a resistência da interface betão-betão, ao corte e à tracção, e cada um dos parâmetros de rugosidade calculados. Verifica-se que existe uma elevada correlação entre estas grandezas. Observa-se que o coeficiente de correlação é sempre superior a 0.85 e mesmo, para alguns parâmetros, superior a 0.95. A melhor correlação foi obtida com o parâmetro profundidade máxima do vale Rv, com valores de 0.99.

Quadro 2: Coeficientes de correlação

Parâmetro de rugosidade

Coeficiente de Correlação (R2) Tratamento de Imagem Digital Rugosímetro laser

Corte Tracção Corte Tracção Rugosidade média, Ra 0.9178 0.9203 0.9748 0.9762Altura média pico-vale, Rz(DIN) 0.8985 0.9013 0.8908 0.8936Altura máxima pico-vale, Rmax 0.8985 0.9013 0.8908 0.8936Média da 3ª altura pico-vale mais elevada, R3z 0.9049 0.9075 0.8891 0.8919Máximo da 3ª altura pico-vale mais elevada, R3zmax 0.9773 0.9786 0.8780 0.8810Altura dos dez pontos, Rz(ISO) 0.9886 0.9895 0.9504 0.9523Altura total da rugosidade, Ry 0.9890 0.9900 0.9520 0.9539Valor quadrático médio da altura do perfil (RMS), Rq 0.9043 0.9070 0.9596 0.9613Altura média do pico, Rpm 0.8509 0.8541 0.8691 0.8721Altura máxima do pico, Rp 0.9203 0.9228 0.8927 0.8955Profundidade média do vale, Rvm 0.9463 0.9483 0.9240 0.9264Profundidade máxima do vale, Rv 0.9984 0.9980 0.9999 0.9998 Em estudos posteriormente desenvolvidos pelos autores, Santos et al. [28][29], procedeu-se à comparação do desempenho do rugosímetro laser com o Sand Patch Test proposto pela ASTM E 965 [8], Figura 14, e com a técnica de laser scanning 3D, Figura 15. Os autores concluíram que, apesar da técnica de laser scanning permitir a obtenção de uma superfície 3D, em vez de perfis 2D, o rugosímetro laser continua a ser uma alternativa competitiva e fiável. Sendo um equipamento portátil, com baixo custo de aquisição e de manutenção, apresenta resultados com elevada precisão, além de ser de fácil utilização.

Figura 14: Sand Patch Test Figura 15: Laser scanning 3D

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4. CONCLUSÕES Este estudo corrobora as conclusões de estudos anteriores publicados pelos autores, Júlio et al. [1] e Santos et al. [2], nomeadamente: 1) a rugosidade da superfície do substrato influencia de forma significativa a resistência da interface betão-betão; 2) é possível obter um perfil de rugosidade da superfície do substrato e, a partir deste, determinar parâmetros de rugosidade; e 3) é possível definir correlações lineares entre alguns destes parâmetros e a resistência da interface, ao corte e à tracção, com elevados coeficientes de correlação (R2>0.95). Ficou demonstrado que o novo método proposto, utilizando o rugosímetro laser desenvolvido, apresenta todas as vantagens, com resultados ainda mais precisos, e ultrapassa todas as desvantagens do método baseado no tratamento de imagem digital, adoptado em estudos anteriores, Santos et al. [2]. De facto, o novo método proposto é realmente não-destrutivo, fácil de executar e permite prever, de forma rápida e in situ, a resistência ao corte de interfaces betão-betão. A utilização do sensor laser de 10µm para a superfície betonada contra cofragem metálica parece ser mais adequada, porque todos os parâmetros de rugosidade são ligeiramente superiores quando comparados com os mesmos parâmetros medidos com o sensor laser de 60µm. Isto indica que, para superfícies muito lisas, a resolução do sensor laser tem de ser criteriosamente seleccionada. O coeficiente de variação dos parâmetros de rugosidade apresenta valores significativamente mais baixos para a superfície tratada com escova de aço, quase sempre inferiores a 20%, do que para os restantes dois tipos de superfície: betonada contra cofragem metálica e tratada com jacto de areia. Este facto pode ser justificado com a uniformidade da superfície rugosa, obtida com este tratamento. Para a superfície betonada contra cofragem metálica, este coeficiente varia entre 20 e 40%. Este valor mais elevado pode ser justificado pela existência de pequenas depressões na superfície do betão, as quais têm um influência significativa nos parâmetros de rugosidade avaliados, quando estas são incluídas no caminho de avaliação. Para a superfície tratada com jacto de areia, este coeficiente apresenta valores ainda mais elevados, o que pode ser explicado tendo em consideração que este tratamento implica a exposição de agregados, provocando uma superfície rugosa irregular. É necessário prosseguir os estudos e criar uma base de dados, estatisticamente representativa, antes de propor uma expressão de dimensionamento que substitua a actual abordagem qualitativa dos códigos e regulamentos de dimensionamento. Contudo, os resultados obtidos nesta fase permitem já afirmar que é possível propor uma metodologia in situ, expedita e não-destrutiva, para quantificação da rugosidade da superfície do substrato. O parâmetro de rugosidade profundidade máxima do vale, Rv, aparenta ser o mais adequado para ser incorporado numa expressão de dimensionamento da resistência ao corte longitudinal da interface entre elementos de betão betonados a diferentes idades.

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5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o apoio da Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT), através da bolsa de doutoramento com a referência SFRH/BD/25510/2005. Aos funcionários do Laboratório de Estruturas e Mecânica Estrutural do DEC-FCTUC, Sr. Miguel Clara, Sr. Luís Gaspar e Sr. Olegário João, pela ajuda prestada no desenvolvimento dos trabalhos experimentais. Ao Prof. Jaime Santos, do Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores, da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra, pela colaboração prestada no desenvolvimento do rugosímetro laser. Os agradecimentos são extensivos às empresas MAPREL – Empresa de Pavimentos e Materiais Pré-Esforçados Lda, SIKA Portugal SA, AFAssociados – Projectos de Engenharia SA, WEBER Cimenfix, CIMPOR – Cimentos de Portugal, BETÃO-LIZ Adémia, Euro-Planning – Engenharia & Gestão Lda, TrueGage e SYCODE pelo seu apoio financeiro e material. 6. REFERÊNCIAS [1] Júlio et al. – “Concrete-to-concrete bond strength. Influence of the roughness of the

substrate surface”, Construction and Building Materials, Vol. 18, No. 9, p. 675-681, November 2004

[2] Santos et al. – “Correlation between concrete-to-concrete bond strength and the roughness of the substrate surface”, Construction and Building Materials, Vol. 21, No. 8, p. 1688-1695, August 2007

[3] CEN Eurocode 2 – Design of concrete structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings, EN 1992-1-1:2004, CEN, 2004

[4] ACI 318 – ACI Manual of Concrete Practice, Part 3 – 1994, Use of Concrete in Buildings – Design, Specifications, and Related Topics, American Concrete Institute, 2002

[5] CSA A23.3-94 – Design of Concrete Structures – Structures Design, Canadian Standards Association, 178 Rexdale Boulevard, Rexdale, Ontario, M9W 1R3, 1994.

[6] ACI-555R-01 – Removal and reuse of hardened concrete, ACI Committee 555 Report, American Concrete Institute, 2001

[7] International Concrete Repair Institute, 3166 S. River Road, Suite 132, Des Plaines, IL 60018, USA, http://www.icri.org

[8] ASTM E 965-96 – Standard test method for measuring pavement macrotexture depth using a volumetric technique, American Society for Testing Materials, 100 Barr Harbor Dr., West Conshohocken, PA 19428, USA, 1996

[9] ASTM E 2157-01 – Standard test method for measuring pavement macrotexture properties using the circular track meter, American Society for Testing Materials, 100 Barr Harbor Dr., West Conshohocken, PA 19428, USA, 2001

[10] Maerz, N.; Myers, J. – “Development of a prototype imaging concrete roughness measurement device”, Center for Infrastructure Engineering Studies, University of Missouri-Rolla, Report Number 00-20, USA, April 2001, 27 p.

[11] Goodhew et al. – Electron microscopy and analysis, Third edition, Taylor & Francis, 2001, ISBN 0-7484-0968-8, 264 p.

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[12] Brundle et al. – Encyclopedia of materials characterization: surfaces, interfaces, thin films, Butterworth-Heinemann, Boston, 1992, ISBN 0-7506-9168-9, 782 p.

[13] Sukmana, D.D.; Ihara, I. – “Novel noncontact method for characterizing surface profile by air-coupled ultrasound scattering”, Advances in Technology of Materials and Materials Processing Journal, Vol. 8, No. 2, p. 248-255, 2006

[14] Whiteman et al. – “Measurement of deflections in concrete beams by close-range digital photogrammetry”, Symposium on Geospatial Theory, Processing and Applications, Ottawa 2002, 9 p.

[15] Valença et al. – “Aplicações de fotogrametria na Engenharia Civil”, PATORREB 2006 – 2º Encontro sobre Patologias e Reabilitação de Edifícios, FEUP, Porto, Março 2006, 10 p.

[16] Issa et al. – “Fractal dimension – A measure of fracture roughness and toughness of concrete”, Fracture Mechanics, Vol. 70, 2003, p. 125-137

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[24] Krystek, M. – “Form filtering by splines”, Measurement, Vol. 18, No. 1, p. 9-15, 1996 [25] Numada et al. – “High-order spline filter and ideal low-pass filter at the limit of its order”,

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[28] Santos, P.; Júlio, E. – “Texture characterization of concrete surfaces – Part I – Methods, parameters and filters”, ACI Materials Journal, 2008 (submetido)

[29] Santos, P.; Júlio, E. – “Texture characterization of concrete surfaces – Part II – from Sand Patch Test to laser scanning”, ACI Materials Journal, 2008 (submetido)

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