INVESTIGANDO A ESTRUTURA DO PAVIMENTO POR MÉTODO NÃO DESTRUTIVO (GPR)

Transcrição

1 INVESTIGANDO A ESTRUTURA DO PAVIMENTO POR MÉTODO NÃO DESTRUTIVO (GPR) Rubens Vieira IPT - Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo CT-OBRAS / Seção de Geotecnia Otavio Coaracy Brasil Gandolfo IPT - Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo CT-OBRAS / Seção de Geotecnia RESUMO A necessidade de investigação das camadas de um pavimento para avaliá-lo sob o aspecto das condições estruturais requer frequentemente a utilização dos métodos destrutivos tradicionais por meio da abertura de janelas no pavimento. Estes métodos, embora de grande precisão, são pontuais, geralmente demorados e causam defeitos no pavimento. Uma maneira de minimizar estes inconvenientes é a utilização de ensaios do tipo não destrutivos como, por exemplo, o GPR (Ground Penetrating Radar). O GPR é uma consagrada metodologia geofísica para a investigação de pavimentos, normatizada desde 1998 pela ASTM D4748, de ampla aplicação nos países estrangeiros. Apresentamos neste artigo alguns resultados de um trabalho realizado pelo IPT e que demonstra a potencialidade da utilização de métodos não destrutivos na determinação da espessura das camadas de pavimentos que já apresentavam problemas. Foram estabelecidos procedimentos operacionais e metodológicos dos ensaios realizados, com a finalidade de difundir e ampliar o conhecimento da aplicação dessa metodologia para a investigação da estrutura de pavimentos em nosso país. Não fez parte deste trabalho o estudo econômico para verificação das diferenças entre os métodos tradicionais e o de investigação indireta (GPR). Foi constatado que a utilização do GPR, combinada com as avaliações pontuais das espessuras das camadas por meio da abertura de cavas, produziu resultados confiáveis a uma elevada relação custo/benefício, pois foi possível a investigação de extensas áreas em um curto período de tempo, minimizando a produção de defeitos e aumentando a produtividade. Palavras-chave: GPR; método não destrutivo; estrutura do pavimento. ABSTRACT In order to investigate pavement layers, traditional destructive methods are generally used by core drilling and trenching. The pavement layers thickness determined by destructive methods is usually exact, but punctual data are obtained on selected locations and may cause further damages in the pavement. It requires traffic closure and it is relatively dangerous for the operating personnel. To avoid these drawbacks, the GPR (Ground Penetrating Radar) is one of the most recommended non-destructive techniques. GPR is a geophysical measurement technique that has been extensively used by foreign researchers for many applications in pavement engineering. GPR survey must be carried out according to the ASTM D4748. This paper presents the results of a GPR survey to determine pavement layer thickness. Field methods and operating procedures were established in order to disseminate and enhance knowledge of GPR for pavement engineering applications in Brazil. It has been found that the use of GPR (non-destructive method) combined with destructive investigation, got consistent results and yielded a favorable benefit-cost ratio. Surveys can produce a large amount of data in a short time for a fairly low cost, increasing productivity. Keywords: GPR; non-destructive testing; pavement layer thickness. 1. INTRODUÇÃO A avaliação de um pavimento é efetuada por meio de procedimentos estabelecidos em especificações, cujos resultados geram um diagnóstico sobre as condições funcionais e estruturais do pavimento. A finalidade da avaliação de pavimentos é levantar informações que sirvam como subsídio para a tomada de decisão sobre a sua eventual manutenção ou reabilitação. Além disso, permite estabelecer modelos de previsão de desempenho, estudar critérios de aceitabilidade, sistematizar as informações em sistemas de gerência de pavimentos, etc.

2 Este artigo pretende dar uma contribuição para o trabalho de investigação da estrutura do pavimento, objetivando minimizar os processos destrutivos e aumentar a produtividade nos levantamentos por meio da utilização de um método não destrutivo (GPR). 2. AVALIAÇÃO DAS ESPESSURAS DE PAVIMENTOS O levantamento para a identificação da estrutura de um pavimento consiste na obtenção de dados referentes às espessuras e tipos de materiais empregados nas diversas camadas. Essas informações podem ser utilizadas em projetos de restaurações ou em outras situações, como por exemplo, em casos em que é necessário identificar, de fato, se as espessuras das camadas do pavimento condizem com aquelas que foram definidas em projeto. Em geral, esse tipo de atividade é realizado utilizando-se um método destrutivo. Dentre os métodos destrutivos destaca-se a execução de cavas, que consiste na abertura de janelas no pavimento, por meio de sondas rotativas ou equipamentos de corte, para a identificação da natureza e das espessuras dos materiais das camadas do pavimento e a coleta de amostras para realização de ensaios em laboratório. Esses métodos, embora bastante utilizados, apresentam algumas desvantagens em relação aos métodos não destrutivos: a) necessidade do fechamento da via e intervenção no tráfego para sua execução; b) são pontuais (fornecem informações precisas), não permitindo extrapolações ao longo de todo o trecho a ser investigado; c) a execução do procedimento é demorada, com consequentemente diminuição de produtividade; d) necessidade de recomposição do pavimento após a abertura de cavas, por meio da execução de reparos. Neste último caso, além de gerar uma fragilidade na estrutura, acarreta no aumento do índice de gravidade global (IGG) do pavimento (determinado pela avaliação subjetiva DNIT 006/2003-PRO), pois gera um remendo na camada de revestimento. Alternativamente aos métodos destrutivos para a avaliação da estrutura do pavimento, metodologias não destrutivas constituem uma importante ferramenta de apoio que podem ser utilizadas de maneira complementar nos levantamentos de campo. Dentre os métodos não destrutivos destaca-se o GPR (Ground Penetrating Radar) cuja aplicação em pavimentos aqui no Brasil ainda é incipiente, podendo ser citados alguns trabalhos já realizados (Françoso et al., 2013; Strieder et al., 1999). 3. O MÉTODO GPR GPR é um método geofísico que utiliza ondas eletromagnéticas de altas frequências (na faixa de MHz). Estas ondas são emitidas para o subsolo por meio de um transmissor de uma antena, sofrem refrações e reflexões em interfaces e estruturas existentes no subsolo, retornando à superfície, sendo então captadas pelo receptor da antena (Figura 1). O comportamento da onda em subsuperfície é influenciado pelas propriedades eletromagnéticas dos materiais (permissividade dielétrica e a condutividade elétrica, fundamentalmente) através dos quais ela se propaga.

3 Figura 1. Ilustração do método GPR. A profundidade de investigação depende, além das características do meio, da frequência do sinal emitido, geralmente estando na ordem de centímetros a poucas unidades de metros. A frequência de operação é escolhida de forma a fornecer a relação mais vantajosa entre penetração e resolução para um determinado objetivo. Sinais de alta frequência produzem alta resolução, porém baixa penetração, ocorrendo o inverso para sinais de baixa frequência. Cada frequência corresponde a uma determinada antena utilizada pelo equipamento. Na aplicação do método GPR para a avaliação de pavimentos (ASTM D4748, 2010) são utilizadas antenas com frequências que possibilitem a resolução da ordem de centímetros, geralmente superiores a 900MHz. O produto do levantamento com o GPR é uma imagem 2D de alta resolução do subsolo ao longo do eixo investigado, onde podem ser observados refletores que correspondem a estruturas e contatos entre diferentes materiais, desde que estes apresentem suficientes contrastes de suas propriedades eletromagnéticas (Figura 2). CONCRETO BETUMINOSO USINADO A QUENTE Brita Graduada Simples REGULARIZAÇÃO DO SUBLEITO CBR > 10% - GC > 95% P.M. Solo TUBULAÇÃO Rocha Figura 2. Aquisição com GPR (esquerda); dado gerado na forma de uma seção 2D (direita). Os dados de campo podem ser coletados com as antenas acopladas a veículos (em geral aéreas, sem contato com o solo) possibilitando altas velocidades de aquisição (Malä Geoscience). Também podem ser coletados com as antenas posicionadas diretamente sobre o pavimento.

4 Dentre as vantagens da utilização do GPR, algumas podem ser citadas: 1) rapidez na aquisição dos dados, permitindo a cobertura de extensas áreas em curto período de tempo, aumentando a produtividade; 2) por ser um método não invasivo, preserva a integridade da estrutura do pavimento avaliado e dispensa a recomposição das camadas; 3) fornece um dado sob a forma de uma imagem contínua do perfil investigado, que pode ser complementado por informações pontuais dos locais onde as amostras forem retiradas, minimizando as avaliações destrutivas, poupando esforços e custos ao projeto. Como as reflexões que aparecem nas imagens GPR se encontram em unidades de tempo (ns), para a determinação das espessuras das camadas do pavimento deve ser conhecida ou determinada a velocidade de propagação da onda eletromagnética nos materiais em subsuperfície. A velocidade de propagação da onda no meio é dada pela seguinte equação: onde c v = (1) K c = velocidade da onda eletromagnética no ar (0,3 m/ns) K = permissividade dielétrica relativa do meio ou constante dielétrica (K=ε/ε 0 ), grandeza adimensional que relaciona a permissividade dielétrica do meio (ε) com a permissividade dielétrica no ar (ε 0 ). O valor da velocidade pode ser determinado in situ ou por intermédio da estimativa da constante dielétrica, K, uma vez que estes dois parâmetros guardam entre si uma relação (eq. 1). Os valores de K, embora conhecidos para diversos materiais, apresentam variações dentro de um intervalo (Tabela 1), o que pode causar incertezas e erros na determinação das espessuras e profundidades quando valores tabelados forem utilizados para esta finalidade. Tabela 1. Constante dielétrica (K) e velocidade de propagação (v) de alguns materiais. Material K v (m/ns) ar 1 0,300 granito 5-8 0,134-0,106 areia (seca) 3-6 0,173-0,122 concreto 5-8 0,134-0,106 asfalto 3-5 0,173-0,134 Outra maneira de se determinar a velocidade (ou K) é por meio da observação do tempo da reflexão correspondente a uma interface de profundidade conhecida (ASTM D6432, 2005). Desta forma, utilizando-se o tempo fornecido pelo registro do GPR (Δt) e a profundidade conhecida do refletor (D), a velocidade (v) pode ser calculada pela seguinte fórmula: 2D = Δt V (2)

5 Portanto, a precisa determinação da velocidade, parâmetro crucial para o correto cálculo das espessuras, pode ser obtida após a abertura de uma cava, efetuando-se o respectivo ajuste dos tempos das reflexões observados nas imagens GPR com as espessuras das camadas medidas na cava aberta. 4. APLICAÇÃO DO GPR PARA AVALIAÇÃO DA ESPESSURA DE PAVIMENTOS Serão apresentados alguns exemplos de um estudo de caso onde o GPR foi aplicado para a verificação das condições estruturais de pavimentos em um município localizado no interior do Estado de São Paulo (IPT, 2013). No levantamento de campo foi utilizado um equipamento GPR fabricada pela GSSI (EUA), composto por uma unidade de controle modelo SIR-3000 e uma antena com frequência igual a 1,6GHz (Foto 1). A frequência característica desta antena possibilita investigação em profundidade até 0,5m e é adequada para inspeção em pavimentos e estruturas de concreto. Os perfis foram realizados com a antena posicionada diretamente sobre o pavimento. Foto 1. Equipamento GPR utilizado nos levantamentos de campo. Unidade de controle e armazenamento de dados SIR-3000 (esquerda). Antena de 1,6 GHz (direita). Com base na documentação do projeto executivo, a estrutura dos pavimentos investigados era constituída por: 3,0cm de camada de revestimento (capa) em concreto betuminoso usinado a quente (CBUQ) sobre 10,0cm de base do tipo brita graduada simples (BGS), executada sobre o subleito regularizado (Figura 3). Figura 3. Desenho da seção típica da estrutura do pavimento investigado.

6 O procedimento metodológico utilizado no trabalho de campo consistiu na execução de perfis longitudinais com GPR nas vias investigadas e a abertura de cavas, em determinados pontos, para coleta de amostras e verificação da estrutura do pavimento até o subleito. Nos locais das aberturas das cavas foram realizadas as medidas das espessuras das camadas do pavimento (Foto 2). Foto 2. Abertura das cavas para medição da espessura das camadas do pavimento (esquerda). Detalhe da cava aberta mostrando a capa de concreto asfáltico, base de brita graduada e o subleito (direita). Em cada um destes locais foi efetuado um perfil GPR para a calibração dos dados (Foto 3). Foto 3. Perfil de calibração sendo executado nas proximidades de uma cava aberta no pavimento (esquerda). Detalhe da cava e a antena do GPR (direita). A Figura 4 apresenta uma típica seção de GPR obtida ao lado de uma cava, mostrando a presença de um forte refletor contínuo que aparece registrado na imagem 2D (apontado pela seta vermelha).

7 Figura 4. Seção GPR adquirida ao lado de uma cava. A antena utilizada neste trabalho (1,6 GHz) não apresentou resolução vertical suficiente para discriminar a camada superior do revestimento asfáltico ( 3cm) da camada granular de base subjacente, devido sua pequena espessura. Entretanto, a interface da base granular e o subleito regularizado, possivelmente pelo elevado contraste de suas propriedades eletromagnéticas, ficou muito bem caracterizada, aparecendo nas seções GPR na forma deste refletor contínuo (Figura 5). Figura 5. Seção típica da estrutura do pavimento (esquerda) e seção GPR obtida em uma cava de inspeção, mostrando que o refletor contínuo corresponde à interface base granular/subleito. Foi então efetuada a calibração dos dados por meio dos ajustes da posição do refletor observado nas seções GPR com a profundidade do topo do subleito determinado nas cavas abertas. Este procedimento consiste em inferir um valor de velocidade de propagação da onda, com a finalidade de converter a informação originalmente em unidade de tempo (ns) para profundidade (cm), de tal forma que a profundidade do refletor fosse perfeitamente ajustada à profundidade da interface base granular/subleito verificada nas cavas inspecionadas. Os valores de K (e, correspondentemente, os valores de velocidade) que melhor ajustaram a posição do refletor em 25 cavas abertas, ficaram entre 4 e 5. Estes valores de K, representativos do pacote superior acima do refletor (capa+base granular) e que correspondem a velocidades iguais a 0,150m/ns (K=4) e 0,134m/ns (K=5), foram então utilizados no processamento dos dados para converter as seções GPR para profundidade. Esta informação pode seguramente ser extrapolada ao longo dos eixos das vias inspecionadas, uma vez que constituem trechos praticamente homogêneos (Figura 6).

8 Figura 6. Seção GPR mostrando a posição de uma cava onde as camadas de CBUQ e base granular apresentaram espessura de 12cm. De acordo com o projeto executivo, o pacote formado pela capa de concreto asfáltico (3cm) e a base granular (10cm) deveria apresentar espessura total de 13cm. Assim sendo, com as seções GPR devidamente convertidas para profundidade, foi possível identificar os locais onde este pacote apresentou espessuras menores do que aquelas especificadas em projeto. As Figuras 7 a 9 apresentam exemplos de algumas seções GPR obtidas após o processamento dos dados que consistiu das seguintes etapas: correção do tempo-zero, aplicação de ganho, filtragem e conversão tempo-profundidade. Encontra-se representada em amarelo uma linha assinalando a posição em profundidade do topo da camada de subleito especificada em projeto (13cm). As imagens mostram como foi possível identificar os locais onde o refletor (interface capa de asfalto e base granular sobre o subleito) se encontrava ora acima, ora abaixo ou na profundidade de projeto. Figura 7. Seção GPR mostrando o refletor situado abaixo (porção esquerda) e acima (porção direita) da profundidade de projeto (13cm).

9 Figura 8. Seção GPR mostrando o topo do refletor coincidente com a profundidade de projeto (13cm). Figura 9. Seção GPR mostrando o refletor situado abaixo da profundidade de projeto (13cm). 5. APLICAÇÕES DO GPR PARA IDENTIFICAÇÃO DE INTERFERÊNCIAS O método GPR também encontra uma consolidada aplicação na identificação de interferências na estrutura do pavimento, tais como dutos, canos, galerias, adutoras e demais tubulações enterradas, sejam estas metálicas ou não metálicas. O sucesso para a identificação de tais alvos depende da relação entre o seu diâmetro nominal e a profundidade em que se localizam. Neste tipo de aplicação devem ser utilizadas antenas com frequências menores do que as utilizadas na investigação das estruturas dos pavimentos. Essa avaliação é realizada para identificar a posição do elemento de interferência e a possível alteração no comportamento em uma área do pavimento, onde se observam problemas que podem estar relacionados com essa interferência. O sinal característico observado em uma seção de GPR, quando o equipamento passa sobre uma interferência localizada em subsuperfície, apresenta um típico formato hiperbólico (Figura 10).

10 cano Figura 10. Seção GPR mostrando o típico sinal no formato de uma hipérbole gerado pela presença de uma interferência enterrada (ex. cano). Serão apresentados a seguir alguns resultados de um estudo de caso realizado em um município localizado no litoral do Estado de São Paulo (IPT, 2012). Foi realizada a avaliação de um pavimento que apresentava uma série de patologias: trincas, fissuras, ondulações, remendos, exsudações, afundamentos, desgastes e buracos. Sob este pavimento existia uma adutora de água, constituída de ferro fundido e diâmetro igual a 600mm, cuja profundidade não era bem conhecida. A presença da adutora poderia estar exercendo influência no aparecimento de algumas patologias do pavimento. Portanto, sua posição e sua profundidade ao longo de toda a via deveriam ser bem conhecidas. O GPR foi utilizado para o mapeamento da adutora, determinação da sua profundidade e a definição dos locais onde foram realizadas as investigações destrutivas. Um dos locais escolhidos para a execução de uma cava para inspeção da estrutura do pavimento e coleta de amostras foi aquele no qual a adutora se encontrava mais rasa. O equipamento utilizado neste levantamento de campo foi um GPR modelo Ramac, marca Malä Geoscience (Suécia). Os dados foram adquiridos com antenas de duas frequências distintas: 250MHz (menor resolução e maior profundidade de penetração do sinal) e 500MHz (maior resolução e menor profundidade de penetração do sinal). A Figura 11 apresenta o dado GPR no trecho da via onde a adutora (apontada pela seta vermelha) se encontrava mais rasa. Neste local foi realizada uma cava para a inspeção direta da adutora e as medidas das espessuras das camadas do pavimento situado sobre ela (Foto 4). As frequências utilizadas (250 e 500MHz) não fornecem resolução suficiente para a discriminação das espessuras determinadas neste local: 4,5cm de revestimento asfáltico e 9,0cm de base granular. Para fins ilustrativos, na Figura 12 são apresentadas as seções GPR em outro trecho da via onde a adutora se encontrava mais profunda (1,5m). É evidente a presença da hipérbole situada em maior profundidade, comprando-se com o dado apresentado na Figura 11.

11 Figura 11. Seções GPR adquiridas com uma antena de 250MHz (esquerda) e 500MHz (direita). Profundidade da adutora neste local: 0,6m. ADUTORA Foto 4. Trecho onde o GPR identificou a posição mais rasa da adutora no seu traçado, informação confirmada após o corte do revestimento (esquerda) e a abertura da cava (direita). Figura 12. Seções GPR adquiridas com uma antena de 250MHz (esquerda) e 500MHz (direita). Profundidade da adutora neste local: 1,5m.

12 6. CONCLUSÕES Os dados obtidos por meio de métodos destrutivos, precisos e pontuais, podem ser complementados pelas informações contínuas fornecidas pelo GPR permitindo extrapolações na identificação das espessuras, além de minimizar a investigação direta e destrutiva de um pavimento. Para determinação da espessura da camada de concreto asfáltico, que geralmente apresenta dimensões reduzidas, é necessária a utilização de antenas com frequências maiores. Neste trabalho, a antena com frequência de 1,6GHz (1600MHz) não foi capaz de discriminar a camada de CBUQ da base granular, devido a pouca espessura média desta primeira (3cm). As antenas de frequências menores (ex. 500 e 250MHz) podem contribuir para a identificação de interferências ou de outras estruturas rasas, quando forem necessárias informações adicionais situadas sob o pavimento. Entendemos que as investigações não destrutivas de pavimentos devem ser cada vez mais utilizadas. Para isso há necessidade de mais estudos abrangendo as diversas possibilidades e os vários tipos de equipamentos disponíveis para esse fim. No caso do GPR, devemos analisar o desempenho de diversas antenas com maiores ou menores frequências e analisadores que consigam combinações entre elas para a garantia dos melhores resultados possíveis em uma investigação. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASTM D6432. (2005). Using the surface ground penetrating radar method for subsurface investigation. 17p. ASTM D4748. (2010). Standard test method for determining the thickness of bound pavement layers using short-pulse radar. 7p. Françoso, M. T.; Mota, C. O.; Lima, T. R. S. M.; Peixoto, C. F. (2013). Nondestructive testing in asphalt pavements using ground penetrating radar (GPR). Applied Mechanics and Materials. Vols , p IPT. (2012). Avaliação do pavimento existente na Rua Wallace Arthur Skerrat, localizada no município de Itanhaém, SP. RELATÓRIO TÉCNICO Nº p. IPT. (2013). Avaliação dos pavimentos existentes em ruas de bairros localizados no município de São João da Boa Vista-SP. RELATÓRIO TÉCNICO Nº p. Malä Geoscience. Mapping asphalt thickness with high-frequency GPR. Application Note. 3p. Página internet Strieder, A. J.; Gonçalves, F. P.; Salvadoretti, P.; Ceratti, J. A. P.; Klein, S. L.; Hirakata, A. M. (1999). Aplicação de geo-radar em investigações de pavimentos rodoviários: estudo de casos em estruturação estratigráfica e em degradação. In: Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia, São Pedro-SP. Anais do 9º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia. São Paulo-SP: Associação Brasileira de Geologia de Engenharia. CD-ROM, p IPT - Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo Av. Prof. Almeida Prado, Cidade Universitária - Butantã - São Paulo-SP rvieira@ipt.br gandolfo@ipt.br