APLICAÇÃO DE GEO-RADAR EM INVESTIGAÇÃO DE PAVIMENTOS RODOVIÁRIOS: ESTUDO DE CASOS EM ESTRUTURAÇÃO ESTRATIGRÁFICA E EM DEGRADAÇÃO

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1 APLICAÇÃO DE GEO-RADAR EM INVESTIGAÇÃO DE PAVIMENTOS RODOVIÁRIOS: ESTUDO DE CASOS EM ESTRUTURAÇÃO ESTRATIGRÁFICA E EM DEGRADAÇÃO Adelir J. Strieder LPM Departamento de Engenharia de Minas PPGEM EE UFRGS adelir@lapes.ufrgs.br Fernando Pugliero Gonçalves - LAPAV Departamento de Engenharia Civil CPGEC EE UFRGS Paulo Salvadoretti LPM Departamento de Engenharia de Minas PPGEM EE UFRGS Jorge Augusto Pereira Ceratti - LAPAV Departamento de Engenharia Civil CPGEC EE UFRGS Sérgio L. Klein LPM Departamento de Engenharia de Minas PPGEM EE UFRGS Ângelo M. Hirakata - LAPAV Departamento de Engenharia Civil CPGEC EE UFRGS RESUMO A avaliação das condições estruturais de pavimentos através de métodos não-destrutivos constitui um dos principais elementos para subsidiar a aplicação de métodos destrutivos, com vistas à elaboração de projetos de restauração de pavimentos rodoviários. A aplicação do Georadar como um ensaio não-destrutivo tem permitido a investigação da estratigrafia, espessura e condições de sanidade dessas estruturas. Resultados obtidos nos levantamentos efetuados apontam para a possibilidade de se complementar a metodologia para avaliação de pavimentos atualmente disponível no Brasil através do uso do Geo-radar. Além disso, a viabilidade técnicoeconômica de utilização do Geo-radar mostra-se compatível com a realidade dos órgãos rodoviários brasileiros. ABSTRACT The evaluation of the structural features of road pavements by non-destructive methods gives rise to the most important elements to suport the aplication of destructive methods, aiming the road pavements rehabilitation projects. The use of the Geo-radar as a non-destructive essay has enabled the investigation of the pavements stratigraphy, thickness and the conditions of degradation of these structures. The results point that it is a very important technique to complete and to improve the pavements evaluation in Brasil. Otherwise, the technical and economic feasibility shows that the Geo-radar technique is compatible with the brasillian road administration agencies.

2 INTRODUÇÃO 2 A identificação da condição estrutural de um pavimento é efetuada por meio de avaliações destrutivas e não-destrutivas. A avaliação destrutiva consiste na abertura de poços de sondagem para a identificação da natureza e das espessuras dos materiais das camadas do pavimento, bem como da coleta de amostras destinadas a ensaios de laboratório. A avaliação não-destrutiva, por outro lado, consiste no registro de defeitos da superfície e na realização de provas-de-carga, onde são medidos os parâmetros de resposta da estrutura ao tráfego. O deslocamento vertical da superfície é o parâmetro de resposta cuja medida é mais simples e confiável, em comparação com tensões ou deformações, razão pela qual a quase totalidade dos equipamentos para ensaios não destrutivos são deflectômetros. O conhecimento detalhado dos materiais constituintes dos pavimentos e das condições em que se encontram são informações fundamentais para o gerenciamento das rodovias. No Brasil, no entanto, essas informações são freqüentemente desconhecidas ou incompletas. A maior preocupação dos projetistas e dos técnicos responsáveis pela Gerência da Manutenção dos Pavimentos é o fato de não se dispor de informações confiáveis acerca do histórico dos pavimentos (idade, espessura das camadas, intervenções realizadas, tipo e condições dos materiais constituintes, etc.). Como uma maneira alternativa de avaliação qualitativa e quantitativa da estrutura e da espessura de pavimentos rodoviários, o Geo-radar (GPR - Ground-penetrating radar) tem sido usado para obter dados contínuos e não destrutivos, relacionados às rodovias (Roddis et al., 1992; Maser & Scullion, 1992; Maser et al., 1994; Rmeili & Scullion, 1997; Scullion & Saarenketo, 1997). O objetivo desse artigo é apresentar experiências e levantamentos realizados pelo grupo de pesquisadores da Escola de Engenharia da UFRGS, com a aplicação do Geo-radar para a investigação da estratigrafia de pavimentos rodoviários. As experiências e testes foram realizados em ambiente controlado na Área de Pesquisas e Testes de Pavimentos - UFRGS/DAER localizada no Campus do Vale da UFRGS. Os levantamentos de pista foram realizados na BR-101 e na Ponte Rio-Niterói. HISTÓRICO DA APLICAÇÃO DO GEO-RADAR EM PAVIMENTOS RODOVIÁRIOS O procedimento usual para a avaliação de pavimentos consiste, inicialmente, na realização de ensaios não-destrutivos, como os levantamentos deflectométricos e o registro de defeitos de superfície. De posse desses dados, são definidos os subtrechos homogêneos e os locais onde serão

3 3 realizados os ensaios destrutivos, como sondagem e amostragem de material das camadas constituintes para ensaios de laboratório. O procedimento, usual em algumas normas, de se realizar avaliações destrutivas a intervalos pré-fixados (1 ou 2 km) leva a um esforço desnecessário e pouco eficaz em termos de consumo de tempo e de recursos, uma vez que fornece informações apenas do ponto de onde a amostra foi removida, sem que se tenha uma noção da abrangência lateral dos parâmetros obtidos pela análise. O Geo-radar constitui um dispositivo geofísico importantíssimo para a avaliação nãodestrutiva da estrutura estratigráfica de pavimentos. Na medida em que o dispositivo Geo-radar pode fornecer uma imagem 2D contínua ao longo do eixo de uma rodovia, ele permite uma determinação mais precisa dos subtrechos estruturais homogêneos. Dessa forma, o esforço dispendido nas avaliações destrutivas poderá ser significativamente menor, pois os dados dos ensaios não-destrutivos importarão maior acurácia e confiabilidade sobre a estrutura dos pavimentos. O Geo-radar, como apontado por Sauck (1997), vem sendo utilizado em vários campos da engenharia (p.ex.: investigação de tubulação soterrada, estudos de barragens e perfis estratigráficos, identificação do nível do lençol freático, caracterização de zonas fraturadas em maciços rochosos). No caso da engenharia de pavimentos, a sua aplicação abrange atualmente domínios específicos como: 1) Identificação das espessuras das camadas do pavimento; 2) Verificação das condições dos materiais das camadas (p.ex.: desagregação); 3) Investigação da presença de vazios sob placas de concreto cimento. Diversos estudos realizados nos últimos anos demonstram o potencial do Geo-radar como ferramenta auxiliar às atividades de gerência dos pavimentos (Uddin & Hudson, 1994; Maser et al., 1994; Mescher et al., 1996; NCHRP synthesis 255, 1998). Maser & Scullion (1992) e Maser et al. (1994) mostram a possibilidade de utilizá-lo para identificação das espessuras das camadas do pavimento. O trabalho apresentado por Maser et al. (1994) ainda inclui a avaliação dos resultados obtidos com o Geo-radar e da metodologia de interpretação adotada em 46 diferentes seções de pavimentos localizadas em 12 estados americanos. Nessa pesquisa, os resultados obtidos com o Geo-radar foram correlacionados com os resultados da extração de corpos de prova e mostraram uma acuracidade de ±7,5 % para camadas de revestimento asfáltico e de ±12 % para as camadas granulares de base. Rmeili & Scullion (1997) apresentaram um extenso estudo acerca da confiabilidade e da precisão do Geo-radar para auxiliar na caracterização das condições oferecidas pelas camadas de revestimento asfáltico. Nesse trabalho, também foram comparados os resultados obtidos a partir

4 4 da interpretação dos levantamentos com o Geo-radar e aqueles fornecidos a partir de corpos de prova extraídos do pavimento. Uddin & Hudson (1994) também realizaram pesquisas com o propósito de avaliar o potencial dos equipamentos de Geo-radar disponíveis à época para a identificação da presença de vazios sob placas de concreto cimento. Os resultados práticos obtidos indicam que o Geo-radar demonstrou ser bastante promissor para sua utilização como ferramenta auxiliar em Sistemas de Gerência de Pavimentos. Por fim, Mescher et al. (1996) analisam o desempenho e as vantagens oferecidas por um equipamento concebido exclusivamente para utilização em estruturas de pavimentos; a sua configuração inclui o uso de uma antena transmissora e de duas antenas receptoras. De acordo com esses autores, as inovações de hardware e software implementadas permitem a obtenção de excelentes resultados. Além disso, o equipamento possibilita a utilização de antenas com freqüência de até 2.5 GHz. Com relação à aplicação de equipamentos de Geo-radar na área de engenharia de pavimentos, deve-se ainda destacar o trabalho apresentado pelo Transportation Research Board (NCHRP, synthesis 255, 1998), que inclui uma extensa bibliografia acerca do assunto e descreve o estado atual de utilização do Geo-radar nos meios rodoviários americano e canadense. FUNDAMENTOS DA AVALIAÇÃO DE PAVIMENTOS COM GEO-RADAR O Geo-radar baseia-se na reflexão de ondas eletromagnéticas (EM) na interface entre as diferentes camadas que compõe o subsolo, ocasionada por variações na impedância elétrica das camadas constituintes dos pavimentos. A reflexão da onda EM depende fundamentalmente do contraste de impedância elétrica na interface entre os dois meios. Para a faixa de freqüência utilizada e a impedância dos materiais que compõe os pavimentos, a amplitude da onda de radar refletida na interface está relacionada, basicamente, com as constantes dielétricas dos dois materiais; essa relação é conhecida como coeficiente de reflexão (ρ) e, para o caso da onda plana incidindo perpendicularmente sobre a interface de dois meios semi-infinitos, pode ser expressa da seguinte forma: ρ = ε ε ε ε 2 2 (1) onde, ε 1 = constante dielétrica (permissividade) do meio 1 ε 2 = constante dielétrica (permissividade) do meio 2

5 5 A determinação das espessuras das camadas do pavimento pode ser feita a partir da amplitude e do tempo correspondentes ao pico das reflexões que ocorrem nas interfaces existentes entre as camadas (Figura 1). De modo geral, considerado um meio estratificado em que as camadas apresentam-se praticamente horizontalizadas, a profundidade na qual se encontra uma interface de separação entre duas camadas de propriedades elétricas distintas pode ser obtida, aproximadamente, pela seguinte expressão: h i k = v i = 1 i t 2 i (2) onde, hi = profundidade da interface que limita a camada i ; i = índice da interface; k = número de interfaces; vi = velocidade de propagação da onda eletromagnética na camada i; ti = intervalo de tempo decorrido entre a chegada da onda refletida na interface i e na interface i -1. Na expressão acima, os valores ti são obtidos diretamente dos perfis de Geo-radar, enquanto que as velocidades (vi ) de propagação de onda em cada meio podem ser estimadas diretamente, a partir da determinação de ε r (permissividade relativa do meio) via coleta de amostras e análises de laboratório, ou indiretamente, utilizando o próprio Geo-radar. Nesse último caso, diferentes metodologias podem ser aplicadas (Fruhwirth & Schmöller, 1996), entre elas a técnica de CMP(Common Mid Point). Quando ε r é determinada em laboratório, o que implica em amostragens de campo (ensaios destrutivos), pode-se derivar a velocidade de propagação de onda no meio utilizando a relação: v = c ε r (3) onde, c = velocidade da luz no vácuo e ε r = permissividade elétrica relativa do meio. Na técnica de CMP, o Geo-radar é utilizado para obter uma estimativa localizada das

6 6 velocidades de propagação de onda nas camadas em sub-superfície. Na execução do CMP, variase o espaçamento entre as antenas transmissora e receptora, determinando-se o tempo de propagação da onda EM correspondente a cada espaçamento (Figura 2). A partir da relação entre o tempo de propagação e o espaçamento, é possível estimar a velocidade de propagação da onda na(s) camada(s). O método CMP fornece estimativas das velocidades de propagação de onda válidas apenas para o local do terreno onde está sendo efetuado o experimento. Assim, é importante que o método seja aplicado várias vezes ao longo dos perfis contínuos de GEO-RADAR, para capturar variações de velocidades de propagação nas camadas que podem ocorrer entre os diferentes locais de interesse no levantamento geofísico. Os resultados dos ensaios CMP podem ser seguramente extrapolados ao longo do eixos das rodovias, na medida em que as imagens 2D contínuas identificam os subtrechos estruturais homogêneos. No entanto, a experiência tem demonstrado que é importante associar às medidas de CMP, os resultados de sondagens, os quais auxiliam na identificação dos refletores (interfaces entre camadas do pavimento) de interesse. A utilização de ensaios CMP é compatível com os procedimentos sugeridos nas recomendações da ASTM (Anon., 1995), de modo que vários ensaios não-destrutivos (CMPs) podem ser associados às sondagens e aos perfis contínuos. A realização de ensaios CMP nos locais exatos das sondagens de reconhecimento possibilita a análise precisa dos refletores que estão sendo "imageados" ao longo dos perfis de levantamento contínuo. Essa análise é de fundamental importância, uma vez que materiais de diferente constituição (p.ex.: base granular com diferentes granulometrias; CBUQ de diferentes "idades") podem não apresentar diferenças significativas de impedância elétrica para representarem uma interface refletora. DESCRIÇÃO DOS LEVANTAMENTOS Os levantamentos efetuados com o Geo-radar foram realizados por meio de caminhamento na Pista Experimental (Foto 1a), com o objetivo de buscar a máxima resolução possível. O espaçamento das amostras (pulsos de ondas EM) nos levantamentos por caminhamento foi de 1 cm. Para os levantamentos em rodovia, foi construído um reboque dirigível (Foto 1b) acoplado a um veículo, o que permitiu velocidades de até 15 km/h durante os levantamentos. O espaçamento das amostras nos levantamentos de rodovia foi de 1 m. A freqüência da onda EM utilizada foi de MHz. Essa freqüência, considerando uma velocidade média de propagação de 100 m/µs, define um comprimento de onda de aproximadamente 10 cm e uma resolução teórica de até 2,5 cm (1/4 do comprimento de onda). A profundidade de investigação, para os parâmetros citados, atingiu pouco menos de 1 m de

7 profundidade, o que garantiu uma boa discriminação e individualização da camada de CBUQ e da base granular. 7 ALGUNS RESULTADOS OBTIDOS Os resultados obtidos com o Geo-radar estão relacionados com a estruturação estratigráfica e a espessura das camadas constituintes dos pavimentos de rodovias. O radargrama da Figura 3 constitui um bom exemplo desse tipo de investigação. Na Figura 3, pode-se perceber que a interface refletora entre a camada superior de CBUQ e a base granular está variavelmente posicionada entre 0,15 e 0,18 m de profundidade; a camada superior de CBUQ apresenta uma estrutura aproximadamente homogênea ao longo do perfil. A interface refletora entre a base granular e a camada inferior apresenta espessura bastante variável ao longo do perfil: no início do perfil, está posicionada em 38 cm, aproximando-se continuamente da superfície até 28 cm a 160 m do início do perfil e aprofundando-se suavemente até 35 cm em direção ao final do perfil. Outra situação, ilustrada na Figura 4 também permite identificar diferenças de estrutura de pavimentos. Esse levantamento foi realizado perpendicularmente ao eixo da pista, com o objetivo de avaliar a resposta do dispositivo Geo-radar frente a diferentes pavimentos que constituem a pista (pavimentos flexível e rígido). Nesse sentido, a diferença de padrão de resposta entre os pavimentos flexível (7m até 11 m) e rígido (11 m até 15,5 m) ficou bastante nítida. A espessura do pavimento flexível está em torno de 12 cm; a partir dessa profundidade, parece haver outra camada, que persiste até 20 cm; nessa profundidade aparecem refletores com difração (textura em chevron), que, nesse caso, denotam a presença de paralelepípedos, ou seixos grossos. No pavimento rígido, há um refletor importante a ±15 cm de profundidade, que parece indicar uma interface construtiva importante; essa "camada" construtiva tem ±15 cm de espessura (base em ±30 cm de profundidade). A partir dessa camada, o meio parece ter uma estrutura homogênea e não ocorre a textura chevron como no pavimento flexível. A mudança, ou limite entre esses diferentes tipos de pavimento está associada à ocorrência de fendas preenchidas por água da chuva. Uma última situação ilustra resultados obtidos com relação à degradação de pavimentos constituídos por placas de concreto, cujo tráfego, ao longo do tempo, provocou deterioração das vedações das juntas entre placas, com a conseqüente perda de estanqueidade. Nesse contexto, a seção de geo-radar (Figura 5), obtida com antenas de 1 GHz, apresenta dados colhidos sobre placas de concreto em uma área onde a avaliação da superfície mostrava boas condições de vedação, o que pode ser comprovado pelo aspecto homogêneo do perfil (a superfície inferior das placas encontra-se a aprox. 22 cm de profundidade). Nas áreas onde se constatou má vedação (Figura 6), os perfis apresentam-se bastante irregulares (observar alteração do sinal na distância 2,5 m a partir da

8 origem). 8 CONCLUSÕES De modo geral, a aplicação do Geo-radar na investigação qualitativa e quantitativa de pavimentos rodoviários, alcançou resultados extremamente consistentes e acurados em relação às estruturas investigadas. A técnica, sozinha, possui um potencial aplicativo elevado, mas ainda não constitui uma solução única e definitiva para a determinação das características dos pavimentos. A facilidade de execução de uma perfilagem contínua, o aumento de acuracidade gerado pela crescente evolução tecnológica dos equipamentos, atuando como complemento e/ou balizador das outras técnicas, tem conferido ao Geo-radar um caráter de técnica quase indispensável para uma gerência de pavimentos moderna. AGRADECIMENTOS Os pesquisadores agradecem à FAPERGS a oportunidade de aquisição do Geo-radar RAMAC (Mala Geoscience Inc.) por meio do Projeto de Pesquisa "Desenvolvimento de tecnologias para avaliação e cubagem de depósitos de ágata na região de Salto do Jacuí (RS)" (Processo No. 96/1535-2). REFERÊNCIAS ANNAN, A. P. & DAVIS, J.L. Ground-Penetrating Radar for High Resolution Mapping of Soil and Rock Stratigraphy, Geophysical Prospecting 37, ANONIMOUS. Standard test method for determining the thickness of bound pavement layers using short-pulse radar. ASTM Committee D-4 on Road and Paviment Materials; Designation: D (Reapproved 1995) FRUHWIRTH, R.K. & SCHMÖLLER, R. Some aspects on the estimation of electromagnetic wave velocities. 6 th Intern. Conf. on Ground Penetrating Radar (GPR 96), Sendai, Japan, MASER, K.R. & SCULLION, T. Automated Pavement Subsurface Profiling Using Radar: Case Studies of Four Experimental Field Sites. Transportation Research Record, N , Transportation Research Board, Washington D.C MASER, K.R.; SCULLION, T.; RODDIS, W. M.; FERNANDO, E. Radar For Thickness

9 9 Evaluation. Nondestructive Testing of Pavements and Backcalculation of Moduli, Second Volume, , American Society for Testing and Materials, Philadelphia NATIONAL COOPERATIVE HIGHWAY RESEARCH PROGRAM - NCHRP SYNTHESIS 255. Ground Penetrating Radar for Evaluating Subsurface Conditions for Transportations Facilities. Transportation Research Board, Washington D.C RMEILI, E. & SCULLION, T. Detecting Stripping in Asphalt Concrete Layers Using Ground Penetrating Radar. Transportation Research Record, N , Transportation Research Board, Washington D.C RODDIS, W. M.; MASER, K.R.; GISI, A. Radar Pavement Thickness Evaluations for Varying Base Conditions. Transportation Research Record, N , Transportation Research Board, Washington D.C SAUCK, W.A. Radar applied to Environmental Problems and Groundwater Prospection. September 1997, 5 th International Congress of the Brazilian Geophysical Society - CISBGf, São Paulo SCULLION, T. & SAARENKETO, T. Using Suction and Dieletric Measurements as Performance Indicators for Aggregate Base Materials. Transportation Research Record, N , Transportation Research Board, Washington D.C UDDIN, W. & HUDSON, R. Evaluation of NDT Equipment for Measuring Voids Under Concrete Pavements. Nondestructive Testing of Pavements and Backcalculation of Moduli, Second Volume, , American Society for Testing and Materials, Philadelphia Figura 1 Representação esquemática da propagação de frentes de onda EM em meios estratificados (pavimentos) e o seu registro em dispositivos tipo Geo-radar

10 10 afastam ento das antenas A B A = p osiçã o inicial B = afastamento onda direta onda crítica refratada Ar θ C onda refletida onda direta na superfície Camada 1 senθ C = v1 / v0 θ C = ângulo crítico Camada 2 xc Afastamento (x ) Temp o onda refletida t = (x 2 + 4d 2 ) 1/2 / v onda direta t = x / c onda direta na superfície t = x / v onda crítica refratada Figura 2 Organização de transmissor e receptor para medidas de velocidade de propagação de ondas EM nos materiais constituintes de pavimentos a partir do método CMP (Common Mid Point)

11 11 Figura 3 Radargrama produzido com antena de MHz em levantamento ao longo do eixo de rodovia. Observar estratigrafia e espessura das camadas constituintes do pavimento. Ver texto para maiores detalhes Figura 4 Radargrama produzido em levantamento perpendicular ao eixo de pista com diferentes pavimentos (flexível e rígido). Observar os padrões refletivos distintos produzidos pelos dois tipos de pavimentos. Ver texto para maiores detalhes

12 12 Figura 5 Radargrama obtido sobre pavimento composto por placas de concreto apresentando juntas em boas condições de vedação Figura 6 Radargrama obtido sobre pavimento composto por placas de concreto apresentando juntas em más condições de vedação

13 13 (a) (b) Foto 1 Operação do dispositivo Geo-radar em levantamentos por caminhamento (a) e em levantamentos em rodovia (b). Equipamento Ramac-Mala, antena de MHz