Avaliação do Coeficiente de Atrito em Aeroportos Portugueses: O caso do aeroporto de Lisboa

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1 Avaliação do Coeficiente de Atrito em Aeroportos Portugueses: O caso do aeroporto de Lisboa João Pedro Sousa Duarte Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil Júri: Presidente: Professor Doutor José Álvaro Pereira Antunes Ferreira Orientador: Professor Doutor Luís Guilherme de Picado Santos Vogal: Professor Doutor José Manuel Coelho das Neves Setembro 2011

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3 AGRADECIMENTOS A elaboração deste trabalho só foi possível com o apoio e ajuda de várias pessoas às quais gostaria de expressar os meus sinceros agradecimentos, em particular: Ao Professor Doutor Luís Guilherme de Picado Santos, Professor Catedrático do Instituto Superior Técnico, orientador científico, pela excelente orientação e interesse demonstrado, pelas valiosas sugestões, pelo constante incentivo e encorajamento e por todo o tempo que disponibilizou na realização deste trabalho. À Doutora Ana Capote Fernandes, por toda a ajuda e interesse demonstrado ao longo deste trabalho e pelos seus conselhos bastante úteis. À Eng.ª Susana Brito, colaboradora da ANA na Direcção de Infra-estruturas Aeronáuticas, pela disponibilidade demonstrada, pelos conhecimentos técnicos e informação disponibilizada e sem a qual não teria sido possível elaborar este trabalho. Aos meus colegas de curso por me terem acompanhado ao longo do meu percurso académico e especialmente na elaboração deste trabalho. À minha família por todo o amor e apoio incondicional que demonstraram ao longo desta etapa da minha vida e por terem tornado possível a realização deste trabalho e, aos meus amigos por estarem sempre presentes e por toda a ajuda demonstrada. i

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5 RESUMO A boa gestão e manutenção de uma infraestrutura aeroportuária são essenciais para o seu funcionamento integral em condições de segurança e economia. A deterioração dos pavimentos, os quais são essenciais para o bom funcionamento de um aeroporto, relaciona-se directamente com a ocorrência de incidentes e/ou acidentes que podem ter consequências catastróficas, daí desenvolvimento de indicadores que permitem avaliar o estado de um pavimento e com isso definir acções de manutenção e reabilitação, como é o caso do coeficiente de atrito. A introdução de Sistemas da Gestão de Pavimentos Aeroportuários permitiu aos responsáveis pelos aeroportos conciliar a manutenção das condições de segurança a custos controlados, proporcionando assim a preservação dos pavimentos por um período alargado de uma forma economicamente sustentável. Em conjunto com a ANA Aeroportos de Portugal, e como apoio à implementação de um novo sistema de gestão de pavimentos, procurou-se entender o comportamento do coeficiente de atrito numa das pistas do Aeroporto Internacional de Lisboa. Neste sentido, analisaram-se dados históricos de levantamento de atrito por parte da ANA e através da sua observação tentou-se perceber de que modo é que estes estariam relacionados com a natural evolução temporal, com eventuais problemas no pavimento da pista ou com o tráfego que utiliza o pavimento em causa. Com base nos resultados a que se chegou, foram dadas algumas recomendações para práticas futuras no que respeita ao coeficiente de atrito e a pista em causa. Dada a existência de algumas situações mais anormais tentou-se perceber a sua causa e de que modo é que poderiam ser mitigadas. Palavras-Chave: Coeficiente de Atrito; Textura; Sistema de Gestão de Pavimentos Aeroportuários; Depósitos de Borracha. iii

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7 ABSTRACT The adequate management and maintenance of an airport infrastructure is essential in order to assure its safe and economic operation. Being the pavements responsible for the proper functioning of an airport, its deterioration is closely related to the occurrence of incidents and/or accidents which can be catastrophic and that is why several indicators were developed in order to assess the pavement condition and to define maintenance and rehabilitation actions. The introduction of Airport Pavement Management Systems allowed the airport authorities to maintain the safety conditions in a tight budget enabling the longer and economically sustainable preservation of a pavement. Together with ANA Aeroportos de Portugal and as a support to the implementation of a new pavement management system for the Lisbon international airport this research aimed to understand the skid resistance s behavior for a specific runway. The analysis tried to understand the relation between skid resistance and its natural evolution, the airplane traffic and any problems reported and it was based on historical data from friction evaluation campaigns. Several unusual situations were found which led to trying to assess its causes and the way to mitigate them as well as to make some future recommendations on best practices in managing future skid resistance issues. Keywords: Coefficient of Friction; Texture; Airport Pavement Management Systems; Rubber Deposits. v

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9 ABREVIATURAS E ACRÓNIMOS ALS ASFT ASTM BB BPN CA CAL CAT DIA ETD EP GN ICAO IFI FAA MPD MTD NASA PIARC SFT SGP SGPA Aeroporto Internacional de Lisboa Airport Surface Friction Tester American Society for Testing and Materials Betão Betuminoso British Pendulum Number Coeficiente de Atrito Coeficiente de Atrito Longitudinal Coeficiente de Atrito Transversal Direcção de Infra-estruturas Aeronáuticas Estimated Texture Depth Estradas de Portugal Grip Number International Civil Aviation Organization International Friction Index Federal Aviation Administration Mean Profile Depth Mean Texture Depth National Aeronautics and Space Administration Permanent International Association of Road Congress Surface Friction Tester Sistema de Gestão de Pavimentos Sistema de Gestão de Pavimentos Aeroportuários vii

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11 ÍNDICE AGRADECIMENTOS... i RESUMO... iii ABSTRACT... v ABREVIATURAS E ACRÓNIMOS... vii Capítulo 1 Introdução Enquadramento e motivação Objectivos Metodologia Organização da dissertação... 4 Capítulo 2 Revisão Bibliográfica Características Gerais dos Pavimentos Principais Materiais Utilizados Agregados Ligantes Principais Camadas de Desgaste Betão Betuminoso Misturas de Alto Módulo Betão Betuminoso Drenante Micro betão Betuminoso Rugoso Microaglomerado Betuminoso a Frio Lama Asfáltica (Slurry Seal) Revestimento Superficial Betuminoso Betão Betuminoso Rugoso com borracha Betão Betuminoso com borracha Stone Mastic Asphalt Betão de cimento Características de Superfície dos Pavimentos Textura Atrito Depósitos de borracha Drenabilidade ix

12 2.2.5 Ruído Índice Internacional de atrito International Friction Index (IFI) Capítulo 3 Descrição do Método Regulamentação Internacional Caso de estudo O Aeroporto Internacional de Lisboa Equipamento de medição Campanhas de medição Capítulo 4 Análise e discussão dos resultados Análise das campanhas periódicas Dados de atrito Marcações horizontais na pista Remoção de Borracha Evolução temporal Comportamento nos alinhamentos Variações entre campanhas Atrito vs Tráfego Síntese dos resultados obtidos Capítulo 5 Conclusões Conclusões Gerais Propostas para Desenvolvimentos Futuros Bibliografia Anexos A. Output dos ensaios de medição de Coeficiente de Atrito na Pista do Aeroporto de Lisboa. 89 B. Coeficiente de atrito médio por terço da pista C. Coeficiente de atrito médio por cada 100m de alinhamento D. Variação do coeficiente de atrito por alinhamento com base de 10m E. Variação do coeficiente de atrito entre campanhas consecutivas por cada 100m de alinhamento. 123 x

13 LISTA DE FIGURAS Figura 2.1 Tipos de pavimentos rígidos (adaptado de (Branco et al, 2008)) Figura 2.2 Coeficiente de Atrito Longitudinal e Transversal (adaptado de (PIARC, 2003)) Figura 2.3 Irregularidades da superfície de um pavimento (adaptado de (PIARC, 2003)) Figura 2.4 Micro e Macrotextura (adaptado de (PIARC, 2003)) Figura 2.5 Técnica Volumétrica da Mancha (Freitas E. et al, 2008) Figura 2.6 Modelo de Cálculo do MPD (Gothié, 2008) Figura 2.7 Evolução temporal do atrito: a) num curto intervalo de tempo; b) com o tráfego total acumulado (TTA) (Branco et al, 2008) Figura 2.8 Pêndulo Britânico (Munro Instruments) Figura 2.9 Modelo das 3 zonas no contacto pneu/pavimento (adaptado de (Horne, 1977)) Figura 2.10 Diagrama Atrito-Textura de acordo com o IFI (Aps, 2006) Figura 3.1 Localização das pistas e na estrutura do ALS Figura Veículo de teste ASFT da DIA (ANA, 2008)...50 Figura 3.3 Output dos ensaios de calibração do veículo de teste prévios aos ensaios de medição de Coeficiente de Atrito para a campanha de Junho de 2009 (ANA, 2009a) Figura Alinhamentos e sentidos para as medições a 65km/h (ANA, 2008) Figura Alinhamentos e sentidos para as medições a 95km/h (ANA, 2009a) Figura 4.1 Escala de cores de acordo com classificação ICAO para o equipamento ASFT Figura 4.2 Coeficiente de atrito médio por terço da pista a 65km/h para a campanha de Junho de Figura 4.3 Coeficiente de atrito médio por terço da pista a 95km/h para a campanha de Junho de Figura 4.4 Coeficiente de atrito médio por cada 100m a 65km/h para a campanha de Junho de Figura 4.5 Coeficiente de atrito médio por cada 100m a 95km/h para a campanha de Junho de Figura 4.6 Outputs do alinhamento 4 e 10 (6,0m à direita e esquerda, respectivamente) no ensaio a 65km/h de Outubro de 2009 (Adaptado de (ANA, 2009b)) Figura 4.7 Levantamento do coeficiente de atrito para o alinhamento 1 à velocidade de 95km/h com base de 10m Figura 4.8 Levantamento do coeficiente de atrito para o alinhamento 5 à velocidade de 65km/h com base de 10m xi

14 Figura 4.9 Variação do coeficiente de atrito entre Junho de 2009 e Outubro de 2009 a 65km/h Figura 4.10 Variação do coeficiente de atrito entre Junho de 2009 e Outubro de 2009 a 95km/h Figura 4.11 Localização esquemática dos troços escolhidos para a análise atrito vs tráfego xii

15 LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 Fuso granulométrico a respeitar num betão betuminoso (NP EN ) Tabela 2.2 Fuso granulométrico a respeitar numa mistura de alto módulo (adaptado de (Branco et al, 2008)) Tabela 2.3 Fuso granulométrico a respeitar num betão betuminoso drenante (adaptado de (Branco et al, 2008)) Tabela 2.4 Fuso granulométrico a respeitar num micro-betão betuminoso rugoso (NP EN ) Tabela 2.5 Fuso granulométrico a respeitar num microaglomerado betuminoso a frio simples (adaptado de (Branco et al, 2008)) Tabela 2.6 Fuso granulométrico a respeitar num betão betuminoso com borracha (adaptado de (LNEC, 2006)) Tabela 2.7 Fuso granulométrico a respeitar num betão betuminoso com borracha (adaptado de (Drüschner & Schäfer, 2005)) Tabela 3.1 Periodicidade das campanhas de avaliação de atrito (FAA, 1997) Tabela Níveis de atrito para diferentes equipamentos de medição (ICAO, 2009) Tabela Movimentos de aeronaves por pista do ALS (Dados disponibilizados directamente pela ANA Aeroportos de Portugal, S.A.) Tabela 4.1 Desvio-padrão do coeficiente de atrito na campanha de Junho de 2009 a 65km/h Tabela 4.2 Desvio-padrão do coeficiente de atrito na campanha e Junho de 2009 a 95km/h Tabela 4.3 Relação entre o coeficiente de atrito e o tráfego para diferentes troços da pista xiii

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17 Capítulo 1 Introdução Capítulo 1 Introdução 1.1 Enquadramento e motivação O transporte aéreo tem vindo a ganhar cada vez mais importância, tendo-se tornado fundamental para o desenvolvimento de várias regiões e economias a nível mundial. A facilidade com que hoje em dia é possível chegar a qualquer parte do globo faz com que vivamos cada vez mais na chamada aldeia global. Se por um lado as comunicações foram um dos grandes impulsionadores da ligação entre povos, é ao nível dos transportes, e especialmente do transporte aéreo, que estes se podem reunir e interagir entre si. Em Portugal, e devido à sua situação periférica face ao espaço económico em que se insere, o transporte aéreo tem vindo a ganhar importância com um aumento de voos e de passageiros transportados. De entre todos os aeroportos existentes no país é o de Lisboa que tem maior relevância pela sua dimensão e pelo facto de se ter vindo a tornar cada vez mais numa plataforma intercontinental com um crescente número de ligações para o continente Americano e Africano. Apesar do crescente tráfego e de estar prevista a construção de uma nova infraestrutura que vem substituir a actual, o Novo Aeroporto de Lisboa em Alcochete, devido à actual situação económica e financeira que o país ultrapassa, calcula-se que o actual aeroporto continuará em funcionamento durante um período mais prolongado do que seria espectável. O grande desenvolvimento ao nível da aeronáutica tem proporcionado um espantoso aumento de rendimento no transporte aéreo com aeronaves capazes de transportar mais passageiros e carga, a um menor custo e com maior rapidez e segurança. No entanto, ao nível das infraestruturas aeroportuárias poucas evoluções se têm sentido, passando estas essencialmente pelo aumento das infraestruturas como meio de acomodar mais tráfego e de facilitar as operações em terra das aeronaves. Uma infraestrutura aeroportuária trata-se não só de um espaço ligado ao transporte de pessoas e bens mas também de um espaço de lazer e negócios associado a esse transporte e cujo desempenho depende grandemente da qualidade do funcionamento das actividades relacionadas com a operação do tráfego aéreo, isto é, do chamado lado ar de um aeroporto, com especial destaque para as suas pistas. João Pedro Sousa Duarte 1

18 Avaliação do coeficiente de atrito em aeroportos portugueses: o caso do aeroporto de Lisboa Pela sua grandeza e importância ao nível económico, uma infraestrutura aeroportuária necessita de uma manutenção extremamente rigorosa de modo a assegurar a qualidade de todas as suas actividades. Dado o elevado custo de construção e reabilitação de um aeroporto e tendo em conta o facto de que a interrupção da sua actividade implica enormes custos não só para as entidades responsáveis pela infraestrutura, mas também para companhias aéreas, lojistas e actividades terceiras ligadas ao aeroporto, é necessário que se conjugue muito bem as práticas de gestão e manutenção de modo a evitar ao máximo quaisquer cortes no seu funcionamento. Neste sentido, e atendendo ao facto de as pistas serem a principal área ligada ao voo, é essencial que as mesmas sejam alvo de práticas de gestão e manutenção o mais rigorosas possível com vista a evitar a sua degradação excessiva e consequente ocorrência de acidentes e incidentes. À semelhança do que acontece no caso das estradas, também para as pistas dos aeroportos são desenvolvidos e aplicados sistemas de gestão de pavimentos (SGP), os quais visam assegurar as melhores condições possíveis de utilização fazendo uma afectação de pessoas e bens o mais sustentável possível. De entre os vários factores que são avaliados para uma pista de modo a aferir a sua qualidade, um dos principais é o coeficiente de atrito proporcionado pelo seu pavimento, especialmente em situações mais desfavoráveis como é o caso da presença de detritos (borracha dos pneus dos rodados, por exemplo), água ou gelo. Este factor está intimamente relacionado com a segurança nas operações de aterragem e descolagem e, por isso se dá destaque em termos de gestão de um pavimento aeroportuário. 1.2 Objectivos O principal objectivo deste estudo centra-se na tentativa de compreensão da evolução no tempo do coeficiente de atrito de um pavimento aeroportuário como base de auxílio à aplicação de um sistema de gestão de pavimentos aeroportuários (SGPA), atendendo que este parâmetro é um dos mais condicionantes em termos de operacionalidade de uma infraestrutura aeroportuária, nomeadamente das suas pistas e caminhos de circulação para as aeronaves. Para cumprir o objectivo vai conhecer-se a constituição de um pavimento desde os materiais que o compõem, passando pelas principais camadas de desgaste utilizadas hoje em dia até às suas características de superfície e metodologias de avaliação, dando sempre destaque aos pavimentos flexíveis visto serem os mais utilizados em pistas de aeroportos. De seguida, ir-se-á analisar a evolução temporal do coeficiente de atrito da pista que mais tráfego recebe no Aeroporto Internacional de Lisboa, como meio de detectar tendências 2 Luís Picado Santos

19 Capítulo 1 Introdução e detectar as principais discrepâncias que podem ser assinaladas na procura destas tendências. Esta análise servirá como suporte para uma melhor formulação do SGPA que se encontra actualmente a ser desenvolvido pela ANA Aeroportos de Portugal SA, e tentará auxiliar uma melhor gestão de pavimentos através do entendimento do comportamento do coeficiente de atrito com vista a precaver a segurança de todos os utilizadores e a evitar elevados custos de manutenção. 1.3 Metodologia Como meio de entender a evolução do coeficiente de atrito num pavimento aeroportuário, vai conhecer-se primeiramente a estrutura dum pavimento e de que modo é que isso pode influenciar as suas características de superfície. Fazer-se-á ainda uma recolha das principais técnicas de avaliação das ditas características com vista a se perceber a metodologia de auscultação de pavimentos e, ao mesmo tempo fazendo uma ponte com as recomendações das entidades responsáveis pela regulamentação das infraestruturas aeronáuticas a nível internacional. Centrando-se o estudo nos aeroportos portugueses, escolheu-se o Aeroporto Internacional de Lisboa visto ser o mais importante a todos os níveis logo aquele a que mais atenção deve ser dada. Apesar de o novo SGPA abranger todas as infraestruturas a cargo da ANA S.A., entende-se que o aeroporto da capital será o mais representativo pela quantidade de tráfego que recebe, o que faz deste o mais susceptível à ocorrência de problemas relacionados com a degradação da qualidade dos seus pavimentos. Dentro do aeroporto em estudo optou-se por analisar o coeficiente de atrito da pista principal, a 03-21, por ser esta que recebe a quase totalidade do tráfego aéreo e, serão estudados os dados recolhidos pelo equipamento de medição da Direcção de Infra-estruturas Aeronáuticas (DIA), o Airport Surface Friction Tester, para que os resultados desta dissertação sejam do maior auxílio possível a essa entidade na tentativa de perceber o comportamento do coeficiente de atrito ao longo do tempo. Devido à reestruturação dos métodos de trabalho da entidade responsável pela gestão dos aeroportos nacionais, apenas se teve acesso a dados relativos às campanhas de levantamento de atrito com o equipamento já referido para os anos de 2008 e 2009, pelo que se fará uma tentativa de tirar o máximo partido da quantidade reduzida de dados em análise. A análise das várias campanhas de levantamento de atrito é essencial para se entender o actual estado do pavimento e a maneira como ele evolui. Variações positivas ou negativas são dependentes de factores tão distintos como a época do ano, a realização ou não de alguma João Pedro Sousa Duarte 3

20 Avaliação do coeficiente de atrito em aeroportos portugueses: o caso do aeroporto de Lisboa acção de intervenção ou até mesmo da qualidade na execução das campanhas de levantamento do coeficiente de atrito, pelo que convém entender quais os factores mais determinantes e que são passíveis de correcção por parte das entidades competentes. Associado aos dados de atrito está o tráfego que utiliza determinado pavimento e que para além de depender deste factor também vai ser responsável pela sua degradação, daí que se tentará entender qual a relação entre o tráfego e o atrito da pista em causa e ainda se existe ou não algum problema na mesma como é o caso da ocorrência de deposição excessiva de borracha ou qualquer outro factor que ponha em causa a segurança de circulação de aeronaves. A avaliação de pavimentos nesta dissertação servirá como um apoio para os vários responsáveis pela gestão dos aeroportos nacionais e pretende-se que seja extensível a outras infraestruturas para além da analisada com vista a proporcionar a melhor qualidade de serviço a todos os utilizadores. 1.4 Organização da dissertação A presente dissertação encontra-se organizada segundo 5 capítulos e suas respectivas subsecções, conforme será descrito seguidamente. Neste primeiro capítulo é feita a introdução da dissertação, onde se apresenta o tema a ser tratado com o respectivo enquadramento e motivações para tal escolha. São expostos os objectivos a atingir com este estudo e a maneira como se pretende lá chegar através da definição da metodologia empregue. Por último, apresenta-se a organização de todo o trabalho. No capítulo 2 procede-se à revisão bibliográfica do estado de arte de modo a se entender em que ponto é que o estudo dos pavimentos se encontra, com especial foco nos materiais empregues, técnicas de construção mais utilizadas e principais tipos de camadas de desgaste em aplicação no nosso país quer ao nível rodoviário quer ao nível aeroportuário. Neste ponto pretende-se dar a conhecer todas as características funcionais de um pavimento que poderão influenciar a qualidade do mesmo e de que maneira é que estas vão influenciar as características de superfície de um pavimento, de entre as quais se destacam a textura e o atrito, alvo principal deste estudo. Apresentam-se ainda as principais técnicas de medição e valores usuais para as diferentes características com vista a proporcionar uma base para a restante dissertação. 4 Luís Picado Santos

21 Capítulo 1 Introdução O capítulo 3 é onde se descreve a metodologia aplicada no estudo, começando pela regulamentação internacional e nacional que serve de apoio a uma melhor gestão ao nível dos pavimentos aeroportuários, com indicações acerca da maneira como se devem efectuar as campanhas de avaliação de atrito, qual a sua periodicidade e quais as conclusões a retirar a partir dos valores recolhidos como meio de facilitar a interpretação do comportamento do coeficiente de atrito de uma pista de aterragem/descolagem. Ainda neste capítulo apresenta-se o caso de estudo e os motivos para a sua escolha, o Aeroporto Internacional de Lisboa, o seu enquadramento no território e espaço económico nacional e os equipamentos que serão utilizados para obtenção dos dados a analisar. Explica-se ainda a calibração do equipamento de medição, a maneira como foram recolhidos os dados e quais destes serão analisados por se enquadrarem no âmbito deste estudo. No capítulo 4 estuda-se a evolução temporal do coeficiente de atrito campanha a campanha numa primeira fase, de modo a se entender a actual situação da pista em estudo de acordo com as recomendações internacionais para as diferentes porções do pavimento e, é feito ainda um estudo mais minucioso para se tentar perceber se existem problemas de perda de atrito devido à acumulação de borracha ou à presença das marcações horizontais no pavimento. A evolução temporal é estudada com o intuito de perceber as tendências evolutivas do pavimento através da análise entre campanhas sucessivas e comparando com o que seria espectável acontecer dado o período entre campanhas. Dentro ainda desta análise temporal, tentar-se-á perceber qual a influência que o tráfego tem sobre a degradação do coeficiente de atrito da pista do aeroporto e se há diferenças entre diferentes pontos da pista de acordo com a diferente utilização que lhe é dada. Num último capítulo, o 5º, apresentam-se as principais conclusões deste estudo face aos objectivos traçados previamente e são propostos alguns desenvolvimentos para estudos e trabalhos futuros. Em anexo pode-se encontrar os outputs do veículo de ensaio, valores do coeficiente de atrito médio por cada terço de pista e por cada 100m de alinhamento longitudinal, bem como a sua variação por alinhamento e entre as diversas campanhas de avaliação consecutivas. João Pedro Sousa Duarte 5

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23 Capítulo 2 Revisão Bibliográfica Capítulo 2 Revisão Bibliográfica A caracterização de um pavimento, começando pelos materiais que o constituem e pela maneira como são construídos é essencial para se entender o seu funcionamento. Como tal, inicia-se este estudo pela apresentação dos principais materiais aplicados em pavimentos, com os respectivos ensaios de avaliação de modo a se entender o actual estado de desenvolvimento da ciência e da técnica de construção de pavimentos. Existem vários métodos de construção de camadas de desgaste variando entre si essencialmente na dosagem de cada material e na sua aplicação em obra. Tendo em conta o propósito de cada aplicação explicam-se as principais camadas de desgaste utilizadas actualmente e quais os seus benefícios e modos de funcionamento. Numa fase posterior são definidas as principais características de superfície de um pavimento, com os respectivos métodos de observação e de que modo é que estas interferem com os utilizadores. Este tipo de características tem sido alvo de numerosos estudos e têm sofrido alguma evolução nos últimos tempos pois são as mais percepcionadas pelos utentes de qualquer pavimento. Nesta revisão bibliográfica será focado o coeficiente de atrito e todos os factores que o podem influenciar, visto ser esta característica o alvo de estudo da presente dissertação. 2.1 Características Gerais dos Pavimentos 1 Designa-se por pavimento a parte da estrada, rua ou pista que suporta directamente o tráfego e transmite as respectivas solicitações à infraestrutura: terreno, obras de arte, etc. Pode ser constituído por uma ou mais camadas, tendo no caso mais geral, uma camada de desgaste e camadas de fundação. Cada uma destas camadas pode ser composta e constituída por várias camadas elementares, de acordo com a definição presente no Vocabulário de Estradas e Aeródromos (LNEC, 1962). Um pavimento constitui portanto um sistema multi-estratificado e tem como principais funções, satisfazer critérios de comportamento estrutural e funcional durante um determinado período de vida útil, sob as acções climáticas e de tráfego que possam ocorrer. Por comportamento estrutural entende-se como sendo a capacidade de suportar, redistribuir e 1 A realização deste subcapítulo teve por base a referência (Branco et al, 2008). João Pedro Sousa Duarte 7

24 Avaliação do coeficiente de atrito em aeroportos portugueses: o caso do aeroporto de Lisboa transferir para as camadas inferiores do pavimento as tensões induzidas pelos rodados dos veículos. Em termos de comportamento funcional devem ser asseguradas boas condições de conforto, economia e segurança e em termos ambientais através da apresentação de superfícies regulares e desempenadas (Pereira J. P., 2008). A camada mais superficial de um pavimento, para além de ser a única percepcionada pelos utilizadores, é a que tem a função de assegurar o comportamento funcional já mencionado. Esta camada, também chamada de desgaste, é geralmente constituída por materiais granulares estabilizados com ligantes (no caso da rede viária principal e das estruturas aeroportuárias nacionais), e tem ainda uma contribuição para a manutenção das características estruturais através da impermeabilização das camadas subjacentes (Branco et al, 2008). De acordo com a constituição das diferentes camadas de um pavimento é possível hoje em dia identificar três principais famílias de pavimentos, de acordo com os materiais empregues em cada camada ao nível das suas características geométricas e mecânicas e, pela maneira como as cargas são transmitidas às camadas de fundação. Estas diferenças são bastante evidentes ao nível da camada de desgaste de cada tipo de pavimento. Existem assim os pavimentos flexíveis, rígidos e semi-rígidos. Um pavimento flexível entende-se como sendo aquele cuja camada de desgaste é elaborada com recurso a ligantes hidrocarbonados como modo de estabilizar o material granular. O acabamento resultante num pavimento deste tipo é geralmente impermeável e capaz de proporcionar facilmente uma superfície de rolamento regular e desempenada com vista à comodidade dos utilizadores. A camada mais superficial costuma ser bastante delgada (espessura na ordem dos 2 a 6 cm) pelo que a sua contribuição para a capacidade estrutural do pavimento é delegada para as camadas inferiores, geralmente camadas granulares tratadas ou não com ligantes betuminosos, e que têm como função principal assegurar o bom comportamento estrutural. Os pavimentos rígidos são designados assim por terem uma camada de desgaste constituída por uma laje em betão de cimento, um material consideravelmente mais rígido que os empregues nas camadas de desgaste dos pavimentos flexíveis. A camada mais superficial, neste caso, para além de ter que assegurar as características funcionais que lhe competem, tem ainda uma contribuição importante ao nível estrutural, daí que na parte inferior à laje se encontrem camadas granulares de espessura inferior às encontradas nos pavimentos flexíveis e existindo um menor número de camadas podendo estas ser ou não estabilizadas com ligantes hidráulicos. Contrariamente aos pavimentos em material betuminoso, este tipo de 8 Luís Picado Santos

25 Capítulo 2 Revisão Bibliográfica pavimento não adquire naturalmente uma superfície adequada à circulação de veículos pelo que este facto deve ser sempre tido em conta aquando da sua concepção. Os pavimentos semi-rígidos podem ser caracterizados como uma mistura entre os dois tipos de pavimentos já analisados. Estes são constituídos por camadas de desgaste e de regularização em misturas betuminosas à semelhança dos pavimentos flexíveis e, camadas de base e sub-base granulares tratadas com ligantes hidráulicos como os pavimentos rígidos (camadas estruturais do pavimento), o que lhes confere características comuns a ambos os pavimentos, como é o caso da deformabilidade reduzida e da superfície de rolamento de elevado nível de conforto Principais Materiais Utilizados A definição dos materiais a serem empregues em camadas de desgaste é de extrema importância pois é dependente destes que cada pavimento vai ter as características pretendidas, quer sejam elas funcionais ou estruturais, levando mesmo à definição do tempo de vida da própria estrutura. Deste modo, far-se-á de seguida a definição dos principais materiais constituintes de camadas de desgaste, nomeadamente, agregados, betume asfáltico e seus derivados e, cimento Agregados Os agregados têm um papel importante na constituição das camadas de desgaste de um pavimento, quer este seja rígido ou flexível, sendo obrigados a cumprir requisitos no que diz respeito à sua granulometria, resistência, forma das partículas, limpeza e adesividade ao ligante. A contribuição dos agregados para o peso e volume total de massa de material numa camada é bastante relevante formando o chamado esqueleto da camada. Quanto ao processo de obtenção, estes podem ser classificados como naturais ou britados, conforme sejam extraídos directamente dos seus depósitos naturais ou sejam processados a partir de rochas de maior dimensão antes de aplicados em obra. Os agregados são geralmente classificados segundo a sua granulometria (d/d), de modo a se obter uma curva granulométrica definida entre limites de um fuso especificado, João Pedro Sousa Duarte 9

26 Avaliação do coeficiente de atrito em aeroportos portugueses: o caso do aeroporto de Lisboa com base na série de peneiros normalizada da ASTM ou da UNE, e tem como objectivo dotar os pavimentos de uma boa resistência mecânica. Quanto à sua resistência mecânica os agregados devem ser sujeitos aos ensaios de desgaste na máquina de Los Angeles (NP EN ) e ao ensaio Micro-Deval (NP EN ), com o intuito de se avaliar a sua resistência à fragmentação e a sua resistência ao desgaste por manipulação, o que é importante para perceber a forma como suportam o fabrico e espalhamento. Em ambos os ensaios são utilizados tambores rotativos onde se introduz o agregado conjuntamente com um número determinado de esferas em aço, medindo-se a posteriori a quantidade de material desgastado, variando os ensaios entre si na dimensão dos equipamentos (tambores e esferas de aço) e no próprio procedimento experimental. Geralmente o valor da perda por desgaste na máquina de Los Angeles não deve ser superior a 20% para os agregados usados em misturas betuminosas aplicadas em camada de desgaste. Relativamente à forma das partículas, estas devem respeitar um índice de forma e um índice de achatamento de modo a que as partículas sejam o menos alongadas e lamelares possível, proporcionando um atrito interno elevado e uma boa resistência ao corte. A limpeza das partículas de agregado serve para garantir que não existem impurezas, como é o caso da argila ou de matérias orgânicas, que podem afectar as características de adesividade ou provocar variações volumétricas. Para a avaliação deste parâmetro recorre-se à determinação do valor do azul-de-metileno (NP EN 933-9), valor este que define a sensibilidade à água do agregado, pretendendo-se valores deste parâmetro reduzidos para a sua utilização em camadas de desgaste. Por último, tem-se a adesividade que traduz a facilidade com que a ligação entre o ligante e o agregado se dá e, que pode ser avaliada por inspecção visual de uma mistura ligante-agregado, ou através da realização de ensaios de resistência de provetes imersos em água Ligantes Hoje em dia têm sido utilizados várias soluções para o fabrico de camadas de desgaste, no entanto a grande maioria dessas soluções recorre essencialmente a dois tipos de ligantes, os ligantes betuminosos (e seus derivados) e os ligantes hidráulicos (cimento). 10 Luís Picado Santos

27 Capítulo 2 Revisão Bibliográfica Betume Asfáltico De entre todos os materiais betuminosos, o betume asfáltico tem vindo a ganhar cada vez maior expressão na elaboração de camadas de desgaste em detrimento de outros materiais como a rocha asfáltica, o asfalto ou o alcatrão. De referir que os dois últimos materiais são comummente confundidos com o betume asfáltico pela generalidade da população. A partir da destilação do petróleo, em central a altas temperaturas, é possível obter-se o betume. O produto resultante apresenta boas características de adesão e possui propriedades visco-elásticas, variando as suas propriedades reológicas consoante a sua temperatura e o tempo das solicitações a que está sujeito. O envelhecimento dos betumes é um factor que está directamente relacionado com a qualidade das misturas betuminosas pretendidas e com o tempo de vida das camadas de desgaste, pelo que deve ser tido em conta as condições climatéricas existentes no local de implementação do pavimento, visto que estes são afectados pela oxidação provocada pelo ar e pela água das chuvas desde o seu fabrico. Tendo em conta isto são estabelecidos alguns parâmetros para a definição dos betumes, sendo os mais utilizados os ensaios de penetração e a temperatura de amolecimento. O ensaio de penetração permite a avaliação indirecta da viscosidade de um betume através da penetração de uma agulha numa amostra de betume a 25 C, segundo condições e material normalizado (Norma EN1426). Daqui resultam os limites de penetração, pelos quais são geralmente designados os betumes. A temperatura de amolecimento do método do anel e bola é obtida igualmente através de um método experimental normalizado (Norma EN1427), mediante o qual se mede a temperatura a que o betume se encontra no final do procedimento. Este método permite fazer uma avaliação da viscosidade do betume, propriedade que está relacionada com a sua consistência e, por isso, com as condições em que deve ser aplicado. Actualmente os betumes mais empregues na pavimentação em Portugal são os 35/50 e 50/70, de acordo com a zona onde vão ser aplicados, os 10/20 para misturas de alto módulo de deformabilidade e os 250/350 para o fabrico de emulsões betuminosas. Emulsões Betuminosas Uma emulsão betuminosa é uma mistura de duas fases onde um betume se encontra misturado com água mediante a presença de um emulsionante. A utilização deste tipo de João Pedro Sousa Duarte 11

28 Avaliação do coeficiente de atrito em aeroportos portugueses: o caso do aeroporto de Lisboa misturas tem o objectivo de melhorar certas propriedades críticas de um betume tradicional, como é o caso da sua viscosidade e adesividade, entre outros. A sua classificação é feita de acordo com a carga eléctrica dominante na mistura, podendo ser aniónicas ou catiónicas e, através da sua velocidade de rotura. Esta classificação é útil para se definir o campo de aplicação de cada emulsão de acordo com o agregado que vai ser usado, com as condições climatéricas em que vai ser aplicado ou com os trabalhos a efectuar. Betumes Modificados Um betume modificado é um produto derivado dos betumes tradicionais no qual são introduzidos aditivos com o objectivo de melhorar as suas propriedades, conferindo a estes uma menor susceptibilidade térmica e uma maior flexibilidade. Entre os aditivos podem-se encontrar os polímeros (elastómeros e plastómeros), enxofre, borracha, fibras e resinas. Este tipo de betumes é utilizado quando se quer uma maior resistência ao envelhecimento provocado pelos agentes atmosféricos de um pavimento, e quando se pretende ver melhorada a segurança e o conforto dos utilizadores através da melhoria da aderência, regularidade e ruído de rolamento no mesmo. Cimento Um cimento é um material inorgânico que possui boas propriedades de adesão e coesão. Tal acontece quando lhe é adicionada água desencadeando uma reacção química de hidratação que depois do seu endurecimento ganha excelentes características de resistência mecânica, daí ser denominado como um ligante hidráulico. Um cimento é geralmente designado pelo valor da sua resistência à compressão aos 28 dias e pelos aditivos nele presente. Usualmente na construção de camadas de desgaste, neste caso de pavimentos rígidos, são utilizados cimentos das classes de resistência 32,5, 42,5 e 52,5. Quanto aos seus constituintes, utilizam-se maioritariamente cimentos CEM I, com % de clínquer ou cimento da classe CEM II onde seja adicionada cinza volante (A-V, B- V, A-W, B-W) Principais Camadas de Desgaste Actualmente existem numerosas soluções para a elaboração de camadas de desgaste de pavimentos. De entre as quais se destacam as misturas betuminosas, os tratamentos 12 Luís Picado Santos

29 Capítulo 2 Revisão Bibliográfica superficiais e os pavimentos em betão de cimento, pela sua grande utilização quer na rede viária nacional quer ao nível de pavimentos em estruturas aeroportuárias no nosso país. As misturas betuminosas são a solução mais utilizada hoje em dia, existindo inúmeras configurações, no entanto, partem todas da mesma base, ou seja, são todas constituídas por uma fracção granulométrica à qual é misturada em central um ligante de origem betuminoso. Às camadas de desgaste deste tipo, para além de características mecânicas e de facilidade de colocação em obra, são ainda exigidas características funcionais como a aderência proporcionada ou a impermeabilidade da sua superfície, podendo-se jogar com cada uma destas características através do tipo de agregado e sua fracção granulométrica e, através do tipo de ligante e da sua percentagem na quantidade total na mistura. A título indicativo serão apresentadas diversos fusos granulométricos para diferentes tipos de materiais de pavimentação, não sendo no entanto possível a comparação entre os mesmos dada a diferença dos métodos de obtenção dos mesmos, com especial ênfase para as diferentes séries de peneiros. Os tratamentos superficiais são geralmente camadas bastante delgadas (espessuras inferiores a 4cm) (Kraemer et al, 2004), aplicados a frio como tratamentos impermeabilizantes ou de reposição das características funcionais de um pavimento. Nestas soluções é usual recorrer-se a emulsões betuminosas e betumes modificados. Quanto às camadas de desgaste em betão de cimento, nos chamados pavimentos rígidos, estas são fabricadas com betões semelhantes aos usados nos restantes tipos de estruturas atendendo à espessura das camadas e às solicitações em serviço. Deste modo, os betões devem ter uma resistência característica á flexão, aos 28 dias de 4 a 4,5 MPa, uma quantidade de cimento de kg/m³ e uma relação água/cimento relativamente baixa Betão Betuminoso De entre todas as misturas betuminosas existentes, o betão betuminoso é a que se encontra mais amplamente aplicada nos pavimentos nacionais. Este tipo de material é utilizado devido à sua baixa porosidade que os torna impermeáveis e com uma boa resistência mecânica. Estas propriedades são atingidas recorrendo-se à utilização de agregados de granulometria contínua, geralmente com dimensão máxima de 10 ou 14mm, respeitando o fuso granulométrico apresentado na tabela 2.1, de modo a se poderem construir camadas com espessuras entre os 4 e os 6cm (EP, 2009). João Pedro Sousa Duarte 13

30 Avaliação do coeficiente de atrito em aeroportos portugueses: o caso do aeroporto de Lisboa Tabela 2.1 Fuso granulométrico a respeitar num betão betuminoso (NP EN ). Abertura das malhas dos peneiros Percentagem acumulada de material passado 20 mm mm mm mm mm ,5 mm ,125 mm ,063 mm 4-9 A utilização de um fuso granulométrico contínuo pode trazer problemas de falta de homogeneidade da mistura, com o betume a não cobrir a totalidade da superfície dos agregados, pelo que é exigido que se utilize uma percentagem mínima de betume para cada tipo de mistura (no caso do AC 14 surf (BB) o valor mínimo é de 4,9%) (norma EN ), devendo o betume ser das classes anteriormente referidas (35/50 ou 50/70) Misturas de Alto Módulo As misturas de alto módulo são em tudo semelhantes aos betões betuminosos na sua configuração, com a excepção do betume utilizado. Neste caso, utilizam-se betumes mais duros, 10/20, e em grande dosagem (percentagem de betume superior a 5% do peso total) o que vai conferir às camadas uma maior rigidez e com isso um melhor comportamento à fadiga. Quanto aos agregados utilizados, estes devem respeitar o fuso granulométrico da tabela 2.2 e devem ter granulometria inferior a 14mm. Tabela 2.2 Fuso granulométrico a respeitar numa mistura de alto módulo (adaptado de (Branco et al, 2008)). Abertura das malhas dos peneiros ASTM Percentagem acumulada de material passado 16,0 mm ,5 mm ,5 mm ,75 mm ,36 mm ,85 mm ,425 mm ,180 mm ,075 mm Luís Picado Santos

31 Capítulo 2 Revisão Bibliográfica Devido à utilização de betumes mais duros os pavimentos vão ser menos susceptíveis às temperaturas, no entanto, a sua aplicação vai ser dificultada relativamente à dos betões betuminosos pois vão necessitar estar a temperaturas mais elevadas para terem uma boa viscosidade com vista a serem aplicados. Mecanicamente, este tipo de pavimento vai ter um melhor desempenho comparativamente aos betões betuminosos, pelo que para uma solução semelhante (em termos de espessura) vão ter uma resistência superior Betão Betuminoso Drenante Um betão betuminoso drenante é composto por material granular de granulometria descontínua (tabela 2.3) e dimensão máxima de 14 mm e, betume modificado com polímeros (mais fluidos que o betume normal) o que lhe confere uma porosidade aberta e permite à água que cai sobre a sua superfície um escoamento eficaz até aos órgãos de drenagem através do interior da camada de desgaste. Tabela 2.3 Fuso granulométrico a respeitar num betão betuminoso drenante (adaptado de (Branco et al, 2008)). Abertura das malhas dos peneiros ASTM Percentagem acumulada de material passado 19,0 mm ,5 mm ,5 mm ,75 mm ,00 mm ,85 mm ,075 mm 3-6 Este tipo de camadas apresenta essencialmente vantagens do ponto de vista funcional, face ao betão betuminoso, na medida em que melhoram a circulação em situações de pluviosidade intensa, com um aumento da visibilidade e das condições de aderência ao mesmo tempo que possui vantagens ao nível da redução do ruído quer ele seja produzido pelo rolamento dos pneus ou pelo motor do veículo. Ao nível estrutural, devido à elevada porosidade e às baixas espessuras das camadas, a sua contribuição é diminuta. Pelo facto da sua porosidade ser aberta há que ter em atenção a impermeabilização das camadas subjacentes de modo a não sofrerem infiltração de água. João Pedro Sousa Duarte 15

32 Avaliação do coeficiente de atrito em aeroportos portugueses: o caso do aeroporto de Lisboa Este tipo de pavimentos apresenta contudo alguns problemas, nomeadamente a redução das suas capacidades funcionais devido à colmatação dos poros ao fim de poucos anos com poeiras e outros detritos, e a uma degradação mais acelerada do betume (maior superfície exposta a agentes de alteração), pelo que é recomendada a sua aplicação em vias de elevado tráfego e onde se circule a velocidades elevadas de modo a promover a auto-lavagem do pavimento e deste modo atenuar a problemática da colmatação dos poros Micro-betão Betuminoso Rugoso Este tipo de mistura apresenta algumas características semelhantes às misturas drenantes, sendo utilizados ligantes modificados com polímeros e agregados de granulometria descontínua, tendo neste caso uma dimensão máxima de 10mm (tabela 2.4). A espessura para uma camada de desgaste deve ser entre 2,5cm e 3,5cm, de modo a apresentar um bom desempenho funcional. Tabela 2.4 Fuso granulométrico a respeitar num micro-betão betuminoso rugoso (NP EN ). Abertura das malhas dos peneiros Percentagem acumulada de material passado 14,0 mm ,0 mm ,3 mm ,0 mm ,0 mm ,0 mm ,5 mm ,063 mm 7-11 Em termos de características funcionais, este tipo de pavimento apresenta vantagens semelhantes às dos pavimentos drenantes, como é o caso da melhoria das condições de circulação em tempo chuvoso e a redução do ruído provocado pela circulação dos veículos, no entanto, não tem o problema da colmatação dos poros, visto que apesar de ter uma superfície bastante rugosa, a sua porosidade é fechada, logo, a drenagem de água dá-se à superfície e não pelo interior da camada Microaglomerado Betuminoso a Frio Este tipo de material insere-se na classe dos tratamentos superficiais e são feitos com recurso a emulsões betuminosas modificadas com polímeros, de modo a terem fluidez para serem aplicados a frio. São usados agregados de granulometria contínua 0/6 (tabela 2.5), os 16 Luís Picado Santos

33 Capítulo 2 Revisão Bibliográfica quais devem possuir boas características de resistência à abrasão visto se tratar de camadas de desgaste, muito delgadas, meramente com características funcionais. Tabela 2.5 Fuso granulométrico a respeitar num microaglomerado betuminoso a frio simples (adaptado de (Branco et al, 2008)). Abertura das malhas dos peneiros ASTM Percentagem acumulada de material passado 6,3 mm 100 4,75 mm ,36 mm ,18 mm ,60 mm ,30 mm ,18 mm ,075 mm 7-15 Em termos de método construtivo, este tipo de camadas de desgaste pode ser do tipo simples ou duplo, variando o número de camadas e com isso os fusos granulométricos e a dimensão máxima do agregado para cada uma delas. Devem também ser respeitadas exigências face à textura do pavimento e ao índice de lamelação e alongamento dos agregados. Pelo facto de este tipo de material ser aplicado a frio, a abertura ao trânsito dos troços de pavimento onde é aplicado pode ser efectuada em pouco tempo (poucas horas dependendo da rotura da mistura betuminosa) Lama Asfáltica (Slurry Seal) Uma lama asfáltica é um tratamento superficial semelhante ao microaglomerado betuminoso a frio, variando a granulometria do agregado quando aplicado em camada dupla, do qual resulta uma fina camada superficial de espessura inferior a 2cm e de não ser obrigatória a utilização de emulsões betuminosas modificadas com polímeros. Em termos funcionais, este tratamento permite a selagem de fendas e outras imperfeições que prejudicam a condição de impermeabilidade de uma camada de desgaste e, restitui à mesma as condições de superfície adequadas à circulação de veículos em segurança. A aplicação deste tipo de solução é feita de forma relativamente rápida, com o recurso apenas a uma máquina e devido à utilização de emulsões betuminosas, a abertura ao tráfego do pavimento é feita em pouco tempo, dependendo da rotura da emulsão. João Pedro Sousa Duarte 17

34 Avaliação do coeficiente de atrito em aeroportos portugueses: o caso do aeroporto de Lisboa Revestimento Superficial Betuminoso O revestimento superficial betuminoso é, como o próprio nome indica, um tratamento superficial que permite a reconstituição de características funcionais fundamentais, à semelhança dos restantes tratamentos superficiais aqui apresentados, no entanto, da elaboração deste tipo de solução resultam camadas geralmente mais espessas, dependendo da dimensão do agregado e da solução construtiva adoptada. Construtivamente, este tipo de revestimento é elaborado em duas fases distintas, a primeira em que se espalha o ligante, geralmente emulsões betuminosas, e posteriormente é espalhado o agregado sobre ele, de modo a que após uma correcta compactação o agregado fique incrustado no ligante. Há ainda duas derivações deste método que são os revestimentos superficiais simples de duas aplicações de agregado e os revestimentos superficiais duplos. No primeiro caso aplica-se uma primeira camada de agregado que é compactada antes de se aplicar o ligante e o agregado, como descrito anteriormente. Já no segundo caso, são aplicadas sucessivamente duas camadas de ligante/agregado sendo separadas pela devida compactação da primeira camada Betão Betuminoso Rugoso com borracha A grande particularidade deste tipo de material de pavimentação é a incorporação de borracha proveniente da reciclagem de pneus na composição do betume, com o intuito de melhorar as características estruturais e funcionais da camada de desgaste. O betume empregue é da classe 35/50 ou 50/70 e é lhe adicionado em central cerca de 18% a 20% da sua massa em aglomerado de borracha vulcanizada, sendo que a massa total de ligante se deve apresentar entre 8% e 9%, um valor relativamente elevado face a misturas tradicionais. Quanto aos agregados empregues, estes têm usualmente uma dimensão máxima de 14mm e granulometria descontínua à semelhança de outras misturas rugosas. A incorporação de borracha numa mistura betuminosa permite ganhos ao nível do desempenho estrutural e funcional de um pavimento, mais concretamente, na redução do fendilhamento por fadiga devido à maior flexibilidade do material, numa maior resistência a agentes atmosféricos (água, gradientes de temperatura elevados, exposição solar), e na melhoria da aderência entre o pneu e o pavimento. O fabrico e a aplicação deste tipo de material deve ser alvo de alguns cuidados devido ao facto de a borracha conferir á mistura uma viscosidade superior, pelo que todo o processo 18 Luís Picado Santos