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Universidade do Minho Escola de Engenharia

Paulo Pereira

Elisabete Freitas

Hugo Silva

Joaquim Carneiro

Joel Oliveira

Jorge Pais

Raul Fangueiro

António Gomes Correia

Rodovia: uma infra-estrutura para o desenvolvimento

e para a qualidade de vida

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Rodovia: uma infra-estrutura para o desenvolvimento e para a qualidade de vida

Paulo Pereira


1.  O contexto global da Gestão do Património Rodoviário

2.  Gestão do Património Rodoviário: situação atual e desafios de futuro

3.  Modificação de betumes e misturas betuminosos

4.  Ligantes e misturas betuminosas temperadas

5.  Incorporação de resíduos em ligantes e misturas betuminosas

6.  Nanomateriais e nanotecnologia: uma solução tecnológica e ambiental

7.  Materiais reforçados com fibras

8.  Estabilização dos solos com resíduos

9.  Reciclagem de materiais para pavimentos rodoviários

10.  Estruturas de pavimentação: Pavimentos perpétuos

11.  Modelação do pavimento

12.  Abordagem baseada em inteligência artificial para a modelação de pavimentos

13.  Segurança e conforto rodoviário

14.  Sistemas de Gestão do Património Rodoviário: uma visão de futuro

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O contexto desafiante da Gestão do Património Rodoviário §  Rede rodoviária: infraestrutura desafiante, envolvendo questões, decisões e inputs técnicos políticos

e societais (vasto âmbito de competências)

§  Ciclo de vida dos pavimentos: Economia, Tráfego, Clima, Materiais

§  Administração rodoviária: promover uma melhor qualidade de vida através da utilização sustentável de recursos

Melhorar o desempenho técnico, económico e sustentável da rede rodoviária:

necessário um planeamento a longo prazo com antecipação do timing e volume de investimentos

Responder aos interesses da administração rodoviária, utilizadores e sociedade

Otimização dos investimentos do ciclo de vida na rede rodoviária


Paulo Pereira

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Gestão do Património Rodoviário: situação atual e desafios de futuro O desafio

§  abordagem holística, diferentes stakeholders, interesses contraditórios

§  inovação (materiais – macro e nano escala); ferramentas computacionais para gestão da informação

Gestão do Património Rodoviário: relação entre a qualidade da infraestrutura e o nível de serviço

requerido pelo utilizador final

§  Objetivo da administração rodoviária: alocar recursos financeiros (estrutura estratégica e organizacional)

§  Informação atualizada: antecipar intervenções nas vias (otimizar recursos financeiros)

§  ARMS (Asset Road Management System): abordagem global integrando todo o património das vias

Recolha de dados + Sistemas de Informação – iniciar na fase de planeamento


Paulo Pereira

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Modificação de betumes e misturas betuminosas Caracterização avançada de ligantes betuminosos modificados com polímeros e borracha, incluindo

bio-ligantes

§  Cooperação e Doutoramento conjunto: Iowa State University (EUA)

§  Investigação cooperativa: Instituto de Polímeros e Compósitos

§  2 estudantes PhD; 4 teses MSc; 3 artigos de revistas ISI

Método inovador BAS Curvas mestras e tempos de relaxação de ligantes betuminosos


Paulo Pereira

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Ligantes e misturas betuminosas temperadas Estudo de ligantes e misturas betuminosas temperadas (WMA) com diferentes aditivos e tecnologias

para serem aplicadas a temperaturas mais baixas.

§  Investigação cooperativa: Instituto de Polímeros e Compósitos

§  Cooperação com a indústria: 2 trechos construídos

§  5 teses MSc; 3 artigos em revistas ISI+Scopus

Efeito dos aditivos WMA na viscosidade dinâmica dos ligantes Fumos na descarga de misturas (a)quentes e (b) temperadas


Paulo Pereira

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Incorporação de resíduos em ligantes e misturas betuminosas

PLASTIROADS – Desenvolvimento de materiais multifuncionais com resíduos plásticos para

pavimentação de estradas PTDC/ECM/119179/2010 (€ 131.496,00)

§  Projeto a ser desenvolvido entre abril de 2012 e março de 2015

§  Financiado pela FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologia

§  Parceiros LNEC & UMinho: Engenharia de Polímeros e Física

Resíduos plásticos utilizados, modificação do betume durante a fase de produção e mistura final obtida (resultados preliminares obtidos numa tese de mestrado)


Paulo Pereira

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Nanotecnologia na indústria da construção A nanotecnologia detém a chave que permite que os materiais de construção repliquem as

características dos sistemas naturais, melhoradas até à perfeição durante milhões de anos. Em 1981,

Drexler, K. apresentou uma definição mais precisa de tecnologia como sendo a fabricação de várias

estruturas com dimensões e precisão entre 0,1 e 100 nm. Em termos comparativos, recorde-se que

um cabelo humano tem a espessura de 80,000 nm e que a hélice dupla do DNA tem um diâmetro de

2 nm.


Paulo Pereira

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Relatório RILEM TC 197-NCM, ‘‘Nanotechnology in construction materials”: primeiro documento que resume o potencial da nanotecnologia em termos da aplicação e desenvolvimento de novos

materiais de construção, nomeadamente:

§  Utilização de nanopartículas, nanotubos de carbono e nanofibras para aumentar a resistência e

durabilidade de compósitos cimentícios assim como para uma função de despoluente

§  Produção de aço isento de corrosão

§  Produção de materiais de isolamento térmico com um desempenho 10 vezes mais elevado do que

as atuais opções comerciais

§  Produção de revestimentos de filme fino com capacidades de auto-limpeza e capacidade de

mudança de fase para minimizar o consumo de energia

§  Produção de nanossensores e materiais com capacidade sensitiva e auto-reparação

Nanotecnologia na indústria da construção


Paulo Pereira

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Aplicação de Nanotecnologia na área do consumo de energia na construção (ou energia solar passiva) refere-se ao desenvolvimento de Materiais de Mudança de Fase - Phase Change Materials (PCMs) -

nano/micro-encapsulados, que podem ser usados para o armazenamento da energia térmica em

edifícios para promover o conforto térmico do edifício e alcançar altos níveis de poupança energética

em sistemas de arrefecimento.

Nanotecnologia e energia


Paulo Pereira

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§  Monóxido de carbono (CO)

§  Óxidos de Nitrogénio (NOx)

§  Dióxido de enxofre (SO2)

§  Ozono (O3)

Principais poluentes ambientais

Atividade industrial, em combinação com a centralização da população em áreas urbanas, conduz

a um aumento da poluição atmosférica que reduz a

saúde de qualidade dos cidadãos. A média anual de

poluentes particulados produzidos globalmente é

bastante superior ao permitido por lei.


Paulo Pereira

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Combinação de materiais nanoestruturados (com capacidade de autolimpeza e capacidade para fotodegradação dos NOx) com misturas betuminosas: impacto notável em alguns nichos de

mercado na indústria da construção civil. O dióxido de titânio é o melhor candidato a semicondutor

para ser usado como material fotocatalítico devido à sua estabilidade química, baixa toxicidade e

disponibilidade. Relativamente a aplicações na construção civil, a ativação de superfícies dos

pavimentos rodoviários betuminosos através da deposição de nanopartículas de TiO2 permitirá a

despoluição do ar e a redução da sujidade absorvida pelas superfícies.

Estratégias para minimizar os efeitos da poluição

Estrutura Cristalina:

Rutile

Estrutura Cristalina: Anatase


Paulo Pereira

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Na presença da luz solar, o TiO2 absorve energia suficiente para participar nas reações químicas oxidação-redução e degradar os poluentes originais em produtos inertes.

Estratégias para minimizar os efeitos da poluição


Paulo Pereira

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Modificação de betume utilizando nanopartículas de TiO2

As misturas asfálticas modificadas deverão ser capazes de:

§  Degradar compostos orgânicos e reduzir a concentração de poluentes no ar sem perder

nenhuma das características mecânicas e físicas iniciais dos pavimentos rodoviários.

Estratégias:

§  Deposição de nanopartículas TiO2 na superfície

§  Incorporação de nanopartículas TiO2 no volume

Modified road pavement

TiO2 nanoparticles

Desenvolvimento de materiais semicondutores aplicados a pavimentos rodoviários, induzindo propriedades multifuncionais (promovendo a função de autolimpeza e/ou minimizando a poluição do

ar causada por missões de NOx).

Estes materiais podem ainda capacitar a produção de superfícies rodoviárias não-deslizantes,

importantes para reduzir os acidentes que ocorrem devido à combinação de chuva e óleos

absorvidos pelas superfícies dos pavimentos.


Paulo Pereira

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Resultados / Conclusões §  Os compósitos de resíduos de fibra revelaram propriedades

mecânicas moderadas com um máximo de força e rigidez de 100 MPa e 1200 MPa, em compressão e em tração

§  Os compósitos de resíduos de fibra possuem muito boas propriedades de isolamento térmico e acústico

§  Poderão ser encontradas potenciais aplicações em construção de edifícios em painéis de parede interiores, revestimentos, paredes divisórias, painéis de portas, etc.

Materiais compósitos reforçados com resíduos de fibra Equipa: João Velosa; R. Fangueiro; S. Rana

Objetivo: estudar processos exequíveis de produção de compósitos reforçados com resíduos de fibra e investigar a influência de vários parâmetros (densidade do compósito, fibra e fração volumétrica da resina) nas propriedades mecânicas dos compósitos de resíduos de fibra.


Paulo Pereira

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Argamassas reforçadas com fibras recicladas

Equipa: Gonilho-Pereira; R. Fangueiro; F. Soutinho

Objetivos: Contribuir para o desenvolvimento de materiais para construção sustentável através da utilização de fibras recicladas em

argamassas cimentícias.

Resultados/Conclusões §  As argamassas cimentícias apresentam uma fluidez que não foi

afetada pela presença de fibras recicladas

§  O aumento do conteúdo de fibras recicladas resultou na redução dos

módulos de elasticidade dinâmico, de resistência à tração por flexão e

à compressão das argamassas e aumento da absorção capilar,

coeficiente de capilaridade, índice de secagem, porosidade e força de

arranque

§  A introdução de fibras recicladas levou à melhoria do isolamento

térmico que é da maior importância no desenvolvimento de materiais

de construção energeticamente eficientes


Paulo Pereira

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Reforço de edifícios históricos com fibras naturais Equipa: R. Codispoti; F. Cunha; S. Rana; R. Fangueiro; D. Oliveira

Objetivo: Desenvolver um novo sistema de reforço para paredes de edifícios históricos baseado em

estruturas entrançadas em fibra natural e comparar a

performance com outras soluções existentes

§  A carga de rotura aumenta linearmente com o número de fios de sisal axiais assim como com a

densidade linear dos entrançados

§  Assim, é extremamente fácil produzir um fio

entrançado com a necessária resistência à tração,

ajustando o número de fios axiais de sisal

Resultados/Conclusões


Paulo Pereira

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SOLOS ESTABILIZADOS COM CAL uma melhoria contínua das propriedades mecânicas ao longo do tempo

0

500

1000

1500

2000

2500

0 100 200 300 400 500

curing time (days)

Rc' (

kPa)

Untreated 3% lime – 20°C

A melhoria das propriedades geomecânicas com cal reduzirá os custos de manutenção das infraestruturas rodoviárias e ferroviárias: aterros, capacidade de carga, erosão.


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ASIC* COMO MATERIAL RECICLADO PARA AS CAMADAS DO PAVIMENTO: Comparação de propriedades baseadas no desempenho entre ASIC e AGREGADOS NÃO LIGADOS NATURAIS

*Granite Aggregate: GA(0/19)w=5.9%; e0=0.260

y = 13.02x0.57

-‐ -‐ Granite Aggregate: GA (0/31,5)w=3.9%; e0=0.236

y = 4.70x0.71

Limestone Aggregatew=5.9%; e0=0.232

y = 18.29x0.57

Maia ISACw=3.3%; e0=0.343

y = 60.78x0.54

Seixal ISACw=5.8%; e0 = 0.330

y = 50.14x0.56

10

100

1000

10000

1 10 100 1000�� (kPa)

E nor(e=0

,35) (M

Pa)

*ASIC – Agregado inerte SIderúrgico para Construção


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Ensaio de campo ASIC: avaliação da capacidade de carga

0

200

400

600

800

1000

1200

0 5 10 15 20 25 30 35

Distance (m)Deflection (x10-‐6 m

)

FWD Load 20kN FWD Load 30kN FWD Load 47kN

ISAC+ISACASIC

ISAC+GRS GA+GRS


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Reciclagem de pavimentos Caracterização de misturas betuminosas incorporando material fresado (RAP - reclaimed asphalt

pavement) e outros resíduos

§  Estudo da incorporação de altas taxas de RAP nas misturas betuminosas

§  Investigação colaborativa com o Korea Institute of Construction Technology na utilização de aditivos

WMA na Reciclagem de misturas betuminosas

§  2 dissertações MSc concluídas; 2 dissertações MSc a decorrer; 3 publicações ISI

Amostra do RAP usado

0.0%

1.0%

2.0%

3.0%

85%

90%

95%

100%

RAP ACF OIL

Void

s co

nten

t (%

)

ITSR

(%)

Type of mixture

ITSR Voids content0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.00 2000 4000 6000 8000 10000

Rut

dep

th (m

m)

Number of cycles

CONV RAP ACF OIL

Sensibilidade à água e Resistência à Deformação Permanente de misturas com 100% RAP


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Reciclagem de pavimentos Eficiência Energética e Ambiental das Misturas Betuminosas e Redução das Emissões de Gases de

Efeito Estufa

Projeto QREN SI 007603 (2011–2012)

§  Parceiro: Grupo MonteAdriano

§  Promover a produção de misturas betuminosas com uma elevada incorporação de RAP e utilizando

tecnologias de misturas “mornas” (Warm Mix Asphalt - WMA). Permitirá a melhoria na eficiência

energética e ambiental deste tipo de atividade.


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Modelação de pavimentos – Pavimentos perpétuos

Critérios para pavimentos perpétuos

§  Pavimento dimensionado para mais de 35 anos, usualmente 50 anos, sem necessidade de

reconstrução ou reabilitação de maior escala

§  Inexistência de reforço com espessura superior a 10 cm

§ Mais de 13 anos entre aplicações de reforço

§  Alto volume de tráfego (>20 milhões ESAL) – Camadas betuminosas espessas (mais de 30 cm)

TERRASSYTA

UNDERGRUND

BÄRLAGER

BELÄGGNING

FÖRSTÄRKNINGSLAGER

TERRASSYTATERRASSYTA

UNDERGRUNDUNDERGRUND

BÄRLAGER

BELÄGGNING

FÖRSTÄRKNINGSLAGER

BÄRLAGERBÄRLAGER

BELÄGGNINGBELÄGGNING

FÖRSTÄRKNINGSLAGERFÖRSTÄRKNINGSLAGER

Asphalt layers

(Un)bound roadbase

Foundation

Subgrade

Unbound sub base


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Requisitos para pavimentos perpétuos §  Camada de desgaste – resistente à fadiga

§  Camadas intermédias – resistente às deformações e durável

§  Camada base – resistente à fadiga e durável

§  Com estes pavimentos, é apenas necessário periódica reabilitação superficial

§  Vantagens na rapidez da construção (custos de atraso dos utentes) custos da construção


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Estratégias para produzir pavimentos perpétuos § Modificação dos betumes com polímeros

§ Camadas de base dos pavimentos ricas em betume

§ Camadas de base dos pavimentos em misturas de alto módulo

Ensaios de fadiga em laboratório e métodos de análise §  Ensaios de fadiga em 2, 3 ou 4 pontos

§  Ensaios de tração direta ou indireta

§  Leis de fadiga utilizando a curva de Wöhler

§  Grau de energia dissipada (DER - Dissipated energy ratio)


Paulo Pereira

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Camada de desgaste e de ligação estrutural

§  Resistente ao desgaste

§  Resistente à deformação e durável

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 2000 4000 6000 8000 10000

Rut d

epht

(mm

)

Cycles

Material 8 Material 7Material 6 Material 3Material 1 Material 2Material 5 Material 4


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Camada de base

§  Resistente à fadiga e durável

100

1000

1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07

Tens

ile s

trai

n (E

-6)

Fatigue life

Material 1Material 2Material 3Material 4Material 5Material 6Material 7


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Modelação para veículos pesados

§  Diferentes configurações dos eixos

§  Diferentes configurações dos pneus

Consequências na modelação, principalmente na

previsão de fendilhamento na superfície do pavimento

Fendilhamento com origem

à superfície


Paulo Pereira

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Diferentes tipos de modelação

§  Pneu simples

§  Pneu duplo

§  Pneu de base larga

§ Modelação dos sulcos do pneu

§  Diferentes pressões nos sulcos


Paulo Pereira

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Modelação dos sulcos dos pneus Extensão vertical de corte Tensão vertical na superfície do pavimento


Paulo Pereira

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Tensão vertical na superfície dos pavimentos


Paulo Pereira

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A inteligência artificial na modelação de pavimentos

§ Previsão do desempenho dos pavimentos: essencial para o projeto e gestão § Material asfáltico: material muito complexo de comportamento viscoelástico e plástico não-linear e

anisotrópico; muitos fatores influenciadores (veículos (carga, velocidade); ambiente (temperatura; pluviosidade))

§ Modelos desenvolvidos: abordagens simplistas; dados de qualidade insuficiente (QoI) § As capacidades dos métodos computacionais podem ser ir além com métodos qualitativos (IA) § Sistemas inteligentes: capazes de raciocínio, mesmo com dados incompletos/desconhecidos

§ A Extensão à Programação em Lógica (ELP),

um sistema simbólico puro, com entidades computacionais como nós numa rede

§ O Grau de Confiança (GdC) é calculado para uma variável particular num cenário particular

§ Possibilidade de mapear a informação defetiva, prevendo um desempenho do pavimento para um determinado conjunto de variáveis (tráfego, ambiente, estrutura)


Paulo Pereira

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Segurança e conforto rodoviário: o papel da superfície 1. Textura macro e micro

2. Irregularidade

3. Atrito

4. Ruído

5. Segurança

SAFESPEED – Estratégias de gestão da velocidade: um instrumento para a implementação de soluções de

gestão rodoviária seguras e eficientes

NOISELESS – Perceção, modelação e redução do

ruído através de superfícies de pavimentos inovadoras

e duráveis

NanoEcoBuild – Conceitos baseados em

nanotecnologia aplicados a superfícies de materiais de

construção inovadoras e eco-sustentáveis

Projetos de investigação


Paulo Pereira

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Características da superfície Textura macro e micro e irregularidade Textura macro e mega, irregularidade

Atrito

3D Texscan


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Características da superfície: Ruído

Propriedades acústicas – ruído pneu-pavimento, absorção do som, impedância mecânica

Caracterização do ruído pneu-pavimento


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Desenvolvimento de nova superfícies para redução do ruído

Utilização de cortiça, argila expandida e borracha reciclada de pneus (estudos laboratoriais)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

250 750 1250 1750 2250 2750

CONTROL Expanded Clay

Frequência (Hz)

Abs

orçã

o A

cust

íca

(%)

Controle Argila expandida

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

250 750 1250 1750 2250 2750

CONTROL CORK

Frequência (Hz)A

bsor

ção

Acu

stíc

a (%

) Cortiça

Ligação cortiça-betume

Desgaste argila

Excelente desempenho

mecânico

Excelente desempenho

acústico


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Modelação do ruído

Utilização de técnicas Data Mining para

desenvolvimento de modelos de previsão

de ruído pneu-pavimento a partir de

informação obtida em laboratório

Estudo do impacto da utilização

de superfícies da baixo ruído

no ruído ambiental

M2

M3

M4

66.6

63.9

65.1

60.3

63.2

64.9

66.2

67.466.0

64.4

00.0

Limite du projectBatimentZone boiséeRoutierParking exterieurSource sonoreRécepteursExposition au bruit (Lr)

HI

G

F

E

D

A

60.1B

C65.3

> 30.0 dB > 35.0 dB > 40.0 dB > 45.0 dB > 50.0 dB > 55.0 dB > 60.0 dB > 65.0 dB > 70.0 dB > 75.0 dB > 80.0 dB > 85.0 dB


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Pavimentos de baixo ruído versus perceção e deteção de ruído

Níveis de incomodidade §  Idade

§  Velocidade

§  Densidade de veículos

Acidentes – utentes vulneráveis (peões) §  Idade

§  Tipo de pavimento

§  Tipo de veículo

!!

!


Paulo Pereira

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Características da superfície: Segurança

•  Fotocatalíticas (com capacidade de degradação de poluentes)

Imagem SEM Espectro EDS

•  Superhidrofóbicas e anti-gelo

Desenvolvimento de superfícies de pavimento multifuncionais

•  Termosensitivas Comportamento antes e após desgaste


Paulo Pereira

40

Características da superfície: Segurança

Modelo linear generalizado para estimativa de frequência de acidentes em segmentos de estrada

Dados: 1 ano

Dados: 3 anos

( ) ( )[ ]⎭⎬⎫

⎩⎨⎧ ∑= ∏ j mtjji

x

i mtitmt eayE ,

,

βγα

E(ymt) = o número expectável de acidentes no elemento m no período t; ai,mt , xj,mt = variáveis explicativas ; (i e j) = valores observados no elemento m no período t; αt = parâmetro do modelo relacionado com o período t; γi, βi = parâmetro do modelo constante para todos os t.

Aplicação do procedimento das equações de estimação generalizadas para estimativa de frequência de acidentes em intersecções


Paulo Pereira

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Gestão do Património Rodoviário: Soluções para os desafios de futuro

Décadas anteriores: macro-abordagem à investigação de materiais

§  Utilização clássica de ferramentas computacionais para sistemas de informação e modelação

Última década: avanços em recursos laboratoriais, em abordagens computacionais e nano

§  da macro escala à nano-dimensão: encontrar o “ADN” dos materiais, nova compreensão,

novos materiais

§  gerir informação e conhecimento: neurociência e inteligência artificial (IA) aplicadas à gestão

da rede de infraestruturas

§  avaliação da rede: micro e nano-eletrónica

q  infraestruturas inteligentes;

q  materiais auto-reparáveis

q  auto-monitorização;

q  Avaliação em tempo real (via wireless, ligados ao escritório).


Paulo Pereira

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Muito obrigado pela vossa atenção


Paulo Pereira

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