Paralelamente ao desenvolvimento da indústria, os testes de dureza são desenvolvidos principalmente para materiais metálicos. Nesse sentido, os procedimentos e conversões para medições de dureza em rochas não foram ainda totalmente normalizados.
Para distinguir as propriedades de um material de massa rochosa como componente estrutural, normalmente é necessário realizar-se ensaios físicos e mecânicos, sejam eles em laboratório ou in-situ, e observações geológicas para detetar descontinuidades ou águas subterrâneas. Ao combinar estas análises é possível prever o comportamento do material sob algumas limitações. Na caracterização natural de rochas para construção ou para uma simples avaliação da qualidade do solo, o valor da resistência à compressão axial (RCA) medido segundo a norma ASTM D2938 [57] é dos parâmetros mais importantes usado por geólogos e engenheiros. O ensaio de RCA é uma prática destrutiva que avalia a carga axial máxima aplicada a uma amostra cilíndrica antes da fratura [58]. A Sociedade Internacional da Mecânica das Rochas (SIMR) definiu a classificação apresentada na Tabela 3 que compara o valor da RCA com a força aplicada por golpes de martelo de geólogo ou manualmente.
Para esta classificação, os testes com o martelo de Schmidt devem recorrer a amostras com cerca de 10 cm de espessura colocadas sobre uma superfície rígida, e as avaliações manuais devem usar amostras com aproximadamente 4 cm de espessura. As amostras não devem apresentar sinais de fratura.
O martelo de geólogo típico, ilustrado na Figura 22, pode pesar entre 225 e 700 gramas, não estando definido no teste que tipo deve ser utilizado. Este método de avaliação da resistência das rochas é bastante subjetivo, pois depende diretamente da massa do martelo e da força do operador.
Figura 22 - Martelo de geólogo [59]
Tabela 3 - Classificação de rochas de acordo com a RCA proposta pela SIMR [60] Grau Designação RCA
(MPa) Análise Expedita
R6 Extremamente elevada >250 A rocha lasca depois de sucessivos golpes de martelo e ressoa aquando do golpe
R5 Muito elevada 100 - 250 Requer muitos golpes de martelo para partir espécimes intactos da rocha
R4 Elevada 50 - 100 Pedaços pequenos da rocha seguros com a mão são partidos com um único golpe de martelo R3 Mediana 25 - 50 faz indentações até 5 mm. Com a faca consegue-se Um golpe firme com o pico do martelo de geólogo
raspar a superfície
R2 Baixa 5 - 25 Com a faca é possível cortar o material, mas este é demasiado duro para lhe dar forma de provete R1 Muito baixa 1 - 5 O material desagrega-se com golpe firme do pico do martelo de geólogo
R0 Extremamente baixa 0,25 - 1 Consegue-se marcar com a unha
Ainda que muito útil para problemas de engenharia como o suporte de tetos, projeto de pilares ou técnicas de escavação, este ensaio tem vindo a ser substituído por medidores de dureza portáteis, que indiretamente e sob fiabilidade limitada, conseguem estimar a RCA. As opções portáteis tornaram este processo muito mais fácil, rápido e barato, eliminando a necessidade de recolher amostras representativas do tipo de rocha, o que nem sempre é viável. Em [57] valoriza-se também as medições em trabalho de campo pelo efeito da humidade e da temperatura no resultado, relembrando a dificuldade eminente em manter as mesmas condições dentro de um laboratório.
Esta conversão entre a RCA e os valores de dureza está completamente normalizada para materiais metálicos pelas normas ASTM E140 [56], ISO 18265 [55] e DIN 50150 [61], porém o mesmo não acontece para materiais rochosos. Assim sendo, vários autores têm vindo a desenvolver experimentalmente expressões que consigam prever a RCA recorrendo ao resultado da medição de dureza de rochas. Ao comparar os valores da medição de dureza em cada escala com os valores da RCA para um mesmo material, é possível relacionar-se as escalas de dureza.
Como as rochas são compostas por conjuntos minerais, a quantidade de conteúdo mineral com valor baixo ou alto de dureza vai determinar o valor geral de dureza do material, pelo que a heterogeneidade dos valores deve ser esperada.
De modo a entender o intervalo da RCA que um instrumento deve ser capaz de cobrir para ser justificável o seu uso em atividades planetárias, recolheu-se informações sobre a resistência típica do tipo de rochas disponibilizadas para esta dissertação apresentadas no Subcapítulo 1.2.3. A Tabela 4 resume a amplitude de valores da RCA característicos dos tipos de rochas magmáticas, que incluem as basálticas, e sedimentares, das quais faz parte o calcário.
Tabela 4 - Intervalo de resistência de compressão axial das rochas magmáticas e sedimentares [62] Tipo de Rocha RCA (MPa)
Rocha Magmática 16 - 275 Rocha Sedimentar 4 - 220
Após a observação da tabela, é de notar que seria benéfico selecionar-se um instrumento que conseguisse testar desde rochas com baixa resistência até extremamente elevada. Mais especificamente, a Tabela 5 reúne as características mecânicas do basalto e do calcário (rochas análogas descritas no Subcapítulo 1.2.3) recolhidas de diferentes referências.
Tabela 5 - Resistência à compressão axial e Módulo de Young do basalto e calcário para diferentes referências Tipo de Rocha RCA (MPa) Módulo de Young (GPa)
Basalto 80-350 [63] 50-300 [64] 100 [63]
Calcário 50-140 [63] 50 [63]
Para medir particularmente rochas basálticas ou calcários, o instrumento deve ser capaz de examinar rochas de dureza elevada a extremamente elevada.
A evolução dos diferentes métodos de medição de dureza explicados no Subcapítulo 1.2.3 quando experimentados em materiais rochosos é retratada nos próximos subcapítulos. Primeiramente os métodos da família da penetração são explorados, à exceção do ensaio Brinell e Rockwell que aplicam cargas muito elevadas nas amostras, não sendo compatíveis com rochas. Posteriormente, são apontadas referências que avaliaram a técnica IUC, bem como o martelo de Schmidt e o Equotip para analisar materiais rochosos.
Especial atenção é dada à confiabilidade e amplitude de RCA possível de estimar, às dimensões mínimas das amostras e ao preço e peso dos equipamentos. O objetivo é reconhecer, em concordância com a literatura examinada, que certos instrumentos são mais adequados a medições em contexto geotécnico do que outros e quais as justificações associadas.
Família de Métodos de Penetração em Geologia
Entre os medidores de dureza que fazem parte do grupo de métodos de penetração, os mais usados para a medição em rochas são o Vickers, Knoop, Shore e penetrómetros, pois aplicam cargas mais baixas do que os restantes abordados [65]. Como as rochas são materiais frágeis, uma carga alta pode provocar a destruição da amostra. Os intervalos de cargas que os ensaios estáticos cobrem estão especificados na Tabela 6.
Os ensaios que compõem a família de métodos de penetração são considerados destrutivos quando comparados com os testes de ressalto ou IUC, não no sentido de obrigatoriamente desintegrarem o material em análise, mas porque tendem a imprimir marcas mais severas e que podem comprometer a integridade do material.
Tabela 6 - Intervalos de cargas dos ensaios standard de penetração
Ensaio de penetração Intervalos de cargas Norma de Referência
Brinell 9,807 N - 29,42 kN [34] Vickers 0,009 807 N - 49,03 N [36] Knoop 0,009 807 N - 19,613 N [38] Rockwell 98,07 N - 1,471 kN [39]
Shore 0,324 - 44,5 N [41]
Em 1965, foi proposta uma equação de correção às medições Vickers que considerava a componente elástica da indentação do método. A área medida após retirar o penetrador é menor que a efetivamente impressa na superfície aquando da aplicação da carga, pois já desapareceu a deformação não permanente. Ainda que este fenómeno aconteça na medição por penetração de qualquer material, é mais preponderante em materiais rochosos devido à pouca deformação plástica que estes apresentam [65]. Contudo, a literatura mais recente tende a não considerar esta correção e a apresentar os valores exibidos pelo instrumento.
As investigações abordadas em [64] comprovaram o interesse das medições Knoop para a caracterização da resistência ao desgaste das rochas, controlado pela dureza dos diferentes minerais em contraste com a dureza média.
A literatura não aponta para um desenvolvimento da relação entre as escalas de dureza Vickers ou Knoop e a RCA. Este estudo tem sido mais afincado considerando os valores de Sh. Foram propostas algumas correlações lineares como as apresentadas em [66], [67] e [68], mas também equações logarítmicas (entre outras, propostas em [69]).
Segundo [70], para se obterem valores consistentes de dureza Shore (Sh), é necessário que as amostras rochosas tenham pelo menos um diâmetro de 25 mm e comprimento de 5 cm. A publicação da SIMR sugeriu uma área mínima de 10 cm2 e uma espessura mínima de 1 cm [71].
Mais tarde, em [72] estabeleceu-se o volume mínimo de 40 cm3 para o mesmo efeito, até que o
estudo [73] provou que o valor Sh aumentava com o aumento do volume até um valor crítico de 80 cm3.
Em 2006, dois engenheiros de geologia estabeleceram o método aprovado pela SIMR que dita como determinar a dureza Shore de rochas. Entre as diferentes considerações do estudo [74], salienta-se o uso de uma lixa número 220 para preparar a superfície da amostra, a necessidade da amostra estar seca e uma espessura mínima de 1,5 cm. Mais tarde, os mesmos autores desenvolveram uma relação entre o valor Sh, que não especifica a escala Shore utilizada, e a RCA recorrendo a 143 medições de estudos anteriores, abordada em [75].
A Tabela 7 resume as equações obtidas experimentalmente que relacionam a RCA com Sh consideradas mais relevantes para esta dissertação, bem como o tipo de rocha e o número de amostras em que se baseiam. A coluna 𝑅 quantifica o coeficiente de determinação, que tem a finalidade de medir o quanto se aproximam os valores estimados pela regressão dos valores reais, ilustrados pelos pontos obtidos experimentalmente. Este coeficiente pode tomar valores entre 0 e 1, e aumentando com o melhor ajuste da equação ao valor das medições.
Tabela 7 - Equações que relacionam a RCA com Sh
Referência RCA=f (Sh) 𝑹𝟐 Tipo de Rocha AmostrasNº de
[66] 𝑅𝐶𝐴= 74549,4𝑆ℎ − 901119,5
0,897 - 28
[69] 𝑅𝐶𝐴 = 10 𝑆ℎ , 0,83 Calcários, mármores, basaltos e
arenitos 54 [67] 𝑅𝐶𝐴 = 1,581𝑆ℎ − 62,2 0,85 Xistos 11 [67] 𝑅𝐶𝐴 = 3,326𝑆ℎ − 79,76 0,80 Dolomitas 45 [68] 𝑅𝐶𝐴 = 2,268𝑆ℎ − 19,8 0,907 - - [76] 𝑅𝐶𝐴 = 0,159𝑆ℎ , 0,94
Dioritos, quartzos, calcários, arenitos, mármores, andesites e
tufos
19
[75] 𝑅𝐶𝐴
= 0,1821𝑆ℎ , 0,84
Calcários, granitos, mármores, xistos, arenitos, tufos, basaltos, dolomitos, andesitos, gessos,
entre outros
143 As investigações descritas em [77] definiram as Equações (3.1), (3.2) e (3.3) que limitam inferior e superiormente e caracterizam o valor médio da RCA em megapascal, quando estimado por um durómetro Shore, respetivamente.
𝑅𝐶𝐴 = 2,1𝑆ℎ (3.1)
𝑅𝐶𝐴 = 2,8𝑆ℎ (3.2)
𝑅𝐶𝐴 = 3,4𝑆ℎ (3.3)
Uma análise comparativa entre o martelo de Schmidt e o durómetro retratada em [69], afirma que para rochas cujo valor de dureza Shore está compreendido entre 40-65, as estimativas da RCA são consistentes. Por isso, aplicando o limite menor na Equação (3.1) e o maior na (3.3), constata-se que rochas cuja resistência à compressão está contida entre 84 e 221 MPa podem ser corretamente caracterizadas com base num durómetro.
A Tabela 8 sintetiza algumas considerações positivas e negativas que devem ser levadas em conta quando se pondera o uso de um durómetro para caracterizar mecanicamente uma rocha.
Tabela 8 - Vantagens e desvantagens do uso de um durómetro em geologia Durómetro
Vantagens Desvantagens
Barato (aproximadamente 400 €) Requer o uso de uma lixa número 220 Relativamente leve (aproximadamente 1 kg
para um durómetro do tipo A e 5 kg do tipo D)
Apesar de estar da dureza Shore conseguir estimar a RCA, não consegue caracterizar
tão bem nenhuma outra propriedade mecânica
Medições mais rápidas que as conseguidas com um penetrómetro
Apenas permite a medição de rochas do tipo R4 e R5
Volume mínimo da amostra de 80 cm3 [73] -
Espessura mínima da amostra de 1,5 cm
[74] -
Correlações para estimativa da RCA bem estabelecidas para vários minerais (
Tabela 7) -
A literatura demonstra uma maior empregabilidade de penetrómetros em trabalhos de campo do que de instrumentos que reproduzem as escalas de penetração standard. A ampla aplicação de penetrómetros em investigações geotécnicas foi estudada afincadamente no Japão e na Turquia, e concluiu-se que estes são uma opção muito barata e simples que permite medições coerentes tanto em laboratório como in-situ.
De acordo com [78], foram utilizados penetrómetros estáticos e dinâmicos no estudo do solo português, especialmente em solos residuais de rochas graníticas. As opções estáticas revelaram-se mais lentas, enquanto que as dinâmicas com maior carga se verificaram com melhor repetibilidade. Uma análise sobre o controlo de qualidade da técnica de mistura profunda [79], que consiste em incluir cimento e cal na estabilização de solos, apurou a viabilidade do uso de um penetrómetro estático com penetrador em cone. Os resultados obtidos pelo penetrómetro estático denotaram-se ligeiramente mais precisos.
De acordo com a literatura consultada, o tipo de penetrómetro estático mais utilizado em atividades geotécnicas é o que possui um penetrador em agulha. Vários autores desenvolveram empiricamente relações entre a RCA e 𝑁 e as mais relevantes estão descritas na
Tabela 9.
Tabela 9 - Equações que relacionam a RCA com 𝑁
Referência RCA=f (𝑵𝑨) 𝑹𝟐 Tipo de Rocha AmostrasNº de
[80] 𝑅𝐶𝐴 = 8,27 × 𝑁 , - Fluxos piroclásticos e depósitos de quedas - [81] 𝑅𝐶𝐴 = 0,2 × 𝑁 - Tufos, arenitos, calcários, pedras-pomes e lignites - [82] 𝑅𝐶𝐴 = 0,402 × 𝑁 , 0,787 Arenitos, argilas, tufos e calcários 725
As vantagens e inconvenientes mais relevantes do uso de penetrómetros estáticos de agulha na medição de durezas de materiais rochosos estão retratados na Tabela 10.
Tabela 10 - Vantagens e desvantagens do uso de um penetrador estático de agulha em geologia Penetrómetro Estático de Agulha
Vantagens Desvantagens
Registo contínuo da tensão aplicada no penetrador [79]
Permite estimativas da RCA: segundo a referência [83] inferiores a 9,8 MPa, de acordo com a [45] inferiores a 20 MPa e
respeitando a [82] inferiores a 40 MPa Caracteriza a RCA, módulo de Young,
resistência à tração, grau de intemperismo e tipo de solo [45]
Mais caros (aproximadamente 2300 € para uma opção manual e 3800 € para uma
automática) A amostra não necessita de qualquer
preparação
Resultados afetados pelo tamanho de grão e humidade [45]
Muito leve (aproximadamente 700 g) Requer aproximadamente 30 s por medição Tamanho mínimo da amostra de 40 x 40 x
40 mm, ou 50 mm de diâmetro para amostras cilíndricas e 15 mm de espessura
[45]
- Pode ser usado em qualquer direção [45] - Medições independentes da velocidade de
penetração [82] -
Correlações para estimativa da RCA bem estabelecidas para vários minerais (
Tabela 9) -
O penetrómetro dinâmico (PD) tem vindo a ser usado para avaliar várias propriedades dos solos. Nomeadamente, para prever a resistência e a condição do pavimento, para analisar a espessura e pontos fracos do solo, para realizar o controlo de qualidade e para estimar o módulo de Young, a RCA, o rácio de compactação, a resiliência, entre outros. Por outro lado, segundo [84], este ensaio mostrou-se influenciável pela densidade, peso da amostra, tamanho de grão, humidade e pelo tipo de solo.
Mais uma vez, correlações entre o resultado do PD e a RCA, a resistência ao corte, rigidez e outras propriedades, foram desenvolvidas simulando condições in-situ dentro do laboratório. Foi possível concluir, como explicitado em [85], que a densidade afetava as medições, mas sobretudo que o uso de um PD tornava o processo de estimativa de parâmetros essenciais para a engenharia civil muito mais rápido e fácil. Os mesmos autores relacionaram posteriormente a RCA não só com 𝑁 , mas também com a humidade e o limite líquido modificado, todavia a formulação destacada em [86] não se mostrou mais precisa do que a anterior.
De acordo com [87], 150 locais foram testados usando um PD, implicando profundidades pré- definidas distintas, com o intuito de evidenciar a associação entre o valor medido pelo instrumento 𝑁 e a RCA. Os resultados indicaram que o PD contempla resistências de compressão axiais entre 13,9 e 1058,9 kPa.
A Tabela 11 expõe as correlações empíricas divulgadas nas últimas décadas que preveem a resistência do solo segundo o apuramento de um PD.
Tabela 11 - Equações que relacionam a RCA com 𝑁
Referência RCA=f (𝑵𝑫) 𝑹𝟐 Tipo de Rocha Nº de
Amostras [88] 𝑅𝐶𝐴 = 354000 + 3320000𝑁 0,52 Solo estabilizado com cal - [85] 𝑅𝐶𝐴 = 3,1237𝑁 , 0,9438 Solo encharcado 29 [87] 𝑅𝐶𝐴 = 1033600𝑁 , 0,83 Solos coesos 150
Reunindo as várias opiniões patentes nas referências apresentadas, a Tabela 12 simplifica a consulta dos prós e contras do uso de um penetrador dinâmico para caracterizar solos.
Tabela 12 - Vantagens e desvantagens do uso de um penetrador dinâmico em geologia Penetrómetro Dinâmico
Vantagens Desvantagens
Pode contribuir par avaliar a RCA, rácio de compactação, resiliência, módulo de Young,
condição do pavimento, entre outros [84]
Resultado influenciado pela densidade, peso da amostra, tamanho de grão, humidade e
tipo de solo [84] Pode contribuir para estimar a rigidez e a
resistência ao corte [85]
Apenas permite a medição de rochas do tipo R0 e R1
Medição independente da orientação Mais pesado (pelo menos 20 kg) Preço mais acessível quando comparado à
alternativa estática (aproximadamente 650 €)
- Correlações para estimativa da RCA bem
estabelecidas para vários minerais (Tabela 11)
-
Em suma, as vantagens mais notáveis de utilizar um instrumento que avalie a dureza com base na indentação são a independência da orientação da medição e a possibilidade de testar amostras pequenas. É de salientar que os penetrómetros, para além de serem mais destinados à examinação de solos não muito duros, originam também medições mais demoradas, pois implicam profundidades de penetração maiores originando um maior esforço para retirar o instrumento da indentação. Há uma clara vantagem e uma notável falha dos penetrómetros estáticos quando equiparados aos dinâmicos. A diminuição do peso do aparelho, em contraste com um aumento significativo do preço. Noutra perspetiva, o durómetro serve para avaliar rochas com resistência elevada e muito elevada e são a opção mais barata.
Método de Impedância Ultrassónica de Contacto em Geologia
Recentemente, os instrumentos de IUC portáteis cobrem continuamente cargas estáticas que variam de 1 a 98 N, permitindo adequar melhor a carga ao material sob teste. Os instrumentos manuais contemplam cargas entre 9,8 e 98 N e os automáticos, cujas cargas são aplicadas por servomotores, entre 1 e 7,8 N [46, 47].
Como explicado no Subcapítulo 2.1.2, a medição de dureza pelo método de IUC é válida para materiais com o mesmo Módulo de Young do material com que o instrumento foi calibrado previamente. Para avaliar amostras com Módulo de Young diferente é necessário ajustar os parâmetros do aparelho, introduzindo a média de cinco medições de um dos métodos de medição de dureza padrão (Brinell, Vickers ou Rockwell). Posteriormente, realizam-se pelo
menos cinco medições da IUC. O instrumento cria então uma relação entre o seu resultado e a dureza standard medida. Por esta razão, este método não é muito utilizado em atividades de campo geotécnicas. As rochas apresentam uma grande disparidade de durezas dentro do mesmo tipo, pelo que, para que as medições pudessem ser consideradas, seria necessário realizar sempre uma calibração por amostra antes de utilizar o instrumento. Na prática, isto implicaria transportar dois aparelhos de medição de dureza.
Para instrumentos de IUC que usem pirâmides de Vickers como penetradores, os limites de rugosidade estão apresentados na Tabela 13.
Tabela 13 - Limite de rugosidade para medição da Impedância Ultrassónica de Contacto para diferentes cargas
Carga (N) 98 50 10 3
Rugosidade
máxima (μm) 15 10 5 2,5
Ainda que este método se mostre pouco utilizado na área da geologia, a Tabela 14 agrupa os fatores a ter em conta no uso do mesmo.
Tabela 14 - Vantagens e desvantagens do uso de um instrumento de Impedância Ultrassónica de Contacto em geologia
Instrumento de Impedância Ultrassónica de Contacto
Vantagens Desvantagens
Rápido (tipicamente 2 s por medição) Espessura mínima de 15 mm [46] Pouco afetado pela configuração da
superfície (lisa ou curva)
Muito sensível a descontinuidades e heterogeneidades na superfície devido à
pequena área de contacto Equipamento muito leve (aproximadamente
600 g)
Devem ser realizadas pelo menos 10 medições para inferir o valor da dureza Massa mínima da amostra de 300 g [47] Medições afetadas pela orientação [46] Espessura mínima da amostra de 15 mm
Resultados afetados pelo módulo de Young, pelo que é aconselhado calibrar o instrumento recorrendo a outro método de
medição de dureza
- Relativamente caro (aproximadamente 2000 €) - Rugosidade média máxima da amostra de 3,2 μm (ISO N8) A necessidade de empregar outro método para calibrar o aparelho de IUC, a imposição de uma rugosidade refinada e o preço relativamente elevado constituem os argumentos centrais para a não empregabilidade deste método em atividades de geotecnia.
Método de Ressalto em Geologia
O primeiro instrumento de ressalto a ser utilizado para estimar a RCA foi o martelo de Schmidt e desde então que a relação entre a sua escala de resultados e esta grandeza tem vindo a ser aperfeiçoada por inúmeros autores, entre as investigações mais pertinentes são de realçar [76] e [89].
Em 1990, um estudo apresentado em [90] avaliou a possibilidade de usar um martelo de Schmidt para estimar a RCA de amostras de arenitos, calcários, dolomitas, mármores e gnaisses. Os resultados apontavam para uma forte correlação linear entre as variáveis para os diferentes tipos de rochas. Segundo [91], a aplicabilidade do martelo justifica-se pela sua simplicidade, não destrutividade, facilidade de operação e baixo custo em medições in-situ.
Dois geólogos analisaram algumas propriedades mecânicas dos granitos como a densidade, porosidade, módulo de Young e a resistência à tração e compressão uniaxiais, bem como a dureza captada por um martelo de Schmidt. Como explicado em [92], usaram-se regressões lineares para encontrar relações entre as variáveis e, diante das deduções finais, salienta-se a influência do tamanho de grão na resistência da amostra.