Quebra dos Grãos

Algumas das propriedades mais importantes dos solos granulares empregados nas obras de engenharia tais como: forma da curva tensão-deformação; resistência à compressão; mudanças de volume; dissipação de poro pressão e a permeabilidade dependem da integridade das partículas e da quebra que se produz devido a mudanças nas tensões. Por isso é importante quantificar e identificar os efeitos que a quebra de grãos produz nessas propriedades (Lade et al., 1996).

Grandes barragens, por exemplo, aplicam aos materiais subjacentes altas tensões que geram mudanças significativas no tamanho e distribuição granulométrica dos materiais granulares originais. Essa mudança é o resultado da quebra de partículas e afeta principalmente a permeabilidade do material da barragem (Lade et al., 1996).

Pesquisas anteriores têm demonstrado que a quebra dos grãos ocorre durante a compactação, apesar da boa qualidade dos agregados empregados. Ensaios de laboratório indicam que essa quebra pode reduzir o módulo de resiliência dos agregados à metade e incrementa a deformação permanente de uma a três vezes, dependendo do estado de densidade e de tensão considerados (Zeghal, 2009).

Diferentes ensaios têm mostrado que quando usados métodos de compactação por impacto; a quebra dos grãos em agregados reciclados de concreto (RCA por suas siglas em inglês) se apresenta de forma angulosa, gerando uma textura superficial rugosa. Isso faz aparecer partículas menores que incrementam a coesão (Park, 2003).

Embora o fenômeno de quebra de grãos fosse reconhecido na década de 1920, só foi considerado como um problema na engenharia ao final de 1950 quando o pessoal da Divisão de Engenheiros do Exército Norte-americano (US Army Engineers Corps) observou a degradação durante a utilização do agregado graúdo como base (Aughenbaugh et al., 1966).

A quebra das partículas pode ocorrer também sob a ação de baixas tensões, dependendo das características individuais dos grãos de material. Vários fatores ou índices de

quebra têm sido propostos para quantificar esse fenômeno, mas todos eles são de natureza empírica e são baseados nas variações dos tamanhos das partículas ou nas mudanças das agregações entre elas. Alguns desses índices são apresentados a seguir.

Lee & Farhoodmand (1967) desenvolveram uma medida para quebra de partículas quando pesquisavam o comportamento de materiais granulares empregados como filtro para barragens. Ensaios em condições isotrópicas foram aplicados em areias. A mudança no tamanho das partículas foi medida a partir de um diâmetro único (D15) que corresponde a 15%

dos finos da curva granulométrica antes (inicial) e depois (final) dos ensaios como se pode observar na Figura 2-4.

Figura 2-4. Avaliação da quebra dos grãos (Lee & Farhoodmand, 1967)

A medida da quebra dos grãos é a relação entre os diâmetros correspondentes a 15% dos finos antes e depois do ensaio como apresentado a seguir:

𝐵 =𝐷_𝐷15 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙

15 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 (2.2)

Marsal (1975) desenvolveu o índice Bg para quantificar a quebra das partículas. Seu

método consistiu em medir as mudanças individuais entre as partículas, levando em conta a distribuição granulométrica de materiais empregados na construção de barragens de terra e enrocamentos, antes e após ensaios de compressão triaxial de grande escala. Os corpos de prova usados eram cilíndricos com 1.13 m de diâmetro e 2.5 m de altura. Para o cálculo de Bg,

é necessário conhecer as curvas granulométricas do material antes e após o ensaio a fim de achar as diferenças entre os pesos retidos iniciais e finais (∆Wk = ∆Wki-∆Wkf )correspondentes

O cálculo do parâmetro Bg é dado por:

𝐵𝑔= �〈∆𝑊𝑘〉 𝑛

𝑘=1

(2.3)

Onde 〈 〉 é o colchete de Mc Cauley e 〈∆𝑊𝑘〉 = Δ𝑊𝑘 se Δ𝑊𝑘 ≥ 0 e 〈∆𝑊𝑘〉 = 0 se Δ𝑊𝑘 < 0

A soma de todos os valores ∆Wk deve ser igual a zero (Figura 2-6). O fator de quebra de Marsal (Bg) é a soma dos valores positivos ∆Wk,que representa a porcentagem em peso dos grãos que sofreram fragmentação. Os limites do fator quebra definido estão entre zero (0%), a menor porcentagem de quebra, e cem (100%) a máxima que o material possa sofrer.

Figura 2-5. Mudança na distribuição granulométrica produzida pela rotura dos grãos (Marsal, 1975)

Figura 2-6. Representação gráfica da variação dos pesos inicial e final pelo método de Marsal, (1975)

Hardin (1985) baseou o seu método para medir a quebra dos grãos na mudança de toda a curva granulométrica, definindo duas variáveis diferentes: (1) à quebra potencial Bp,

definida como a área abaixo de curva granulométrica original do material granular e a peneira N° 200; (2) a quebra total Bt, definida como a área entre a curva granulométrica original e a

curva granulométrica final do material após aplicação do ensaio. Hardin definiu a quebra relativa, Br apresentada na (2.4), como a relação existente entre a quebra total e a quebra

potencial, sendo o limite inferior o zero e como limite superior teórico a unidade. A (Figura 2-7) apresenta os diferentes parâmetros pelo referenciado autor.

Figura 2-7. Mudança na distribuição granulométrica produzida pela quebra dos grãos: a) definição de quebra potencial; b) definição de quebra total; c) relação entre quebra total e quebra potencial (Hardin, 1985)

Lade et al. (1996) propuseram um método baseado nas curvas granulométricas do material antes e após de ser submetido a ensaios, levando em conta o diâmetro efetivo, equivalente a 10% dos finos (D10), como se apresenta na Figura 2-8.

O índice de quebra chamado B10, se calcula como uma unidade menos a relação entre

o diâmetro efetivo equivalente ao final do ensaio e o diâmetro efetivo equivalente antes do ensaio.

𝐵10= 1 − �𝐷10𝑓⁄𝐷10𝑖� (2.5)

O limite inferior do índice de quebra B10 é zero se não há quebra de partículas e o

superior é a unidade quando a quebra das partículas é infinita.

Figura 2-8. Mudança na distribuição granulométrica produzida pela rotura dos grãos (Lade et

al.,1996)

No Brasil, a degradação ou quebra dos grãos provocada pela compactação Proctor pode ser quantificada mediante o procedimento descrito na norma DNER-ME 398/99. O método foi desenvolvido para uma curva granulométrica padrão e leva em conta as porcentagens de material que passa em seis peneiras antes e após compactação, fazendo a subtração entre as porcentagens inicial e final (D).

𝐼𝐷𝑝= ∑ 𝐷 6⁄ (2.6)

O índice de degradação IDp corresponde à soma das diferenças dos materiais que

passam por cada peneira, dividido pelo número 6 que corresponde à quantidade de peneiras usadas, durante a pesquisa as peneiras usadas para o cálculo do IDp foram: 25.4 mm (1”),

12.5 mm (1/2”), 9.5 mm (3/8”), 4.75 mm (N˚4), 2.0 mm (N˚10), 0.425 mm (N˚40) e 0.075 mm (N˚200).

A análise da quebra dos grãos induzida pelo processo de compactação em materiais granulares tem sido objeto de estudo de diferentes autores através da mudança de tamanho e distribuição das partículas. Zeghal (2009), trabalhando com corpos de prova compactados no laboratório com 150 mm de diâmetro e 300 mm de altura em 8 camadas de 37.5 mm mostrou que a distribuição e tamanho dos grãos são alterados com o processo de compactação (Figura 2-9).

Na década de 1960, foram desenvolvidas diferentes pesquisas sobre a quebra dos grãos durante diversos ensaios de laboratório e campo; chegando à conclusão que o índice de quebra aumenta com o aumento de tamanho dos materiais granulares e com a sua

angularidade. Também depende da tensão de confinamento aplicada e da tensão cisalhante obtida para uma dada tensão de confinamento (Vesic & Barksdale, 1963; Aughenbaugh

et al., 1966).

Figura 2-9. Mudança na graduação com o processo de compactação (Zeghal, 2009).

Entre 1970 e 1980, os pesquisadores se concentraram em achar o intervalo de tensões de confinamento onde começa a ruptura dos grãos e até onde chega. Essas tensões foram obtidas mediante aplicação de carregamentos estáticos e dinâmicos. A conclusão foi que essas tensões dependem: do tamanho de agregado avaliado, da umidade do material, da relação de vazios e do estado e dureza de cada partícula, obtendo-se resultados muito variáveis (Marsal, 1973; Lambe & Whitman, 2002; Holts & Kovacs, 1981; Forssblad, 1981).

Nos anos 90, outras pesquisas confirmaram o que já tinha sido demonstrado no passado, isto é, os agregados empregados para os diferentes fins da engenharia civil são submetidos a carregamentos estáticos ou dinâmicos, e como consequência, algumas partículas sofrem abrasão e outras ruptura (Lade et al., 1996; Coop, 1999; Raymond, 2000).

Na última década as pesquisas têm focado novamente na compactação e na distribuição das partículas, assim como o cisalhamento dos materiais granulares. As análises não têm sido apenas físicas, ferramentas numéricas também têm sido empregadas. Jensen et

al. (2001) usaram um modelo numérico para estimar o dano das partículas, envolvendo

elementos discretos. Zeghal & Edil (2002) estudaram uma areia de quartzo mediante o ensaio de cisalhamento direto modificado; a fim de analisar a possível relação existente entre a quebra dos grãos e os problemas de interação solo estrutura.

Devido à heterogeneidade na composição, pesquisas desenvolvidas no Brasil, têm estudado esse fenômeno mediante diferentes ensaios físicos. Fernandes (2004) avalia o comportamento do resíduo mediante o ensaio de abrasão “Los Angeles” chegando a um valor

compactação para os corpos de prova menor à modificada para diminuir a quebra dos grãos do agregado reciclado, embora acredita que o uso de alta energia de compactação seja sempre recomendável. Oliveira (2007) ponderou a resistência dos grãos determinada pelos índices de abrasão Los Angeles e de degradação após a compactação Proctor – IDp. Para as amostras

analisadas, os valores obtidos se encontraram dentro dos valores aceitos pelas normas brasileiras.