Análise das Correlações para Estimativa das Propriedades
Mecânicas de Agregados Através de Ensaios em Granito.
Geroto, R.E.
Departamento de Geotecnia, EESC-USP, São Carlos, São Paulo
Assis, C.D., Rodrigues, V.L., Guimarães, C.N., Lima, D.P. Departamento de Geotecnia, EESC-USP, São Carlos, São Paulo.
RESUMO: O presente estudo inicia um trabalho de análise e investigação das correlações entre as propriedades mecânicas de rochas graníticas e os agregados gerados por esta rocha. Para esta análise inicial realizaram-se ensaios para a determinação dos parâmetros mecânicos das rochas, como o ensaio de compressão uniaxial e resistência à carga pontual, além dos ensaios de caracterização física e físico-mecânica das rochas e agregados. Para a análise da resistência dos agregados realizaram-se os ensaios de abrasão utilizando o equipamento Los Angeles e o ensaio de esmagamento. A partir dos resultados obtidos nestes ensaios, foram analisadas as correlações entre os ensaios e as estimativas relativas à literatura técnica do agregado estudado. Estas correlações e estimativas dos materiais são de grande importância, pois permitem avaliar as prováveis características dos agregados a partir de ensaios realizados diretamente na rocha sã. PALAVRAS-CHAVE: Correlação, Agregados, Rochas, Granito, Ensaios de Laboratório.
1 INTRODUÇÃO
Os materiais rochosos são os mais antigos materiais de construção de que o homem pode dispor, seja como materiais de suporte para construção, elementos de revestimento, agregados ou blocos de enrocamento.
A qualidade dos agregados é de fundamental importância para sua adequação e aplicabilidade para as obras de engenharia. O conhecimento de suas propriedades físicas e físico-mecânicas, permitem uma melhor previsão de seu comportamento na engenharia civil.
A adequação de um material para uma aplicação particular, não pode ser definida sem o conhecimento dos seus parâmetros tecnológicos e das condições às quais o material estará submetido. Para tal, as propriedades serão conhecidas por meio de análise, determinações ou ensaios.
Dentre estes ensaios, destacam-se ensaios em rochas e ensaios em agregados. Em rochas destacam-se os ensaios de resistência à carga pontual, resistência uniaxial, ensaio brasileiro, ensaio do martelo de Schmidt, dentre outros. Podem ser destacados como ensaios para agregados, o ensaio de abrasividade, impacto,
esmagamento entre outros.
Os ensaios para agregados requerem equipamentos especiais e demandam tempo na preparação das amostras. No entanto, com a execução de ensaios simplificados em rochas, pode-se correlacioná-los com ensaios de agregados. Tais correlações são de grande interesse, pois permite na fase de anteprojeto, uma avaliação das prováveis características dos agregados, permitindo um controle de custos. O ensaio de carga pontual foi desenvolvido com intuito de se estimar a resistência à compressão axial, de forma simplificada e com baixo custo. Consiste em aplicar uma carga de compressão perpendicular ao plano de maior comprimento, através de dois cones em corpos de prova de dimensões irregulares.
O presente estudo tem como objetivo analisar as estimativas propostas pela literatura técnica para uma rocha granítica e avaliar as correlações, proposta por outros autores, entre os ensaios de resistência à carga pontual e resistência uniaxial para uma amostra de rocha sã aos ensaios de agregados de rocha.
2 MATERIAS E MÉTODOS
Para a realização dos ensaios foram utilizadas amostras de granito Prata Interlagos (Figura 1), rocha ígnea, pertencente à Fácies Cantareira da idade pré-cambriana do estado de São Paulo, proveniente da mineração Viterbo Machado Luz, situada no bairro de Interlagos na cidade de São Paulo.
Esta rocha apresenta cor branca a branca acinzentada, com estrutura isotrópica homogênea e textura inequigranular média a média grossa, salpicada de pontos pretos representados por pequenos agregados de biotita. O aspecto geral inequigranular deve-se a cristais maiores de feldspato cinza claro, regularmente distribuídos na matriz, com granulação variável plana e raramente serrilhados.
Quanto à alteração do granito, ela se apresenta como sendo fraca no microclínio e média a forte no oligoclásio, produzindo argilominerais, carbonatos e sericita, conferindo aspecto turvo aos cristais deste último, especialmente na porção central. A biotita ocorre desde sã até parcial ou completamente alterada para clorita ou muscovita.
Figura 1: Amostra de granito Prata Interlagos. 2.2 Caracterização do Material Rochoso
Para a determinação dos índices físicos do material (massa específica aparente seca, massa específica aparente saturada, absorção de água e porosidade aparente), foram utilizados 5 (cinco) amostras de dimensões irregulares.
Os corpos de prova foram acondicionados em estufa por 24 horas. Em seguida, determinou-se os pesos das amostras, estes
pesos referem-se aos constituintes sólidos das rochas ensaiadas.
Os corpos de prova foram colocados em um recipiente com água por 24 horas, deixando parte de cada amostra em contato com o ar para propiciar a saída total dos gases eventualmente presentes nos vazios das rochas.
Após tal período, completou-se com água até o total cobrimento das amostras deixando-as completamente imersas por mais 24 horas. Antes da próxima pesagem fez-se necessário a secagem das amostras com um pano absorvente e em seguida realizar a pesagem. Os pesos obtidos referem-se à condição da rocha saturada, ou seja, a parte sólida mais todos os vazios preenchidos por água.
Para obtenção dos pesos dos corpos de prova submersos, utilizou-se o dispositivo da balança para pesagem hidrostática, amarrando o corpo de prova com fio de massa desprezível e anotando a massa da amostra submersa. Esta pesagem é importante para determinação dos volumes das amostras irregulares, pois a diferença entre o peso saturado e o peso submerso corresponde ao volume total destas amostras em cm³ (adotou-se o peso específico da água igual a 1,0 g/cm³).
2.3 Ensaios de Resistência da Rocha
2.3.1 Resistência à Compressão Uniaxial
A caracterização de maciços rochosos implica na determinação de vários parâmetros, dentre eles a Resistência à Compressão (σc), o Módulo
de Elasticidade (E) e o Coeficiente de Poisson (μ). Porém, pelo fato das amostras ensaiadas não terem sido instrumentadas, não serão apresentadas neste trabalho o Módulo de Elasticidade e o Coeficiente de Poisson.
Realizaram-se 6 medidas de cada dimensão das amostras ensaiadas, e obteve-se os valores médios das dimensões de cada corpo-de-prova ensaiado. As amostras de rocha possuíam formato cilíndrico com uma relação altura (l) / diâmetro (Ø) de 2,0 a 2,5, como exigi a Norma ASTM D-2938-95. As bases das amostras eram planas e paralelas, para que não ocorresse concentração de tensões.
prova, iniciaram-se os ensaios das 3 amostras, aplicando carga até a ruptura.
2.3.2 Resistência à Carga Pontual
Este ensaio tem como finalidade obter uma estimativa do valor de ruptura de uma rocha, de maneira simplificada e rápida.
Para execução do ensaio de resistência à carga pontual, foram utilizados 20 fragmentos de granito com dimensão de ± 50 mm, e teor de umidade natural.
Em seguida, mediu-se com o auxílio de um paquímetro a largura das amostras. Para aplicação da carga posicionou-se as amostras ensaiadas entre os dois pistões cônicos e mediu-se a espessura de cada amostra ensaiada. Após essa etapa aplicou-se uma carga de compressão até a ruptura, e anotou-se a pressão registrada no manômetro.
2.4 Ensaio de Agregados
2.4.1 Determinação da Forma
A caracterização da forma dos agregados, que pode ser cúbica, alongada, alongada-lamelar e lamelar, torna-se importante na aplicação destes fragmentos na construção civil, devido à forma como ocorrerá a distribuição de tensões e a resistência proporcionada por estes agregados. Para o ensaio foram utilizados 10 kg de pedra britada ou pedregulho, passando pela peneira com abertura de 38,1mm e retido na de 25,4mm. Dessa amostragem, retirou-se 50 fragmentos escolhidos ao acaso.
Realizou-se neste ensaio medidas em três dimensões da amostra, para o cálculo da forma dos fragmentos e a elaboração do histograma de forma dos agregados.
2.4.2 Resistência ao Esmagamento
Este ensaio visa determinar a resistência dos agregados a esforços compressivos.
Os fragmentos utilizados possuiam dimensões compreendidas entre 12,7 e 9,5 mm. A amostra utilizada teve seu peso inicial (Pa)
determinado com o auxílio de uma balança. Em seguida, inseriu-se o material no cilindro de
ensaio e instalou-se o êmbolo compressivo. O conjunto foi colocado na prensa, e uma carga total de 400 kN foi aplicada à razão de 40 kN por minuto. Atingida a carga, o material foi retirado e passado na peneira com abertura de 2,4 mm, anotando-se o peso do material retido (P’a) nesta peneira.
A equação 1 apresenta o processo de cálculo da resistência ao esmagamento. 100 ' ⋅ − = a a a E P P P R (1)
2.4.3 Abrasão Los Angeles
Este ensaio tem como objetivo medir a resistência dos agregados submetidos ao desgaste por atrito e impacto simultaneamente, associando características importantes para o seu uso principalmente em pavimentação.
A amostra foi separada por peneiramento, para obter diferentes frações do agregado, sendo utilizados 2,5 kg de amostra, com dimensões entre 12,7 e 19,1 mm e 2,5 kg com dimensões entre 9,52 e 12,7 mm.
Após a secagem em estufa a amostra foi pesada (m), em seguida introduzida no tambor giratório de aço de alta dureza, juntamente com esferas de aço. O tambor foi rotacionado até totalizar o número de 500 rotações. Ao final das rotações a amostra foi passada na peneira de abertura 1,7 mm, lavada e seca em estufa. Após esta secagem pesou-se a amostra (m’) e determinou-se a resistência à abrasão (A) do agregado de acordo com a equação 2.
100 ' ⋅ − = m m m A (2) 3 RESULTADOS E DISCUSSÕES
3.1 Resultados dos Ensaios de Caracterização
Para a determinação dos índices físicos do material rochoso, realizou-se o ensaio de forma dos agregados. Os resultados obtidos nos ensaios de caracterização das propriedades físicas são apresentados na Tabela 1.
Tabela 1. Caracterização das propriedades do material. Amostra ρd (g/cm³) ρsat (g/cm³) S (%) η (%) Volume (cm³) 1 2,62 2,63 0,33 0,88 91,04 2 2,62 2,63 0,35 0,93 54,83 3 2,62 2,63 0,41 1,08 68,82 4 2,62 2,63 0,42 1,10 45,66 5 2,62 2,63 0,45 1,17 61,39 Média 2,62 2,63 0,39 1,03 64,35
Obs.: ρd = massa específica aparente seca, ρsat = massa
específica aparente saturada, S = absorção de água, η = porosidade.
Na Figura 2, pode-se observar o histograma com os resultados obtidos no ensaio para caracterização da forma dos agregados. As relações entre as três dimensões medidas das amostras ensaiadas, são verificadas nas relações de b/a e c/b. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0,0-0,1 0,1-0,2 0,2-0,3 0,3-0,4 04-0,5 0,5-0,6 0,6-0,7 0,7-0,8 0,8-0,9 0,9-1,0 >1,0 b/a c/b % b/a c/b
Figura 2: Histograma da forma dos agregados.
3.2 Resultados dos Ensaios de Resistência da Rocha
Determinou-se a resistência da rocha com a realização dos ensaios de resistência à carga pontual e compressão uniaxial.
Executou-se o ensaio de resistência à carga pontual em 20 amostras com dimensões irregulares. A partir dos resultados obtidos, plotou-se o gráfico apresentado na Figura 3, A análise da reta de regressão linear do gráfico possibilita obter o Índice de Resistência (IS50) e
com este valor estimar a resistência à compressão (σc) da rocha. Q = 0,0083De² + 2,9372 R2 = 0,5917 10,00 100,00 1000,00 10000,00 De² Q -P u nt if or m e
Figura 3: Ensaio de carga pontual, gráfico Q x De².
Os valores médios de IS50 e σc, estão
apresentados na Tabela 2.
Tabela 2. Resultados médios - Ensaio de Carga Pontual. P (Kgf/cm²) Q (kN) Is50 (MPa) σc (MPa)
66,08 21,46 8,58 205,99 Obs.: P = Tensão lida no manômetro, Q = carga pontual aplicada, IS50 = índice de resistência, σc = resistência à
compressão.
Realizou-se o ensaio de resistência à compressão uniaxial em 3 amostras cilíndricas de granito. A execução desse ensaio permite obter a resistência à compressão da rocha, além de parâmetros elásticos do material, com condições de contorno adequadas proporcionando resultados confiáveis.
A Figura 4 apresenta o gráfico σc (tensão) vs
ε (deformação) para as 3 amostras de granito ensaiadas. 0 25 50 75 100 125 150 175 200
0,00E+00 2,00E-03 4,00E-03 6,00E-03 8,00E-03
Deformação σ c (M P a) CP 1 CP 2 CP 3
Figura 4: Ensaio uniaxial, gráfico σc x ε.
Os valores de tensão, deformação, e as dimensões médias de cada corpo de prova estão apresentadas na Tabela 3.
Tabela 3. Valores do ensaio de compressão uniaxial. Amostras médias (mm) Dimensões σc (MPa) ε
l 119,02 CP1 Ø 52,2 178,9 8,78E-03 l 118,78 CP2 Ø 52,19 175,29 8,76E-03 l 116,98 CP3 Ø 52,31 172,64 8,75E-03 Médias de σc e ε 175,61 8,77E-03
3.3 Resultados dos Ensaios de Agregados
Para a análise da resistência ao esmagamento aplicou-se a equação 1 e obteve-se o valor de RE = 21,14 %. Com aplicação da equação 2,
para o ensaio de resistência à abrasão Los Angeles, foi obtido o valor de A = 30,8 %.
3.4 Análise das Estimativas e Correlações
Devido ao reduzido número de ensaios nas amostras, não é possível estabelecer uma correlação própria para o material. No entanto, pode-se verificar os resultados a partir das estimativas de valores esperados para esta rocha estabelecidos pela literatura técnica e por outros autores. A análise das correlações entre os ensaios de resistência da rocha e dos agregados, será baseada no estudo de Al-Harthi (2001). A Tabela 4 apresenta o comparativo entre os resultados obtidos no presente estudo e o relatório de agregados elaborado pelo IPT, onde há uma faixa de valores esperados para a rocha.
Tabela 4. Comparativo de valores do estudo e do IPT.
ρd (g/cm³) η (%) S (%) A(%) LA RE (%) (MPa)σc Presente estudo 2,62 1,03 0,39 30,8 21,14 175,6 IPT (1980) ± 0,0712,631 0,78 ± 0,34 0,28 ± 0,11 33 ± 7 23 ± 4 132 ± 27
Obs.: ρd = massa específica aparente seca, η =
porosidade, S = absorção de água, ALA = perda de massa
por abrasão, RE = perda de massa por esmagamento, σc =
resistência à compressão.
Pode-se verificar pela análise da Tabela 4, que a maioria dos resultados obtidos estão dentro da faixa de valores estabelecida no relatório. No entanto, nota-se que o valor da porosidade está pouco acima do limite superior, ocasionando maior absorção de água pela
amostra, e possível minoramento da resistência. A resistência à compressão unixial, é o valor mais discrepante, cerca de 10% acima do limite máximo esperado. Apesar do material apresentar alta porosidade, esta alta resistência obtida pode ser explicada pela maior presença de quartzo e feldspato, minerais de elevada resistência, na composição do granito.
Determinou-se as correlações entre os ensaios de resistência de rochas e agregados com base no estudo elaborado por Al-Harthi (2001), onde foram amostradas diversas rochas para estabelecer uma faixa de correlação entre os valores de rochas e agregados.
A Figura 5 apresenta a correlação entre o ensaio de resistência à carga pontual e o ensaio de compressão uniaxial. Verifica-se que os resultados para os ensaios de resistência das rochas, está na faixa de valores esperados. 0 50 100 150 200 250 300 0 3 6 9 12 15 Is (MPa) σ c (M Pa) Amostra Ensaiada
Figura 5: Correlação entre IS e σc.
As correlações entre o ensaio de resistência à carga pontual e de agregados estão apresentados nas Figuras 6 e 7. 0 10 20 30 40 50 0 3 6 9 12 15 Is (MPa) R E (% ) Amostra Ensaiada
13 23 33 43 53 0 3 6 9 12 15 Is (MPa) ALA (% ) Amostra Ensaiada
Figura 7: Correlação entre IS e ALA.
As Figuras 8 e 9 apresentam as correlações entre o ensaio uniaxial e o ensaio de agregados.
0 10 20 30 40 50 0 50 100 150 200 250 300 σc (MPa) R E (% ) Amostra Ensaiada
Figura 8: Correlação entre σc e RE.
13 23 33 43 53 0 50 100 150 200 250 300 σc (MPa) ALA (% ) Amostra Ensaiada
Figura 9: Correlação entre σc e ALA.
Verifica-se pela análise dos gráficos que para o ensaio de carga pontual os resultados obtidos estão no limite da faixa de valores (ensaio de esmagamento), e pouco acima (ensaio de abrasão). Isto deve-se ao fato de as condições de contorno não serem ideais, devido a simplicidade do ensaio de carga pontual, além da rocha sã apresentar alta resistência, enquanto que os agregados apresentam valores esperados. No ensaio de compressão uniaxial, verifica-se que os valores obtidos estão na faixa esperada.
4 CONCLUSÕES
O presente estudo, em amostras de granito, confirma a correlação entre os ensaios de resistência à carga pontual e resistência à compressão uniaxial, além das correlações entre a resistência mecânica das rochas e dos agregados. Os resultados obtidos pelos ensaios realizados foram satisfatórios para a faixa de valores propostas pelo IPT, e os valores de correlações propostas por Al-Harthi (2001). Deve-se ressaltar, que estas correlações não substituem a execução de ensaios geomecânicos controlados, apenas devem ser utilizadas como forma de estimar os valores esperados. Destaca-se ainda, que este é um estudo inicial para a análise de correlações de rochas brasileiras, e a realização de maior número de ensaios é essencial para estabelecer uma nuvem de valores confiáveis para estabelecer correlações para as rochas brasileiras.
REFERÊNCIAS
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strength characteristics of crushed aggregate,
Bulletin Engineering Geology and Evironment 60: 193-200.
Frazão, E.B. (2002) Tecnologia de rochas na construção
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ABNT – NBR 8938/ (1985) – Determinação da
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DNER – ME197/ (1997) – Agregados – Determinação
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International Society of Rock Mechanics - ISRM (1985).
Suggeted method for determining point load strength.
International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Oxford, v.22, n.2, p.51-60.
