Caracterização Mecânica e
Digitalização Tridimensional na
Análise de Partículas Granulares de
Geomateriais
C
ARLOSR
ICARDO DES
OUSAA
FONSODissertação submetida para satisfação parcial dos requisitos do grau de MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL —ESPECIALIZAÇÃO EM GEOTECNIA
Orientador: Professor Doutor Eduardo Manuel Cabrita Fortunato
Coorientador: Doutor André Luís Marques Paixão
M
ESTRADOI
NTEGRADO EME
NGENHARIAC
IVIL2018/2019
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL
Tel. +351-22-508 1901 Fax +351-22-508 1446
miec@fe.up.pt
Editado por
FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO
Rua Dr. Roberto Frias 4200-465 PORTO Portugal Tel. +351-22-508 1400 Fax +351-22-508 1440 feup@fe.up.pt http://www.fe.up.pt
Reproduções parciais deste documento serão autorizadas na condição que seja mencionado o Autor e feita referência a Mestrado Integrado em Engenharia Civil - 2018/2019 - Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal, 2019.
As opiniões e informações incluídas neste documento representam unicamente o ponto de vista do respetivo Autor, não podendo o Editor aceitar qualquer responsabilidade legal ou outra em relação a erros ou omissões que possam existir.
Este documento foi produzido a partir de versão eletrónica fornecida pelo respetivo Autor. Dissertação elaborada no Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC) para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil pela Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP) no âmbito do Protocolo de Cooperação entre estas duas entidades.
AGRADECIMENTOS
Esta dissertação foi feita no LNEC (Laboratório Nacional de Engenharia Civil) sob a orientação do Professor Eduardo Manuel Cabrita Fortunato e coorientação do Doutor André Luís Marques Paixão. Ao meu Orientador, Professor Eduardo Fortunato, manifesto o meu profundo agradecimento pela oportunidade, pelo apoio e aconselhamento no decurso do presente trabalho.
Ao meu coorientador Doutor André Paixão, pessoa de grande engenho e sabedoria, sempre presente em todo o processo de desenvolvimento desta dissertação, expresso aqui a minha inestimável admiração. Pela oportunidade de poder partilhar ideias e discutir de perto os assuntos abordados neste trabalho, pela ajuda prestada em todos os momentos, pela paciência e ensinamentos transmitidos, deixo aqui vincado o meu mais profundo e sincero agradecimento.
Ao técnico superior Rui Ribeiro Coelho e ao assistente técnico João Santos Costa pela ajuda e pelas ideias transmitidas durante o decurso dos trabalhos laboratoriais.
Ao LNEC, por providenciar todas as condições indispensáveis à realização dos trabalhos aqui presentes.
À IP pela colaboração e autorização da publicação dos dados fornecidos. A todos os meus colegas e amigos em particular:
Ao Luís Fernandes pelo companheirismo ao longo deste percurso e em especial ao longo destes últimos dois anos.
Ao Paulo Carvalho, amigo de longa data que me facultou a câmara Canon EOS 80D que permitiu obter as fotos dos modelos digitalizados deste trabalho.
Ao Emanuel Felisberto pela ajuda e amizade, sempre presentes.
Ao Jonathan Duarte e Rita Barata pelo carinho e pelos laços que nos unem.
E por último à minha família, em especial à minha irmã, que sempre acreditaram e me apoiaram em todos os momentos da minha vida.
RESUMO
A morfologia das partículas rochosas utilizadas em obras de engenharia civil pode alterar-se ao longo do ciclo de vida das estruturas, essa evolução altera de forma significativa o seu comportamento. Os métodos tradicionais de caracterização da morfologia de partículas são morosos, os seus resultados dependem do operador de ensaio e podem conduzir a erros significativos.
Os trabalhos realizados no âmbito da presente dissertação tiveram como principal objetivo a aplicação de soluções de baixo custo de processamento digital de imagens, nomeadamente a fotogrametria, para estudar a evolução morfológica das partículas rochosas da camada de balastro ferroviário quando sujeitas a desgaste acelerado.
O método utilizado permite obter modelos digitais de partículas de balastro com recurso à fotogrametria e tratamento das respetivas imagens.
A partir dos modelos digitais que foram construídos foi possível determinar características associadas à morfologia das partículas e analisar como evoluem essas características em função do desgaste imposto por ações mecânicas, nomeadamente o ensaio de micro-Deval.
PALAVRAS-CHAVE:BALASTRO FERROVIÁRIO;MICRO-DEVAL;FOTOGRAMETRIA;DIGITALIZAÇÃO DE
Abstract
The morphology of rock particles used in civil engineering may change over the life cycle of structures and significantly influence their behavior.
Traditional methods of particle morphology characterization are time consuming, their results depend on the assay operator and can lead to significant errors.
The main goal in the present dissertation was the application of low-cost digital image processing solutions, namely photogrammetry, to study the morphological evolution of the rock particles of the railway ballast layer when subjected to accelerated wear.
The method used allows obtaining digital models of ballast particles using photogrammetry and the treatment of the respective images.
From the digital models that were constructed it was possible to determine characteristics associated to the morphology of the particles and to analyze how these characteristics evolve according to the wear and tear imposed by mechanical actions, namely the micro-Deval test.
KEYWORDS: RAILWAY BALLAST; MICRO-DEVAL; PHOTOGRAMMETRY; PARTICLES
ÍNDICE
AGRADECIMENTOS... V
RESUMO ... VII
ABSTRACT ... IX
1
INTRODUÇÃO ... 1
1.1.ENQUADRAMENTO DO TEMA E OBJETIVOS ... 1
1.2.ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ... 3
2
VIA FÉRREA E BALASTRO FERROVIÁRIO ... 5
2.1.INTRODUÇÃO ... 5 2.2.VIA-FÉRREA ... 5 2.3.BALASTRO ... 8 2.4.EXIGÊNCIAS TÉCNICAS ... 12 REQUISITOS GEOMÉTRICOS ... 13 REQUISITOS MECÂNICOS ... 16 2.5.CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 18
3
MÉTODOS DE ANÁLISE DA MORFOLOGIA DE
PARTÍCULAS DE AGREGADOS ... 19
3.1.INTRODUÇÃO ... 19
3.2.BREVE RESUMO HISTÓRICO DA CLASSIFICAÇÃO MORFOLÓGICA ... 19
3.3.MÉTODOS AVANÇADOS DE AVALIAÇÃO DA MORFOLOGIA DE PARTÍCULAS ... 25
MÉTODOS DE ANÁLISE BIDIMENSIONAL DA MORFOLOGIA DE PARTÍCULAS ... 25
SCANNERS 3D POR CONTACTO ... 27
3DLASER SCANNERS ... 28
MÉTODOS DE DIGITALIZAÇÃO 3D POR TOMOGRAFIA (X-RAY CT) ... 29
MÉTODOS DE DIGITALIZAÇÃO 3D POR FOTOGRAMETRIA ... 29
FERRAMENTAS DE PROCESSAMENTO E EDIÇÃO DE MODELOS DIGITAIS 3D ... 31
3.4.CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 31
4
ANÁLISE DA DEGRADAÇÃO DE PARTÍCULAS DE
BALASTRO POR FOTOGRAMETRIA... 33
4.1.INTRODUÇÃO ... 33
4.2.AMOSTRAGEM ... 33
4.3.DIGITALIZAÇÃO POR FOTOGRAMETRIA ... 36
RECONSTRUÇÃO DIGITAL DAS PARTÍCULAS ... 37
ENSAIO DE DESGASTE MICRO-DEVAL ... 42
4.4.CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 44
5
ANÁLISE E DISCUSSÃO DE RESULTADOS ... 45
5.1.INTRODUÇÃO ... 45
5.2.ENSAIOS DE MICRO-DEVAL SOBRE BALASTRO FERROVIÁRIO ... 45
5.3.ANÁLISE DOS EFEITOS DOS ENSAIOS NAS PARTÍCULAS SELECIONADAS ... 47
ANÁLISE DOS RESULTADOS DO ENSAIO NAS PARTÍCULAS DIGITALIZADAS ... 47
AVALIAÇÃO POR COMPARAÇÃO DE MODELOS DIGITAIS DE PARTÍCULAS ... 49
EVOLUÇÃO DA MORFOLOGIA ... 56
5.4.CARACTERÍSTICAS E ANÁLISE DOS MODELOS DIGITAIS DE PARTÍCULAS ... 64
CARATERÍSTICAS INICIAIS ... 64
CARTERÍSTICAS ÀS 2000 VOLTAS ... 66
CARATERÍSTICAS ÀS 14000 VOLTAS ... 68
5.5.CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 70
6
CONCLUSÕES E DESENVOLVIMENTOS FUTUROS ... 73
6.1.CONCLUSÕES ... 73
6.2.DESENVOLVIMENTOS FUTUROS ... 75
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 77
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 – Número de passageiros transportados por tipo de tráfego, 2013-2017,(INE 2018). ... 1
Figura 1.2 – Diagrama de economia circular. ... 2
Figura 2.1 – Esquema estrutural da via balastrada a) perfil longitudinal b) perfil transversal (adaptado de Fortunato 2005). ... 6
Figura 2.2 – Aspetos de via clássica com balastro misto (granito e calcário) e respetiva fixação (Troço Entroncamento – Albergaria da Linha do Norte). ... 7
Figura 2.3 – Aspetos de via renovada com balastro granítico e respetiva fixação (Troço Entroncamento – Albergaria da Linha do Norte). ... 7
Figura 2.4 – Aspetos de via modernizada com balastro granítico e respetiva fixação (Troço Entroncamento – Albergaria da Linha do Norte). ... 8
Figura 2.5 – Aspetos de uma atacadeira parqueada na estação do Entroncamento em 2019. ... 9
Figura 2.6 – Desguarnecedora de via (eurailpool 2019). ... 10
Figura 2.7 – Desenho esquemático da desguarnecedora com depuração (adaptado de eurailpool 2019). ... 10
Figura 2.8 – Estrutura da via em função do tipo de contaminação: a) desgaste dos elementos da via e infiltração de materiais a partir da superfície; b) infiltração de materiais a partir das camadas granulares subjacentes ao balastro; c) infiltração de materiais a partir da fundação (Fortunato 2005). ... 11
Figura 2.9 – Aspeto da bombagem de finos numa zona da Linha do Norte (Fortunato 2005). ... 12
Figura 2.10 – Fuso de controlo do balastro (adaptado de IT.GEO.001 2008). ... 13
Figura 2.11 – Máquina de Los Angeles ... 16
Figura 2.12 – Equipamento do ensaio de micro-Deval ... 17
Figura 2.13 – Cesto de rede metálica imerso em água com provete. ... 18
Figura 3.1 – Representação das dimensões a, b e c propostas em (Zingg 1935). ... 20
Figura 3.2 – Diagrama de Zingg (adaptado de Zingg 1935). ... 20
Figura 3.3 – Medição dos “diâmetros” da partícula, (Krumbein 1941)... 21
Figura 3.4 – Exemplo elucidativo da definição dos planos e das dimensões 𝐿, 𝐼 e 𝑆 , (adaptado de Blott e Pye 2008). ... 23
Figura 3.5 – Intervalos das razões 𝑝, 𝑞 com as respetivas classificações, (adaptado de Blott e Pye 2008). ... 23
Figura 3.6 – Classes de equidistância (1 – Equidimensional; 2 – Levemente equidimensional; 3 – Moderadamente equidimensional; 4 – Não equidimensional; 5 – Extremamente não equidimensional). ... 24
Figura 3.7 – Diagrama de Zingg modificado, (adaptado de Blott e Pye 2008). ... 24
Figura 3.8 – Características morfológicas da partícula de balastro (adaptado de Guo et al. 2019). ... 25
Figura 3.10 – Equipamento de análise bidimensional (AIMS2) (adaptado de Guo et al. 2019). ... 26
Figura 3.11 – Componentes do sistema (UIAIA) e posicionamentos das câmaras (adaptado de Guo et al. 2019). ... 26
Figura 3.12 – Aspeto do sistema E-UIAIA (Guo et al. 2019)... 27
Figura 3.13 – Scanner Roland Modela MDX-20 (Jerónimo 2014). ... 27
Figura 3.14 – 3D Laser Scanner utilizado no CSIR, (Anochie-Boateng, Komba e Mvelase 2013). ... 28
Figura 3.15 – Digitalização de partículas de balastro: a) equipamento EXAscan da Creaform; b) partícula e alvos retrorrefletores (Jerónimo 2014). ... 28
Figura 3.16 – Disposição operacional do aparelho de tomografia (adaptado de Deiros Quintanilla 2018). ... 29
Figura 3.17 – Relação entre o tamanho do objeto e precisão para diferentes métodos de medição (Thomas Luhmann 2011). ... 30
Figura 4.1 – Amostra de balastro ferroviário. ... 34
Figura 4.2 – Peneiração e respetivos provetes de cada fração granulométrica. ... 34
Figura 4.3 – Partículas de balastro selecionadas. ... 35
Figura 4.4 – Configuração da sessão fotográfica (adaptado de Paixão, Resende e Fortunato 2018). 36 Figura 4.5 – Aspeto da sessão fotográfica. ... 37
Figura 4.6 – Etapas da 1ª fase de digitalização (adaptado de Yasutaka e Carlos 2015). ... 38
Figura 4.7 – a) Geração da nuvem de pontos: a) exemplo dos 108 planos de imagem; b) nuvem de pontos, c) nuvem de pontos densificada e representação do pedestal. ... 38
Figura 4.8 – a) Partícula “em bruto” com escala (M0) e pontos a eliminar; b) Partícula “limpa”; c) Screened Poisson Surface Construction; d) Malha; e) Alinhamento ao eixo de inércia principal; f) Partícula centrada na Bounding Box. ... 41
Figura 4.9 – Aspeto das partículas após pintura. ... 42
Figura 4.10 – a) Identificação após 2000 voltas; b) identificação após 14000. ... 43
Figura 4.11 – a) Pré alinhamento; b) Inspeção da partícula; c) Evolução da morfologia. ... 44
Figura 5.1 Produção de material passado no peneiro de 1,6 mm (% em massa) ao longo de cada um dos ensaios. ... 46
Figura 5.2 – Perdas relativas de massa das partículas selecionadas do ensaio 1... 48
Figura 5.3 – Perdas relativas de massa das partículas selecionadas do ensaio 2... 48
Figura 5.4 – Perdas relativas de massa das partículas selecionadas do ensaio 3... 48
Figura 5.5 – a) Partícula 28 (0 vs. 14000 voltas); b) Partícula 9 (0 vs. 14000 voltas); c) partícula 2 (0 vs. 14000 voltas). ... 49
Figura 5.6 – Diferenças das malhas da partícula 1 (0 vs. 2000; 2000 vs. 14000 e 0 vs. 14000). ... 50
Figura 5.7 – Aspetos da partícula 1 após 2000 e 14000 voltas. ... 50
Figura 5.9 – Aspetos da partícula 26 após 2000 e 14000 voltas. ... 51 Figura 5.10 – Diferenças das malhas da partícula 22 (0 vs. 2000; 2000 vs. 14000 e 0 vs. 14000). .... 52 Figura 5.11 – Aspetos da partícula 22 após 2000 e 14000 voltas. ... 52 Figura 5.12 – Diferenças das malhas da partícula 23 (0 vs. 2000; 2000 vs. 14000 e 0 vs. 14000). .... 53 Figura 5.13 – Aspetos da partícula 23 após 2000 e 14000 voltas. ... 53 Figura 5.14 – Caso particular (Partícula 5). ... 55 Figura 5.15 – Visualizações do modelo da partícula 1, obtida com a ferramenta de cálculo automático, (Inicial). ... 57 Figura 5.16 – Visualizações do modelo da partícula 1, obtida com a ferramenta de cálculo automático, (2000 voltas). ... 58 Figura 5.17 – Visualizações do modelo da partícula 1, obtida com a ferramenta automático (14000 voltas). ... 59 Figura 5.18 – Classificação modificada (Blott e Pye 2008) das formas das partículas analisadas. ... 60 Figura 5.19 – Comparações da Partícula 10 - a) 0 vs. 2000; b) 2000 vs. 14000; c) 0 vs. 14000. ... 61 Figura 5.20 – Evolução da razão de achatamento, p, em função da evolução da esfericidade ao longo do ensaio. ... 62 Figura 5.21 – Evolução da razão de alongamento, q, em função da evolução da esfericidade ao longo do ensaio. ... 62 Figura 5.22 – Variação da razão de achatamento de cada partícula após o término do ensaio. ... 63 Figura 5.23 – Variação da razão de alongamento de cada partícula após o término do ensaio. ... 63 Figura 5.24 – Parâmetros gerais das digitalizações iniciais: a) densidade de vértices por área de superfície; b) densidade de pontos por área de superfície; c) nr.º de pontos da malha em comparação com nr.º de pontos da nuvem; d) nr.º de pontos ou vértices por área de superfície. ... 65 Figura 5.25 – Parâmetros gerais das digitalizações após 2000 voltas: a) densidade de vértices por área de superfície; b) densidade de pontos por área de superfície; c) nr.º de pontos da malha em comparação com nr.º de pontos da nuvem; d) nr.º de pontos ou vértices por área de superfície. ... 67 Figura 5.26 – Parâmetros gerais das digitalizações finais: a) densidade de vértices por área de superfície; b) densidade de pontos por área de superfície; c) nr.º de pontos da malha em comparação com nr.º de pontos da nuvem; d) nr.º de pontos ou vértices por área de superfície. ... 69 Figura 5.27 – Aspeto da comparação das malhas da partícula 16 (0 vs. 14000 voltas) com zona débil de limpeza junto ao local onde apoia no pedestal assinalado com linha a vermelho a traço interrompido. ... 71
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1.1 – Alguns tipos de intervenção e custos associados, (adaptado de Lima e Pratas 2019). .... 2
Tabela 2.1 – Intervenções nos últimos 9 anos ao nível do balastro (IP 2019b) ... 9
Tabela 2.2 – Categorias de estado de contaminação do balastro (Fortunato 2005). ... 11
Tabela 2.3 – Categorias para valores máximos de índice de achatamento (NP EN 13450 2005). .... 14
Tabela 2.4 – Categorias para valores máximos de índice de forma (NP EN 13450 2005). ... 14
Tabela 2.5 – Resumo dos limites das características técnicas de aceitação (adaptado de IT.GEO.001 2008). ... 15
Tabela 4.1 – Massas de cada fração para ensaio. ... 35
Tabela 5.1 – Resultados do ensaio de micro-Deval. ... 45
Tabela 5.2 – Perdas de massa das partículas selecionadas. ... 47
Tabela 5.3 – Distâncias médias entre as superfícies das malhas de cada partícula, entre fases de desgaste. ... 54
Tabela 5.4 – Valores determinados pela ferramenta de cálculo automático às 0 voltas. ... 56
Tabela 5.5 – Valores determinados pela ferramenta de cálculo automático, após 2000 voltas. ... 57
Tabela 5.6 – Valores determinados pela ferramenta de cálculo automático, após 14000 voltas. ... 58
Tabela 5.7 – Resumo da alteração de classificações das partículas. ... 60
Tabela 5.8 – Caraterísticas iniciais das partículas selecionadas ... 64
Tabela 5.9 – Caraterísticas das partículas selecionadas às 2000 voltas ... 66
SÍMBOLOS E ACRÓNIMOS a – distância mais longa b – distância intermédia c – distância mais curta
°C – graus Celsius
D – dimensão máxima do agregado d – diâmetro nominal
E – espessura F – Fator forma
FI – índice de achatamento
𝐹𝐼 – índice de contaminação de finos g – grama
kg – quilograma
I – distância intermédia (Intermediate) L – distância mais longa (Longest)
– dimensão máxima entre dois planos paralelos tangenciais à superfície da partícula LARB – Coeficiente de Los Angeles de Balastro Ferroviário
LARB16 – Categoria de balastro do tipo I
LARB20 – Categoria do balastro do tipo II
l – litro m – massa
𝑀1 – massa do provete saturado com superfície seca 𝑀2 – massa aparente do provete saturado, imerso em água 𝑀3 – massa do provete seco em estufa, em gramas
MDERB – coeficiente de micro-Deval de Balastro Ferroviário em estado húmido MDSRB – coeficiente de micro-Deval de Balastro Ferroviário em estado seco
p – razão de achatamento 𝑃4 – peneiro nº 4
𝑃200 – peneiro nº 200 q – razão de alongamento
S – distância mais curta (Smallest)
s – área de superfície de uma esfera com o mesmo volume da partícula S – área de superfície da própria partícula
SI – índice de forma
𝑆𝑆 – área de superfície de uma esfera com o mesmo volume do poliedro tetracaidecaedro 𝑆𝑇 – área de superfície do tetracaidecaedro
𝑆𝑂𝑇 – área de superfície do ortotetracaidecaedro de igual volume V – volume
Vcs – volume da esfera circunscrita
Vp – volume da partícula
ɣ – peso específico
ρcm – massa volúmica das partículas do agregado grosso saturado até massa constante
ρ𝑤 – massa volúmica da água
𝛹 – verdadeira Esfericidade de Wadell 𝛹𝑜𝑝 – esfericidade operacional
𝛹′𝑠 – verdadeira esfericidade de Aschenbrenner 𝛹′𝑇 – verdadeira esfericidade de Aschenbrenner AIMS – Aggregate Image Measurement System
AIMS2 – Aggregate Image Measurement System 2nd generation CMOS – Complementary metal-oxide semiconductor
CSIR – Council for Scientific and Industrial Research CMVS – Clustering Views for Multi-viewStereo DGPS – Differential Global Positioning System EF – Electro Focus
EOS – Electro-Optical System
E-UIAIA – Enhanced University of Illinois Aggregate Image Analyzer GPL – General Public License
IP – Infraestruturas de Portugal, SA
ISTI-CNR – Istituto di Scienza e Tecnologie dell'Informazione JPEG – Joint Photographic Experts Group
LNEC – Laboratório Nacional de Engenharia Civil MATLAB – Software Matrix Laboratory
RFN – Rede Ferroviária Nacional STM – Stepper Technology Motor
TMDA – Tipologia de Modernização do ativo TRIA – Tipologia de Renovação integral do ativo
TRE5 – Tipologia de intervenção de ataque mecânico pesado TRE6 – Tipologia de intervenção de rebalastragem
UIAIA – University of Illinois Aggregate Image Analyzer VSFM – Visual Structure From Motion
1
INTRODUÇÃO
1.1.ENQUADRAMENTO DO TEMA E OBJETIVOSA rede ferroviária nacional apresenta uma extensão total de via-férrea de 2440,1 km da qual 1829,6 km são de via única, 562,8 km de via dupla e os restantes 47,7 km de via múltipla (IP 2019a). Desde 2014 tem-se verificado crescimento no transporte ferroviário de passageiros, como evidenciado na Figura 1.1, tendo sido transportados cerca de 141,9 milhões de passageiros em 2017. O crescimento no transporte foi comum a todos os tipos de tráfego, sendo que o mais importante é o tráfego suburbano, onde se registou cerca 125,3 milhões de passageiros em 2017, o que representa 88,3% dos movimentos totais (INE 2018).
Figura 1.1 – Número de passageiros transportados por tipo de tráfego, 2013-2017,(INE 2018).
O aumento da procura, tanto relativa ao transporte de passageiros como de mercadorias, e a necessidade de tornar este modo de transporte mais eficiente, exigem um adequado desempenho das vias-férreas e uma redução do seu custo de ciclo de vida. Normalmente, o aumento de tráfego conduz ao aumento de intervenções de manutenção e reabilitação, cujo custo e volume estão ainda associados à qualidade da infraestrutura. As intervenções ao nível da via-férrea, em particular as relacionados com a camada de balastro, têm custos associados avultados, como se pode constatar da análise dos dados da Tabela 1.1.
Tabela 1.1 – Alguns tipos de intervenção e custos associados, (adaptado de Lima e Pratas 2019).
Tipo de reabilitação Tipologia Descrição Custo (€/kmlv)1
Recuperação do estado de condição
do ativo
TRE5 Ataque mecânico pesado 14.084
TRE6 Rebalastragem com depuração 192.000
Substituição do ativo TRIA Renovação Integral do Ativo 643.000
TMDA Modernização do Ativo 822.000
Nota: kmlv – Quilómetro linear de via
Atualmente a sociedade enfrenta o desafio de garantir uma gestão de ativos segundo as diretrizes da União Europeia, no contexto de uma economia circular (Figura 1.2), uma economia de eterno retorno2,
com bases fundamentadas na reutilização de materiais e consequente redução da pegada ecológica. É sobre essa ideia que assenta o documento “White Paper on Transport”, onde se apresenta uma estratégia clara e objetiva daquilo que é a criação de um sistema de transportes eficiente até 2050, (EC 2011).
Figura 1.2 – Diagrama de economia circular3.
No caso do transporte ferroviário, e em particular no que ao balastro diz respeito, os custos económicos e ambientais associados à sua manutenção são significativos, como já referido. Assim, o estudo das características das partículas que constituem esta camada, com vista a prever adequadamente o seu desempenho, é da maior importância.
Neste contexto, este trabalho surgiu na continuidade de trabalhos desenvolvidos recentemente no LNEC (Paixão, Resende e Fortunato 2018) e consistiu na aplicação de soluções de baixo custo de
1 Custos estimados a partir de empreitadas recentes de âmbito semelhante.
2 Eterno retorno, conceito segundo Friedrich Nietzsche, um mundo que se reutiliza (A Gaia Ciência). 3 Retirado de http://noctula.pt/
processamento digital de imagens, nomeadamente a fotogrametria, para estudar a evolução morfológica (tamanho e forma) das partículas de balastro quando sujeitas a desgaste acelerado.
1.2.ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
O presente documento está dividido em seis capítulos. Todos eles, à exceção do primeiro, são compostos por uma introdução, pelos respetivos subcapítulos de desenvolvimento e considerações finais.
No capítulo 1 procede-se a uma breve introdução e enquadramento do trabalho.
No capítulo 2 - Via-férrea e balastro ferroviário - apresentam-se alguns dos componentes da via-férrea e referem-se os seus mecanismos de deterioração. É dado especial destaque ao balastro e a algumas das suas características.
No capítulo 3 - Métodos de análise da morfologia de partículas - apresentam-se alguns métodos de análise de morfologia de partículas e de determinação de alguns dos parâmetros tradicionalmente utilizados na caracterização de agregados para balastro ferroviário.
O capítulo 4 - Análise da degradação de partículas por fotogrametria - descreve o procedimento experimental utilizado neste trabalho, incluindo a descrição da aplicação da fotogrametria como método de digitalização e apresenta o software utilizado para esse efeito. É também descrito o procedimento adotado relativamente ao ensaio de micro-Deval que, neste trabalho, dista um pouco daquele estabelecido nos normativos aplicáveis para a caracterização de balastro.
No capítulo 5 - Análise e discussão de resultados - apresentam-se os resultados dos ensaios de micro-Deval e analisam-se os resultados relativos às várias fases de ensaio. Recorre-se a uma análise visual e numérica de modo a identificar alguns aspetos relativos ao desgaste sofrido por um conjunto de partículas de balastro selecionadas. Analisa-se a sua evolução morfológica quando sujeitas a ações mecânicas de desgaste promovidas por aquele ensaio.
No Capítulo 6 - Conclusões e desenvolvimentos futuros - apresentam-se as conclusões deste estudo e estabelecem-se algumas diretrizes que melhoram a análise e o rendimento do processo de digitalização das partículas de balastro.
No final do documento encontram-se os anexos relativos a este trabalho, onde consta informação complementar à apresentada ao longo do documento.
2
VIA FÉRREA E BALASTRO FERROVIÁRIO
2.1.INTRODUÇÃOA estrutura da via-férrea e os respetivos métodos de dimensionamento têm variado relativamente pouco, apesar das exigências relativas à capacidade de carga e à velocidade de circulação terem vindo a aumentar ao longo do tempo(Indraratna, Salim e Rujikiatkamjorn 2011).
A possibilidade de prever o comportamento da via-férrea para um dado conjunto de condições é essencial para estabelecer orientações racionais para o seu projeto, construção e manutenção. Há essencialmente duas formas de abordar o problema da previsão do comportamento da via: uma assenta na análise estrutural do conjunto (superestrutura de via + fundação) e a outra baseia-se na análise empírica do comportamento da estrutura em função das caraterísticas físicas dos componentes (Fortunato 2005).
Tradicionalmente, as deformações plásticas associadas à degradação do balastro são ignoradas durante o dimensionamento da via. Este aspeto decorre, em grande parte, da falta de compreensão dos complexos mecanismos de rotura do balastro e da ausência de modelos que incluam a deformação plástica e a quebra das partículas sob um grande número de ciclos de carga (Indraratna, Salim e Rujikiatkamjorn 2011).
Neste capítulo faz-se uma referência particular ao balastro, tendo em conta que é um dos importantes componentes da via, analisam-se algumas das causas da sua degradação, como por exemplo as operações de manutenção da via, e os problemas que daí derivam.
2.2.VIA-FÉRREA
As linhas férreas são constituídas pela via-férrea (única ou múltiplas), que integra a subestrutura, a camada de balastro, o armamento de via (travessas, carris e fixações), e outros elementos, dos sistemas de sinalização e de energia.
No que respeita à estrutura da via, pode-se observar na Figura 2.1 alguns dos elementos que a compõem, onde, por norma, a camada de balastro é dividida em: balastro entre travessas; prisma lateral; balastro superficial, que é afetado diretamente durante as ações mecânicas de conservação; balastro de fundo, que constitui a subcamada inferior e que, geralmente, ao fim de alguns anos de exploração se encontra com uma granulometria relativamente distinta da inicial (Fortunato 2005).
Figura 2.1 – Esquema estrutural da via balastrada a) perfil longitudinal b) perfil transversal (adaptado de Fortunato 2005).
A via-férrea balastrada é a solução estrutural de via mais comum e que, pelas suas caraterísticas, pode considerar-se que tem um bom comportamento dinâmico relativamente aos esforços provocados pela passagem de veículos ferroviários.
Mas o balastro ferroviário é um dos materiais que condiciona de forma importante o ciclo de vida da via-férrea. Esta importância está relacionada com o seu comportamento face às solicitações mecânicas a que é sujeito, principalmente decorrentes das passagens de comboios, mas também face às ações meteorológicas e às intervenções de manutenção nas vias. Como tal, para obter o melhor desempenho do balastro, é necessário estudá-lo e perceber as relações causa/efeito que interferem no seu comportamento (Indraratna, Salim e Rujikiatkamjorn 2011).
Correntemente, a superestrutura de via-férrea pode ser entendida como o conjunto composto pelos carris, travessas, fixações e palmilhas de carril e balastro.
A Rede Ferroviária Nacional (RFN) divide a via em três tipologias:
• Via clássica: caracteriza-se, genericamente, por ser suportada por plataforma não tratada e a sua superestrutura ser constituída por balastro granítico, misto ou calcário, no qual assentam, geralmente, travessas de madeira de pinho, como se pode ver na (Figura 2.2). As vias clássicas representam 11% da RFN e os ciclos de vida útil-tipo são definidos considerando as velocidades máximas praticadas, tipicamente 80 km/h (Lima e Pratas 2019);
a)
Figura 2.2 – Aspetos de via clássica com balastro misto (granito e calcário) e respetiva fixação (Troço Entroncamento – Albergaria da Linha do Norte).
• Via renovada: A superestrutura ser constituída por balastro granítico ou misto, no qual assentam geralmente travessas de betão bibloco, como se pode observar na Figura 2.3. Apresentam carris de 54 kg/m soldados em barra longa, com fixação elástica. Representam 49% das vias da RFN e o ciclo de vida útil-tipo é definido pelas velocidades máximas praticadas, tipicamente 140 km/h (Lima e Pratas 2019).
Figura 2.3 – Aspetos de via renovada com balastro granítico e respetiva fixação (Troço Entroncamento – Albergaria da Linha do Norte).
• Via modernizada: Caracteriza-se, genericamente, por ser dotada de órgãos de drenagem que permitem um bom escoamento das águas para fora da plataforma, e a superestrutura é constituída por balastro granítico, no qual assentam, geralmente, travessas de betão monobloco, com carris de 54 ou 60 kg/m, com fixação elástica às travessas (Figura 2.4). Desta classificação fazem também parte as vias sem balastro, com carris assentes diretamente em longarinas de betão ou embebidos em lajes, cuja utilização é feita em zonas de estações, túneis, viadutos e pontes, por questões relacionadas com ruído, vibrações e limpeza. As vias modernizadas equivalem a 40% das vias da RFN e os ciclos de vida útil-tipo estão definidos para as velocidades máximas praticadas, tipicamente 220 km/h (Lima e Pratas 2019).
Figura 2.4 – Aspetos de via modernizada com balastro granítico e respetiva fixação (Troço Entroncamento – Albergaria da Linha do Norte).
2.3.BALASTRO
O agregado de balastro é, tradicionalmente, um material natural amplamente utilizado nas redes ferroviárias (Paixão, Resende e Fortunato 2018). O balastro desempenha um papel fundamental no comportamento da via, quer no que se refere à estabilidade vertical, quer à estabilidade horizontal. O comportamento da camada de balastro é condicionado essencialmente pelas suas características mecânicas (resistência e deformabilidade) e hidráulicas (permeabilidade). Por outro lado, as caraterísticas da superestrutura da via, o tipo de frequência dos trabalhos de manutenção e as próprias solicitações do balastro podem condicionar o comportamento da camada de balastro (Fortunato 2005). A camada de balastro deve desempenhar várias funções, entre as quais:
• Servir de apoio às travessas;
• Resistir às ações verticais, laterais e longitudinais aplicadas às travessas, com o objetivo de garantir um alinhamento correto à via;
• Promover a dissipação de vibrações; • Permitir escoamento das águas da chuva; • Evitar o aparecimento de vegetação;
• Minimizar os efeitos das ações climáticas (chuva e gelo) sobre as camadas subjacentes; • Reduzir as tensões transmitidas pelas travessas às camadas subjacentes.
Algumas das funções descritas atrás são claramente contraditórias. Por exemplo, na necessidade de propiciar uma boa capacidade de carga e uma boa estabilidade ao longo da sua vida útil, o balastro teria de ser bem graduado e ter elevada compacidade; no entanto, se assim fosse a permeabilidade seria reduzida (Fortunato 2005).
O balastro deverá ser produzido a partir de uma rocha resistente e durável. No entanto, a sua utilização nas vias é um verdadeiro desafio no que respeita a testar os seus limites de resistência mecânica. Ao longo da sua vida útil, o balastro é sujeito a solicitações mecânicas relevantes quer decorrentes da passagem de comboios, como referido anteriormente, quer devidas às ações de manutenção.
Nos últimos 9 anos na Linha do Norte foram executadas várias intervenções de ataque mecânico pesado com recurso a equipamentos do tipo dos representados na Figura 2.5 e na Figura 2.6. Todas elas com aplicações de balastro na ordem dos milhares de toneladas, como se pode ver na Tabela 2.1.
Tabela 2.1 – Intervenções nos últimos 9 anos ao nível do balastro (IP 2019b)
Intervenção Custo
(balastro) € Toneladas Linha do Norte – PK 318.375 a 348.750
(2010) 109.811 € 3.853
Valores previstos em cadernos de encargos
Linha do Norte – Estação de Coimbra- B
(2010) 204.826 € 5.760
Valores previstos em cadernos de encargos
Linha do Norte – Estações de Vale Figueira
e Riachos (2010) Obra realizada pela direção de investimentos (sem dados) Linha do Norte Estação do Entroncamento
(2014/2015) 630.347 € 19.015
Valores previstos em cadernos de encargos
Linha do Norte Alfarelos- Pampilhosa
Obra realizada pela direção de investimentos (sem dados)
Linha do Norte – Troço Valadares-Gaia
(2018) 467.460 € 17.640
Valores previstos em cadernos de encargos
Na Figura 2.5 está representado um equipamento mecânico - atacadeira - usualmente utilizado nas intervenções de manutenção, que tem como principal função fazer um ataque mecânico pesado no balastro através da inserção dos pioches na sua camada superficial, vibrando-o a fim de o compactar. Esta atividade é apenas uma de várias que geram desgaste nas partículas, contaminando as camadas subjacentes logo nos primeiros dias do ciclo de vida útil da via.
Figura 2.5 – Aspetos de uma atacadeira parqueada na estação do Entroncamento em 20194.
Outro equipamento, a desguarnecedora de via (Figura 2.6), como o próprio nome indica tem a função de desguarnecer a via do balastro, com ou sem depuração. A depuração permite a reutilização do balastro recolhido, fazendo a sua seleção através de uma peneiração contínua, permitindo reciclar até 100% do balastro existente, aplicando-o imediatamente na via, como se observa na Figura 2.7. Esta
operação é bastante agressiva para o balastro. As operações de escavação, transporte e peneiração geram quebras e material inutilizável, de tal modo que o balastro reciclado só é praticamente usado entre travessas.
Figura 2.6 – Desguarnecedora de via (eurailpool 2019)5.
Figura 2.7 – Desenho esquemático da desguarnecedora com depuração (adaptado de eurailpool 2019).
As principais preocupações relativamente ao desempenho da camada de balastro estão relacionadas com a deformabilidade e com a permeabilidade da mesma. O balastro deve providenciar um apoio resiliente para a travessa. A deformação excessiva da camada de balastro constitui um dos principais contributos para os assentamentos permanentes da via (Fortunato 2005).
Um dos principais motivos para a falta desta resiliência está, por norma, associado à contaminação da camada de balastro. Em princípio, o material que constitui a camada de balastro é colocado na via no estado limpo ou praticamente limpo, não apresentando mais do que 1% a 2% do seu peso de material contaminante.
Habitualmente considera-se um critério baseado na dimensão das partículas para avaliar a contaminação, fazendo-se distinção entre a componente granular do material contaminante – partículas finas e a componente fina desse material – finos (Fortunato 2005). Selig, citado em (Fortunato 2005), propõe a utilização de um índice de contaminação, FI do tipo:
𝐹𝐼 = 𝑃4 + 𝑃200 2.1
onde 𝑃4 e 𝑃200 são as percentagens de material passado no peneiro 4,75 mm e 0,075 mm, respetivamente. Este critério estabelece que, relativamente ao estado de contaminação, o balastro pode considerar-se nas categorias apresentadas na Tabela 2.2.
Tabela 2.2 – Categorias de estado de contaminação do balastro (Fortunato 2005).
Categoria de balastro 𝐹𝐼 Limpo < 1 Moderadamente limpo 1 a 10 Moderadamente contaminado 10 a 20 Contaminado 20 a 40 Muito contaminado ≥40
Existem vários mecanismos que conduzem à contaminação do material que constitui a camada de balastro, nomeadamente: a alteração granulométrica das partículas do balastro; a infiltração de materiais a partir da superfície; a alteração do material da travessa devido ao desgaste; a infiltração de material a partir das camadas granulares subjacentes; a infiltração a partir da fundação (Figura 2.8).
Figura 2.8 – Estrutura da via em função do tipo de contaminação: a) desgaste dos elementos da via e infiltração de materiais a partir da superfície; b) infiltração de materiais a partir das camadas granulares subjacentes ao
balastro; c) infiltração de materiais a partir da fundação (Fortunato 2005).
a) b)
Estas contaminações têm várias consequências, entre as quais (Indraratna, Salim e Rujikiatkamjorn 2011):
• Diminuição da resiliência da camada; • Diminuição da permeabilidade da camada;
• Assentamentos diferenciais e movimentos laterais da via;
• Formação de lamas, na presença de água, tornando o balastro ainda mais sujeito a abrasão. Outro dos problemas que pode surgir é a bombagem de finos, que por sua vez dá origem a assentamentos diferenciais (Fortunato 2005), como se pode ver na (Figura 2.9). Este fenómeno está associado a elevados gradientes hidráulicos nas lamas. Sob a influência das cargas circulantes e cíclicas, a travessa sofre assentamentos bruscos, originando assim um aumento de pressão nas lamas subjacentes e a uma libertação das pressões através de jatos (Fortunato 2005).
Figura 2.9 – Aspeto da bombagem de finos numa zona da Linha do Norte (Fortunato 2005). 2.4.EXIGÊNCIAS TÉCNICAS
Correntemente, as exigências técnicas existentes assentam em duas normas em vigor, a primeira, a Norma Europeia (NP EN 13450 2005) onde se especificam todas as propriedades dos agregados (balastro) não ligados obtidos a partir do processamento de materiais naturais, artificias ou reciclados para utilização na construção de vias-férreas, e a segunda, uma Instrução Técnica, a (IT.GEO.001 2008), complementar à norma mencionada.
A referida Instrução Técnica estabelece que o balastro natural deve ser produzido sem mistura de material de diferentes origens geológicas, e define duas categorias ou tipos de balastro:
• Balastro Tipo I: para sistemas ferroviários de alta velocidade e velocidade alta, com coeficiente de Los Angeles, LARB, inferior ou igual a dezasseis (16), (categoria LARB16).
• Balastro Tipo II: para rede convencional6, com coeficiente de Los Angeles inferior ou igual a
vinte (20) (categoria LARB20).
6 Rede percorrida geralmente por:
- Comboios de passageiros: velocidade V≤ 220 km/h, 20 t de carga por eixo; - Comboios de mercadorias: velocidade V≤ 100 km/h, 25 t de carga por eixo.
REQUISITOS GEOMÉTRICOS
Embora a Norma situe a dimensão máxima (D) do agregado nas dimensões de 50 mm ou 63 mm, a Instrução Técnica (IT.GEO.001 2008) estipula o limite máximo da dimensão do agregado em 50 mm, e acompanha a Norma europeia no valor 31,5 mm, como dimensão mínima (d).
• Balastro tipo I e II: 31,5 – 50mm;
Destes requisitos resulta o fuso granulométrico apresentado na Figura 2.10.
Figura 2.10 – Fuso de controlo do balastro (adaptado de IT.GEO.001 2008).
Os índices de achatamento (FI) e de forma (SI) devem ser determinados de acordo com a norma (BS EN 933-4 2008) através das seguintes equações, respetivamente, (2.2) e (2.3). A aferição do índice de achatamento deve ser executada utilizando um peneiro de barras.
𝐹𝐼 = 𝑀2 𝑀1
× 100 2.2
em que 𝑀1 corresponde à massa total seca da amostra, subtraída das partículas rejeitadas, que dizem respeito à massa que passa no peneiro 4,0 mm, e 𝑀2 corresponde à massa das partículas que atravessa o peneiro de barras.
Relativamente ao índice de forma, deve ser determinado com um paquímetro de modo a aferir a dimensão máxima entre dois planos paralelos tangenciais à superfície da partícula (L), verificando também se a sua espessura (E) é menor ou maior que L/3. Caso seja superior a partícula é considerada cúbica, caso contrário será não cúbica.
𝑆𝐼 = 𝑀2 𝑀1
× 100 2.3
em que 𝑀2 representa a massa das partículas em que a razão L/E é superior a três e 𝑀1 a massa total seca das partículas (BS EN 933-4 2008).
Na Tabela 2.3 e na Tabela 2.4 apresentam-se as categorias estabelecidas na (NP EN 13450 2005) para o índice de achatamento e para o índice de forma, respetivamente.
Tabela 2.3 – Categorias para valores máximos de índice de achatamento (NP EN 13450 2005).
Índice de achatamento Categoria FI
≤ 15 FI15
≤ 20 FI20
≤ 35 FI35
>35 FIDeclarado
Não requerido FINR
Tabela 2.4 – Categorias para valores máximos de índice de forma (NP EN 13450 2005).
Índice de forma Categoria SI
≤ 10 SI10 ≤ 20 SI20 ≤ 30 SI30 5 a 30 SI5/30 > 30 SIDeclarado Não requerido FINR
É de notar que a Instrução Técnica (IT.GEO.001 2008) limita os valores dos índices nas linhas destacadas em sombreado.
Relativamente ao comprimento, a (IT.GEO.001 2008) prevê que se utilizem bitolas metálicas, de perfil (U), com dimensões interiores de 100 e 30 mm (para balastro e gravilha respetivamente), em que os elementos da bitola são medidos um a um com a bitola correspondente, considerando-se que o comprimento da partícula (L) é a dimensão máxima de uma partícula, definida pela maior distância entre dois planos paralelos tangenciais à superfície da partícula.
Tabela 2.5 – Resumo dos limites das características técnicas de aceitação (adaptado de IT.GEO.001 2008).
Caraterísticas técnicas
Valores de aceitação sem restrições
Balastro
Los Angeles ≤ 20 (Tipo II) ≤ 16 (Tipo I) micro-Deval ≤ 7 (Tipo I) ≤ 11 (Tipo II) Granulometria Peneiros (mm) Acumulados que passam (%) 80 100 63 100 50 ≤ 90 ≥70 40 ≥ 30 ≤ 65 31,5 ≤ 25 ≥ 1 22,4 ≤ 3 Partículas finas (%) ≤ 0,6 Finos (%) ≤ 0,5 Forma Índice de achatamento (%) ≤ 15 Índice de Forma (%) ≤ 10 Comprimento (%) ≤ 4
REQUISITOS MECÂNICOS
Os requisitos mecânicos de resistência à fragmentação e ao desgaste são determinados através dos ensaios de Los Angeles e de micro-Deval, respetivamente. O ensaio de Los Angeles (Figura 2.11) consiste num cilindro de superfície interior interrompida com placas de projeção salientes, que têm o objetivo de criar um salto durante as voltas do ensaio. Relativamente a este ensaio, a determinação do valor de Los Angeles, 𝐿𝐴𝑅𝐵 (equação 2.4), para balastro de via-férrea está estabelecida no Anexo A da (NP EN 1097-2 2011), onde o provete deverá ter um total de massa de (10000 ± 100) g, em que cada (5000 ± 50) g deverão corresponder a duas frações entre 31,5 mm e 50 mm. A este ensaio são adicionadas 12 esferas de aço com uma carga abrasiva de (5210 ± 90) g. Após concluídas as 1000 rotações do tambor, o provete deve ser peneirado sob água corrente no peneiro de abertura 1,6 mm e posteriormente pesado para determinar a massa correspondente, 𝑚.
𝐿𝐴𝑅𝐵=10000 − 𝑚
100 2.4
O valor máximo do ensaio de Los Angeles deverá ser 16, para o balastro do tipo I, e 20, para o de tipo II.
Figura 2.11 – Máquina de Los Angeles
No âmbito deste trabalho não se recorreu a este ensaio por se tratar de um ensaio de fragmentação que, devido à sua especificidade e agressividade, não se considerou adequado para o estudo em questão. O ensaio de micro-Deval aplicável a agregados grossos de balastro de via-férrea é estabelecido conforme o Anexo A da norma (NP EN 1097-1 2012). O ensaio deve ser executado com um cilindro de comprimento interno de (400 ± 2) mm (Figura 2.12), sem carga abrasiva e deve perfazer 14000 ± 10 voltas. Um pouco à semelhança do ensaio referido atrás deve-se também combinar uma fração entre 31,5 mm e 40 mm e entre 40 mm e 50 mm, cada uma com uma massa de (5000 ± 50) g, perfazendo um total de (10000 ± 100) g. Quanto ao procedimento do ensaio, o normativo estipula que devem ser adicionados (2,0 ± 0,05) l de água ao cilindro, em detrimento da carga abrasiva. Após concluídas as rotações do tambor, o provete deve também ser peneirado sob água corrente no peneiro
de abertura 1,6 mm e posteriormente pesado para determinar a massa correspondente, 𝑚. Assim, o valor de micro-Deval, 𝑀𝐷𝐸,𝑅𝐵, deve ser calculado com base na seguinte expressão:
𝑀𝐷𝐸,𝑅𝐵=10 000 − 𝑚
100 2.5
O valor máximo do ensaio de micro-Deval deverá ser 7, para o balastro do tipo I, e 11 para o de tipo II.
Como será abordado mais adiante, no âmbito deste trabalho foi também utilizado um procedimento alternativo que consistiu na realização do ensaio a seco, sendo que, neste caso, a nomenclatura para o valor de micro-Deval é alterada para 𝑀𝐷𝑆,𝑅𝐵.
Figura 2.12 – Equipamento do ensaio de micro-Deval
Relativamente à determinação da massa volúmica das partículas, esta foi realizada de acordo com a norma (NP EN 1097-6 2003), conforme estipulado no respetivo Anexo B, onde se procede à imersão do provete em água até massa constante (Figura 2.13).
O provete é colocado no cesto de rede metálica imergido no tanque com uma altura mínima de 50 mm de água acima do topo do provete. Após esta fase determina-se a massa aparente do provete imerso em água (𝑀2) e mede-se a temperatura da água no contentor, arredondada às unidades (graus Celsius). Prossegue-se retirando o provete da água e secando-lhe a superfície imediatamente com panos absorventes até que a superfície fique baça e deixe de estar brilhante e molhada e pesa-se o provete obtendo a massa (𝑀1). Após executadas as fases anteriores coloca-se o provete na estufa a (110 ± 5) ᵒC até massa constante (𝑀3).
O cálculo da massa volúmica das partículas do agregado grosso saturado até massa constante (𝜌𝑐𝑚), é determinado de acordo com a seguinte expressão:
𝜌𝑐𝑚 = 𝑀3
(𝑀1− 𝑀2) 𝜌𝑤⁄
2.6
Onde:
𝑀1– massa em gramas do provete saturado com superfície seca; 𝑀2– massa aparente do provete saturado, imerso em água, em gramas; 𝑀3– massa do provete seco em estufa, em gramas;
𝜌𝑤 – massa volúmica da água à temperatura registada na altura da determinação de 𝑀2.
Figura 2.13 – Cesto de rede metálica imerso em água com provete.
2.5.CONSIDERAÇÕES FINAIS
Neste capítulo fez-se referência, de forma geral, à estrutura da via-férrea e aos seus elementos, em particular à camada de balastro. Relativamente a esta camada, evidenciaram-se as suas funções e os requisitos que usualmente se impõem aos materiais que a constituem. Foram identificados os seus mecanismos de degradação e salientados os custos associados a essa degradação. Apresentaram-se ainda alguns dos ensaios que normalmente se realizam sobre as partículas rochosas que constituem a camada de balastro.
3
MÉTODOS DE ANÁLISE
DA MORFOLOGIA DE PARTÍCULAS DE AGREGADOS
3.1.INTRODUÇÃOAo longo da sua vida útil, em resultado das solicitações e das ações mencionadas anteriormente, a camada de balastro vai-se densificando e as suas partículas degradando. Consequentemente, o posicionamento dos carris deixa de ser o mais adequado, gerando-se defeitos de via que reduzem o desempenho desta infraestrutura e, eventualmente, conduzem à necessidade de realizar ações de manutenção para reestabelecer a geometria adequada da via-férrea. Esta deformação da camada de balastro, bem como a sua estabilidade, dependem, em grande parte, da morfologia (tamanho e forma) das partículas (Guo et al. 2019).
As propriedades mecânicas e geométricas usualmente exigidas às partículas de balastro são definidas em normativos específicos, considerando procedimentos de caracterização, como os descritos no capítulo anterior. No entanto, alguns destes procedimentos baseiam-se em abordagens de análise empírica, são altamente dependentes do operador e, portanto, sujeitas a erro humano (Paixão, Resende e Fortunato 2018). Na tentativa de reduzir essa mesma dependência tem-se recorrido à digitalização de partículas, por forma a automatizar certas operações, reduzindo assim os erros humanos associados a cada uma delas, como por exemplo, a medição manual das dimensões que tradicionalmente são utilizadas para classificar morfologicamente as partículas.
3.2.BREVE RESUMO HISTÓRICO DA CLASSIFICAÇÃO MORFOLÓGICA
Embora já discutida anteriormente, é na terceira década do século XX que a problemática da classificação morfológica começa a ganhar relevância. Em 1932, Wadell publica um artigo (Wadell 1932) onde aborda um parâmetro classificativo que se designa por grau de esfericidade (𝜓), o qual pode ser determinado a partir da seguinte expressão:
𝜓= 𝑠
𝑆 3.1
em que 𝑠 corresponde à área de superfície de uma esfera com o mesmo volume da partícula em análise e 𝑆 corresponde à área de superfície da própria partícula.
No entanto, na prática, esta grandeza não podia ser determinada, uma vez que envolvia uma integração complexa da superfície irregular das partículas. Assim, foi proposta a expressão (3.2) de forma a tornar mais operacionais os cálculos (Wadell 1933):
𝜓𝑜𝑝= √𝑉𝑝 𝑉𝑐𝑠
3
em que 𝛹𝑜𝑝 é a esfericidade operacional, 𝑉𝑝 é o volume da partícula e 𝑉𝑐𝑠 é o volume da esfera circunscrita.
Esta expressão pode ser desenvolvida em função de distâncias, uma vez que Wadell expressou o volume da partícula em termos de uma esfera com o mesmo volume. Então, sendo 𝑑 o diâmetro nominal da esfera correspondente, o seu volume é igual a (𝜋 6⁄ )𝑑3, e o volume da esfera circunscrita baseada na maior distância, 𝑎, da partícula é (𝜋 6⁄ )𝑎3, substituindo na equação da esfericidade operacional de Wadell (3.2), resulta a expressão seguinte:
𝜓 = √(𝜋 6⁄ )𝑑 3 (𝜋 6⁄ )𝑎3 3 = 𝑑 𝑎 3.3
Dois anos mais tarde, Theodor Zingg propôs, na sua tese de doutoramento (Zingg 1935), um diagrama para classificar as partículas, ainda hoje conhecido como diagrama de Zingg. Este tem por base três dimensões efetivamente mensuráveis das partículas (a > b > c), que estão representadas na Figura 3.1. Afirma, também, que para uma primeira caraterização aproximada, a medição deve ser feita pelos três eixos principais, usando relações entre eles, permitindo, assim, comparações das formas entre todas as partículas (Zingg 1935).
Figura 3.1 – Representação das dimensões a, b e c propostas em (Zingg 1935).
Para definir os eixos do diagrama, Zingg recorreu a cerca de 300 medições manuais de partículas de cascalho com um paquímetro, classificando as partículas segundo quatro classes limitadas pelos rácios b/a e c/b, onde mostrou uma consistência para um valor de 2/3, resultando, então, nas classificações apresentadas na Figura 3.2.
Seis anos mais tarde, W. C. Krumbein apresenta um método rápido para medir a forma, método este baseado numa elipsoide triaxial como referência de comparação à partícula (Krumbein 1941). É neste artigo que as medidas (a > b > c) são anunciadas pela primeira vez como “Long, Intermediate and Short diameters” respetivamente, como ilustrado na Figura 3.3.
Figura 3.3 – Medição dos “diâmetros” da partícula, (Krumbein 1941).
Krumbein suporta a sua teoria da esfericidade na mesma equação de esfericidade operacional proposta em (Wadell 1933), em termos de uma elipsoide triaxial tendo três diâmetros (a, b e c), em que a>b>c e volume igual a (𝜋 6⁄ )𝑎𝑏𝑐, em que o volume da esfera circunscrita é igual ao anterior, (𝜋 6⁄ )𝑎3. Substituindo na equação (3.2), tem-se a equação (3.4):
𝜓 = √(𝜋 6⁄ )𝑎𝑏𝑐 (𝜋 6⁄ )𝑎3 3 = √ 𝑏𝑐 𝑎2 3 3.4
Quase duas décadas depois surge no Texas, EUA, um novo método para expressar a esfericidade das partículas por (Aschenbrenner 1956). Nesta altura já a definição do conceito de esfericidade recorrendo à expressão de Wadell, (3.1) era amplamente reconhecida pela comunidade que investigava esta temática.
É então, em 1956, que Aschenbrenner propõe um método de análise com base num tetracaidecaedro (poliedro de 14 faces), apresentando assim uma expressão aproximada (3.5) daquilo que seria a verdadeira esfericidade, usando o poliedro como referência.
𝜓′𝑠= 𝑆𝑆
𝑆𝑇 3.5
em que 𝑆𝑆 é a área de superfície de uma esfera com o mesmo volume do poliedro e 𝑆𝑇 é a área de superfície do tetracaidecaedro definida pelas dimensões da partícula, medidas em 3 planos ortogonais. Este método, segundo Aschenbrenner, conduz a uma expressão da forma das partículas nos mesmos termos de Waddel e Zingg, onde o fator forma 𝐹 (3.6) pode ser quantificado usando as medidas (a>b>c), dando origem às variáveis 𝑝 (razão de achatamento) (3.7) e 𝑞 (razão de alongamento) (3.8):
𝐹 =𝑝 𝑞=
𝑎𝑐
𝑝 =𝑐
𝑏 3.7
𝑞 = 𝑏
𝑎 3.8
Substituindo as razões 𝑐/𝑏 e 𝑏/𝑎 por 𝑝 (3.7) e 𝑞 (3.8), respetivamente, o grau da verdadeira esfericidade segundo Aschenbrenner, (𝜓′𝑆), é calculado da seguinte forma (3.9):
𝜓′𝑆= 𝑆𝑆 𝑆𝑇 = 12,2 × √𝑝 2𝑞 3 1 + 𝑝 × (1 + 𝑞) + 6 × √1 + 𝑝2(1 + 𝑞2) 3.9
No entanto, esta expressão nunca atinge o valor numérico de 1, que é o valor limite para a verdadeira esfericidade (Aschenbrenner 1956). Em detrimento do uso da área de superfície de uma esfera, Aschenbrenner passa a usar a área de superfície do poliedro ortotetracaidecaedro, suportando a sua proposta na inexistência de esferas perfeitas (Aschenbrenner 1956). Assim, tem-se a expressão (3.10):
𝜓′𝑇= 𝑆𝑂𝑇 𝑆𝑇 = 13,4 × √𝑝 2𝑞 3 1 + 𝑝 × (1 + 𝑞) + 6 × √1 + 𝑝2(1 + 𝑞2) 3.10
onde SOT é a área de superfície do ortotetracaidecaedro de igual volume, substituindo SS.
Usando esta última expressão já é possível atingir o valor unitário da esfericidade recorrendo à área de superfície de uma partícula com forma ortotetracaidecaedrica (Aschenbrenner 1956).
Assim sendo a melhor aproximação da verdadeira esfericidade deverá encontrar-se algures entre Ψ’S e
Ψ’T. De forma arbitrária foi então estipulada a expressão que conduz a valores médios relativamente às
anteriores (Aschenbrenner 1956), ainda usada correntemente por alguns autores (3.11):
𝜓′= 12.8 × √𝑝2𝑞
3
1 + 𝑝 × (1 + 𝑞) + 6 × √1 + 𝑝2(1 + 𝑞2) 3.11
Dois anos após a definição da equação anterior (3.11), Sneed e Folk alteram definitivamente a nomenclatura dos diâmetros (a>b>c) para (𝐿, 𝐼, 𝑆) (Figura 3.4), em que 𝐿 é o eixo mais longo da partícula, 𝐼 é o eixo intermédio que se encontra na máxima projeção plana e é a maior dimensão deste mesmo plano perpendicular a 𝐿, e 𝑆 é a maior dimensão num plano perpendicular aos outros dois (Sneed e Folk 1958). Esta é a nomenclatura ainda hoje usada na definição dos eixos nos estudos que se desenvolvem.
Figura 3.4 – Exemplo elucidativo da definição dos planos e das dimensões 𝐿, 𝐼 e 𝑆 , (adaptado de Blott e Pye 2008).
Em 2008, Simon J. Blott e Kenneth Pye sugerem a modificação do diagrama de Zingg. Esta tentativa baseou-se na divisão das razões 𝑝, 𝑞 em cinco intervalos de 0,2, atribuindo a cada intervalo uma classe descritiva da forma segundo a respetiva razão (Figura 3.5). É então introduzido o termo grau de equidimensionalidade (de equancy, em inglês, relativo a equidimensional particles – equant) que está relacionado simultaneamente com a razão de achatamento e com a razão de alongamento, consequentemente com a razão 𝑆/𝐿 (3.12). Assim, a classificação consiste em dividir também em cinco intervalos, e atribuindo a cada intervalo uma classe classificativa de 1 a 5, como representado na (Figura 3.6) (Blott e Pye 2008).
𝑆 𝐼× 𝐼 𝐿= 𝑆𝐼 𝐼𝐿= 𝑆 𝐿 3.12
Figura 3.6 – Classes de equidistância (1 – Equidimensional; 2 – Levemente equidimensional; 3 – Moderadamente equidimensional; 4 – Não equidimensional; 5 – Extremamente não equidimensional).
Como resultado da união das classificações explicadas e do fator forma (𝐹) surge o diagrama de Zingg modificado, que também foi utilizado neste trabalho (Figura 3.7).
Figura 3.7 – Diagrama de Zingg modificado, (adaptado de Blott e Pye 2008). 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 não alongado levemente alongado moderadamente alongado extremamente alongado muito alongado S/L (equidimensionalidade) q = I/L p = S/I E x tr e m a m e n te a c h a ta d o M u it o a c h a ta d o M o d e ra d a m e n te a c h a ta d o N ã o a c h a ta d o L e v e m e n te a c h a ta d o
3.3.MÉTODOS AVANÇADOS DE AVALIAÇÃO DA MORFOLOGIA DE PARTÍCULAS
É consensual considerarem-se três subescalas na análise das características das partículas, representadas na Figura 3.8: forma, angularidade e textura. Uma análise grosseira da morfologia das partículas pode conduzir a resultados inconclusivos, ou até erróneos.
Alguns avanços recentes no tratamento e análise de imagens digitais, com o suporte de meios técnicos avançados, têm permitido tornar mais fiáveis as medições e aprofundado o conhecimento relativamente a:
1. Distribuição do tamanho da partícula; 2. Volume e área de superfície;
3. Forma (Esfericidade (𝛹); fator de forma (𝐹)); 4. Angularidade (Índice de angularidade); 5. Textura (Índice de textura)(Guo et al. 2019).
Figura 3.8 – Características morfológicas da partícula de balastro (adaptado de Guo et al. 2019).
MÉTODOS DE ANÁLISE BIDIMENSIONAL DA MORFOLOGIA DE PARTÍCULAS
Dois dos equipamentos mais utilizados na análise bidimensional da morfologia de partículas são o sistema AIMS (Aggregate Image Measurement System) representado na Figura 3.9 e a segunda geração deste mesmo sistema (AIMS2) (Figura 3.10). O primeiro consiste numa câmara microscópia de foco automático e utiliza um software independente para executar a caraterização morfológica das partículas.
O sistema AIMS2 representado na Figura 3.10 é mais avançado que o primeiro, uma vez que contém duas fontes de luz e uma câmara microscópia contidos numa caixa fechada que tem função de isolar as partículas de fontes de luz exteriores. Ambos os sistemas fornecem os mesmos índices e fatores morfológicos (índice de forma, esfericidade, circularidade, textura, etc.) (Guo et al. 2019).
Figura 3.10 – Equipamento de análise bidimensional (AIMS2) (adaptado de Guo et al. 2019).
Em (Guo et al. 2019) é também referido o método de análise de imagens de agregados da Universidade de Illinois (UIAIA – University of Illinois Aggregate Image Analyzer). Este sistema utiliza três câmaras posicionadas ortogonalmente para obter as imagens como se pode ver na Figura 3.11.
Figura 3.11 – Componentes do sistema (UIAIA) e posicionamentos das câmaras (adaptado de Guo et al. 2019).
Com base neste equipamento foi desenvolvido um outro (E-UIAIA – Enhanced University of Illinois Aggregate Image Analyzer), representado na Figura 3.12, capaz de captar a cor das partículas, podendo digitalizar vários tipos de partículas minerais (Guo et al. 2019). Este equipamento permite uma avaliação morfológica mais robusta comparativamente com o anterior (UIAIA) (Guo et al. 2019).
Figura 3.12 – Aspeto do sistema E-UIAIA (Guo et al. 2019).
SCANNERS 3D POR CONTACTO
Uma das abordagens de digitalização tridimensional consiste em utilizar equipamentos que dispõem de sondas ou estiletes mecânicos que, por contacto, vão registando coordenadas sucessivas dos pontos da superfície do corpo que se pretende digitalizar.
Em (Jerónimo 2014) descreve-se uma aplicação desse tipo de equipamento na digitalização de partículas de balastro. Nesse trabalho pode-se encontrar várias partículas digitalizadas recorrendo ao scanner Roland Modela MDX-20 (Figura 3.13). Este scanner contém uma agulha piezoelétrica de grande sensibilidade que permite obter digitalizações com resoluções até 0,05mm no plano horizontal e 0,025mm na direção vertical (Jerónimo 2014).
3DLASER SCANNERS
Um dos métodos mais comumente utilizados na digitalização de partículas de balastro consiste em equipamentos comerciais que tiram partido da tecnologia LASER para efetuar o varrimento automático para obtenção de coordenadas da superfície das partículas.
Um exemplo dessa aplicação foi apresentado por (Anochie-Boateng, Komba e Mvelase 2013), realizado pelo CSIR (Council for Scientific and Industrial Research) e pelo Track Technology Centre, Transnet Freight Rail (Figura 3.14). Este foi um estudo concentrado na avaliação das propriedades da forma, e com resultados validados por uma elevada correlação (R2=0,9994) entre a massa calculada
digitalmente e a massa efetiva das partículas.
Figura 3.14 – 3D Laser Scanner utilizado no CSIR, (Anochie-Boateng, Komba e Mvelase 2013).
(Jerónimo 2014) utilizou o scanner laser portátil EXAscan da Creaform, representado na Figura 3.15. Esta ferramenta é equipada com três camaras de alta definição, um emissor laser e oito leds localizados em torno das camaras, que permitem digitalizações de grande rigor. O EXAscan tem uma resolução de 0,05 mm e uma exatidão superior a 0,04 mm, permitindo digitalizar superfícies com grande detalhe e textura e objetos de pequenas dimensões, como é o caso das partículas de balastro. O EXAscan destaca-se por não necessitar de um sistema de referência externo, sendo a sua localização alcançada com a ajuda de alvos retrorrefletores.
a) b)
Figura 3.15 – Digitalização de partículas de balastro: a) equipamento EXAscan da Creaform; b) partícula e alvos retrorrefletores (Jerónimo 2014).
