Análise das Correlações para Estimativa das Propriedades

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
2.1
Material Ensaiado
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.
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
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
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.
Após todas as verificações dos corpos de
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 mediuse 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.
RE =
Pa − P' a
⋅ 100
Pa
(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.
A=
m − m'
⋅ 100
m
(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.
ρsat
Volume
ρd
S (%) η (%)
Amostra
(g/cm³)
Q = 0,0083De² + 2,9372
2
R = 0,5917
(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
2,62
2,63
0,39
1,03
64,35
Média
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.
40
35
Q-Puntiforme
(g/cm³)
100,00
10,00
1000,00
10000,00
De²
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.
30
%
25
b/a
c/b
20
15
10
5
0
0,00,1
0,10,2
0,20,3
0,30,4
040,5
0,50,6
0,60,7
0,70,8
0,80,9
0,91,0
>1,0
b/a c/b
Figura 2: Histograma da forma dos agregados.
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.
200
3.2 Resultados dos Ensaios de Resistência da
Rocha
175
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.
σ c (M P a)
150
125
CP 1
CP 2
CP 3
100
75
50
25
0
0,00E+00
2,00E-03
4,00E-03
6,00E-03
8,00E-03
Deformação
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.
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 (%)
ALA
(%)
1,03
30,8
RE
(%)
σc
300
250
200
150
100
Amostra Ensaiada
50
0
0
3
6
9
12
15
Is (MPa)
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.
(MPa)
50
Presente
estudo
2,62
IPT
(1980)
2,631
0,78
0,28
33
23
132
± 0,071
± 0,34
± 0,11
±7
±4
± 27
0,39
21,14 175,6
Amostra Ensaiada
40
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
RE (%)
3.3
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.
σc (MPa)
Tabela 3. Valores do ensaio de compressão uniaxial.
Dimensões
Amostras
σc (MPa)
ε
médias (mm)
l
119,02
178,9
8,78E-03
CP1
Ø
52,2
l
118,78
175,29
8,76E-03
CP2
Ø
52,19
l
116,98
172,64
8,75E-03
CP3
Ø
52,31
175,61
8,77E-03
Médias de σc e ε
30
20
10
0
0
3
6
9
Is (M Pa)
Figura 6: Correlação entre IS e RE.
12
15
4
53
CONCLUSÕES
Amostra Ensaiada
ALA (%)
43
33
23
13
0
3
6
9
12
15
Is (M Pa)
Figura 7: Correlação entre IS e ALA.
As Figuras 8 e 9 apresentam as correlações
entre o ensaio uniaxial e o ensaio de agregados.
50
Amostra Ensaiada
RE (%)
40
30
20
10
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. Destacase 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
0
0
50
100
150
σ c (MPa)
200
250
300
Figura 8: Correlação entre σc e RE.
53
Amostra Ensaiada
ALA (%)
43
33
23
13
0
50
100
150
σ c (MPa)
200
250
300
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.
Al-Harthi, A.A. (2001) A field index to determine the
strength characteristics of crushed aggregate,
Bulletin Engineering Geology and Evironment 60:
193-200.
Frazão, E.B. (2002) Tecnologia de rochas na construção
civil, ABGE.
IPT (1980) Caracterização tecnológicas das rochas
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ABNT – NBR 6458-MB29 (1984) – Determinação da
massa específica, massa específica aparente e da
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ABNT – NBR 7809 (1983) – Determinação do índice de
forma pelo método do paquímetro.
ABNT – NBR 8938/ (1985) – Determinação da
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DNER – ME035/ (1998) – Método para determinação de
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International Society of Rock Mechanics - ISRM (1985).
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