PROPRIEDADES TECNOLÓGICAS DAS ROCHAS

CAPÍTULO 07 – PROPRIEDADES
TECNOLÓGICAS DAS ROCHAS
PROPRIEDADES TECNOLÓGICAS DAS ROCHAS
São considerados materiais naturais de construção aqueles que já se encontram na natureza
aptos a serem empregados diretamente, sem qualquer estágio de fabricação, como, por
exemplo, as rochas. O aproveitamento destes materiais baseia-se em critérios técnicos,
econômicos e estéticos. Sob o ponto de vista técnico consideram-se as propriedades do
material que podem ser pesquisadas em laboratório, de acordo com o uso previsto, tais
como: resistência à compressão, durabilidade, resistência ao desgaste, etc.
As quatro principais condições técnicas são a resistência, a trabalhabilidade, a durabilidade e
a higiene (revestimentos, isolantes térmicos ou acústicos, impermeabilizadores, etc.). Desta
forma, a utilização de rochas em engenharia deve levar em consideração uma série de
propriedades destes materiais: químicas, físicas, geológicas e geomecânicas; de maneira a
otimizar sua utilização e reduzir custos.
As rochas são os materiais de construção mais antigos de que o homem pôde dispor (ABGE,
1998). As rochas podem ser usadas como revestimento, agregados (materiais granulares para
uso em engenharia civil), blocos. Além disso, suas propriedades são importantes para o
projeto de fundações de barragens, escavações subterrâneas, estabilidade de taludes, etc.
PROPRIEDADES TECNOLÓGICAS DAS ROCHAS
Rochas como Materiais de Construção:
As rochas destinam-se a uso em: concreto, revestimento de rodovias, lastro de ferrovias,
enrocamentos e filtros. Em cada uma destas aplicações, as rochas cumprem funções
específicas, conforme mostrado a seguir.
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Lastro de Ferrovias
- Suportar dormentes, resistindo aos movimentos horizontais (ação do tráfego e mudanças
de temperatura);
- Distribuir cargas das rodas;
- Constituir meio de drenagem da água sob os dormentes;
- Permitir a movimentação vertical dos trilhos e dormentes sob cargas de passagem das
composições;
- Reduzir os efeitos destrutivos de impactos;
- Retardar ou evitar o crescimento de vegetação na via férrea.
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Rochas como Materiais de Construção:
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Revestimento de Rodovias
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Suportar e distribuir a carga do tráfego às camadas inferiores;
Resistir à ação abrasiva do tráfego;
Proteger o subleito da ação mecânica das águas.
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Enrocamento
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Proteção de aterros, encostas, taludes de barragens, pilares, etc., contra a erosão;
Proteção contra o impacto de ondas (rip-rap);
Constituir filtros de transição (entre o enrocamento e o aterro) para impedir o carreamento
de partículas (ação do solapamento);
Para construção de ensecadeiras de barragens;
Constituir o corpo da barragem de enrocamento.
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PROPRIEDADES TECNOLÓGICAS DAS ROCHAS
Rochas como Materiais de Construção:
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Concreto
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Resistir a esforços solicitantes, ao desgaste e ação de intempéries;
Reduzir as variações de volume de qualquer natureza;
Contribuir com a redução do custo do concreto.
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Filtros
-
Purificar a água em barragens de abastecimento e aliviar pressões neutras nos maciços
das barragens de terra.
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Cantaria
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Embelezamento de fachadas e o pisos;
Proteção contra agentes intempéricos.
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Propriedades Químicas
São importantes para definir se determinado tipo de rocha pode ou não ser utilizado como
agregado em concreto ou pavimentos asfálticos.
Adesividade
É a capacidade que uma rocha tem de se “ligar” ao betume. Quanto maior o teor de sílica
(SiO2), menor a adesividade no contato brita/betume (asfalto), e maior será a desagregação,
diminuindo a resistência do produto. Depende da natureza petrográfica e do estado de
alteração.
Para a determinação da adesividade de uma rocha, verifica-se visualmente a resistência ao
descolamento em amostra seca de agregado imersa em produto asfáltico padrão. Pode ser
satisfatória ou insatisfatória.
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Propriedades Químicas
Reatividade Potencial
Existem componentes de uma rocha que são quimicamente ativos, ou seja, induzem
mudanças químicas sob certas condições. Exemplos disto são os minerais silicosos amorfos,
ou de quartzo cristalograficamente deformados por processos tectônicos. Estes
componentes podem reagir com o cimento, quando utilizados como agregado para concreto.
Estas reações, denominadas álcali (cimento) – agregado (rocha) são expansivas e, como
consequência, podem provocar a degradação do concreto através do surgimento de
rachaduras. Para que estas reações ocorram, o teor de álcalis no cimento deve ser superior
a 6%, principalmente Na2O3. A determinação da reatividade potencial dos agregados pode
ser efetuada, em laboratório, através de dois procedimentos (ABGE, 1998):
• Método químico – o agregado, moído, é submetido à dissolução em solução de NaOH 1N.
A quantidade de sílica dissolvida e a consequente redução de alcalinidade permitem
classificar o agregado;
• Método de barras – corpos de prova de argamassa, nos quais a areia proveniente da
moagem do agregado é combinada com cimento de alcalinidade conhecida, são colocados
em ambiente de umidade controlada e as eventuais expansões, devido às reações, são
medidas periodicamente a partir de 14 dias até 12 meses.
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Propriedades Físicas
Massa Específica Aparente e Real
A massa específica da rocha que compõem o agregado é importante para o cálculo do traço
do concreto, na avaliação do peso morto do agregado ou de uma placa de revestimento.
Trata-se de uma relação entre a massa dos grãos minerais que constituem o agregado e seu
respectivo volume. Assim, a massa específica real é obtida da seguinte maneira:
Já a massa ou peso específico aparente é a relação entre o peso total e o volume total.
Logo:
É possível correlacionar a massa específica (real ou aparente), com o estado de alteração da
rocha. Assim, quanto mais alterada a rocha estiver, menor será o valor da massa específica.
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Propriedades Físicas
Porosidade Aparente
Está relacionada à quantidade de vazios existentes em uma rocha, estejam eles conectados
entre si ou não. A porosidade influi na resistência do agregado e da placa de revestimento,
bem como na quantidade de água necessária à confecção do concreto.
A determinação da porosidade é feita através da pesagem de corpos de prova secos,
saturados na condição submersa e saturados. Também esta propriedade está relacionada à
alteração, assim, quanto maior a alteração, maior é a porosidade.
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Propriedades Físicas
Capacidade de Absorção
É a quantidade máxima de água que uma determinada rocha pode armazenar quando se
encontra saturada, isto é, quando todos os seus poros estão preenchidos por água. É
facilmente correlacionável com a porosidade, pois quanto maior a porosidade, maior será a
capacidade de absorção. Relaciona-se com a alteração da mesma forma que a porosidade,
ou seja, quanto maior a alteração, maior o grau de absorção.
onde:
PSAT – Peso saturado;
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Propriedades Físicas
Forma dos Fragmentos
A forma dos fragmentos é uma das propriedades mais importantes para a caraterização
tecnológica de agregados. Ao ser britado, o material resultante tem formas e tamanhos
variados, pois tanto a estrutura da rocha como as condições de britagem exercem influência
marcante na sua forma. A determinação da forma deve ser especificada para a faixa
granulométrica adotada, posto que menores dimensões tendem a apresentar formas mais
alongadas e lamelares.
Para a determinação da forma dos fragmentos, mede-se o comprimento (a), a largura (b), e a
espessura (c) em um universo de 25 amostras. A partir dos dados coletados, calculam-se as
relações b/a e c/b, faz-se a média aritmética e classifica-se a forma de acordo com a Tabela:
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Propriedades Físicas
Condutibilidade Térmica
É uma propriedade que está relacionada com a capacidade da rocha em absorver calor. É
importante na utilização em concreto, em fundações e em pavimentos. É responsável pela
grande variação volumétrica em regiões com gradientes de temperatura elevados.
Resistência ao Impacto (Tenacidade)
É a resistência que a rocha oferece ao choque e depende da forma e das dimensões dos
fragmentos. É avaliada através de um ensaio denominado Impacto Treton e sua
caracterização é muito importante para a determinação de material para lastro ferroviário.
Para o ensaio utilizam-se 20 fragmentos equidimensionais de rocha com dimensões entre 16
e 19 mm, colocados sobre uma base metálica. Um tubo cilíndrico de aço ajusta-se à base e
serve de guia para um peso de massa igual a 15.58 Kg, deixado cair 10 vezes de uma altura
de 38 cm sobre os fragmentos. O resultado do ensaio, média aritmética de três
determinações, é obtido pela fórmula:
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Propriedades Físicas
Resistência ao Impacto (Tenacidade)
No caso de material para revestimento de pisos, o ensaio é executado em uma placa de
rocha de 20 x 20 x 3 cm, assentada em um colchão de areia, de granulação média, com 10
cm de espessura. Uma esfera de aço de 1 Kg é deixada cair de alturas progressivamente
maiores, a partir de 20 cm e a intervalos de 5 cm, até que ocorra a ruptura da placa. A Figura
abaixo, a seguir, mostra os ensaios de Impacto Treton e de Placa.
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Propriedades Físicas
Resistência ao Desgaste (Abrasão)
Também chamada de resistência à abrasão. Os materiais rochosos, na forma granular,
destinados ao uso como agregado para concretos (hidráulico e betuminoso) e lastro de
ferrovia poderão estar sujeitos ao desgaste e ao impacto, tanto na fase de preparação dos
concretos como na de socagem do lastro, além das solicitações do tráfego (ABGE, 1998). A
determinação desta propriedade é feita através de um ensaio denominado Abrasão Los
Angeles, em que uma amostra, com granulometria e massa pré-fixada, é introduzida em um
tambor de aço, juntamente com esferas de aço, conforme a Figura abaixo. O tambor é
colocado para girar à uma velocidade de 33 ¼ rpm por 15 ou 30 minutos, dependendo da
granulação da amostra. Após esta operação o material resultante é passado na peneira com
abertura 1,68 mm, pesando-se o material que passa. Quanto maior for a porcentagem,
menor será a resistência do agregado.
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Propriedades Físicas
Resistência ao Desgaste (Abrasão)
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Propriedades Físicas
Resistência ao Desgaste (Abrasão)
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Propriedades Físicas
Resistência a Esmagamento
Caracteriza o comportamento de materiais rochosos quanto ao esmagamento. Como
exemplo, podemos citar o uso de agregados em pavimento betuminoso ou em lastro de
ferrovia, onde estes estão submetidos à carregamentos do tipo compressional pela ação do
peso e do tráfego de veículos, podendo se desagregar ou produzir pó pela quebra de cantos
e arestas.
O ensaio de caracterização, neste caso, é o ensaio de Esmagamento, em que um volume
determinado de material britado, na dimensão entre 12,5 e 9,5 mm e peso conhecido, é
submetido à uma compressão de até 40 t, através de um cilindro rígido de aço, conforme
mostra a Figura. O resultado é obtido pela média de dois ensaios e expresso pela
porcentagem de material desagregado com dimensões menores que a abertura da malha de
2,4 mm.
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Propriedades Físicas
Resistência a Esmagamento
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Propriedades Geológicas
Composição Mineralógica, Alteração e Coerência
A definição da mineralogia e do estado de alteração e de coerência de uma rocha é
fundamental na definição da qualidade do maciço rochoso, visando a sua utilização para
cada tipo específico de obra. Assim, dependendo do mineral que constitui uma rocha, esta
pode se alterar mais ou menos e com maior ou menor velocidade.
Neste curso, ao utilizarmos o termo alteração estaremos nos referindo principalmente à
alteração meteórica ou intempérica, ou seja aquela que ocorre na superfície da Terra devido
à ação de processos intempéricos e que diminuem a resistência mecânica, aumentam a
deformabilidade e modificam as propriedades de permeabilidade das rochas. Há um segundo
tipo de alteração, denominada hidrotermal, que ocorre no interior da Terra e está ligada a
fenômenos magmáticos (rochas ígneas) que também influencia na suscetibilidade ao
intemperismo, porém em menor grau que a alteração propriamente dita. A avaliação do
estado de alteração é feita com base em uma classificação qualitativa, definida pela ISRM,
conforme a tabela abaixo.
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Propriedades Geológicas
Composição Mineralógica, Alteração e Coerência
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Propriedades Geológicas
Composição Mineralógica, Alteração e Coerência
A coerência é definida também qualitativamente através da dureza, da friabilidade e da
tenacidade da rocha. Para tanto, faz-se uma descrição da resistência que uma rocha oferece
ao impacto de um martelo, ao risco de um canivete ou à pressão dos dedos. Os resultados
são comparados com uma classificação definida pela ISRM, conforme a tabela a seguir. Este
parâmetro, em conjunto com a alteração, permite determinar, de maneira prática a
intensidade da ação intempérica sobre um maciço rochoso.
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Propriedades Geológicas
Textura e Estrutura
A textura de uma rocha é maneira (“fabric”) como os minerais que a constituem estão
arranjados, ou seja: tamanho, tipo de contato, fraturamento, orientação, alteração,
cimentação entre grãos, etc. Estas características influenciam a resistência mecânica do
maciço rochoso e podem definir anisotropias, ou seja, a variação de uma determinada
propriedade com a direção.
A presença de estruturas geológicas – falhas, fraturas, juntas, dobras, foliações, lineações,
também controlam o comportamento do maciço rochoso porque em geral apresentam
propriedades distintas da matriz rochosa, além de poderem induzir mudanças nesta matriz
por facilitarem a circulação de água em subsuperfície, aumentando a alteração; além do
poderem introduzir anisotropias no maciço rochoso.
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Propriedades Geológicas
Alterabilidade
É a velocidade com que uma rocha se altera. Pode ser avaliada pela análise petrográfica,
macro e microscópica ou avaliada de acordo com a presença de certos minerais:
argilominerais expansivos, pirita, calcita, etc. Outra forma de se avaliar a alterabilidade é
através da realização de ensaios específicos, em que as reações intempéricas (físicas e/ou
químicas) são catalisadas, dentre os quais destacam-se:
ciclagem natural, ciclagem água-estufa, ciclagem com etileno-glicol e extrator soxhlet.
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Propriedades Mecânicas
Resistência à Compressão
É a carga por unidade de área sob a qual um determinado tipo de rocha rompe, quando
submetida à esforços compressivos. Depende do tipo de rocha, mineralogia, fraturamento,
grau de alteração, estruturas, porosidade e teor de umidade.
Pode ser determinada de duas maneiras: uniaxial (amostra não confinada) e triaxial (amostra
confinada). É uma propriedade fundamental em obras de fundações, barragens e
escavações subterrâneas.
Resistência à Tração
É a resistência máxima suportável por uma rocha quando submetida à esforços distensivos.
Em geral, seu valor é cerca de 10% do valor da resistência à compressão uniaxial. É uma
propriedade muito importante em estudos de estabilidade de talude, escavações
subterrâneas e barragens. É determinada através de ensaios de tração direta ou indireta,
dentre os quais destaca-se o ensaio brasileiro, ou ensaio Lobo Carneiro.
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Propriedades Mecânicas
Resistência ao Cisalhamento
É a resistência máxima da rocha quando submetida à forças cisalhantes (cortantes). É
importante em estudos de estabilidade de talude, fundações, escavações subterrâneas e
barragens. É determinada através de ensaios de cisalhamento direto.
Módulo de Elasticidade (Módulo de Young) – E
É uma característica intrínseca da rocha, relacionada com o comportamento elástico
(deformação reversível), ou plástico (deformação irreversível). Depende da presença de
estruturas, do teor de umidade, do grau de saturação, do tipo de rocha e da mineralogia.
Fundamental em estudos de escavações subterrâneas, fundações e barragens. Através da
Lei de Hooke, temos que:
σ=E.ε
em que: - σ é a tensão aplicada;
- E é o módulo de elasticidade ou de deformabilidade;
- ε é a deformação sofrida.
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Propriedades Mecânicas
Coeficiente de Poisson (υ)
É a relação entre as deformações transversais e longitudinais sofridas por uma rocha,
quando submetida à um carregamento (compressão). Assim como o módulo de elasticidade,
é importante em projetos de escavações subterrâneas, fundações e
barragens.
Permeabilidade
Está relacionado à maior ou menor facilidade com que um fluido, em geral a água, percola
através de um meio. O coeficiente de permeabilidade ou condutividade hidráulica, k, é
determinado através de ensaios “in situ” – perda d’água sobre pressão, ou em laboratório –
ensaios com permeâmetros (ver capítulo sobre Investigações Geológico-Geotécnicas).