Caracterização Geotécnica do Basalto da Formação Serra

Caracterização Geotécnica do Basalto da Formação Serra Geral
para Utilização na Construção Civil
Freitas Neto, O.
Departamento de Geotecnia, Escola de Engenharia de São Carlos, São Paulo.
Simões de Oliveira, A. G., Beggiato L. D., Jesus, A. C. e Jamal, F. G.
Departamento de Geotecnia, Escola de Engenharia de São Carlos, São Paulo.
RESUMO: Caracterizar o comportamento do maciço rochoso é de grande importância para engenharia
geotécnica, sobretudo quando a atividade desenvolvida pelo engenheiro está ligada a obras subterrâneas,
como a construção de túneis, ou quando maciço rochoso serve como material para construção civil. E
justamente nesse último tópico de atividade que se insere este trabalho. A partir de ensaios convencionais em
amostras de Basalto da Formação Serra Geral foram realizadas análises a fim de verificar a adequação dessa
rocha como material de construção. Todos os resultados obtidos atingiram o mínimo estipulado pela
bibliografia consultada. De acordo com os esses resultados pode-se afirmar que a rocha nas condições em
que foi ensaiada pode ser utilizada como agregado para concreto, em pavimentos, em lastro ferroviário,
obras de enrocamento e rip-rap.
PALAVRAS-CHAVE: Caracterização Geotécnica, Formacão Serra Geral, Basalto, Construção Civil.
1
INTRODUÇÃO
A rocha se apresenta como um dos materiais
fundamentais de construção. Esta pode ser
utilizada como meio físico ao abrigar no seu
interior construções (túneis e reservatórios
subterrâneos), além de poder ser utilizada como
suporte de obras a serem implantadas
(fundações) e como material de construção
(rocha britada).
A disponibilidade de materiais de construção
adequados e em quantidade suficiente constitui
um problema típico e importante para o êxito de
obras civis, tais como, rodovias, ferrovias,
barragens, usinas hidrelétricas, etc.
Portanto, o conhecimento do comportamento
mecânico do material rochoso em função das
propriedades físicas e químicas é de extrema
importância para avaliar suas potencialidades
frente às solicitações aplicadas. Em vista da
dificuldade de se fazer uma análise de todo o
material a ser trabalhado, lança-se mão da
realização de ensaios que buscam parâmetros
que sejam representativos do maciço rochoso
como um todo e que posteriormente possam ser
empregados na elaboração e avaliação do
empreendimento.
2
DESCRIÇÃO GERAL DA ÁREA DE
ESTUDO
A abertura do Atlântico Sul foi precedida por
volumoso magmatismo nas regiões sul e
sudeste do Brasil. Esta constitui uma das
maiores províncias de basaltos continentais do
mundo.
A Formação Serra Geral (J) é constituída de
rochas efusivas básicas. Os derrames são
formados por um conjunto de rochas basálticas
toleíticas, afaníticas dispostas em camadas subhorizontais. Também podem ocorrer intrusões,
associadas à mesma atividade vulcânica,
principalmente na forma de diques verticais de
composição diabásica, cortando os próprios
derrames. Entre os derrames podem ser
encontrados
arenitos
eólicos
(arenitos
intertrapeanos).
Os basaltos são rochas predominantemente
duras e compactas, com textura de granulação
muito fina, enquanto que os diabásios, muito
semelhantes, são diferenciados principalmente
pela granulação maior. Ambos possuem
coloração que varia de cinza escura a preta. A
Formação Serra Geral pertencem ao Grupo São
Bento que é de idade cretácea da bacia do
Paraná.
As amostras ensaiadas foram provenientes
de uma pedreira situada nas adjacências da
cidade de São Carlos-SP.
3
OBJETIVOS
Este trabalho tem como objetivo a realização
dos
ensaios
que
buscam
conhecer
características de um basalto, oriundo da
Formação
Serra
Geral.
Dentre
estas
características serão analisadas a resistência a
esforços compressivos, a suscetibilidade ao
desgaste e abrasão, a forma resultante do
material após britagem da rocha, a resistência
ao esmagamento, a determinação da quantidade
de vazios e resistência ao impacto. De posse
dos resultados de cada um dos ensaios
utilizados na obtenção das características da
rocha, espera-se indicar sua aplicabilidade de
forma adequada em diversas obras civis.
4
METODOLOGIA
O desenvolvimento deste trabalho
contemplado com as seguintes etapas:
foi
• Revisão bibliográfica;
• Definição da área de estudo;
• Coleta de amostras e preparo dos corpos
de prova para a realização dos ensaios; e
• Realização dos ensaios:
- Abrasão Los Angeles (DNERME035/98);
- Determinação da Forma dos
Agregados ( NBR 7809/83);
- Impacto Treton (NBR-8938/85);
- Resistência ao Esmagamento (DNERME197/97);
- Resistência a Compressão Simples
(ASTM D-2938/95);
- Resistência a Carga Pontual (ISRMVol.2 / 1985);
- Absorção de Água (ABNT 6458 MB-29).
5
APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS
RESULTADOS
Na Tabela 1 são apresentados os resultados
esperados encontrados por Verhoef e Van de
Wall (1998) e os valores médios obtidos nos
ensaios realizados no desenvolvimento deste
trabalho.
Tabela 1. Resultados esperados e obtidos dos ensaios.
Resultados
Ensaios
Esperados
Obtidos
Abrasão Los Angeles (%)
< 50,00
21,40
Forma dos Agregados
Cúbica
Cúbica
Impacto Treton (%)
< 20,00
12,62
Esmagamento (%)
< 20,00
16,00
Compressão Simples (MPa)
> 200,00
198,83
Compressão Pontual (MPa)
> 200,00
288,95
3
> 2,00
2,91
ρseca (g/cm )
> 2,00
2,92
ρsat (g/cm3)
Absorção
S (%)
< 1,00
0,23
η (%)
< 2,00
0,68
Nota: ρseca = Massa específica aparente seca; ρsat= Massa
específica aparente saturada; S= Absorção de Água; η=
Porosidade aparente
O índice de Abrasão Los Angeles indica
resistência ao desgaste dos minerais quando
submetidos a esforços. Quanto menor os
valores de abrasão, maior a resistência dos
minerais constituintes das rochas.
No resultado obtido no ensaio de Abrasão
Los Angeles (Tabela 1) observou-se que com
21,40% a rocha estudada está adequada à norma
do DNER (ME035/98), que estabelece valores
menores que 50% como ideais. Ainda de acordo
com a bibliografia consultada, o resultado
considerado ótimo para a rocha basalto está em
torno de 17%, portanto bastante próximo do
obtido nos ensaios realizados. Na Figura 01
pode ser observado o equipamento utilizado na
execução do ensaio de Abrasão Los Angeles.
A caracterização do agregado quanto a sua
forma é uma importante característica a ser
conhecida. Isto porque quando os fragmentos
de rocha são obtidos a partir de processos
mecânicos o material resultante apresenta
formas e tamanhos variados, em função das
condições de britagem assim como da estrutura
da rocha trabalhada.
Relação (c/b)
A partir dos resultados obtidos para as
relações entre as dimensões das amostras (b/a =
0,61 e c/b = 0,68) lançados na Figura 2,
podemos observar que o agregado apresenta
forma cúbica. Nota-se que o valor médio obtido
está aproximadamente eqüidistante dos
extremos das outras três classificações, portanto
a amostra pode ser classificada como cúbica
com mínima tendência as três outras formas.
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
Cúbica
Alongada
0,61; 0,68
Alongada - Lamelar
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
Lamelar
0,5
0,6
Relação (b/a)
0,7
0,8
0,9
1,0
(b/a x c/b)
Figura 2. Determinação da forma do agregado (a>b>c).
Os resultados obtidos neste ensaio estão
dentro do esperado, pois os fragmentos
analisados são de basalto compacto, uma rocha
maciça, que quando fragmentada apresentam
forma aproximadamente cúbica.
O ensaio de Impacto Treton visa quantificar
a resistência à tenacidade, ao submeter
fragmentos rochosos a cargas concentradas,
impactos ou choques mecânicos através da
queda livre de um cilindro. (Figura 3). A partir
daí obtém-se o resultado com a porcentagem de
material desagregado.
O valor médio obtido neste ensaio foi de
12,62% que está na faixa mínima estipulada
pela bibliografia para este tipo de rocha, que é
de 20%.
Dentre as utilidades às quais as rochas
basálticas podem ser destinadas, destaca-se o
uso em lastros ferroviários. Neste tipo de
utilização, as mesmas, estando em forma de
Figura 3. Amostra antes e após o ensaio.
Na maioria das vezes a principal solicitação
que a rocha sofre quando aproveitada como
material de construção é o esforço de
compressão, logo determinar o valor da
resistência dessa rocha é tão importante quanto
determinar sua gênese litológica.
O ensaio de compressão realizado em
laboratório fornece uma estimativa de carga que
a rocha suporta. Com equipamento de grande
porte, um corpo de prova é solicitado
axialmente até que se atinja a ruptura. A tensão
de ruptura é denominada de resistência à
compressão simples e sua estimativa é de
grande importância principalmente quando se
deseja estimar o comportamento do maciço
rochoso a certos níveis de tensão.
Os resultados obtidos nos ensaio de
compressão simples estão apresentados na
Figura 4.
250
Tensão de Compressão(Mpa)
Figura 1. Equipamento para ensaio de Abrasão Los
Angeles.
agregados e sem a presença de material ligante,
são solicitadas a esforços compressivos, sendo,
portanto fundamental o conhecimento da sua
Resistência ao Esmagamento. A média dos
resultados obtidos na amostra de basalto
utilizado no ensaio de esmagamento foi de
16%, valor bastante próximo do considerado
ótimo (13%) para esta rocha.
200
150
100
50
0
0
0,005
0,01
0,015
0,02
Deformação
Figura 4. Gráficos de Tensão x Deformação para os três corpos
de prova ensaiados.
Nestes gráficos observa-se considerável
discrepância nos valores das tensões de ruptura
das três amostras. Percentualmente a diferença
máxima entre as tensões de ruptura equivale a
aproximadamente 37%. Essa diferença pode ser
creditada ao grau de alteração dos corpos de
prova ensaiados (Figura 5).
Figura 5. Corpos de prova pós-ensaio, com evidências do alto
grau de alteração da rocha.
O ensaio de carga pontual é um ensaio
simples, de fácil execução, que pode ser levado
facilmente para o campo e tem como objetivo
determinar a resistência à compressão pontual
em amostras de rocha que não necessariamente
precisam ter superfícies regulares. De acordo
com ISRM (1985), os resultados deste ensaio
permitem estimar a resistência à compressão
simples (σc) da rocha.
Os resultados obtidos com a realização deste
ensaio apontaram para uma resistência a
compressão simples de 288,95 MPa. Este valor
é aproximadamente 45% superior à média dos
três ensaios de compressão simples realizados,
contradizendo o que preconiza a ISRM (1985).
Este resultado pode ser explicado remetendo-se
novamente à questão do grau de alteração das
amostras evidenciado pela variabilidade da
resistência à carga pontual apresentada no
gráfico de distribuição de freqüência na Figura
6.
6
APLICAÇÕES
DO
MATERIAL
ANALISADO COMO AGREGADO NA
CONSTRUÇÃO CIVIL
1
Frequencia Relativa
O comportamento mecânico, químico e
outras propriedades de interesse das rochas,
quando utilizadas como material de construção,
principalmente como agregadas dependem de
inúmeros parâmetros, por exemplo, a
quantidade de vazios presentes nas rochas. Vale
salientar que os vazios estão intimamente
ligados às características estruturais das rochas,
principalmente no que diz respeito à presença
de descontinuidades.
Devido à grande variabilidade nas
propriedades das rochas, podem-se tomar como
referência algumas medições básicas para
descrever as rochas quantitativamente. Algumas
propriedades por serem relativamente fáceis de
serem medidas, são muito úteis para descrever
as propriedades índices das rochas. Estes
ensaios têm como objetivo determinar os
índices físicos que podem se correlacionar com
a quantidade de vazios presentes no tipo de
rocha analisada.
Os índices obtidos através neste ensaio
foram:
• Massa específica aparente seca;
• Massa específica aparente saturada;
• Absorção d’água;
• Porosidade aparente.
Os
resultados
deste
ensaio
estão
apresentados na Tabela 1. Estes resultados se
mostram coerentes a não ser quando se
correlaciona a absorção de água e a porosidade
com os resultados de resistência a compressão
simples. Esperava-se que o valor de absorção de
água e porosidade fossem superiores aos
obtidos devido ao grau de alteração da rocha
analisada e a baixa resistência a compressão
simples de um dos ensaios realizados.
0,8
0,6
0,4
0,2
0
180
205
230
μ = 277,23 MPa
σ= +/-56,47 MPa
255
280
305
330
355
380
405
430
455
Resistência Pontual
Figura 6. Distribuição de freqüência da resistencia a
compressão pontual.
Caracterizar o comportamento mecânico do
maciço rochoso é de grande importância para
geologia de engenharia, sobretudo quando a
atividade desenvolvida pelo engenheiro ou
geólogo esta ligada a obras subterrâneas, como
a construção de túneis ou quando o maciço
serve de suporte para fundações, seja para um
edifício ou até mesmo uma barragem ou uso da
rocha como material de construção é
imprescindível.
Baseado nos resultados obtidos, essa rocha,
nas condições as quais foram ensaiadas, podem
ser utilizadas como agregado para concreto, em
pavimentos, em lastro ferroviário, obras de
enrocamento e rip-rap.
7
CONCLUSÕES
Diante do exposto ao longo deste trabalho,
pode-se concluir que:
• A rocha nas condições em que foi
analisada atende todos os critérios préestabelecidos pelas referências consultadas para
seu uso como agregado na construção civil,
apresentados na Tabela 01;
• No ensaio de compressão simples
constatou-se uma diferença de até 37% na
tensão de ruptura dos corpos de prova. Creditase esta diferença principalmente ao elevado
grau de alteração das amostras.
• No ensaio de carga puntiforme espera-se
estimar com razoável precisão a tensão de
compressão máxima de uma rocha, entretanto
os resultados não foram satisfatórios. Esses
resultados podem ser justificados novamente
remetendo-se ao elevado grau de alteração
observado em alguns dos fragmentos de rocha
utilizados na execução dos ensaios.
• Os resultados obtidos através do ensaio
de absorção de água se mostram coerentes,
quando analisados isoladamente. Ao comparar
esses resultados com o resultados dos ensaios
de compressão simples, com o de carga pontual
e até mesmo com a análise visual da amostra,
onde foi possível observar um consideralvél
grau de alteração (evidenciado pela coloração
da rocha), esses valores são considerados
baixos.
REFERÊNCIAS
Alvarez, H.I.P. (2004).Ensaios não convencionais para
determinação da tenacidade à fratura em rochas:
análise e comparação. Dissertação de Mestrado.
EESC/USP. São Carlos/SP.
Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT –
NBR 6458-MB29 (1984). – Grãos de Pedregulho
Retidos na Peneira de 4,8mm – Determinação da
massa específica, massa específica aparente e da
absorção de água.
Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT –
NBR 7809 (1983). – Agregada Graúda –
Determinação do índice de forma pelo método do
paquímetro.
Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT –
NBR 8938/ (1985). – Lastro Padrão – Determinação
da Resistência ao Choque.
ASTM D – 2938/ (1995) – Standard test method for
unconfined compressive strength of intact rock core
specimens.
DNER – ME035/ (1998) – Método para determinação de
abrasão Los Angeles.
DNER – ME197/ (1997) – Agregados – Determinação da
resistência ao esmagamento de agregados graúdos.
Geologia de Engenharia (1998) – Associação Brasileira
de Geologia de Engenharia – p. 331-342
Instituto de Pesquisas Tecnológicas – IPT (1980) –
Características tecnológicas das rochas ornamentais
utilizadas como materiais de construção civil do
estado de São Paulo. IPT. Relatório 14.710. São
Paulo.
International Society of Rock Mechanics - ISRM (1985).
Suggeted method for determining point load strength.
International Journal of Rock Mechanics and Mining
Sciences, Oxford, v.22, n.2, p.51-60.
Verhoef, P. N. W. e Van de Wall, ARG. (1998).
Application of Petrography in Durability assessment
of Rock Construction Materials Aggregate Resources,
Balkema, p 307-330.