Caracterização do Fino do Rejeito de Lastro Ferroviário para Emprego em Pavimentação

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1 Caracterização do Fino do Rejeito de Lastro Ferroviário para Emprego em Pavimentação Bárbara Elis P. Silva Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, Brasil, Antônio Carlos R. Guimarães Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, Brasil, José Carlos da Silva Filho Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, Brasil RESUMO: O presente artigo aborda o estudo de um material fino presente no rejeito de lastro ferroviário com o principal objetivo de conhecer suas características químicas e mineralógicas a fim de complementar a análise da viabilidade técnica da sua utilização como agregado alternativo para pavimentação. O uso do rejeito de lastro como agregado alternativo é uma solução para o emprego desse material após o desguarnecimento e uma alternativa à extração de britas do meio ambiente. Para serem usados, os materiais alternativos devem apresentar características compatíveis às dos materiais convencionais. Neste trabalho será apresentada a composição granulométrica do lastro degradado e uma identificação detalhada das características do material fino presente neste lastro. A caracterização morfológica e a identificação dos elementos químicos presentes foram feitas através dos ensaios de MEV/EDS. A análise qualitativa foi feita através do ensaio de difração de raio-x e os resultados são apresentados neste artigo. Espera-se que os resultados estejam dentro dos limites estabelecidos para os materiais convencionalmente utilizados em obras de pavimentação,especificamente em base ou sub base, permitindo confirmar a viabilidade técnica do emprego do material em estudo. A partir da utilização do rejeito de lastro como agregado alternativo para pavimentação, é possível criar uma nova perspectiva sustentável para o gerenciamento desses rejeitos e diminuir a extração de material, atenuando possíveis impactos causados ao meio ambiente. PALAVRAS-CHAVE: Agregado Alternativo, Pavimentação, Lastro, Caracterização, EDS 1 INTRODUÇÃO O Lastro é o material granular britado colocado como o topo da camada de infra-estrutura ferroviária no qual os dormentes ficam agregados/inseridos. (Selig e Waters,1994). Ele situa-se entre os dormentes e, segundo Brina, (1979), dentre suas principais funções, estão: a)distribuir convenientemente sobre a plataforma os esforços resultantes das cargas dos veículos, b)formar um suporte, até certo limite elástico, atenuando as trepidações resultantes das passagens dos veículos e c)suprimir as irregularidades da plataforma, formando uma superfície contínua e uniforme para os dormentes e trilhos. O material ideal para lastro é composto de grãos angulares, britados, livres de poeira, sujeira e não propenso a cimentar (Selig e Waters,1994). No Brasil, os materiais para lastro são selecionados de acordo com a especificação da NBR 5564, onde encontra-se as condições exigidas para o lastropadrão a ser usado na via férrea tais como granulometria, propriedades de resistência e forma do material. Geralmente o material de lastro é constituído por britas de tamanho médio a grande, sendo seu tamanho variado entre 38 e 76mm. A Figura 1 ilustra os elementos da via permanente e identifica a localização do lastro: entre os dormentes e acima do sublastro.

2 Figura1. Elementos da via permanente A ferrovia em estudo utiliza para o seu lastro a granulometria especificada na norma americana AREMA (American Railway Engineering and Maintenance Way. Association). Esses valores são indicados na Tabela 1, a seguir: Tabela 1. Especificação granulométrica para lastro (Fonte: Adaptado de AREMA) Tamanho nominal Porcentagem Passante da Faixa abertura da 2 1/2" 2" 1 1/2 " 1" peneira 1/2" 3 2" - 1" Ao longo da vida de serviço, as propriedades do lastro se alteram devido à degradação dos grãos e a contaminação por materiais externos, o material torna-se inservível e o lastro perde suas principais funções. A degradação ocorre devido à passagem de veículos, impondo carregamentos cíclicos e vibrações em diferentes freqüências e intensidades (KLINCEVICIUS, 2011). A quebra dos grãos diminui a vida útil do lastro,gera partículas finas e aumenta gastos com manutenção. Existe ainda, uma contaminação decorrente das cargas transportadas. O material perdido durante o transporte deposita-se sobre o lastro e se acumula entre as rochas do mesmo. Nesse caso, a presença de materiais de baixa granulometria (finos) determina o aumento de rigidez e a queda da capacidade de drenagem de água pelo mesmo. Segundo o Glossário do Setor Ferroviário, publicado pelo DNIT, o lastro que perdeu a permeabilidade necessária, é considerado sujo ou contaminado. É importante destacar que o termo contaminado se refere à perda da permeabilidade e não à contaminação como entendida pela legislação ambiental. Em termos ambientais,a contaminação ocorre quando existe a presença de substância(s) química(s) no ar, água ou solo, decorrentes de atividades antrópicas, em concentrações tais que restrinjam a utilização desse recurso ambiental para os usos atual ou pretendido, definidas com base em avaliação de risco à saúde humana, assim como aos bens a proteger, em cenário de exposição padronizado ou específico (CONAMA, 2009). Em função disto, a partir desse ponto chamaremos o lastro que teve sua rigidez aumentada e sua capacidade de drenagem diminuída pela presença dos finos de lastro degradado. Quando a degradação atinge nível elevado e as funções do lastro ficam comprometidas, é feito o desguarnecimento do lastro. Esse trabalho é feito por um equipamento chamado desguarnecedora e consiste basicamente de um peneiramento, onde as britas degradadas são retiradas juntamente com as partículas finas que estão sobre o material de lastro. O objetivo do desguarnecimento é retirar o material que compromete as funções do lastro, visando garantir a qualidade da geometria da via férrea, aumentar a capacidade de drenagem e a vida útil de toda a superestrutura e infraestrutura da via. O material retirado é disposto no ambiente contribuindo para o aumento do passivo ambiental nas regiões próximas até ser destinado para um aterro sanitário local. O presente trabalho tem como objetivo caracterizar o fino presente nesse resíduo de lastro a fim de agregar valor e dar uma destinação mais nobre, utilizando-o como agregado de pavimentação. Para isso é preciso evitar que haja uma transferência de problema ambiental para a engenharia rodoviária. Ou seja, o fino não pode ser um contaminante ao meio ambiente.

3 2 MATERIAIS E MÉTODOS A idéia principal do trabalho é analisar a origem da composição mineralógica dos finos do lastro, pois este fino pode ser oriundo tanto dos drenos do minério de ferro transportado pelos vagões, quanto da brita constituinte do lastro. Esta análise é fundamental para fins de estudos da aplicação futura do lastro degradado, pois em caso de excesso de minério de ferro isto pode limitar, em termos ambientais, a reutilização deste material em obras geotécnicas. Além disso, existe sempre a incômoda possibilidade de bombeamento dos finos das camadas inferiores do pavimento, devido à ação do tráfego dos vagões, Selig e Waters (1994).O material de lastro degradado utilizado neste estudo é proveniente de uma ferrovia que liga dois estados das regiões norte e nordeste do país. Por esta ferrovia são transportados diversos tipo de produtos, desde grãos a minério de Ferro. O material para estudo foi recebido no laboratório Ferroviário do Instituto Militar de Engenharia em Julho/2013. Trata-se de um material predominantemente granular, de coloração avermelhada, e com grande presença de finos, devido tanto à contaminação com minério proveniente dos vagões quanto dos próprios finos da rocha constituinte do lastro, que vai se degradando ao longo da operação da via. submetida a ensaios de densidade real, aparente e a difração de raio-x para conhecer a morfologia da rocha. Os ensaios de caracterização do solo foram preparados a partir do ME 041(DNER,1994) de preparação de amostra. O quarteamento foi executado no quarteador de uma polegada e a análise granulométrica por peneiramento feita de acordo com o Método de Ensaio 80(DNER,1994). A ferrovia analisada utiliza as especificações granulomátricas da faixa 3 determinada pelo Manual do AREMA (American Railway Engineering and Maintenance Way Association) para o material de lastro. As partículas finas, elemento de maior interesse neste estudo, foram submetidas a ensaios de avaliação microestutural através de Microscopia Eletrônica por Varredura (MEV) e a caracterização química através da Espectroscopia de Energia Dispersiva(EDS). Foi retirada uma amostra na fração fina e através do MEV obteve-se imagens de alta resolução de diferentes pontos da amostra, a fim de estudar a composição química e a superfície deste finos. Por fim, a amostra de finos foi submetida ao ensaios de difração de raio-x. É um ensaio não destrutivo e é uma das principais técnicas de caracterização microestrutural de materiais cristalinos. 3 RESULTADOS E DISCUSSÕES A análise granulométrica apresentou um material nitidamente fora da faixa considerada pela empresa, por este motivo tinha sido desguarnecido há pouco tempo. O resultado da granulometria pode ser observado na Figura 3. Figura 2. Aspecto Geral do Lastro Estudado de Coloração Avermelhada Devido a Presença de Minério de Ferro e com Elevada Porcentagem de Finos. O agregado foi caracterizado quanto à granulometria e destorroado. A parte graúda foi

4 Figura 3. Distribuição granulométrica do lastro degradado estudado Os limites superior e inferior da faixa de referência do AREMA são apresentados pelas curvas de cores verde e vermelha, respectivamente. O resultado da granulometria é mostrado através da curva azul. Para a peneira de 12,5mm, a máxima porcentagem passante deveria ser de 5% e no material analisado, obteve-se 47,1%; para a peneira de 25mm a porcentagem passante máxima permitida seria 15% e o resultado mostrou que esse valor foi de 78,9% e por último, a porcentagem máxima permitida de material passante para a peneira de 37,5mm seria de 70% e obteve-se 85%. As Figuras 4 e 5 mostram o resultado da Microscopia Eletrônica de Varredura. A primeira imagem é feita com o aumento de 300 vezes. e a segunda com 500 vezes: Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) Figura 5. MEV da amostra de finos, aumento de 500x A partir da análise microscópica, é possível perceber que a granulometria dos finos apresenta um range de 24,49 a 266 micrômetros e as partículas destes finos não estão agregadas. EDS No EDS é feita uma análise qualitativa e obtém-se a composição químicados finos através da leitura do espectro dos elementos presentes na amostra e expressa em um gráfico. As leituras de três pontos da amostra são apresentadas a seguir, em três gráficos diferentes, ilustrados nas Figuras 6, 7 e 8. Figura 4. MEV da amostra de finos com aumento de 300x Figura 6. Gráfico de resultado do EDS, ponto 1.

5 Figura 7. Gráfico de resultados do EDS, ponto 2. Figura 8. Gráfico de resultados do EDS,ponto 3 Analisando os gráficos apresentados é possível observar que os materiais Fe e SiO 2 são característicos da amostra. Nos gráficos das Figuras 6 e 8, o FeO apresenta picos altos, com uma porcentagem média de 50,70% considerando as três representações. Já no gráfico da Figura 7, a predominância é do material SiO 2, sendo seu valor médio de 10,09% considerando os três gráficos. Figura 9. Difratometria da amostra de fino Através da indexação, pôde-se identificar a presença de hematita na amostra de finos. A cor avermelhada é característica desse material (Figura 2). Ela é constituinte do minério de Ferro, material transportado através dessa ferrovia. Chemale Junior e Takehara (2013) estudaram a mineralogia de diversos depósitos de minério de ferro ao redor do mundo, inclusive o de Carajás, constatando que as formações ferríferas da Formação Carajás são compostas por diferentes tipologias de minérios, todos pertencentes a fácies óxidos. Os principais tipos de minérios são hematita, jaspilitos e canga (material superficial). A fim de conhecer a origem dos demais elementos identificados neste fino, fez-se a análise difratométrica do material constituinte do lastro e também do minério de ferro transportado naquela via. As Figuras 10 e 11 a seguir apresentam o gráfico proveniente destas análises: Difração de Raios-X A difração de raios-x permite estudar materiais a nível atômico, descobrindo e estudando sua estrutura. A amostra de finos foi submetida à análise difratométrica e o resultado é apresentado na Figura 9. Figura 10. Difratometria da amostra de rocha do lastro O constituinte SiO 2 encontrado na análise química qualitativa EDS, provavelmente é oriundo da quebra da rocha do lastro. Sabe-se

6 que a estrutura cristalina do quartzo é formada por cadeias de SiO 2. Por intermédio da difração de raio-x, o difratograma da Figura 10, aparesenta o quartzo como material constituinte da rocha, um gnaisse, e da fração de finos coletados no lastro degradado. considerando-se que os óxidos de ferro são cimentos naturais, é bem provável que o lastro tenha desenvolvido um indesejável enrijecimento devido a presença do minério no lastro, aumentando as tensões de trabalhos nos fixadores e nos trilhos. Não foram encontrados argilominerais nestes finos, indicando não ter havido bombeamento de finos do sublastro do pavimento. Essa pesquisa abre espaço para outros estudos a fim de reutilizar o material de desguarnecimento. Diversos outros ensaios são necessários para melhor compreensão do desempenho deste agregado REFERÊNCIAS Figura 11. Difratometria da amostra do minério A difração de raios-x, mostrada na figura 11, indica a presença de hematita, encontrada no minério de ferro de Carajás, conforme citado por Chemale Junior e Takehara (2013). 4 CONCLUSÕES A análise granulométrica por peneiramento indicou que o lastro degradado coletado de fato encontrava-se com uma distribuição não enquadrada na faixa admissível para lastro, sendo necessária a intervenção para manutenção. A análise por microscopia eletrônica de varredura indicou que os componentes dos finos do lastro degradado analisados possuem um range entre 24,49 e 266 micrômetros e não estão agregados. A análise por Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS) indicou a presença de FeO e SiO 2 na fração fina do lastro degradado. A difração de raios-x indicou a presença de hematita, provavelmente oriunda do minério de ferro, e de quartzo, provavelmente oriundo da rocha do lastro, na fração de finos do lastro degradado estudado. Ou seja, a granulometria do lastro foi alterada pela presença do minério que frequentemente cai dos drenos dos vagões, prejudicando o desempenho desta camada do pavimento ferroviário. Além disso, AREMA - American Railway Engineering Association. Manual of Recommended Practice. Chicago, 1964 Brina, H.L. Estrada de Ferro 1 Via Permanente. Rio de Janeiro. Livro Técnico e Científico S.A Chemale Junior e Takehara, Geologia e Metalurgia,2013 CONAMA, Resolução CONAMA nª 420 de 2009 DNER-Departamento Nacional de Estradas de Rodagem. ME. 041: Solos:Preparação de amostras para ensaios de caracterização. Rio de Janeiro,1994. DNER-Departamento Nacional de Estradas de Rodagem. ME. 080: Solos: Análise Granulométrica por peneiramento. Rio de Janeiro,1994 DNIT, Glossário Ferroviário,2010 Klincevicius,M.G.Y. Estudo de propriedades, de tensões e do comportamento mecânico de lastros ferroviários. Dissertação de Mestrado, Programa de pós-graduação em Engenharia de Transportes,USP, 156p. Selig, E.T e Waters, J.M. Track Geotechnology and Substructure Management. Thomas Telford Services, Londres, 1994.