Análise das Correlações para Estimativa das Propriedades Mecânicas de Agregados Através de Ensaios em Granito.

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1 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

2 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, g/cm³). 2.3 Ensaios de Resistência da Rocha 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 (σ c ), 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, a 2,5, como exigi a Norma ASTM D As bases das amostras eram planas e paralelas, para que não ocorresse concentração de tensões. Após todas as verificações dos corpos de

3 prova, iniciaram-se os ensaios das 3 amostras, aplicando carga até a ruptura 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 2 fragmentos de granito com dimensão de ± 5 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 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 1 kg de pedra britada ou pedregulho, passando pela peneira com abertura de 38,1mm e retido na de 25,4mm. Dessa amostragem, retirou-se 5 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 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 (P a ) 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 4 kn foi aplicada à razão de 4 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. Pa P' a R E = 1 (1) P a 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 5 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. m m' A = 1 (2) m 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.

4 Tabela 1. Caracterização das propriedades do material. Amostra ρ d ρ sat Volume S (%) η (%) (g/cm³) (g/cm³) (cm³) 1 2,62 2,63,33,88 91,4 2 2,62 2,63,35,93 54,83 3 2,62 2,63,41 1,8 68,82 4 2,62 2,63,42 1,1 45,66 5 2,62 2,63,45 1,17 61,39 Média 2,62 2,63,39 1,3 64,35 Obs.: ρ d = massa específica aparente seca, ρ sat = 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 , Q-Puntiforme 1, Q =,83De² + 2,9372 R 2 =,5917 1, 1, Figura 3: Ensaio de carga pontual, gráfico Q x D e ². Os valores médios de I S 5 e σ c, estão apresentados na Tabela 2. Tabela 2. Resultados médios - Ensaio de Carga Pontual. P (Kgf/cm²) Q (kn) I s 5 (MPa) σ c (MPa) 66,8 21,46 8,58 25,99 Obs.: P = Tensão lida no manômetro, Q = carga pontual aplicada, I S 5 = índice de resistência, σ c = resistência à compressão. De² % ,-,1,1-,2,2-,3,3-,4 4-,5,5-,6 b/a c/b,6-,7,7-,8,8-,9 Figura 2: Histograma da forma dos agregados.,9-1, b/a c/b >1, 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 σ c (tensão) vs ε (deformação) para as 3 amostras de granito ensaiadas. 3.2 Resultados dos Ensaios de Resistência da Rocha 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 2 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 (I S 5) e com este valor estimar a resistência à compressão (σ c ) da rocha. σ c (MPa) ,E+ 2,E-3 4,E-3 6,E-3 8,E-3 Deformação Figura 4: Ensaio uniaxial, gráfico σ c x ε. CP 1 CP 2 CP 3 Os valores de tensão, deformação, e as dimensões médias de cada corpo de prova estão apresentadas na Tabela 3.

5 Tabela 3. Valores do ensaio de compressão uniaxial. Dimensões Amostras σ médias (mm) c (MPa) ε l 119,2 CP1 178,9 8,78E-3 Ø 52,2 l 118,78 CP2 175,29 8,76E-3 Ø 52,19 l 116,98 CP3 172,64 8,75E-3 Ø 52,31 Médias de σ c e ε 175,61 8,77E Resultados dos Ensaios de Agregados Para a análise da resistência ao esmagamento aplicou-se a equação 1 e obteve-se o valor de R E = 21,14 %. Com aplicação da equação 2, para o ensaio de resistência à abrasão Los Angeles, foi obtido o valor de A = 3,8 %. 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 (21). 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. Presente estudo IPT (198) ρ d (g/cm³) η (%) S (%) A LA (%) R E (%) σ c (MPa) 2,62 1,3,39 3,8 21,14 175,6 2,631 ±,71,78 ±,34,28 ±,11 33 ± 7 23 ± ± 27 Obs.: ρ d = massa específica aparente seca, η = porosidade, S = absorção de água, A LA = perda de massa por abrasão, R E = perda de massa por esmagamento, σ c = 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 amostra, e possível minoramento da resistência. A resistência à compressão unixial, é o valor mais discrepante, cerca de 1% 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 (21), 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) I s (MPa) Figura 5: Correlação entre I S e σ c. As correlações entre o ensaio de resistência à carga pontual e de agregados estão apresentados nas Figuras 6 e 7. RE (%) Is (MPa) Figura 6: Correlação entre I S e R E.

6 ALA (%) Is (MPa) Figura 7: Correlação entre I S e A LA. As Figuras 8 e 9 apresentam as correlações entre o ensaio uniaxial e o ensaio de agregados. RE (%) σ c (MPa) Figura 8: Correlação entre σ c e R E. ALA (%) σ c (MPa) Figura 9: Correlação entre σ c e A LA. 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. 4 CONCLUSÕES 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 (21). 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 Al-Harthi, A.A. (21) A field index to determine the strength characteristics of crushed aggregate, Bulletin Engineering Geology and Evironment 6: Frazão, E.B. (22) Tecnologia de rochas na construção civil, ABGE. IPT (198) Caracterização tecnológicas das rochas utilizadas como material natural de construção civil do estado de São Paulo, Relatório. ABNT NBR 6458-MB29 (1984) Determinação da massa específica, massa específica aparente e da absorção de água. ABNT NBR 789 (1983) Determinação do índice de forma pelo método do paquímetro. ABNT NBR 8938/ (1985) Determinação da Resistência ao Choque. ASTM D 2938/ (1995) Standard test method for unconfined compressive strength of intact rock core specimens. DNER ME35/ (1998) Método para determinação de abrasão Los Angeles. DNER ME197/ (1997) Agregados Determinação da resistência ao esmagamento de agregados graúdos. 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.51-6.