44ª Reunião Anual de Pavimentação e 18º Enacor

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1 CARACTERIZAÇÃO DO LASTRO FERROVIÁRIO DEGRADADO VISANDO SEU EMPREGO EM CAMADA DE BASE DE PAVIMENTOS RODOVIÁRIOS Bárbara Elis P. Silva Instituto Militar de Engenharia Antônio Carlos R. Guimarães Instituto Militar de Engenharia Virlene Leite Silveira Instituto Militar de Engenharia RESUMO O presente trabalho apresenta a caracterização de um lastro degradado obtido após a operação de desguarnecimento de uma ferrovia da região Norte do país. O lastro é a primeira camada do pavimento ferroviário e é constituído de rochas britadas, tradicionalmente de forma angular. O material da pesquisa, por ser desguarnecido, é constituído de agregados graúdos e uma parcela de finos. Através de ensaios físicos e mecânicos foi possível conhecer o agregado graúdo e montar um traço de mistura solo lastro utilizando um solo da mesma região de onde o lastro degradado foi coletado. O objetivo é trazer a conhecimento as características desse material degradado e fomentar a utilização do mesmo como material de base estabilizada granulometricamente. Fazendo uso de um solo dos arredores de onde o lastro degradado foi coletado, esperase que o traço proposto neste trabalho possa ser utilizado como camada de base em pavimentos de baixo custo naquela região.os resultados indicaram tratar-se de um material viável para aplicação em camadas de pavimentos. Palavras-chave: lastro, ferrovia, agregado alternativo, pavimentação ABSTRACT This paper presents the characteristics of a degraded ballast obtained after stripping operation of a railroad in the North of the country. The ballast is the first layer of Railway Pavement and it consists of hard rocks and stones crushed traditionally angularly. The researched material, has been stripped from the railway so it consists of coarse aggregate and a fine portion. Through physical and mechanical tests it was possible to know the coarse aggregate and set up a soil mixture of trace - ballast using a soil of the same region where the degraded ballast was collected. The goal is to bring the knowledge the characteristics of this degraded material and encourage its use as a stabilized base material, making use of a soil from that region where the degraded ballast was collected, so that the stroke proposed in this paper can be used as a base layer in low-cost flooring in the region. Key-words: ballast, railway, alternative aggregate, paving

2 1. INTRODUÇÃO O uso exagerado dos recursos naturais e agressões ao meio ambiente tornaram-se preocupações de ordem mundial há pouco mais de três décadas. Segundo a Global Footprint Network, uma organização internacional pela sustentabilidade, parceira global da WWF, até o mês de agosto de 2014, a humanidade.teria usado todos os recursos naturais do planeta disponíveis para aquele ano. O cálculo é feito anualmente pela organização e para chegar a este resultado é feito um rastreamento do que a humanidade demanda em termos de recursos naturais (alimentos, matérias-primas e gás carbônico) e compara-se com a capacidade de reposição destes recursos pela natureza e de absorção de resíduos. Ou seja, o homem tem utilizado mais recursos naturais do que dispõe. Por este motivo, centenas de países iniciaram uma busca por alternativas á exploração desses recursos e a novas idéias para a destinação dos resíduos produzidos em seu território. No Brasil, diversas universidades, em parceria com empresas privadas desenvolvem pesquisas de técnicas de reaproveitamento de resíduos e aplicações para as mesmas em diversos segmentos, a citar COSTA(2013), SANTOS(2013) e ALECRIM(2009). A reutilização como agregados alternativos em obras de pavimentação mostra-se uma alternativa útil e viável, uma vez que o transporte rodoviário é o mais utilizado no território brasileiro. De acordo com o Relatório Executivo do Plano Nacional de Logística e Transportes, publicado em 2007, o modal rodoviário representava 58% da matriz de transportes brasileira seguido pelo ferroviário, com uma participação de 25% na época da publicação. Em 2012, os novos valores seriam 52% para o rodoviário e o modal ferroviário já teria atingido 30%, segundo matéria publicada pelo site Transporta Brasil. O PAC (Programa de Aceleração do Crescimento e o PNLT(Plano Nacional de Logística e Transportes) prevêm investimentos bilionários na infraestrutura dos transportes brasileiros, com o principal objetivo de reduzir essa disparidade no uso dos modais e permitir melhoria na logística do transporte de cargas até o interior do país e do interior até os portos. Para o modal ferroviários os projetos contemplam criação de novos trechos e duplicação de alguns já existentes. Dentro deste contexto, o presente trabalho apresenta um breve estudo do material de lastro ferroviário degradado e portanto, inservível para a ferrovia, visando seu emprego como agregado alternativo em camadas de pavimento ferroviário. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA No Brasil existe hoje um total de km de linha férrea, distribuídos pelas regiões Sul, Sudeste e Nordeste, atendendo parcialmente o Centro-Oeste e a região Norte do país. Desse total, km são destinados ao transporte ferroviário de cargas e os km restantes são referentes a malhas locais, operadas por trens

3 urbanos e trens turísticos de passageiros. (CNT,2011). Esse número tende a aumentar uma vez que atualmente existem diversos projetos federais que contemplam ações em investimentos públicos na área de infraestrutura. O principal objetivo deles é o desenvolvimento de uma logística integrada nacionalmente, vislumbrando a ligação de diversas áreas produtivas e potencialmente produtivas do país. Para o modal ferroviário, prevêem ampliação das ferrovias existentes e criação de novos trechos. 2.1 O pavimento ferroviário O pavimento ferroviário, assim como o rodoviário, é composto por camadas, que têm como função suportar os esforços gerados pelos veículos que por ele trafegam. A figura 1 permite visualizar um pavimento ferroviário, com seus componentes. Figura 1. Componentes de uma via férrea (KLINCEVICIUS,2010) A camada de lastro é a primeira camada a contar a partir dos dormentes, é formada por pedras britadas, dimensionadas de acordo com especificações normatizadas. A norma brasileira que apresenta exigências para o material a ser utilizado como lastro- padrão é a 5564/91 Via Férrea: Lastro-padrão. Algumas ferrovias brasileiras adotam especificações da norma americana AREMA (American Railway Engineering and Maintenance of Way Association). Ambas indicam materiais como granito, basalto, gnaisse e também alguns tipo de escória de aciaria para serem empregados nessa camada. SELIG & WATERS(1994) define como principais funções do lastro a capacidade de resistir verticalmente, lateralmente e longitudinalmente às forças aplicadas aos dormentes, mantendo a uniformidade da via; fornecer resiliência à via; permitir drenagem da água que penetrar pela camada; reduzir as tensões recebidas a níveis aceitáveis para os matérias das camadas subjacentes. Com o passar do tempo, a degradação mecânica sofrida pelo lastro devido às operações de manutenção e aos esforços impostos pelas cargas, associada ao intemperismo químico ocasionado pelas mudanças climáticas e ainda a queda de

4 partículas finas do material transportado preenchendo os vazios entre as britas leva a uma alteração na sua granulometria. Quando isso acontece o lastro enrijece e começa a perder capacidade de exercer suas principais funções, tendo que ser trocado por material de lastro novo. O processo de retirada do material de lastro inservível e a substituição por outro recebe o nome de desguarnecimento. O material de lastro desguarnecido é, portanto, aquele lastro com granulometria fora da especificada e com grande presença de finos, que perdeu a elasticidade necessária para suportar os impactos e sua capacidade de drenagem. 2.2 Agregados para pavimentação rodoviária Segundo o Manual de Pavimentação (DNIT,2006), os agregados utilizados em obras de pavimentação podem ser divididos em três grandes grupos, segundo sua a)natureza, b)tamanho e c) distribuição dos grãos Quanto á natureza, Bernucci et al(2010) classifica os agregados em: Natural: São aqueles que tem fontes de ocorrência natural e são obtidos por processos convencionais de desmonte, escavação e dragagem. Ex: pedregulhos, britas, seixos e areias. Esses agregados podem ser empregados na pavimentação na forma e tamanho como se encontram na natureza Artificial: São os agregados proveniente de resíduos de processos industriais ou fabricados especificamente com o objetivo de alto desempenho, como é o caso da argila calcinada (BERNUCCI et al 2010 apud CABRAL,2005). Como exemplo de resíduos de processos industriais tem-se as escórias de aciaria e de alto forno. Reciclado: Enquadram-se nessa categoria aqueles provenientes de reuso de materiais diversos Ex: revestimentos asfálticos reciclados e o resíduo de construção civil O material utilizado neste artigo enquadra-se na categoria de agregados reciclados. Quanto ao tamanho, os agregados dividem-se em graúdos, miúdos e de enchimento. Os graúdos são aqueles com dimensões maiores do que 2,0 mm, ou seja, retidos na peneira #10. Ex: britas, cascalhos e seixos Já os miúdos são aqueles passantes na peneira #10 e retidos na peneira #200 ( 0,075 mm). Aqueles materiais finos, que passam pela 0,075mm são os chamados de materiais de enchimento. Como exemplo tem-se o cimento e a cal hidratada Quanto à distribuição dos grãos, tem-se:

5 Graduação densa: onde o material é bem graduado e a quantidade de material fino é suficiente para preencher os vazios entre os agregados maiores; Graduação aberta: Apresenta graduação contínua e bem graduada, como a densa, porém difere-se dela pois seus finos são insuficientes para preencher os vazios existentes entre as partículas maiores Graduação tipo macadame ou uniforme: os agregados apresentam partículas de um único tamanho, ou seja, granulometria uniforme. Na pavimentação rodoviária, a camada de base do pavimento flexível pode ser do tipo granular ou estabilizada. As granulares constituídas por estabilização granulométrica são compostas por solos, britas de rocha, escória de alto forno ou da mistura desses materiais, a que dá-se o nome de mistura solo-agregado. Já as granulares tipo macadame hidráulico são compostas por britas de graduação aberta de tipo especial que, após a compressão os vazios são preenchidos com material de enchimento. As bases estabilizadas tem processos tecnológicos e construtivos similares às bases granulares, porém nas estabilizadas adiciona-se pequenos teores de aditivos para incrementar as propriedades mecânicas do solo utilizado. 3. MATERIAIS E MÉTODOS O material de lastro degradado utilizado no desenvolvimento deste trabalho foi recolhido após o desguarnecimento de um trecho que passa pela cidade de Açailândia/MA. As britas apresentavam granulometria grossa, com o diâmetro máximo de 38 mm. A figura 2 apresenta a curva granulométrica do material e considera os limites granulométricos estabelecidos pela Faixa 3 da norma AREMA.Os limites desta faixa são adotados pela ferrovia em questão. Analisando a Figura 2 é possível visualizar que todas as faixas estavam fora do estabelecido pela norma, o que corrobora para o fato deste material ser retirado da via férrea.

6 Figura 2. Granulometria do lastro em comparação com a granulometria da Faixa 3 da norma AREMA. Para a realização dos ensaios, a amostra passou pelo quarteador de 1. Além da análise granulométrica, o material estudado foi submetido a ensaios mecânicos como a perda ao choque no aparelho Tréton, conforme ME 399/99 (DNER), determinação da abrasão Los Angeles, conforme ME 35/98 (DNER) e ao ensaio triaxial de cargas repetidas para obtenção do módulo resiliente, com intenção de conhecer o comportamento deste material quando recebe aplicação cíclica de cargas, simulando a aplicação de cargas impostas pelo tráfego dos veículos. As figuras 4 e 5 mostram a execução de dois ensaios. Fig. 4 Execução do ensaio de perda ao choque no aparelho Tréton Fig. 5 Execução do ensaio de abrasão Los Angeles Para o ensaio de MR foi feita uma mistura de solo e material de lastro, sendo composta por 30% de solo e 70% de lastro. O solo utilizado é um laterítico arenoso proveniente da mesma região onde a amostra de lastro foi coletada e suas características são apresentadas na Tabela 1. Durante o desenvolvimento deste trabalho foi denominado Solo 29.

7 Tabela 1 Classificação do solo utilizado na mistura SOLO 29 Umidade ótima (%) Massa Esp. Aparente Seca Máxima (g/cm³) Limite de Liquidez Índice de Plasticidade Classificação MCT Classificação granulométrica 12,70% 1,94 19,50% 10% LA' Areia grossa silto - argiloso Foram moldados quatro corpos de prova, com as dimensões de 10 cm x 20 cm, com diferentes teores de umidade. O primeiro (CPI) com 3,25%; o segundo (CPII) com 4%; o terceiro (CPIII) com 4,5% e o último (CPIV) com 5% de água. A figura 6 ilustra os corpos de prova moldados para o ensaio de módulo resiliente. Figura 6. Corpos de prova submetidos ao ensaio triaxial de cargas repetidas: (a) CPI (b) CPII (c)cpiii (d) CPIV Na fração fina do material foi feito o ensaio de equivalente de areia, conforme ME 054/97(DNER) e exigência da 141/2010.

8 4. ANÁLISE DE RESULTADOS A curva granulométrica obtida para a amostra de lastro estudada é apresentada na figura 7. Figura 7. Granulometria do lastro degradado em comparação com a granulometria da Faixa A da norma 141/2010. O lastro degradado apresentou granulometria densa, com tamanho de grãos que variavam de 50,8 mm até finos passantes na peneira de 0,075 mm. Comparando a porcentagem passante do material de lastro degradado com as faixas granulométricas estabelecidas na norma 141/2010 para serem utilizadas em camadas de base, o lastro estudado manteve-se próximo do limite estabelecido para a Faixa A, da referida norma. Tal faixa é indicada para trechos onde N> 5 X10 6. O impacto que o material sofre durante o ensaio no aparelho Tréton caracteriza um esforço de natureza dinâmica semelhante às solicitações impostas pelo tráfego dos veículos. Ele avalia a resistência mecânica do agregado graúdo a ser utilizado em camadas de pavimentos. O resultado obtido para o material de lastro é apresentado na tabela 1 e foi comparado com valores obtidos por COSTA(2013), que ensaiou a escória de aciaria para emprego em pavimentação e com o resultado obtido por SANTOS (2013) para a Brita 1, que comumente é utilizada em camadas de pavimentos rodoviários.

9 Tabela 2 Resultado obtido no ensaio de perda ao choque no aparelho Tréton Perda ao choque no aparelho Tréton (DNER - ME 399/99) Amostra 43 Escória de aciaria ( COSTA,2013) Brita 1 (SANTOS,2013) Valor limite (Bernucci et al,2010) 4,61% 19,90% 17% máx. 60% Observa-se que o material analisado neste artigo apresentou resultado consideravelmente menor do que os demais e menor do que o valor limite para este ensaio, segundo BERNUCCI et al (2010), mostrando-se bem resistente mecanicamente. O ensaio de Abrasão Los Angeles mede a resistência à abrasão e o desgaste dos grãos quando sofrem atrito. A tabela 2 apresenta o resultado obtido para o material de lastro e compara-o com o resultado obtido por RAMOS(2004) e por PESTANA (2008). Ramos(2004) estudou as propriedades mecânicas de diversos solos e materiais britados da cidade do Rio de Janeiro. Os materiais britados são provenientes de diferentes pedreiras que fornecem britas para obras de pavimentação. Já Pestana (2008) estudou uma amostra de RCD (resíduo de construção e demolição) para ser empregado em camadas de base e subbase em estradas de baixo tráfego. Tabela 3 Resultado obtido no ensaio de abrasão Los Angeles Amostra 43 Determinação da Abrasão Los Angeles (DNER - ME 035/98) Pedreira Vigné ( RAMOS,2004) RCD (PESTANA,2008) Valor limite (DNIT 141/2010) 16,51% 20% 44% máx. 55% De acordo com a norma 141/2010 (DNIT), quando submetidos ao ensaio de abrasão Los Angeles (DNER-ME 035),os agregados não deverão apresentar desgastes superiores a 55%, portanto, o valor obtido para o material de lastro estudado classifica-o como satisfatório considerando este parâmetro. A fração fina presente no material de lastro tem diferentes fontes. São provenientes de materiais que sofrem queda durante o transporte na ferrovia, também de partículas do próprio material de lastro que sofrem ruptura devido às solicitações impostas pelo tráfego, ainda, finos provenientes do bombeamento das camadas

10 inferiores e por fim, materiais transportados pelo vento. O resultado obtido no ensaio de equivalente de areia foi 38,40%. A norma 141/2010 especifica que o equivalente de areia deve ser maior que 30%, portanto este valor é satisfatório. As leituras obtidas pelo ensaio triaxial de cargas repetidas realizado com a mistura solo-lastro estão apresentadas na tabela 3. Nela estão representados os valores mínimo e máximo de MR obtidos para cada corpo de prova e a média de cada um deles. Tabela 4. Valores de MR obtidos para os CP s de mistura solo-lastro CP Valores de MR (Mpa) mín máx média (ẍ) CPI ,2 CPII ,6 CPIII ,7 CPIV ,6 Apesar de ser composto majoritariamente por agregado granular (70% de lastro) e ter sido moldado com um solo arenoso, observou-se após o ensaio, que em nenhum dos CP s o módulo resiliente pôde ser representado em função da tensão confinante, como se é esperado para materiais arenosos e granulares. Por este motivo o modelo combinado foi o que melhor representou o módulo resiliente obtido para este material. As figuras de 8 a 11 mostram os gráficos obtidos para cada corpo de prova considerando o modelo combinado. Fig. 8 Gráfico 3D do modelo combinado obtido para o CP1 Fig. 9 Gráfico 3D do modelo combinado obtido para o CPII

11 Fig. 10 Gráfico 3D do modelo combinado obtido para o CPIII Fig. 11 Gráfico 3D do modelo combinado obtido para o CPIV Acredita-se que a fração fina presente no lastro tenha influenciado consideravelmente este comportamento. Na ferrovia onde o material deste estudo foi coletado, o principal produto transportado é o minério de ferro, portanto existe a presença de óxidos de ferro e óxidos de silício na composição da fração fina deste material. 5. CONCLUSÕES Após a realização dos ensaios, conclui-se que, a granulometria do material de lastro degradado analisado não se enquadrou perfeitamente, mas aproximou-se daquela estabelecida na norma 141/2010 Base estabilizada granulometricamente,para agregados graúdos utilizados em camadas de base de pavimentos rodoviários. Para garantir um perfeito enquadramento granulométrico este material deverá ser utilizada em mistura com solo. Os ensaios de perda ao choque no aparelho Tréton e abrasão Los Angeles apresentaram resultados satisfatórios, mostrando que este material atende às especificações de resistência mecânicas para materiais empregados em camada de base estabilizadas granulometricamente. Analisando a média obtida para cada corpo de prova no ensaio triaxial de cargas repetidas, conclui-se também que foi superior a 300 MPa, que é um valor considerado satisfatório para agregados a serem empregados em camadas de base. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR5564: Via Férrea Lastro Padrão,1991

12 ALECRIM, A. V. (2009). Estudo do Resíduo de Quartzito Foliado para o Emprego em Estruturas de Pavimentos. São Paulo, Dissertação de Mestrado. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. AMERICAN RAILWAY ENGINEERING AND MAINTENANCE OF WAY ASSOCIATION AREMA Manual for Railway Engineering. Estados Unidos, 2008 BERNUCCI, L. L. B.; MOTTA, L.M.G.; CERATTI, J.A.P.; SOARES, J.B. Pavimentação asfáltica: formação básica para engenheiros. Petrobras, ABEDA: Rio de Janeiro, Brasil,2010 COSTA, K. A.Um Método Para Beneficiamento de Escórias Visando Aplicação em Pavimentação Dissertação de Mestrado. Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro DNIT Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes. Manual de Pavimentação,Rio de Janeiro,2006 DNIT Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes - DNER (1999). ME 399, Agregados Determinação da Perda ao Choque no Aparelho Tréton. DNIT Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes - DNER (1998). ME 35, Agregados Determinação da abrasão Los Angeles DNIT Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes - DNER (1997). ME 54, Equivalente de areia DNIT Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes. DNER (2010) ME Pavimentação Base estabilizada granulometricamente Planeta no vermelho! Matéria disponível em y/ Pesquisa CNT de Ferrovias Brasília: CNT,2011 Ferrovia já é responsável por 30% da matriz de transportes no país. Disponível em < KLINCEVICIUS,M.G.Y. Estudo de propriedades, de tensões e do comportamento mecânico de lastros ferroviários,2010 PESTANA, R. M. M. Contribuição para o Estudo de Comportamento Mecânico de Resíduos de Construção e Demolição Aplicados em Estradas de Baixo Tráfego

13 Dissertação de Mestrado Universidade Técnica de Lisboa Lisboa Portugal, 2008 RAMOS, C. R. ; MOTTA, L. M. G. Estudo do Comportamento Resiliente de Diversos Solos e Materiais Britados do Município do Rio de Janeiro. 35a RAPv Rio de Janeiro BRASIL, 2004 SANTOS, G. P. P.Um Estudo Sobre a Utilização da Escória de Ferroníquel em Pavimentação Rodoviária. Dissertação de Mestrado. Instituto Militar de Engenharia Rio de Janeiro Brasil, 2013 SELIG, E.T. e WATERS, J.M. Track Geotechnology and Substructure Management. Thomas Telford Services, London, 1994.