AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES DE FORMA DE AGREGADOS UTILIZADOS EM LASTRO FERROVIÁRIO COM O USO DO PROCESSAMENTO DIGITAL DE IMAGENS

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1 AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES DE FORMA DE AGREGADOS UTILIZADOS EM LASTRO FERROVIÁRIO COM O USO DO PROCESSAMENTO DIGITAL DE IMAGENS Daianne Fernandes Diógenes Verônica Teixeira Franco Castelo Branco Universidade Federal do Ceará Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Transportes - PETRAN RESUMO A camada de lastro é responsável por dar suporte à superestrutura ferroviária, sendo carregada e descarregada repetidamente pela passagem dos trens. O desempenho da estrutura ferroviária pode ser significativamente influenciado pelas propriedades de forma, de angularidade e de textura superficial dos agregados. Tais propriedades, bem como sua granulometria, podem ser diretamente afetadas com o tempo de uso da via, com a contaminação por materiais finos e com os processos de manutenção através, principalmente, da socaria, causando quebra e desgaste das partículas. O presente trabalho busca avaliar a influência destas propriedades dos agregados no funcionamento e no desempenho da estrutura do lastro ferroviário com o auxílio do Processamento Digital de Imagens, compreendendo as propriedades dos materiais em diversas fases do cenário ferroviário: no processo de britagem primária e secundária dos agregados, antes e após a socaria do lastro, começo da vida útil e após determinado período de serviço da via permanente. 1. INTRODUÇÃO A camada de lastro que compõe a via permanente da ferrovia de superestrutura elástica é responsável, principalmente, pelo suporte das tensões provenientes dos dormentes, pela transmissão de tensões para o sublastro e para o subleito, e por facilitar a drenagem da via. Dessa forma, as partículas devem apresentar distribuição granulométrica uniforme para serem drenantes e propriedades de forma, de angularidade e de textura superficial adequadas para sua utilização. As propriedades de forma dos agregados, bem como sua granulometria, podem ser diretamente afetadas por diversos fatores, tais como: o tempo de uso da via, a contaminação por materiais mais finos e os processos de manutenção através principalmente da socaria, que causam quebras e desgaste nos mesmos. A respeito do comportamento mecânico do lastro, no geral, é desejável a existência de partículas angulares, rugosas e não lamelares que favorecem a resistência ao cisalhamento dos agregados. Em contra partida, partículas arredondadas e com textura lisa podem produzir um conjunto de agregados menos resistente ao cisalhamento e apresentar deslocamentos resilientes muito elevados, o que não é aconselhável para o sistema da via permanente. Contudo, o material que compõe tal camada deve apresentar resistência aos esforços transmitidos, elasticidade para abrandar os choques, resistência aos agentes atmosféricos, ser não poroso e de grão impermeável, e principalmente não produzir pó. A principal lacuna que se pretende preencher com este projeto é a avalição dos processos de produção de agregados para o uso em lastros ferroviários com suas propriedades de forma, de angularidade, de textura superficial e as influências dessas propriedades no desempenho da camada de lastro e na resistência dos agregados aos processos de degradação ou quebra que ocorrem ao longo do uso da via permanente. O objetivo geral da dissertação de mestrado é avaliar a influência das propriedades de forma, de angularidade e de textura superficial dos agregados que compõem a camada de lastro ferroviário no funcionamento e no desempenho da estrutura com o auxílio do Processamento Digital de Imagens (PDI). 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 300

2 A camada de lastro é uma camada constituída de material nobre, de grande consumo, caro e, às vezes, de difícil obtenção. De acordo com Nabais (2014), o lastro é uma camada formada por material granular, usualmente obtido pela britagem de rochas, localizado entre dormentes e sublastro e tem, como funções: (i) suportar e distribuir convenientemente as elevadas tensões verticais, que ocorrem na interface dormente/lastro decorrentes da passagem das cargas móveis; (ii) dissipar as tensões reduzidas às camadas inferiores de sublastro e subleito, tornando-as aceitáveis para os materiais destas camadas; (iii) garantir a estabilidade dos dormentes e dos trilhos perante as forças laterais, longitudinais e verticais; (iv) facilitar a drenagem da via permanente; (v) facilitar a manutenção, permitindo o rearranjo das partículas durante as operações de nivelamento de irregularidades e de alinhamento da via; (vi) proporcionar a elasticidade da via, gerando redução das cargas dinâmicas e (vii) amortecer vibrações e ruídos. De acordo com Huang (2010), as propriedades de forma dos agregados são um dos fatores mais determinantes na resistência, na trabalhabilidade e na estabilidade de lastros ferroviários. O citado autor considera que tanto a angularidade como a lamelaridade desses materiais devem ser usadas para verificar a presença de partículas de agregados que possam afetar negativamente as propriedades mecânicas de um lastro ferroviário. Para Klincevicius (2011), o comportamento mecânico da camada de lastro é determinado pelas características das partículas e da graduação do material. Agregados adequados para lastro apresentam as seguintes propriedades: forma cúbica e angular, faces britadas, rugosidade superficial, dureza elevada, graduação uniforme e ausência de poeiras e materiais finos. Para Merheb et al. (2013), a compreensão das características de tensão-deformação do material utilizado nesta camada é importante para a otimização das operações de manutenção, garantindo um transporte eficiente e seguro. Conforme descrito em Medina e Motta (2015), uma das principais causas da perda de flexibilidade da camada de lastro está na degradação mecânica ocasionada pela quebra dos agregados. Segundo Tolppanen (2001), os fatores mais importantes que causam a degradação do agregado graúdo incluem as propriedades do material, a forma das partículas agregadas, a distribuição de tamanho e o arranjo das partículas, a concentração de força sobre superfície das partículas e as operações de manutenção. Para Selig e Waters (1994), a técnica de manutenção da socaria afeta a degradação dos lastros em até 20%. Segundo Selig et al. (1988), alguns estudos relatam que cerca de 70% do contaminante é proveniente da própria quebra do lastro. Isso implica na necessidade de atentar para os agregados componentes dessa camada quanto a manutenção visando a eficiência da via permanente. Com relação ao uso do Processamento Digital de Imagens (PDI), Tutumluer et al. (2006) utilizaram o Discrete Element Modeling (DEM) juntamente com o PDI das propriedades de forma, de textura superficial e de angularidade dos agregados, obtidas através do equipamento University of Illinois Aggregate Image Analyzer (UIAIA), buscando avaliar o efeito da forma dos materiais nestas propriedades. Através de simulações no programa de análise DBLOCK3D, os autores observaram que à medida que o valor da angularidade dos agregados diminuía, o valor de resistência dos mesmos também diminuía. Wnek et al. (2013) com o uso do PDI, também através do uso do equipamento UIAIA, analisaram treze agregados diferentes quanto as propriedades de forma, de angularidade e de textura superficial. Os autores correlacionaram essas propriedades com parâmetros de degradação e de resistência ao cisalhamento para amostras compostas pelos agregados avaliados. Em relação à degradação, 301

3 avaliada pelo uso do equipamento Los Angeles, não existiu uma tendência clara para a correlação entre a angularidade dos agregados e essa propriedade previamente citada. Para a textura superficial, maiores valores de degradação foram observados para agregados com valores intermediários de textura superficial. Huang (2010), com o objetivo de estudar os efeitos dos tamanhos dos agregados e suas características no desempenho de lastros, propôs um modelo com utilização do DEM para obter as propriedades de forma das partículas aplicando o PDI. O autor utilizou modelos de previsões de resistência ao cisalhamento para quatro diferentes combinações de agregados (misturando agregados angulares, arredondados, rugosos e lisos). O estudo concluiu que agregados angulares e rugosos, desejáveis para compor lastros ferroviários, possuem resistências superiores em relação a agregados lisos e arredondados. Além disso, esse autor mostrou ainda que a angularidade teria uma maior influência, no citado mecanismo, se comparada à propriedade de textura superficial. 3. MATERIAIS E MÉTODOS Para alcançar o objetivo proposto, este projeto pretende avaliar a influência dos processos de britagem nas propriedades de forma, avaliar as propriedades de forma através de técnicas de tradicionais e com o uso do PDI, investigar a influência da socaria na degradação das partículas, compreender a influência do material fino nas propriedades e nas funções da camada de lastro, avaliar a influência de diferentes propriedades de forma dos agregados no comportamento mecânico e propor recomendações acerca do uso de agregados a partir das propriedades de forma, de angularidade e de textura. Dessa forma, serão coletados agregados na via permanente Nova Transnordestina e na pedreira com canteiro industrial localizada em Salgueiro (PE), decorrentes de processos de britagem primária e secundária, antes da socaria e após a socaria, no começo da vida útil e após determinado período em serviço da via férrea. Os mesmos serão homogeneizados e quarteados, segundo recomendações das normas NBR NM 27 (2001) e ASTM C702/C702M (2011). Os ensaios para caracterização de agregados para lastros ferroviários serão escolhidos em função dos limites e das normas NBR 5564 (2011) e AREMA (2013), mostrados na Tabela 1. Tabela 1: Ensaios e normas a serem usados para caracterização de agregados para lastro Ensaios Normas Massa específica mínima ABNT NBR 7418/1987 (MB 893) Absorção de água máxima ABNT NBR 7418/1987 (MB 893) Porosidade aparente máxima ABNT NBR 7418/1987 (MB 893) Granulometria ASTM C 136 (2006) e ABNT NBR NM 248 (2003) Desgaste máximo ASTM C 535 (2009) e DNER ME 035 (1998) Forma ABNT NBR 6954 (1989) e PDI (AIMS) Treton máximo DNER ME 399 (1999) A avaliação de agregados quanto as propriedades de forma, de angularidade e de textura superficial será realizada através de comparação entre propriedades obtidas para agregados oriundos da britagem primária e da britagem secundária, agregados obtidos antes da socaria e agregados obtidos após a socaria e agregados obtidos no começo da vida útil e agregados coletados após determinado período de serviço. Em seguida, levantada as situações mais críticas na caracterização das propriedades de forma, para a compreensão das características 302

4 de tensão-deformação do material serão realizados ensaios de módulo de resiliência e de deformação permanente a partir da granulometria usada em campo. Para a análise da degradação e da contaminação, o material será coletado com um determinado tempo de uso ou durante uma operação de desguarnecimento da região logo abaixo dos dormentes (transmissão das tensões para o lastro de forma mais intensa), em três pontos, sendo dois deles na zona de socaria (região dos trilhos) e outro no eixo da via. A amostragem será realizada segundo as recomendações das normas NBR 5564 (2011) e ASTM D75/D75M (2009). Os resultados obtidos a partir da caracterização dos materiais em estudo serão apresentados e analisados para que algumas correlações possam ser realizadas entre as propriedades dos agregados utilizados nas diversas amostras de lastros ferroviários. 4. RESULTADOS ESPERADOS Espera-se compreender as propriedades dos materiais em diversas fases, como por exemplo, no processo de britagem primária e secundária, antes da socaria e após a socaria, no começo da vida útil e após determinado período em serviço no comportamento da via permanente e compreender a influência das propriedades de forma no comportamento mecânico visando o melhor desempenho e funcionamento da via. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABNT NBR NM 27 (2001) Agregados Redução da amostra de campo para ensaios de laboratório. Associação Brasileira de Normas Técnicas, Rio de Janeiro. ABNT NBR 5564 (2011) Via Férrea Lastro-Padrão. Associação Brasileira de Normas Técnicas, Rio de Janeiro. AREMA (2013) Manual for Railway Engineering. Lanham: American Railway Engineering and Maintenance of Way Association, AREMA. ASTM D75/D75M (2009) Standard Practice for Sampling Aggregates. American Society for Testing and Materials, ASTM. ASTM C702/C702M (2011) Standard Practice for Reducing Samples of Aggregate to Testing Size. American Society for Testing and Materials, ASTM. HUANG, H. (2010) Discrete Element Modeling of Railroad Ballast Using Imaging Based Aggregate Morphology Characterization. Tese de Doutorado. University of Illinois at Urbana-Champaign. Urbana, IL, EUA. KLINCEVICIUS, M. G. Y. (2011) Estudo de Propriedades, de Tensões e do Comportamento Mecânico de Lastro Ferroviários. Dissertação de Mestrado. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, SP. MEDINA, J; MOTTA, L. M. G. (2015) Mecânica dos Pavimentos. Rio de Janeiro. 3ª ed. MERHEB, A.; MOTTA, R.; BERNUCCI, L. B.; MOURA, E.; COSTA, R.; VIEIRA, T.; SGAVIOLI, F. (2013) Equipamento Triaxial Cíclico de Grande Escala para Análise Mecânica de Lastro Ferroviário In: XXVII Congresso de Pesquisa e Ensino em Transportes, ANPET, Belém do Pará, PA. NABAIS, R. J. S (2014) Manual Básico de Engenharia Ferroviária. São Paulo: Oficina de Textos. TOLPPANEN, P. (2001) 3D Characterization and Degradation Analysis of Rock Aggregates, Tese de Doutorado, Department of Civil and Environmental Engineering, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden. TUTUMLUER, E.; HUANG, H.; HASHASH, Y.; GHABOUSSI, J. (2006) Aggregate Shape Effects on Ballast Tamping and Railroad Track Lateral Stability. AREMA Annual Conference. Louisville, KY, EUA. SELIG. E. T.; WATERS, J. M. (1994) Track Geotechnology and Substructure Management. Thomas Telford Publications. SELIG, E.T. COLLINGWOOD, B. I. FIELD, S. W (1988) Causes of Fouling in Track. AREA Bulletin 717. WNEK, M. A.; TUTUMLUER, E.; MOAVENI, M.; GEHRINGER, E. (2013) Investigation of Aggregate Properties Influencing Railroad Ballast Performance. Transportation Resaerch Board. Washington, DC. Daianne Fernandes Diógenes (daianne@det.ufc.br) Verônica Teixeira Franco Castelo Branco (verônica@det.ufc.br) Departamento de Engenharia de Transportes, Universidade Federal do Ceará 303

5 Campus do Pici Bloco Fortaleza, CE 304