Linha de pesquisa: Materiais Poliméricos, Compósitos e Filmes

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1 Título projeto: Estudo da degradação de palmilhas poliméricas ferroviárias utilizadas em dormentes de concreto com foco na prevenção do desgaste do concreto na região do apoio do trilho. Linha de pesquisa: Materiais Poliméricos, Compósitos e Filmes Justificativa/motivação para realização do projeto: A utilização do dormente de concreto é uma tendência mundial, já sendo considerado em 2006 o material mais utilizado pelas ferrovias no mundo com exceção apenas dos EUA cuja maioria dos dormentes ainda são de madeira (Ferdous et al., 2014). A correta seleção de materiais de palmilhas poliméricas para dormentes de concreto pode economizar milhões de reais para as empresas ferroviárias. Tomemos como exemplo uma extensão de km dos km da atual concessão da Ferrovia Centro Atlântica: O quantitativo de palmilhas em km é da ordem de 3.3 milhões de peças. Considerando o custo de mercado da palmilha de aproximadamente R$ 8,00 o impacto no custo de manutenção calculado por exemplo pela análise de valor presente líquido (VPL) em relação ao acréscimo de apenas um ano a mais de vida útil de um material polimérico em relação a um outro material polimérico é da ordem de milhões de reais. Desta forma, devido ao elevado impacto financeiro da seleção de materiais é de extrema importância conhecer este parâmetro chamado vida útil. A utilização de ensaios de envelhecimento acelerado nos ajuda a estimar em laboratório este parâmetro. É é com esta motivação que este projeto de pesquisa foi criado para unir indústria e universidade em prol do estudo da degradação das palmilhas poliméricas pela via da degradação por intempéries e degradação por desgaste. Objetivos: Avaliar qual o polímero com o melhor custo de ciclo de vida para ser utilizado como palmilha ferroviária nos dormentes de concreto da VLI, através de ensaios de envelhecimento acelerado. Estratégia experimental planejada para se alcançar os objetivos: Para atingir os objetivos deste trabalho serão avaliados três tipos de polímeros que são tipicamente utilizados pelas ferrovias no mundo como material para palmilhas através de ensaios de envelhecimento acelerado por via de degradação por intempéries e desgaste. A infraestrutura necessária para a realização do plano experimental conta com a parceria dos laboratórios do Departamento de Engenharia de Metalúrgica e de Materiais (DEMET) e também do Departamento de Engenharia de Estruturas (DEES). Principais referências consultadas: American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association (AREMA) FERDOUS, W; MANALO, A. Failures of mainline railway sleepers and suggested remedies Review of current practice. Engineering Failure Analysis 44 (2014) HUTCHINGS, I. Tribology: Friction and Wear of Engineering Materials 1st Edition,

2 1. Introdução 1.1 Ferrovia A VLI é uma empresa de logística que integra terminais, ferrovias e portos. Na parte de ferrovias a VLI possui dois grandes ativos que são: A Ferrovia Centro Atlântica (FCA) e a Ferrovia Norte Sul (FNS). No que se diz respeito à superestrutura ferroviária a FCA é uma ferrovia de bitola estreita (1.0 m), predominantemente de dormente de madeira com carga por eixo de 25 t com pretensão de chegar a 27,5 t. A FNS é de bitola larga (1.6 m) predominantemente de dormente de concreto com carga por eixo de 32,5 t. A principal função da superestrutura ferroviária é promover a dissipação das tensões oriundas do material rodante para a infraestrutura ferroviária, e ser capaz de manter constante a geometria da via permanente (Esveld, 2001). As figuras a seguir, apresentam os principais componentes da superestrutura ferroviária na visão de corte transversal e longitudinal na configuração em matriz de dormente de concreto e carga por eixo de 27,5 t. Figura 1: Detalhamento da superestrutura ferroviária visão de corte. (Esveld, 2001) Figura 2: Detalhamento da superestrutura ferroviária visão longitudinal (Esveld, 2001) Este projeto de pesquisa irá estudar a degradação das palmilhas poliméricas com foco na prevenção de um fenômenos mais recorrentes de degradação do dormente de concreto o chamado Rail Seat Deterioration (RSD). 1.2 Rail seat deterioration (RSD) 2

3 Para compreender o fenômeno de RSD é necessário recorrer à área da ciência chamada de tribologia que estuda a interação entre superfícies que estão movimento (Hutchings, 1992). Este fenômeno está associado ao desgaste do concreto abaixo do trilho devido a diferentes mecanismos tribológicos sendo, a abrasão, a mais comumente estudada. (Zeman, 2010) O desgaste do concreto é um fenômeno extremamente prejudicial para a via permanente, pois altera a geometria e esta alteração impacta diretamente no comportamento do conjunto de fixações e principalmente no contato roda-trilho. RSD também é o modo de falha nº 1 dos dormentes de concreto das ferrovias Class I dos EUA conforme pesquisa realizada por Zeman (2010). Este modo de falha também esteve presente na FCA em dormentes de concreto que estiveram instalados a mais de 40 anos. Figura 3: As duas figuras superiores apresentam dormentes degradados por RSD nos EUA (Zeman, 2010) e as duas inferiores dormentes da FCA. 1.3 Palmilhas poliméricas As principais funções das palmilhas para trilho são atenuar e distribuir as tensões oriundas do material rodante para o dormente de concreto, ser resistente a abrasão e contribuir para um sistema tribológico de menor agressividade para o concreto (Zeman, 2010). Um dos primeiros polímeros a serem utilizados como palmilhas foi o etileno acetado de vinila (EVA) que foi largamente utilizado entre os anos de 1980 a Entretanto, foi verificado que este material possui baixa resistência à abrasão (Clark et al., 2010). Atualmente vários polímeros são utilizados como materiais para palmilhas tais como o polietileno de alta densidade (PEAD), poliuretano termoplástico (TPU), borracha natural (NR) e outros polímeros elastoméricos resilientes (Esveld, 2001). Entretanto Woo e Park (2014) apresentaram que não há referências que estima qual seria a via útil teórica das palmilhas. Tomemos como exemplo a FNS para compreendermos o quão importante é para a gestão da manutenção estimar a vida útil. A FNS possui 620 km de extensão com dormentação de concreto com espaçamento de eixo a eixo de 0,60 m que corresponde a um quantitativo de aproximadamente 1 milhão de dormentes instalados. Cada dormente recebe um par de palmilhas, portanto a FNS possui aproximadamente 2 milhões de unidades de palmilhas. Considerando um custo médio de mercado da palmilha de R$ 8,00 o custo total com material é de aproximadamente 16,5 milhões de reais. O impacto no investimento corrente da FNS também é da ordem de milhões quando programada a manutenção preventiva para 6, 10 ou 12 anos por exemplo. Portanto, é de extrema importância conhecer a vida útil deste componente para selecionar o material de palmilha que apresente o melhor custo de ciclo de vida. 3

4 1.4 Normatização das palmilhas poliméricas Umas das normas que regulariza as palmilhas poliméricas é o manual da American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association (AREMA) no capítulo 30 seções 2.5 e 2.7 a onde são preconizados os ensaios laboratoriais necessários para caracterização da matéria-prima e do produto acabado. Dentre todos os ensaios preconizados pela norma vale ressaltar que o ensaio de envelhecimento acelerado por desgaste por abrasão simula a condição mais aproximada da realidade da aplicação da palmilha na via permanente. O ensaio de desgaste por abrasão pode ser realizado em duas configurações: Com o dormente inclinado e o esforço em um único apoio do trilho e também com o dormente na posição horizontal com a aplicação do esforço em ambos apoios do trilho. O teste se consiste na aplicação do esforço dinâmico em de ciclos que simula os esforços verticais e laterais dos trens por aproximadamente 5 anos em 5 dias de ensaio. O teste ainda inclui a aplicação de um abrasivo carreado por água para simular o RSD. Figura 4: Ensaio de desgaste por abrasão preconizado pela norma AREMA. A direita o método inclinado e a esquerda o método horizontal. 1.5 Análise econômica Life Cycle Cost (LCC) No ramo ferroviário especialmente o de via permanente os investimentos são muito altos e as manutenções preventivas são programadas em anos. Portanto, neste mercado é estritamente necessário conhecer a vida útil dos componentes para programar as manutenções preventivas com mais confiabilidade. E também para melhor confiabilidade das análises de viabilidade econômica que sustentam as tomadas de decisões. (Esveld, 2001) A metodologia LCC tem sido muito utilizada pelas ferrovias no mundo, e em especial na Europa desde os anos 90 devido à privatização das companhias ferroviárias e o inicio da era das concessões. Neste novo mercado em que o lucro é o principal objetivo das companhias cada decisão deve ser tomada mediante análises de viabilidade econômicas cada vez mais embasadas. A grande utilização do LCC se deve ao fato desta considerar todos os custos ao longo da vida do componente desde a sua implantação até o seu descarte. (Esveld, 2001) 2. Materiais e métodos Serão avaliados três tipos de polímeros que são tipicamente utilizados pelas ferrovias no mundo como material para palmilhas. Os polímeros a serem estudados são o Polietileno de Alta Densidade (PEAD), Poliamida 6,6 (PA) e o Poliuretano Termoplástico (TPU) todos processados por injeção. Tabela 1: Lista de propriedades dos polímeros a serem estudados. 4

5 Propriedade PEAD* Nylon PA 6,6 TPU Massa específica g/cm³ g/cm³ 1.23 g/cm³ Resistência à tração MPa MPa 13,7 MPa (at 50% elongation) Alongamento na tração 418% 4-5% 530% Dureza (Shore D) (Shore D) 54 (Shore D) Resistência ao impacto (Impact Strength notched) (Izod J/m) (Izod J/m) Não quebra Foi escolhido o ensaio da norma AREMA de resistência à abrasão que complementado pelo ensaio de envelhecimento acelerado por UV auxiliará na determinação da vida útil teórica que será o principal input da análise de Life Cycle Cost. Ensaios auxiliares como a determinação da dureza, atenuação de impacto, rigidez e microscopia eletrônica poderão auxiliar na análise dos resultados. Portanto, o plano experimental seguirá a seguinte rota. Polímeros comumente utilizados PA 6,6 Degradação por intempéries Determinação da vida útil teórica TPU PEAD Tipos de degradação acelerados Degradação por desgaste Análise econômica Life Cycle Cost 3. Infraestrutura e recursos necessários Figura 5: Fluxograma da parte experimental. A infraestrutura necessária para a realização do plano experimental conta com a parceria dos laboratórios do Departamento de Engenharia de Metalúrgica e de Materiais (DEMET) e também do Departamento de Engenharia de Estruturas (DEES). A VLI também contribuirá com a disponibilização de todas as amostras para a pesquisa e também com um aporte financeiro via convênio de projeto de pesquisa com a Fundação Cristiano Otoni. Tabela 2: Ensaios, normas e infraestrutura necessária para realização do projeto de pesquisa. Ensaio Ensaio de envelhecimento acelerado por desgaste Intemperismo acelerado UV Laboratório Laboratório de Análise Experimental de Estruturas (LAEES) DEES Laboratório de processamento de polímeros. DEMET 5

6 4. Cronograma de execução Abaixo é apresentando às etapas do projeto, sendo considerada etapa crítica a execução dos ensaios de envelhecimento acelerado por desgaste por abrasão pelo fato de ser um ensaio que envolve muitas horas de máquina trabalhando. Tabela 3: Cronograma do projeto Atividade Revisão bibliográfica X X X X X X X X X X X Preparação dos equipamentos X X Ensaio de resistência à abrasão X X X X X X X X Intemperismo acelerado UV X X X X X X X X Análise de Life Cycle Cost X X X X X X X X X X Discussão dos resultados X X X X X X X X Dissertação de mestrado X X X X X X X X X X 5. Principais referências bibliográficas consultadas AMERICAN RAILWAY ENGINEERING AND MAINTENANCE-OF-WAY ASSOCIATION. Lanhan. Cap. 30 section 2. Evaluative Tests for Tie Systems. Lanhan, CLARK, D.W., J. BOSSHART. Fastener Systems; In TRANSPORTATION RESEARCH BOARD, 89th annual meeting, Washington, DC. ESVELD, C. Modern railway track. 2º ed. Deflt. MRT productions., Delft, p. FERDOUS, W; MANALO, A. Failures of mainline railway sleepers and suggested remedies Review of current practice. Engineering Failure Analysis, Toowoomba, 44, Vol1, 17 35, April KERNES, R.G; EDWARDS, J.R; DERSCH, M.S; LANG, D.A; BARKAN, C.P.L. Investigation of the Impact of Abrasion as a Concrete Crosstie Rail Seat Deterioration (RSD) Mechanism. In AREMA ANNUAL CONFERENCE IN CONJUNCTION WITH RAILWAY INTERCHANGE, Minneapolis p. HUTCHINGS, I. Tribology: Friction and Wear of Engineering Materials. 1º ed. London: Hodder Headline PLC, p. WOO, C.S; PARK, H.S. Useful Lifetime Prediction of Rail Pads for High Speed Trains. International Journal of Mechanical, Aerospace, Industrial, Mechatronic and Manufacturing Engineering, Daejeon, Vol:8, No:4, p. May ZEMAN, J.C. Hydraulic mechanisms of concrete-tie rail seat deterioration. Illinois: University of Illinois at Urbana-Champaign, p. MSc. 6