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KWWSZZZUHYLVWDIHUURYLDULDFRPEUSUHPLRVPD[LRQHQYLDU,QVFULFDR0D[LRQSKS ESTUDO DA POTENCIAL QUEBRA DO LASTRO FERROVIÁRIO
POR MEIO DO ÍNDICE BG
RESUMO
A granulometria é o processo que visa definir, para determinadas faixas pré-estabelecidas de
tamanho de grãos, a porcentagem em peso que cada fração possui em relação à massa total da
amostra em análise. Por isso, é um indicativo indireto de diversas características do lastro, entre elas
a resistência à quebra. A partir das curvas granulométricas, pode-se determinar o índice de quebra
dos grãos (Bg) para as diferentes seções da via permanente. Este parâmetro representa o peso das
frações sólidas retidas na série normal das peneiras dos ensaios de granulometria, resultantes do
processo contínuo de fragmentação sob tráfego ferroviário, Marsal (1967). Com o lastro novo, este
índice assume valores baixos, com o passar do tempo, devido ao aumento significativo das quebras
de grãos do lastro causado pelo trafego ferroviário, passa a assumir valores maiores, intimamente
associados à rigidez estrutural da seção da via permanente. Utilizando o índice de quebra dos grãos
(Bg) como parâmetro preditivo, independente de qual seja o material utilizado como lastro,
sublastro e subleito ferroviário, pode-se prever quando devera ser realizada a manutenção e qual
será a vida útil do lastro, bem como problemas relacionados ao sublastro e subleito em qualquer
tipo de via permanente, seja ela de carga ou de passageiro. O objetivo deste trabalho de pesquisa é
diminuir o tempo de manutenção, desenvolvendo uma manutenção preditiva do lastro, sublastro e
subleito utilizado como parâmetro de prevenção o índice de quebra dos grãos (Bg).
INTRODUÇÃO
A Rede Ferroviária Federal Sociedade Anônima (RFFSA) chegou a possuir 34.207 km,
porém crises econômicas típica de um país em desenvolvimento, aliados ao crescimento do
transporte rodoviário, comprometeram a capacidade de investimentos públicos e privados tanto para
a abertura e implantação de novos trechos ferroviários quanto para a manutenção da malha
ferroviária existente, com isso, fizeram com que parte da malha fosse erradicada.
Em 1992 a RFFSA entrou em liquidação, enquanto que o governo preparava o processo de
concessão do transporte de cargas à iniciativa privada. Os leilões de concessão ocorreram a partir de
1996. As linhas da RFFSA foram divididas por várias empresas. E em 2007 a Rede foi extinta
oficialmente, (www.transportes.gov.br).
Mais com o recente aumento da economia e o crescimento das indústrias, tornou-se
necessário ter uma infraestrutura e superestrutura de transporte melhor para o escoamento da
produtividade, o que gerou uma sobrecarga no sistema ferroviário.
A malha ferroviária brasileira, em sua maior parte, necessita de técnicas de manutenção mais
avançadas, pois apresenta graves problemas de conservação e adequação, e ainda existem várias
regiões distantes e muito carentes de ligação ferroviária, Fernandes (2005).
A malha ferroviária brasileira voltada para o serviço público de transporte de carga tem 28,5
mil quilômetros de extensão (1121 eletrificados), espalhados por 22 (e o Distrito Federal) dos 26
estados brasileiros, divididos em quatro tipos de bitolas e faz ligações ferroviárias com Argentina,
Bolívia e Uruguai. Hoje a malha ferroviária participa com cerca de 20% na distribuição da matriz
de transporte do Brasil (www.transportes.gov.br).
O governo junto com a iniciativa privada vem reformando e construindo novas ferrovias.
Em 2008, o governo federal anunciou a construção do Trem de Alta Velocidade Rio-São Paulo,
incluindo o projeto na cartilha do PAC. Atualmente o transporte de cargas pela iniciativa privada
entra em uma boa fase, recuperando-se parcialmente das perdas durante o fim da era estatal.
Os projetos de ferrovias, assim como os métodos aplicados no dimensionamento de
pavimentos ferroviários, utilizam técnicas de engenharia que seguem as prescrições de antigas
normas criadas em países da Europa ou nos Estados Unidos. Estas normas empregam materiais
granulares e pétreos beneficiados que possuem alto custo econômico e ambiental incorporado,
Fernandes (2005).
Novas pesquisas são desenvolvidas todos os anos com o proposito de diminuir o custo de
implantação e manutenção ferroviária, com isso, novas técnicas de manutenção bem como novos
agregados são estudados.
Em se tratando de um baixo custo, tanto ambientais quanto de implantação e manutenção,
em relação ao material rochoso usualmente utilizado como lastro ferroviário, este trabalho foi
desenvolvido utilizando escória de aciaria LD.
Porem o estudo da utilização do índice de quebra dos grãos (Bg) com parâmetro preditivo
independe de qual seja o material utilizado com lastro ferroviário, o índice Bg pode prever a vida
útil do lastro e quando devera ser realizada a manutenção do lastro, sublastro e subleito em qualquer
tipo de via permanente seja ela de carga ou de passageiro.
OBJETIVO
O objetivo deste trabalho de pesquisa é desenvolver uma nova técnica de manutenção, que
possa indicar problemas no subleito, sublastro e lastro (quando o lastro deve ser desguarnecido e
nivelado, ou até mesmo trocado), diminuindo com isso o tempo de manutenção. E
consequentemente deixando de realizar uma manutenção de correção para desenvolvendo uma
manutenção preditiva do lastro, sublastro e subleito utilizando como parâmetro de prevenção o
índice de quebra dos grãos (Bg).
MATERIAIS E MÉTODOS
Este trabalho de pesquisa teve por objeto o estudo do potencial de quebra do lastro por meio
do índice Bg utilizando um agregado alternativo (escória de aciaria LD).
Com a finalidade de desenvolver uma manutenção preditiva em função do índice de quebra
dos grãos (Bg), foi realizado um amplo programa de caracterização em campo e laboratório do
material potencialmente susceptível de ser utilizado como agregado alternativo na construção e
manutenção ferroviária. Este estudo foi integrado na construção de um trecho experimental em uma
obra real (no caso, o ramal ferroviário do Pátio 5 da estrada de ferro Vitória – Minas, localizado no
município de Barão de Cocais /MG). O tráfego diário desta estrada de ferro é intenso, da ordem de
16 composições (média de 2 locomotivas com 160 t e mais 100 vagões com 100 t de minério) para
carga pesada (eixo padrão de 30 t).
O trecho possui 250 m de extensão, com bitola de 1,0 m, subleito com dimensões de 5,50 x
0,20 m, lastro de 3,20 x 0,45 m, dormentes de 2,20 x 0,30 x 0,02 m espaçados de 0,60 m, trilhos de
0,08 x 0,18 x 0,15 m de fixação flexível. O traçado geométrico do trecho experimental é composto
por 40% de tangente e 60% em curva sendo que a maior cota atinge 1.105,00 m.
Neste trecho, foi definido um total de sete seções, sendo seis seções teste, com o objetivo de
se avaliar o comportamento global das mesmas e o desempenho relativo do agregado no contexto
das solicitações estáticas e dinâmicas de grande magnitude de uma via de tráfego intenso e pesado.
Todas as sete seções apresentam o mesmo material (escória de aciaria LD) de lastro, porém
o sublastro e subleito são diferentes em cada seção. A Figura 1 apresenta o traçado topográfico com
a identificação das seções.
Figura 1 - Topografia das seções.
A caracterização da escória de aciaria foi realizada por meio dos ensaios estabelecidos pela
ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), AREMA (American Railway Engineering and
Maintenance Association) e ASTM (American Society of Testing Materials). E foram realizados no
Laboratório de Ferrovias e Asfalto da Universidade Federal de Ouro Preto.
O índice de quebra dos grãos (Bg) representa o peso das frações sólidas retidas na série
normal das peneiras dos ensaios de granulometria, resultantes do processo contínuo de
fragmentação sob tráfego, Marsal (1967).
Ao se realizar os ensaios de granulometria em diversos períodos de tempo, pode-se fazer
uma correlação com os resultados por meio das curvas granulométricas em um estado inicial e final
e, a partir daí, pode-se definir a diferença DW entre as porcentagens retidas em cada peneira,
obtidas para o material antes e após um prazo de serviço (DWk = Wki - Wkf). Uma diferença
negativa representa a quantidade que não sofreu quebra e a parcela positiva é exatamente o valor do
índice Bg, que representa a porcentagem do peso de sólidos que sofreram quebras.
Por este motivo, para determinar o índice de quebra dos grãos (Bg) o ensaio de
granulometria é fundamental.
Ensaio de Granulometria
Nos ensaios de granulometria da escória, empregou-se um peneiramento manual e
mecânico, com a série de peneiras (normal e intermediaria) padronizadas pela metodologia da
norma, sendo obtidos os pesos retidos e acumulados em cada peneira e, consequentemente, as
porcentagens retidas e passantes em cada peneira, bem como a dimensão máxima característica,
módulo de finura e o teor de materiais pulverulentos, sendo que, este último foi cancelado pela
ABNT.
RESULTADOS DOS ENSAIOS
Análise Granulométrica
A granulometria da escória usada na implantação do trecho ferroviário mostrou-se mais
grossa do que as faixas recomendadas pelas especificações técnicas, o que poderia proporcionar a
formação de vazios no lastro e dificultar a colocação dos dormentes. Entretanto, o uso de
equipamentos mecanizados para espalhar e socar o lastro minimizou os fatores citados.
O resultado do ensaio de granulometria da escória utilizada na construção do trecho é
apresentado na Figura 2 que mostram os gráficos de enquadramento da curva na faixa padrão A e B
da ABNT para o material estudado.
Figura 2 - Gráfico de enquadramento da curva granulométrica da escória utilizada na construção do trecho.
Na fase de construção, as curvas granulométricas do lastro de aciaria demonstraram um bom
padrão de britagem. A distribuição granulométrica da escória da fase de construção foi, então,
correlacionada com as distribuições granulométricas do material, obtidas após 90 e 600 dias de
tráfego intenso na via ferroviária.
O resultado do ensaio de granulometria da escória utilizada após 90 dias é apresentado na
Figura 3, que mostra os gráficos de enquadramento das curvas na faixa padrão A e B da ABNT para
o material estudado.
Figura 3 - Gráfico de enquadramento das curvas granulométricas da escória após 90 dias de tráfego (N=3,18x10 5).
Após 90 dias de tráfego, o lastro de escória apresentou distribuições granulométricas
distintas para as seções 2, 3 e 4, o que demonstra a diferença de suporte nas mesmas e a ocorrência
de quebra de grãos, que resultaram em distribuições mais adequadas à da faixa especificada.
O resultado do ensaio de granulometria da escória utilizada após 600 dias é apresentado na
Figura 4, que mostra os gráficos de enquadramento das curvas na faixa padrão A e B da ABNT para
o material estudado.
Figura 4 - Gráfico de enquadramento das curvas granulométricas da escória após 600 dias de tráfego (N=2,12x106).
Após 600 dias de tráfego, observam-se quebras de grãos generalizadas, mais acentuadas na
seção 1 e menos acentuadas na seção 5.
Por meio das curvas granulométricas obtidas, foi determinado o índice de quebra dos grãos
(Bg) para as diferentes seções experimentais. A Tabela 1 mostra os índices de quebra da escória sob
90 e 600 dias de tráfego.
Tabela 1 - Índices de quebra da escória sob 90 e 600 dias de tráfego.
Propriedade
Seção 1
Seção 2
Seção 3
Seção 4
Seção 5
Seção 6
Bg (%) – 90 dias
-
7,90
10,00
9,60
-
-
Bg (%) – 600 dias
119,40
85,10
47,20
72,50
46,10
89,90
CONCLUSÃO
Analisando os resultados do índice de quebra dos grãos (Bg), observa-se que nas seções 2, 3
e 4 (seções localizadas na curva) ocorreu quebra do lastro com 90 e 600 dias, o que já era esperado,
pois a solicitação na curva é maior.
Todas as seções testes após 600 dias apresentaram um aumento na quebra do lastro, mas na
seção 1 observou-se o maior índice Bg, identificando naquela seção, uma fraqueza nas camadas
abaixo do lastro (o sistema ferroviário responde como modulo único, se alguma das camadas não
aguentar o trafego constante, o lastro apresentara maior quebra) ou até mesmo uma fraqueza do
lastro, pois ele absorve a maior parte da tensão causada pela passagem da composição ferroviária.
A fraqueza do lastro pode ser constatada por meio de ensaios de laboratório preconizados
pela NBR 5564/1991 - Lastro Padrão e ASTM D5731/1995.
AGRADECIMENTOS
Este trabalho é parte integrante de uma ampla pesquisa de manutenção ferroviária em via
permanente desenvolvido pelo Laboratório de Ferrovias e Asfalto da Universidade Federal de Ouro
Preto. Os autores gostariam de agradecer a empresa responsável pela estrada de ferro Vitoria Minas
e a Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP).
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
AREMA. Manual for Railway Engineering. Lanham: American Railway Engineering and
Maintenance Association – AREMA, 2001. v. I - IV.
ASTM. Determination of the point load strength index of rock – D5731. American society for
testing and materials, west conshohocken, PA, USA, 7p, 1995.
FERNANDES, G. Comportamento de Estruturas de Pavimentos Ferroviários com Utilização de
Solos Finos e/ou Resíduos de Mineração de Ferro Associados à Geossintéticos. Brasília: Tese de
doutorado. UNB, 2005.
MARSAL, R.J. (1967), “Large Scale Testing of Rockfill Materials”, Journal of the Soil
Mechanics and Foundation Division, ASCE, Volume 93, No SM2, Paper 5128,
March, pp. 27-43.
NBR 5564/1991 - Via férrea Lastro Padrão – Especificação.
MINISTÉRIO DOS TRANSPORTES. Acesso em 7 de abril de 2010. Disponível em:
<www.antt.gov.br/relatorios/ferroviario/relatorios.asp >