COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
Estudo comparativo geo-mecânico de rochas britadas de gnaisse e
granito para uso em lastro ferroviário
Hebert da Consolação Alves
Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, Brasil, [email protected]
Tatiane de Oliveira
Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, Brasil, [email protected]
João Hélio Castro
Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, Brasil, [email protected]
Gilberto Fernandes
Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, Brasil, [email protected]
RESUMO. Com o objetivo de atender a nova demanda e disponibilidade das vias ferroviárias, é
imprescindível que o lastro, responsável por determinadas funções na superestrutura ferroviária,
esteja em conformidade com as especificações técnicas de segurança e qualidade. As suas
características técnicas devem ser mantidas ao longo dos ciclos de carga assim como a ausência de
contaminação do solo. Os pavimentos ferroviários que operam com trens de carga no Brasil
utilizam lastro de pedra britada nas faixas granulométricas adequadas. Os principais fatores
envolvidos na seleção de material de lastro são a disponibilidade de material presente na região e os
aspectos econômicos. Dessa maneira, uma variedade de litologias é aplicada, como granito, basalto,
calcário, gnaisse, escória e pedregulho. A presente proposta de pesquisa tem como objetivo
precípuo o estudo do comportamento e desempenho dos produtos britados de gnaisse e granito, com
o intuito de analisar a possibilidade da aplicação em lastro padrão de forma corrente, e assim dar
suporte a melhor escolha para o uso nas ferrovias. O estudo torna-se extremamente relevante visto
que as propriedades geo-mecânicas constituem fator fundamental para a sua utilização. Neste
projeto de pesquisa foram analisadas duas amostras de produtos britados, que para efeito de
comparação receberam a seguinte denominação, MB1 para gnaisse e MB2 para granito. O processo
de caracterização e avaliação da brita foi realizado no laboratório de Ferrovias e Asfalto da
Universidade Federal de Ouro Preto-MG por meio de ensaios de compressão axial, massa
específica, absorção de água, porosidade aparente, macio friável e resistência à intempérie seguindo
como especificado na norma para Lastro Padrão NBR-5564 editadas pela Associação Brasileira de
Normas Técnicas (ABNT). Os resultados obtidos foram analisados de acordo com a referida norma
e os desempenhos dos materiais analisados foram comparados entre si, como forma de apontar o
produto britado que melhor se enquadra para lastro ferroviário e material de via permanente. Os
referidos resultados apontaram que nos ensaios de compressão axial, absorção de água, porosidade
aparente, macio friável e resistência à intempérie a amostra MB1 se sobressaiu em relação à outra
amostra. Já no ensaio de massa específica o material MB2 obteve melhor resultado em comparação
à primeira amostra. Por meio desses resultados conclui-se que para uso em lastro ferroviário a
utilização de material britado de gnaisse constitui-se uma melhor opção.
PALAVRAS-CHAVE: Lastro ferroviário, material britado de gnaisse e granito, ensaios
laboratoriais .
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menor custo. Neste cenário o emprego intensivo
de processos de mecanização dos serviços de
via permanente é inevitável e a pesquisa com
objetivo de se encontrar materiais de maior
disponibilidade no mercado, desde que seja
comprovada a viabilidade econômica (LIMA,
1998).
Para tanto, é necessário que exista uma
política de manutenção que determine o tipo e o
volume de serviços a realizar, indicando a sua
localização, a sua duração e o nível de precisão
que será atingido. Esta política de manutenção
depende diretamente do manuseio e do
conhecimento do estado de vida útil de cada
componente para garantir padrões de segurança
e qualidade com o melhor custo benefício
possível. Um destes componentes é o Lastro
Ferroviário.
O lastro é de extrema importância para a
execução de uma ferrovia. Dentre outras
características, ele é responsável por distribuir
as cargas sobre a plataforma. A estabilidade e a
durabilidade da malha depende dele, visto que,
o lastro também é responsável em suprimir
irregularidades da plataforma; garantir a
elasticidade da via; manter firme a posição dos
dormentes; facilitar a restauração e manutenção
da geometria da via; melhorar a permeabilidade
e ventilação e evitar bolsas de lama.
Historicamente vem sendo utilizado material
pétreo para o lastro ferroviário (gnaisse,
basalto, granito, quartizito, etc). Estudos
recentes vêm viabilizando a utilização do
agregado siderúrgico (escórias) como lastro
ferroviário.
Para atender a nova demanda de
disponibilidade da via, é fundamental que o
lastro ferroviário, responsável por determinadas
funções de resistência aos esforços transmitidos
à via, seja de qualidade e especificado de tal
maneira que todos os padrões de segurança e
qualidade da via sejam atendidos. Suas
características devem ser mantidas ao longo dos
ciclos de carga e a contaminação a menor
possível. A manutenção e conservação de um
lastro de qualidade a custos acessíveis, só é
possível, quando o material granular de
constituição do lastro seja de boa qualidade
conforme figura 1 que é apresentada logo
abaixo.
INTRODUÇÃO
As ferrovias no Brasil cresceram num ritmo
acelerado desde 1854 quando do surgimento da
necessidade de ligar as cidades do litoral com o
interior do País, até 1940 existiam 34.252km de
linhas instaladas. A partir desta década, o lento
ritmo de construção, aliado à erradicação de
trechos economicamente inviáveis, à elevação
dos custos do material e à dificuldade em obtêlo marcaram o declínio acentuado do
crescimento das estradas de ferro. (TORRACA,
1996).
Por razões diversas, ligadas a ciclos
econômicos, várias destas estradas vinham
apresentando prejuízos, entrando em processos
de declínio financeiro.
Visando a se evitar o alastramento de uma
crise econômica mais abrangente, o Governo
Federal formulou um projeto de unificar o
conjunto das ferrovias em uma malha
integradora. Criou, em 1957, a Rede Ferroviária
Federal para disciplinar a operação ferroviária
no País, padronizando seus equipamentos,
serviços e métodos de trabalho. A nova
Empresa dispunha de uma malha de cerca de
30.000km, que é, até hoje, aproximadamente, a
extensão da rede ferroviária brasileira, com
todas as erradicações e construções de novas
ferrovias ocorridas desde então. A falta de
investimento no setor ferroviário provocou uma
drástica deterioração da estrutura ferroviária,
diminuindo a capacidade das linhas, terminais,
frotas de vagões e locomotivas, ocasionando a
redução de escoamento de produtos por
estemodal. De acordo com a ANTT – Agência
Nacional de Transportes Terrestres, em1958
havia, aproximadamente, 38.000 km de linha
férrea, hoje esse número é de 29.798 km (fonte:
ANTT, 2003).
Atualmente, o sistema ferroviário brasileiro
acha-se quase que totalmente concedido
(praticamente, as exceções são os Metrôs e
transporte urbano de passageiros em alguns
estados).
A urgência de reverter o processo da
degradação e de tornar esse modal
economicamente rentável impõe também
modificação das técnicas usuais de manutenção
em busca de outras mais eficientes e também de
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dos materiais e utilizou como parâmetros de
verificação os ensaios descritos a seguir:
3.1
As propriedades de massa específica aparente,
absorção e porosidade aparente podem dizer
muito sobre a qualidade do material em relação
à sua utilização como material de lastro. Estas
propriedades são determinadas de acordo com a
norma NBR 7418 – Determinação da massa
específica aparente, da absorção de água e da
porosidade aparente do material, editada pela
Associação Brasileira de Normas Técnicas.
Figura 1 – Lastro Ferroviário
2
OBJETIVOS DA PESQUISA
Caracterizar e avaliar os agregados que são
utilizados como lastro ferroviário através dos
ensaios prescritos na NBR 5564 (EB-655/91) –
Lastro Padrão e verificar o enquadramento dos
resultados aos índices recomendados nesta
mesma norma e em outras, editadas por outros
órgãos normativos com igual competência e
experiência no desenvolvimento tecnológico de
materiais para lastro realizando uma análise
comparativa dos resultados.
O estudo torna-se extremamente relevante,
pois o conhecimento das propriedades físicas
dos materiais é essencial para aumentar a
qualidade e otimizar o processo de utilização do
materiais em questão.
3
Massa específica aparente, absorção e
porosidade aparente
3.2
Fragmentos macios e friáveis
O material para lastro deve ser composto em
quase toda sua totalidade por partículas
consideradas “sãs”, livres de fragmentos macios
ou facilmente friáveis, sendo dessa forma o teor
de materiais macios e friáveis um condicionante
para a aceitação de um dado material. Neste
trabalho a determinação desses teores foi feita
de acordo com a norma NBR 8697 – Lastro
padrão - Determinação do teor de material
macio e friável, editada pela Associação
Brasileira de Normas Técnicas, que descreve a
confecção de um equipamento especifico para
este ensaio (Figura 2).
METODOLOGIA
Foram checadas neste estudo as propriedades
físicas recomendadas pela NBR 5564 (EB655/91), editada pela Associação Brasileira de
Normas Técnicas (ABNT) e com os valores
recomendados no manual da AREMA ( 2002).
O material foi coletado em uma pedreira na
região de Cariacica – ES (granito) e em uma
pedreira na região de Santa Bárbara – MG
(região do quadrilátero ferrífero).Os ensaios
foram executados no laboratório de Ferrovias e
Asfalto da Escola de Minas – UFOP. A amostra
de gnaisse foi denominada de M1 e a de granito
M2 para se facilitar a identificação. O estudo
comparativo realizou nove ensaios de
verificação das características geo - mecânicas
Figura 2– Aparelho para a deterinação do teor de material
macio e friável.
3
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3.3
Sendo De o diâmetro equivalente das
partículas de escórias, definido pela ASTM
D5731-95 dado por (3.3.2).
Carga Pontual (Compressão Axial):
O ensaio de carga pontual (Figura 3) é realizado
em amostras selecionadas com forma
aproximadamente prismática, de acordo com a
norma ASTM D5731-95 (ASTM, 1995). O
carregamento pontual é aplicado na posição
correspondente à metade do comprimento e à
metade da largura de cada corpo-de-prova. Nos
ensaios realizados, o carregamento foi aplicado
com orientações distintas dos corpos-de-prova;
metade deles posicionados em direção paralela
ao sistema de aplicação das cargas e a outra
metade posicionada normalmente em relação ao
mesmo. Em todos os casos os diâmetros das
partículas variaram entre 30 e 80 mm (ASTM
D5731-95).
De =
3.3
(3.3.2)
Resistência a Intempéries
A determinação da resistência a intempéries do
material de lastro de via férrea é fundamental
para se avaliar o comportamento do material em
campo com relação a condições climáticas(sol e
chuva).Os procedimentod deste ensaio estão
descritos na norma NBR 7702 – Lastro
Ferroviário – Determinação da resistência do
material à intempérie (ABNT,1983). Esta
norma recomenda avaliar a porcentagem em
massa de resíduos coletados em relação a massa
total do corpo de prova e observar
modificações em relação ao mesmo,
especialmente quanto à evolução de trincas e/ou
à falta de homogeneidade entre os quatro
fragmentos que são avaliados em cada ensaio.
4
carga pontual (compressão axial).
RESULTADOS
Os resultados dos ensaios realizados no
Laboratório de Ferrovias e Asfalto da Escola de
Minas da Universidade Federal de Ouro Preto
foram comparados às normas NBR 5564 para
lastro padrão, e com o Manual AREMA
(2002).
Tais resultados foram comparados entre as
amostras MB1 e MB2 e apresentados na tabela
a seguir:
O ensaio é considerado válido quando o
plano de ruptura coincide com a seção
transversal de cada corpo-de-prova. Para cada
ensaio determinou-se o índice de carregamento
pontual Is, a partir da carga de ruptura P,
estimado com base na seguinte relação (3.3.1).
P
De2
π
Sendo As a área do plano de ruptura, definida,
de forma aproximada, de acordo com a norma
ASTM D5731-95.
Figura 3 – Sistema de aplicação e execução de ensaio de
IS =
4 AS
(3.3.1)
4
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Tabela 1 –Resultados dos ensaios
NBR
Manual
5567
AREMA,
Propriedade
(Lastro
Padrão)
MB1
Outros ensaios previstos na NBR 5564
(Abrasão Los Angeles, Índice de Tenacidade)
que
foram
realizados,
porém
foram
apresentados nesta pesquisa também atestaram
os melhores resultados da amostra MB1.
MB2
2002
Massa
6
específica
aparente
2,4
2,6
2,69
2,79
1
1
0,51
0,37
1
-
0,87
0,66
80
80
184┴
121┴
159//
107//
5
5
5
5
O estudo concluiu que a amostra M1,
constituída de Gnaisse oferece melhores
vantagens quando usada como lastro para via
férrea do que a amostra M2 constituída de
granito. No entanto, este fato não é indicativo
contra a utilização de materiais constituídos de
matrizes rochosas semelhantes ao da amostra
M2 que também atende a quase todas as
especificações da NBR 5564. Na verdade,
pode-se ressaltar que o material para lastro
constituído de matriz rochosa metamorfica,
obtem um desempenho melhor que aquele
alcançado por materiais de outras matrizes
rochosas. Uma outra observação a ser feita é
que apesar da amostra M2 apresentar melhores
resultados no que se diz respeito a massa
específica, absorção e porosidade aparente, a
mesma possui menor resistência à compressão
que a amostra M1, este fato necessita de
maiores análises, pois a resistência à
compressão axial possui uma relação bastante
estreita com a porosidade, ou seja, quanto maior
fosse a porosidade, consequentemente menor
seria a resistência à compressão axial. Estas
novas análises podem conduzir a um objeto de
estudo para pesquisa futura. Outra observação
pertinente é o alto valor encontrado para a
resistência à intempéries do material M2, por
ser de uma matriz rochosa metarmófica
esperava-se que a solução de sulfato de sódio
reagisse menos com o material, porém este
resultado pode ser relacionado com o grau de
contaminação que a amostra chegou no
laboratório. A resistência à intemperies
determinaria a durabilidade que o material
apresentaria em campo como lastro, enquanto
que a resistência à compressão axial
representaria a quebra ou desintegração do
material quando submetido a cargas ferroviárias
mínima.
(g/cm3)
Absorção de
água
máxima.(%)
Porosidade
aparente
máxima.(%)
Compressão
Axial(Carga
Pontual)MPa
Resistência à
intempérie
0,77
7,72
Máximo(%)
Frag. macios
e friáveis
1,9
6,9
máximo. (%)
Observação:
┴ Significa que o plano de ruptura não coincide com a
seção transversal
// Significa que o plano de ruptura coincide com a seção
transversal
5
CONCLUSÕES
ANÁLISE DE RESULTADOS
Observa - se que a amostra MB2 apresentou
melhores resultados que a amostra MB1 no que
se refere aos ensaios de massa específica,
absorção e porosidade aparente.Porém, a
amostra MB1 se apresenta com melhor
resistência mecânica, pois tem maior resistencia
à compressão, menor perda devido ao
intemperismo e um menor teor de fragmentos
macios e friavéis. A amostra M2 teve perda
significativa devido ao intemperismo.
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AGRADECIMENTOS
NBR 11541: 1991 - Amostragens de material para lastro
para via férrea – Procedimento.
NBR NM 248: 2003 - Agregados - Determinação da
composição granulométrica - Método de ensaio
SENÇO, W. (1997). Manual de Técnicas de
Pavimentação, Vol 1 e 2. Editora Pini, São Paulo, 746
p.;
SOUZA,G.M.,2007,” Estudo Experimental das escórias
de aciaria para fins de caracterização tecnológica
como material de lastro ferroviário em vias
sinalizadas.
TORRACA, N. A., Produtividade e Qualidade do
Serviço de Transporte Ferroviário de Cargas, Rio de
Janeiro, 1996.
O trabalho acima faz parte de um projeto
realizado pelo Laboratório de Ferrovias e
Asfalto da Universidade Federal de Ouro Preto,
com o propósito de caracterizar escorias para
utilização em lastro ferroviário. Os autores
gostariam de agradecer a Universidade Federal
de Ouro Preto, a Companhia VALE e a
Fundação Gorceix pelo apoio na execução dos
ensaios.
REFERÊNCIAS
AECB. O Papel da Ferrovia na Política Nacional de
Transportes. 1° Encontro Nacional Ferroviário.
ENFER. Associação de Engenheiros da Central do
Brasil, Brasília, DF, 60p, 1991.
ANTT Agência Nacional de Transportes Terrestres
Disponível em: < www.antt.gov.br/ >. Acesso em: 05
dezembro 2003.
AREMA. Manual for Railway Engineering. Lanham:
American Railway Engineering and Maintenance
Association- AREMA, 2002. v. I - IV.
BARDET, J.P., Experimental soil mecanics, PRENTICE
– HALL, 1997;
FERNANDES, G., 2005, “Comportamento de estruturas
de pavimentos ferroviários com utilização de solos
finos e/ou resíduos de mineração de ferro associados
a geossintéticos”;
HEAD, K.H., Manual of soil laboratory testing, Vol
1,2,3, ELE. International limited, 1986;
MACHADO, A.M.W., 2006, “Contribuição à
metodologia de recebimento, manutenção e
recebimento do lastro ferroviário”.
NBR 5564: 1991 - Via férrea Lastro Padrão
Especificação
NBR 6465: 1984 - Agregados - Determinação da
Abrasão Los Angeles - Método de ensaio
NBR 6954: 1989 - Lastro padrão - Determinação da
forma do material - Método de ensaio
NBR 7218: 1987 - Agregados - Determinação do teor de
argila em torrões e materiais friáveis - Método de
ensaio
NBR 7219: 1987 - Agregados – Determinação do teor de
material pulverulento - Método de ensaio
NBR 7418: 1987 - Lastro padrão - Determinação da
massa específica aparente, da absorção de água e da
porosidade aparente do material - Método de ensaio
NBR 7702: 1983 - Lastro padrão - Determinação da
resistência do material à intempérie do material Método de ensaio
NBR 7702: 1984 - Lastro padrão - Determinação do teor
de fragmentos macio e friável - Método de ensaio
NBR 8938: 1985 - Determinação da resistência ao
choque - Método de ensaio
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