Estudo do Efeito da Energia de Desgaste na Previsão da
Durabilidade de Gnaisse Ornamental de Pádua-RJ
José Luiz Ernandes Dias Filho
Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro - UENF, Campos dos Goytacazes, Brasil,
[email protected]
Paulo César de A. Maia
UENF, Campos dos Goytacazes, Brasil, [email protected]
Gustavo de Castro Xavier
UENF, Campos dos Goytacazes, Brasil, [email protected]
Priscila Alves Marques Fernandes
UENF, Campos dos Goytacazes, Brasil, [email protected]
RESUMO: Este trabalho apresenta uma avaliação do comportamento de um gnaisse ornamental
proveniente de pedreira da Região Norte Fluminense, submetida a processo de degradação acelerada
em equipamento de degradação. Foi analisado o comportamento do material rochoso através do
ensaio de resistência a desgaste, utilizando-se corpos de prova prismáticos. Observou-se um
significativo aumento no desgaste dos materiais estudados, alterados aceleradamente no laboratório,
quando comparada ao intacto. No estudo a variação da energia de desgaste é feita através da
variação da velocidade de rotação de um equipamento slake durability, adaptado para a pesquisa. Os
resultados indicam que o aumento da velocidade de rotação da câmara de desgaste provoca um
aumento não linear do desgaste. Esse comportamento confirma que a velocidade de alteração da
rocha é maior em ambientes com maior energia de degradação e que o nível de alteração não
obedece a uma função linear com a energia de degradação do meio. Este trabalho traz uma análise
crítica sobre o assunto e assim, espera-se melhor entender a relação entre a energia de desgaste e a
durabilidade nos materiais estudados.
PALAVRAS-CHAVE: Rocha ornamental, desgaste, durabilidade.
1
INTRODUÇÃO
A durabilidade de materiais geotécnicos se
constitui hoje um importante objeto de pesquisa
na engenharia geotécnica. Isso se justifica,
sobretudo pela constatação de problemas
relacionados à eventual degradação rápida de
alguns materiais, trazendo prejuízos financeiros
às obras. Aspecto relevante no estudo da
durabilidade é a relação entre a energia de
desgaste e a durabilidade dos materiais. Neste
sentido, um mesmo material pode ser
considerado apropriado sob determinadas
condições intempéricas, enquanto que em outras
não. As dificuldades experimentais para
avaliação desta interação se maximizam quando
os procedimentos de laboratório traduzem a
durabilidade como uma função da alteração
provocada sob uma determina energia de
desgaste associada a um procedimento de
ensaios em particular.
Dentre os materiais de construção, a rocha
está presente na construção civil com
diversidade em suas aplicações. Antes de serem
extraídos das jazidas, porém, estes materiais
apresentam-se num estado de alteração
equilibrado com o meio, o qual foi atingido num
intervalo geológico de tempo, ou seja, de
centenas a milhares de anos.
A partir do momento em que temos a
extração até a aplicação temos a mudança do
meio. Então, a rocha passa a sofrer
transformações em busca de equilíbrio. A
velocidade de alteração no novo meio depende
da susceptibilidade da rocha à alteração. Assim,
a alterabilidade vai depender das características
do material, do meio externo e do tempo de
exposição. Dependendo das características de
alterabilidade, a rocha pode sofrer alterações em
um intervalo de tempo que pode variar de
milhares de anos a poucos meses.
Neste sentido, o presente trabalho busca o
estudo da durabilidade de rochas, especialmente
as utilizadas em fachadas de edifícios,
considerando-se as variações da energia de
desgaste provocada pelos diferentes ambientes
exógenos. Sendo assim, A seleção destes
materiais se justifica pelas suas características
intrínsecas,
normalmente
susceptíveis
à
degradação, além da frequente utilização em
obras. A rocha de estudo é um gnaisse
minolitizado proveniente de Santo Antônio de
Pádua/RJ denominado comercialmente de Pedra
Olho do Pombo. No estudo a variação da
energia de desgaste é feita através da variação
da velocidade de rotação de um equipamento
slake durability, adaptado para a pesquisa.
A literatura cita exemplos de estudos com
durabilidade e procedimentos com análise do
comportamento de rochas decorrentes da
alteração de rochas utilizadas na construção civil
utilizando o slake durability e na (Tabela 1).
Tabela 1. Alguns trabalhos desenvolvidos em degradação com slake durability em rochas.
Material
Referência
Análises realizadas
Observação
utilizado
Índices Físicos, Esclerometria,
Basaltos e
Ensaios adequados para a previsão do
Maia (2001)
Slake Durability Test
granitos
comportamento dos materiais
e Micro Deval
Índices Físicos, Esclerometria,
Rochas
Ensaios adequados para a previsão do
Dhakal et al (2002)
Slake Durability Test
sedimentares
comportamento dos materiais
e Micro Deval
Lashkaripour e
Análise Petrográfica e
Resultados variando de acordo
Rochas brandas
Boomeri (2002)
Slake Durability Test
com mineralogia das rochas.
Agustawijaya
Mudanças significativas dos resultados de
Rochas brandas
Slake Durability Test
(2003)
acordo com a geometria dos corpos de prova
Alterações físicas nos materiais e mudança na
Fuenkajorn & ScriVárias Rochas
Slake Durability Test
resistência mecânica. Durabilidade
in(2007)
satisfatória
Análise Petrográfica, Poin
O material rochoso entre 25 a 40 anos
Nunoo et al (2009)
Granito
Load e Slake Durability Test
apresentam ainda alta resistência
Índices Físicos e
Fuenkajorn (2010) Rochas brandas
Alterações físicas nos materiais
Slake Durability Test
Rochas
Correlação da quantidade dos ciclos no Slake
Yagis (2010)
Slake Durability Test
sedimentares
na análise de resultados
Rochas
Modificação no tempo de duração do ensaio e
Keaton et al (2010)
Slake Durability Test
sedimentares
eliminação do processo de secagem.
Slake Durability Test, Point
Confirmou-se baixa durabilidade deste
Miscevic (2011)
Rochas brandas
Load e Índices Físicos
material de acordo com teor de carbonato
2. MATERIAL E MÉTODOS
2.1. Material de Estudo
O material rochoso analisado é oriundo de
Pedreiras de Santo Antonio de Pádua, localizada
ao norte do Estado do Rio de Janeiro. Vale
destacar que a rocha estudada é utilizada para
fins ornamentais e é reconhecida na prática
como a Pedra Olho de Pombo. Esta rocha é um
de gnaisse quartzo milonitizado de granulação
média com porfiroclastos de ortoclásio branco,
rico em quartzo. Soldati (2004) realizou alguns
estudos que caracterizam o material rochoso da
região quanto as suas características físicas e
mecânicas.
2.2. Metodologia de estudo
2.3. Programa experimental
A metodologia para a avaliação da alteração de
rochas está ilustrada na Figura 1 (Maia et al.,
2001). É importante que o material seja
representativo da condição intacta e da condição
de alteração no laboratório e no campo.
O presente trabalho realizou uma
comparação entre o desgaste do material intacto
e o degradado em laboratório, destacado em
cinza no fluxograma. Esta metodologia
difundiu-se no meio acadêmico e para o material
em estudo há trabalhos importantes de
caracterização e durabilidade com Salles & Maia
(2004) e Maia & Salles (2006).
O parâmetro do material estudado foi a perda de
massa através do desgaste. Para isso foi
utilizado o equipamento slake durability
adaptado para esta pesquisa (Fig. 2). Este
equipamento possui características físicas
segundo a norma Rock Characterization Testing
and Monitoring da ISRM (1981). No
equipamento a amostra é colocada dentro de
uma câmara metálica cilíndrica vazada, que roda
em torno de um eixo horizontal, promovendo o
choque das partículas de rocha entre si. A
câmara é parcialmente submersa o que permite o
contacto das partículas com a água, favorecendo
a desagregação por desgaste. No estudo a
variação da energia de desgaste é feita através
do controle da velocidade de rotação da câmara.
Foram utilizados sete níveis de rotação: 10, 20,
40, 80, 140, 150 e 160 rotações por minuto.
Para a avaliação do material alterado no
laboratório
foram
produzidas
amostras
degradadas por lixiviação contínua com três
tempos de degradação: 12, 18 e 34 dias na
lixiviação. Esses ensaios foram conduzidos no
Laboratório de Engenharia Civil da UENF
utilizando o Equipamento de Degradação
Universal da UENF. Através deste equipamento
é possível submeter amostras de rocha de
grande volume a condições controladas de
temperatura, precipitação e de umidade.
Cada amostra é constituída por 10 partículas
cúbicas com 3 cm de lado, aproximadamente. E
a quantidade de material utilizado para a
pesquisa resultou em 28 amostras, totalizando
280 partículas, sendo: 7 amostras intactas e 21
amostras submetidas a degradação por lixiviação
contínua.
MATERIAL DE ESTUDO
Material intacto
Alteração no
laboratório
Material
alterado no
campo
Material alterado
em laboratório
Parâmetros do
material
alterado no
laboratório
Parâmetros
do material
intacto
Parâmetros do
materia
alterado no
campo
Correlações do tempo de alteração no campo
com o tempo de alteração em laboratório
Previsão do comportamento do material a longo prazo
Figura 1: Organograma ilustrativo da metodologia para
avaliação da alterabilidade de materiais rochosos
Para a avaliação do desgaste do material é
suficiente comparar os parâmetros do material
alterado com os parâmetros do material intacto.
No entanto, para análise mais profunda do
comportamento do material em outras regiões,
onde este será aplicado, faz-se necessário a
produção de amostras para realização de ensaios
em diferentes energias de desgaste. Deste modo,
uma parte do material intacto deve ser destinada
para os ensaios de alteração acelerada no
laboratório. Após o processo, serão medidos os
parâmetros do material alterado para os
diferentes níveis de alteração.
Figura 2: Equipamento Slake Modificado.
3. RESULTADOS E ANÁLISES.
Os resultados experimentais indicam que a perda
de massa aumenta com a energia de desgaste e
com no nível de alteração de laboratório.
Com o aumento do número de ciclos no
ensaio observa-se uma sensível redução da taxa
de aumento de desgaste. Isso deve ser
consequência do arredondamento das arestas
das partículas provocada pelo atrito no ensaio.
A Figura 3 – A, apresenta a variação da
perda de massa com o número de ciclos e com o
número de rotações da rocha olho do pombo
não degradado, obtido através do programa
experimental.
A Figura 3 - B, C e D, apresentam a variação
da perda de massa com o número de ciclos e
com o número de rotações para as amostras
degradadas no laboratório, obtida através do
programa experimental.
4,5%
4,5%
4,0%
Perda de Massa
3,5%
RPM
4,0%
140
3,5%
3,0%
80
2,5%
2,0%
1,5%
40
20
10
160
1,0%
0,5%
0,0%
0
1
2
3
4
Ciclos de Ensaio
140
80
2,0%
40
1,5%
1,0%
20
10
160
0,5%
0,0%
0
1
2
3
4
Ciclos de Ensaio
5
4,5%
RPM
140
(D)
4,0%
3,5%
3,0%
80
2,5%
40
2,0%
1,5%
Perda de Massa
3,5%
Perda de Massa
RPM
2,5%
RPM
140
(C)
(B)
3,0%
5
4,5%
4,0%
Perda de Massa
(A)
2,5%
40
2,0%
1,5%
1,0%
20
1,0%
0,5%
10
160
0,5%
0,0%
80
3,0%
20
10
160
0,0%
0
1
2
3
4
Ciclos de Ensaio
5
0
1
2
3
4
Ciclos de Ensaio
5
Figura 4: Resultado do ensaio na rocha Olho do Pombo intacto (A) e em laboratório para sete energias de desgaste
diferentes nos seguintes tempos de degradação: (B) 12, (C) 18 e (D) 34 dias.
A partir dos resultados experimentais pode-se
determinar a variação da perda de massa com o
número de rotações (Figura 4 – A, B, C e D). A
partir destas figuras nota-se que a perda de
massa cresce com o número de rotação. No
entanto, a partir de um determinado número de
rotações nota-se tendência à estabilização e logo
uma posterior redução brusca da perda de massa
com o aumento do número de rotações. Este
comportamento se justifica pelo aumento da
força centrífuga que provoca a redução da
mobilidade relativa entre as partículas, até o
limite onde as partículas ficam completamente
imobilizadas e presas na parede da câmara.
Neste momento o ensaio perde eficiência e não
representa mais uma condição de campo.
A determinação do numero de rotações
teórico pode ser feito através do equilíbrio de
forças presentes no momento crítico de
movimentação da partícula na câmara (Figura
5). A partir do momento que o atrito é igual a
força peso tem-se a RPM crítica (Equação 1).
4,5%
4,5%
Ciclo
(A)
4,0%
5°
3,0%
2,5%
2°
2,0%
1,5%
3,0%
2,5%
2°
2,0%
1,5%
1,0%
1,0%
0,5%
0,5%
0,0%
0,0%
0
20
40
60
80 100 120 140 160
RPM
4,5%
0
20
40
60
80 100 120 140 160
RPM
4,5%
Ciclo
5°
(C)
4,0%
Ciclo
5°
(D)
4,0%
3,5%
Perda de Massa
3,5%
Perda de Massa
5°
3,5%
Perda de Massa
Perda de Massa
3,5%
Ciclo
(B)
4,0%
3,0%
2,5%
2°
2,0%
1,5%
3,0%
2,5%
1,5%
1,0%
1,0%
0,5%
0,5%
0,0%
2°
2,0%
0,0%
0
20
40
60
80 100 120 140 160
RPM
0
20
40
60
80 100 120 140 160
RPM
Figura 4: Resultado do ensaio na rocha Olho do Pombo intacto (A) e em laboratório comparando 2° e 5° ciclos em
RPM diferentes nos seguintes tempos de degradação: (B) 12, (C) 18 e (D) 34 dias.
v=
Figura 5: Posição crítica da partícula na câmara metálica
e sua equação de equilíbrio.
W = Fc  
(1)
Substituindo a Equação 2, 3 e 4 na Equação 1 e
isolando “v” tem-se a Equação 5:
W = força peso  m  g
mv
r
 = força de atrito  tan
Fc = força centrífuga 
(2)
2
(3)
(4)
gr
tan 
(5)
A divisão entre a velocidade da Equação 5 pela
velocidade na parede da câmara é a rotação
crítica do ensaio. O valor encontrado é próximo
a 165 RPM. Através dos ensaios da Figura 4
constata-se que o número de rotações crítico
não varia entre os resultados do 2° e 5° ciclos e
observam-se duas situações.
A determinação analítica teórica para a
rotação crítica é confirmada. Porém, a partir de
140 RPM a curva de resultados apresenta-se em
uma queda não acentuada contrariando a idéia
de crescente perda de massa até a total inércia
da partícula na parede da câmara. Como a
principal causa se encontra a diminuição do
atrito entre as partículas na câmara que pode ser
observada durante o ensaio.
A criação de um gráfico analítico (Figura 6)
considera a análise de regressões lineares entre
Máximo valor de perda de massa (%)
os cincos primeiros pontos das figuras
apresentadas. O coeficiente de determinação,
R², diminui de 1 para 0,98 na última regressão
com os 5 pontos. Este comportamento garante
qualidade para utilização destes resultados. Os
gráficos experimentais confirmam esta idéia
onde o resultado já não será representativo após
140 RPM mesmo que a perda de massa se
aproxima de zero somente em 160 RPM.
Ciclo
relação entre a energia de desgaste e a
durabilidade nos materiais estudados.
AGRADECIMENTOS
Os autores registrar agradecimentos a CAPES e
ao micro-empresário Antônio Camacho Brum
pelo fornecimento do material estudado.
REFERÊNCIAS
5°
2°
0
20
40
60
80 100 120 140 160
RPM
Figura 6: Gráfico analítico.
4. CONCLUSÃO.
A metodologia aplicada para o estudo da
alterabilidade dos material rochoso Olho de
Pombo mostrou-se adequada para o objetivo da
pesquisa. No entanto ainda faz-se necessário à
continuidade do programa experimental para
permitir a previsão do comportamento dos
materiais estudados em longo prazo correlação
da energia de degradação no campo com o
laboratório.
A variação da perda de massa no material
intacto ficou entre 0,27 e 1,91% no ensaio
padrão. Porém com as outras seis variações da
energia de desgaste durante o ensaio tem-se o
mínimo com 0,13% e o máximo de 3,71%.
É fundamental, também, o estabelecimento
de procedimentos de laboratório que conduzam
a determinação das características de
durabilidade da rocha como uma função das
características intempéricas do meio.
Este trabalho traz uma análise crítica sobre o
assunto e assim, espera-se melhor entender a
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