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Engenharia

Geotecnia – Rochas

By 29 de outubro de 2018 No Comments

Esta aula tem como objetivo descrever os conceitos mais importantes concernentes ao estudo das Rochas com o foco no que é cobrado essencialmente nos concursos públicos. O material é baseado nos resumos preparados para consolidação do conhecimento da matéria ao longo dos anos e na NBR6502 – Rochas e solos.

1. Considerações Iniciais

Mecânica das rochas é a ciência teórica e aplicada do comportamento mecânico das rochas e maciços rochosos; é o ramo da mecânica que estuda a resposta das rochas e maciços rochosos perante os campos de forças a que estão sujeitos no seu ambiente físico.

A mecânica das rochas propriamente dita faz parte do campo mais vasto que é a geomecânica, que se ocupa das respostas mecânicas de todos os materiais geológicos, incluindo os solos. A mecânica das rochas, tal como é aplicada na prática da engenharia de minas e engenharia geológica, refere-se à aplicação dos princípios da mecânica de engenharia ao desenho de estruturas em rocha geradas pela atividade mineira, como por exemplo, túneis, poços de minas, escavações subterrâneas ou minas a céu aberto. Inclui também o desenho de padrões de ancoragens.

2. Definição

Rochas são materiais sólidos consolidados, formados naturalmente por agregados de matéria mineral ou minérios, que se apresentam em grandes massas ou fragmentos.

3 . Propriedades

As principais propriedades que distinguem uma rocha de um solo são a coesão interna e a resistência à tração.

A coesão interna é a força que liga as partículas umas às outras (ligação entre os átomos). Este valor difere da coesão aparente, que é resultante do atrito entre as partículas quando submetidas às forças de cisalhamento. Exemplo de coesão nula é a areia, mas pode apresentar coesão aparente de 4,34 kg/cm².

A resistência à tração pode ser nula num solo. Mas entre o solo e a rocha pode existir uma tração uniaxial de 1MPa.

A rocha, como o solo, é um material bastante distinto de outros materiais da engenharia, por isso os projetos em rochas são bastante especiais. A mecânica das rochas se desenvolveu mais lentamente que a mecânica dos solos, pelo simples fato de a rocha ser considerada mais competente que o solo e gerar menor número de problemas com fundações ou estruturas.

A mecânica, de uma forma geral, estuda a resposta de um material a uma solicitação qualquer. A mecânica das rochas tem como finalidade estudar as propriedades e o comportamento dos maciços rochosos submetidos a tensões ou variações das suas condições iniciais.

As rochas são utilizadas pelo homem para fabricação de armas, ferramentas e utensílios. Este material é muito usado para construção de casas, túneis, fortificações, esculturas entre outros.

As áreas de atuação são classificadas como:

  • Atividades de superfície (<100m): fundações, barragens, estradas e minas à céu aberto.
  • Atividades em profundidade (>100m): minas subterrâneas, túneis, cavernas hidrelétricas, aproveitamento de energia geotérmica.
  • Atividades especiais: engenharia do petróleo, engenharia geotécnica, armazenamentos em cavernas(petróleo, água, resíduos radioativos, etc.).

Os projetos de engenharia de rochas podem ser agrupados em sete categorias, sendo em fundações a sua utilização mais importante.

  • fundações: as rochas são um excelente material de fundação, mas podem ser fraturados e alterados. É necessário estabelecer a competência da rocha em relação a sua capacidade de suportar a carga para níveis toleráveis de deformação.

 

  • taludes: a mecânica das rochas pode identificar o risco de ruptura do talude rochoso, seja por tombamento, flexão, em cunha ou em plano;

  • túneis e poços: a estabilidade de túneis e poços depende da estrutura da rocha, estado de tensões, regime de fluxo subterrâneo e técnica de construção;

  • cavernas: o projeto de construção de grandes cavernas é influenciado pela presença e distribuição das fraturas do maciço rochoso;

  • mineração: a mecânica das rochas influi sobre os métodos de mineração, com a finalidade de se obter uma maior extração de minério, utilizando-se um mínimo de suporte artificial das galerias;

  • energia geotérmica: a produção de energia geotérmica é obtida pela percolação de água, injetada no furo, através das fraturas da rocha-reservatório naturalmente aquecida e a posterior recuperação por outro furo de sondagem. Este sistema depende da interação entre as fraturas do maciço, tensões in situ, condições de fluxo, temperatura e tempo;

  • armazenamento de rejeitos radioativos: o isolamento dos materiais radioativos em relação à biosfera requer o estudo das fraturas do maciço, capacidade de absorção das superfícies das fraturas, tensões in situ,condições de fluxo, temperatura e tempo.

 

O intemperismo é o processo natural de decomposição ou desintegração de rochas e solos, e seus minerais constituintes, por ação dos efeitos químicos, físicos e biológicos que resultam da sua exposição aos agentes externos (neles se incluindo os fatores antropogênicos, isto é devido directa ou indiretamente à ação humana). Em resumo, a meteorização é o fenomeno natural a que estão sujeitos todos os materiais geológicos quando expostos à ação combinada da atmosfera, da hidrosfera, da biosfera e da antroposfera, ocorrendo de forma permanente e generalizada em toda a superfície terrestre, não devendo contudo ser confundida com os efeitos da erosão, embora tenha frequentemente com eles uma relação estreita de causa e efeito. Em geral, o intemperismo intensifica-se em regiões de climas tropicais, como é o caso do Brasil.

São vários os fatores que influem no intemperismo:

  • Clima: É o mais importante. É ele que determina a distribuição sazonal das chuvas – fundamentais porque é a água o principal agente transportador dos produtos do intemperismo – e as variações de temperatura, que contribuem para a fragmentação das rochas, através da alternância de períodos de dilatação com períodos de contração. Quanto maior a disponibilidade de água e quanto mais frequente for sua renovação, mais completas serão as reações químicas do intemperismo. Quanto à temperatura, para cada 10 ºC de elevação há um aumento de duas a três vezes na velocidade das reações químicas. Isso explica por que o intemperismo é mais intenso nos trópicos.
  • Relevo: Determina a maior ou menor velocidade do fluxo da água das chuvas, com consequente menor ou maior infiltração no solo. Em encostas de alta declividade, a água fica pouco tempo em contato com as rochas e assim não consegue promover adequadamente as reações químicas. Nas baixadas, a água fica, ao contrário, bastante tempo em contato, mas não se renova facilmente, de modo que fica saturada nos componentes solúveis e perde sua capacidade de continuar atacando os minerais. Portanto, é nas encostas suaves que o intemperismo é mais intenso.
  • Rocha-Mãe: Importante porque, dependendo de sua composição mineralógica, textura e estrutura, terá maior ou menor resistência à decomposição e à desagregação. Os primeiros minerais a cristalizar no resfriamento de um magma são os mais instáveis nas condições normais de pressão e temperatura e, assim, são os primeiros a se alterar. Por essa razão, o quartzo é dos mais resistentes e na alteração de um granito, por exemplo, é o último a se decompor. Os mármores, por sua vez, por serem formados de carbonato de cálcio, mineral altamente solúvel em água, alteram-se com muito mais facilidade que os granitos (daí ser o granito muito mais indicado para tampos de pia que o mármore).
  • Tempo: Quanto maior o tempo de exposição de uma rocha, mais intensa será a ação intempérica sobre ela. Calcula-se que em um milhão de anos o intemperismo rebaixe o relevo de 20 a 50 metros. Na Escandinávia, onde o clima é muito frio, sobre superfícies graníticas expostas há 10 mil anos desenvolveu-se um manto de alteração de apenas poucos milímetros. Em compensação, no Havaí, região muito úmida, no período de apenas um ano desenvolveu-se sobre lavas basálticas recentes uma camada de solo suficiente para uso agrícola.
  • Fauna e Flora: São fatores de importância menor, mas que atuam fornecendo matéria orgânica para reações químicas e remobilizando materiais. A concentração de CO2 no solo, proveniente da decomposição da matéria orgânica morta, pode ser até 100 vezes maior que na atmosfera. Isso facilita muito a acidificação da água, o que favorece, por exemplo, a dissolução do alumínio. Superfícies rochosas cobertas de liquens são muito mais rapidamente atacadas pelo intemperismo químico que aquelas sem liquens, e raízes de árvores têm grande poder de penetração em fendas de rochas, provocando sua dilatação. Os materiais produzidos pelo intemperismo podem ser transportados para outro local ou permanecerem na posição original. Em qualquer um dos casos, vão gerar um solo, chamado de solo transportado no primeiro caso e de solo residual no segundo.

 

4. Tipos de Intemperismo

A ação do intemperismo dá-se através de modificações nas propriedades físicas e químicas dos minerais e rochas. Quando predominam as primeiras, fala-se em intemperismo físico; se predominam as segundas, fala-se em intemperismo químico. Quando há participação de seres vivos e de matéria orgânica, é classificado em físico-biológico ou químico-biológico. São eles:

  • Intemperismo Físico: Consiste basicamente na desagregação da rocha, com separação dos grãos minerais que a compõem e fragmentação da massa rochosa original. As variações de temperatura dilatam e contraem o maciço rochoso, gerando fissuras que com o tempo vão se alargando. Os minerais, por sua vez, possuem diferentes coeficientes de dilatação e respondem de maneira diferente a essas variações térmicas, contribuindo também para o fissuramento. Essas mudanças são particularmente acentuadas no ambiente desértico, que tem dias quentes e noites frias.

As variações na umidade também provocam o mesmo efeito. E, se a água que se infiltra em fraturas da rocha sofre congelamento, o intemperismo físico é bem mais acentuado, porque ao congelar a água aumenta em 9% o seu volume e exerce grande pressão sobre as paredes da rocha. Quando a água que se infiltra em fraturas e fissuras contém sais dissolvidos (principalmente cloretos, sulfatos e carbonatos) e esses vêm a precipitar, pode igualmente ocorrer um aumento de volume e consequente fragmentação, pois isso causa enorme pressão sobre a rocha. Esse tipo de fragmentação é um dos principais problemas que afetam monumentos feitos com rocha. Seja qual for a causa da fragmentação, ela sempre acaba facilitando a penetração da água e o consequente intemperismo químico da rocha.

  • Intemperismo Químico: A maior parte das rochas que hoje afloram formou-se em ambiente muito diferente daquele que há na superfície terrestre atual, onde pressão e temperatura são baixas e onde a água e o oxigênio são muito abundantes. Como consequência, os minerais que formam essas rochas estão hoje em desequilíbrio químico e tendem a se transformar em outros, mais estáveis.
  • O principal agente do intemperismo químico é a água, que, absorvendo o CO² da atmosfera, adquire características ácidas. Em contato com a matéria orgânica do solo, essa água fica mais ácida ainda, o que vai facilitar seu trabalho de dissolução de carbonatos e outras substâncias. O intemperismo químico atua através de reações de hidratação, dissolução, hidrólise, acidólise e oxidação. Os feldspatos e as micas são transformados em argilas, permanecendo o quartzo inalterado. A ação da água sobre o feldspato e a biotita leva à produção de argilas, das quais a principal é o caulim.
  • Intemperismo Biológico: É bem menos importante que os dois tipos anteriores e se dá através da ação de bactérias que decompõem materiais orgânicos. Esse tipo de intemperismo produz os solos mais férteis do mundo, sendo muito comum na Rússia e na Ucrânia.

 

5. Classificação das Rochas:

As Rochas podem ser classificadas em:

  • Igneas ou Magmáticas: As Rochas ígneas, rochas magmáticas ou rochas eruptivas (derivado do latim ignis, que significa fogo) são um dos três principais tipos de rocha. A formação das rochas ígneas vêm do resultado da consolidação devida ao resfriamento do magma derretido ou parcialmente derretido. Elas podem ser formadas com ou sem a cristalização, ou abaixo da superfície como rochas intrusivas (plutônicas) ou próximo à superfície, sendo rochas extrusivas (vulcânicas). O magma pode ser obtido a partir do derretimento parcial de rochas pré-existentes no manto ou na crosta terrestre. Normalmente, o derretimento é provocado por um ou mais dos três processos: o aumento da temperatura, diminuição da pressão ou uma mudança na composição. Ex: granitos, dioritos e basaltos
  • Metamorficas: Rochas metamórficas são rochas que resultam da transformação da rocha original, o protólito. Este dá origem a uma rocha metamórfica depois de sofrer transformações químicas e físicas devido ao fato de se submeter a temperaturas e pressões elevadas e à atuação de fluidos em zonas profundas da crosta terrestre, sem que, contudo, cheguem a fundir (a não ser, talvez, parcialmente). O protólito tanto pode ser uma rocha sedimentar, como uma rocha ígnea ou mesmo outra rocha metamórfica.

Podem formar-se, simplesmente, por estarem sujeitas às altas temperaturas existentes muito abaixo da superfície terrestre e à pressão provocada pelo peso das camadas de rocha superiores. Podem também ter origem em processos tectónicos como colisões continentais que provocam pressão horizontal, fricção e deformações. Podem, ainda, formar-se graças ao chamado metamorfismo de contato, quando a rocha, sempre no estado sólido, é aquecida pela intrusão de rocha fundida (magma) proveniente do interior da Terra. Alguns exemplos de rochas metamórficas são o gnaisse, a ardósia,o mármore, o xisto, e o quartzito.

  • Sedimentares: As rochas sedimentares são compostas por sedimentos transportados pela água, gelo ou vento e acumulados em depressões na crosta terrestre. Cobrem cerca de 75% da superfície terrestre e 90% dos leitos marinhos e corresponde a 5% do volume da Terra. As rochas sedimentares são importantes fontes de material fóssil. Ex: Calcário, Arenitos e Margas. As rochas sedimentares formam-se por três processos principais:
    • pela deposição (sedimentação) das partículas originadas pela erosão de outras rochas – rochas sedimentares clásticas ou detríticas;
    • pela precipitação de substâncias em solução – rochas sedimentares quimiogénicas; e
    • pela deposição dos materiais de origem biológica – rochas sedimentares biogénicas.

 

5.1 Quadro Resumo de Classificações e Tipos de Rochas

5.2 Exemplos de Rochas

6. Durabilidade

A durabilidade é a resistência da rocha aos processos de alteração e fragmentação sendo também conhecida por alterabilidade. O contacto da rocha com a água e o ar, muitas vezes através de obras de engenharia civil como escavações e terraplenos, pode ocasionar a degradação das suas características mecânicas. Influenciam a durabilidade: a Compacidade, Porosidade, Permeabilidade, Higroscopicidade, Gelividade, Condutibilidade Térmica.

O ensaio “slake durability test” consiste em submeter material rochoso previamente fragmentado a ciclos normalizados de secagem, umidificação e ação mecânica. Os fragmentos são colocados dentro de redes metálicas cilíndricas com determinada abertura parcialmente imersas na água que rodam em torno de um eixo horizontal. O choque dos fragmentos de rocha entre si e o contato com a água favorecem a sua desagregação e alteração. A secagem dos fragmentos é realizada em estufas após o que pode seguir-se outra umidificação e ação mecânica

 

7. Ensaio com o esclerómetro ou martelo de Schmidt

A resistência à compressão simples das rochas pode ainda ser correlacionada com a sua dureza. A dureza nas rochas é um conceito diferente daquele que é considerado nos minerais. Geralmente é associada com a chamada dureza de Schmidt (R) que é determinada através do ensaio com o martelo de Schmidt. Este valor é depois correlacionado com a resistência à compressão simples da rocha constituinte da superfície ensaiada de acordo com o valor do seu peso volúmico

A dureza é uma propriedade mecânica da matéria sólida que determina sua resistência ao risco. No campo da Mineralogia, para quantificar a dureza de um mineral, utiliza-se a Escala de Mohs. Essa escala foi desenvolvida pelo mineralogista alemão Friedrich Mohs no ano de 1812 e é formada por 10 minerais organizados em ordem crescente de dureza. Observe:

8. Teste de dureza Brinell

O método de teste de dureza Brinell consiste em endentar o material com uma esfera de aço endurecido ou metal duro(carbeto de tungstênio) com 10 mm de diâmetro com uma carga de 3000 kgf. Para materiais mais moles a carga pode ser reduzida para 1500 kg ou 500 k para reduzir endentação excessiva. A carga total é normalmente aplicada por 10 ou 15 segundos no caso de ferro fundido ou aço , e pelo menos durante 30 segundos para outros metais.

9. Ensaio de Dureza/Microdureza Vickers

O Ensaio de Dureza Vickers consiste em forçar, através da aplicação de uma carga pré-estabelecida, um penetrador de diamante com formato de pirâmide de dimensões conhecidas, sobre a superfície do corpo de prova a ser ensaiado. Este método foi desenvolvido no início da década de 1920 como uma alternativa ao Brinell. Uma das grandes vantagens é que os cálculos da dureza não dependem das dimensões do penetrador. O mesmo penetrador pode ser usado nos ensaios de diversos materiais, independentemente da dureza. Além disso, esta é uma das escalas mais amplas entre as usadas para medição de dureza e pode ser utilizada para todos os metais, com uma grande precisão de medida.

Outra grande vantagem deste método é a pequena impressão deixada, sendo que este procedimento é utilizado em ensaios de micro e nano-dureza, na qual é possível analisar cerâmicas e finíssimas camadas de revestimento. As desvantagens são a necessidade de preparar a amostra previamente e o uso de um microscópio adequado

10. Teste de dureza Rockwell

O teste de dureza Rockwell consiste em endentar o material sob teste com um cone de diamante ou endentador de esfera de aço endurecido. O endentador é pressionado contra a superfície do corpo de prova com uma pré-carga F0 , usualmente de 10kgf . Quando o equilíbrio é atingido, um dispositivo indicativo que segue os movimentos do endentador e responde às variações da profundidade de penetração é ajustado para a posição zero.

Ainda com a pré-carga aplicada, uma segunda carga introduzida, aumentando a penetração. Atingido novamente o equilíbrio a carga é removida, mantendo-se a pré-carga. A remoção da carga provoca uma recuperação parcial, reduzindo a profundidade da penetração. O aumento permanente na profundidade da penetração resultante da aplicação e remoção da carga é usado para calcular o valor da dureza Rockwell.

 

11. Fratura   

Em geologia, uma fratura é uma superfície num volume de rocha onde não se observa deslocamento relativo entre blocos, distinta da falha, que apresenta deslocamento paralelo ao plano da fratura, e da diaclase, onde o deslocamento é perpendicular (afastamento). Trata-se de fendas irregulares em minerais não controladas por sua estrutura cristalina.

 

12. Clivagem

Clivagem é a forma como muitos minerais se quebram seguindo planos relacionados com a estrutura atômica interna, paralelos às possíveis faces do cristal que formariam. A clivagem é descrita em cinco modalidades: desde pobre, como na bornite; moderada; boa; perfeita; e proeminente, como nas micas. Os tipos de clivagem são descritos pelo número e direcção dos planos de clivagem.

 

13. Principais Rochas empregadas na construção civil

  • Granito: Rocha ígnea de profundidade; Dura de textura cristalina e de grãos finos ou médios; Compõem-se de quartzo, feldspato e mica; Comum na natureza; Apresenta fratura irregular ou concóide; A cor predominante é dada pelo feldspato, podendo ser rósea, marrom, amarelada, cinza ou azulada; O quartzo dá grânulos brancos ou pretos e a mica lhe dá o brilho; Resistência à compressão é, em média, 150 MPa (1500kgf/cm²); Densidade varia de 2,5 a 3,0; Excelente pedra de construção, desde que não alterado; Resistência mecânica e durabilidade são as maiores dentre as demais pedras de construção; Usos: em calçamentos (resistência ao choque e desgaste), muros de arrimo, alvenarias e pontes em arcos (obras com esforços de compressão); Principal uso: Como agregado para base de pavimentos, concretos de Cimento Portland e asfáltico. Atualmente utilizado como revestimento de pisos e paredes na forma polida (placas).
  • Calcários: Rocha sedimentar composta por carbonato de cálcio (CaCO3) e pequenas proporções de outras substâncias (óxido de ferro, de magnésio, argila);• Predomínio de carbonato de cálcio (CaCO3) são chamados de calcários calcíticos e predomínio de carbonato de magnésio CaMg (CO3) são chamados de calcário dolomíticos ou magnesianos; Características: → Calcinação pela ação do calor, liberando gás carbônico. CaCO3 + calor = CaO + CO2→ Atacadas pelos ácidos, desprendem CO2 com efervescência. Cal, sob a forma de pó seco, obtida pela calcinação a uma temperatura próxima à da fusão de calcário com impurezas sílico-aluminosas, formando silicatos, aluminatos e ferritas de cálcio, que lhe conferem um certo grau de hidraulicidade é chamado de cal hidraulica. Riscadas facilmente pelo canivete (grau 3 na escala de Mohs).

Resistência à compressão é de 50 a 150 MPa (500 a 1500kgf/cm²); Uso: Revestimento, produção de aglomerantes (extração da cal e fabricação do cimento) e, em algumas regiões, como agregados.

  • Basalto: Rocha ígnea de superfície; De cor escura e textura compacta; Constituída à base de feldspato; Resistência à compressão é de 150 MPa (1500kgf/cm²); Composto de silicatos de alumínio e cálcio, de vidro e piroxênio; Tem grande resistência e dureza; Como agregado apresentam duas desvantagens: grande dureza que desgasta os britadores e a forma dos grãos predominantemente lamelares; Exige menos explosivos na exploração das pedreiras, devido ao seu fraturamento natural, fazendo seu custo de produção ser menor que o dos agregados graníticos; Uso: Em revestimentos de pisos com grande fluxo de pedestres (placas polidas) e pisos para jardins (forma bruta).
  • Mármores: Rochas derivadas do metamorfismo do calcário; Tem textura compacta; Resistência à compressão é de 100 MPa (1000kgf/cm²); As impurezas dão a sua coloração; Durabilidade e resistência à abrasão menor que granitos; Representam o último grau de alteração de rochas (paragnaisses) ou provêm do metamorfismo do granito (ortognaisses); Aspecto e características físicas e mecânicas semelhantes a dos granitos; Tem quase os mesmos usos que o granito; Uso: Em revestimento interior sob a forma de placas.

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