As propriedades-índice são muito importantes na caracterização e quantificação da matriz (rocha), permitindo a correlação com outros índices geomecânicos. Dentre as propriedades-índice podemos citar a densidade, a porosidade, o teor de umidade, a velocidade de propagação do som, a permeabilidade, a durabilidade e a resistência.
Propriedades-índices são propriedades físicas que caracterizam a estrutura, a composição, a fábrica e o comportamento mecânico das rochas.
Esses índices, geralmente, são medidos em pequenas amostras de rocha intacta, ou seja, componentes minerais considerando microfissuras e poros apenas, o que dificulta um pouco a sua representatividade para as propriedades do maciço rochoso (figura 1).
Figura 1 – A avaliação da amostra de rocha no laboratório auxilia na classificação primária, quanto ao comportamento da mesma e não do maciço, onde existe a interação da rocha intacta com as descontinuidades (Fonte: wikimedia).
A aplicação dessas propriedades-índice são inúmeras, dentre elas: operações de perfuração e corte, seleção de agregados para concreto e avaliação de rip-rap em barragens.
Em obras que envolvam escavações, superficiais ou subterrâneas, é necessário caracterizar as descontinuidades existentes, tanto ou mais que a própria natureza da rocha em si.
Vamos conhecer um pouco sobre essas propriedades-Índice?
A rocha assim como o solo é composta por três fases, minerais sólidos, água e/ou ar, e vazios. Diversas relações podem ser obtidas pela relação entre essas fases, seja em termos de volume e/ou peso, dentre elas podemos citar o peso específico e a porosidade.
- Peso Específico (γ)
Este parâmetro fornece dados importantes acerca da mineralogia e o grau de alteração, onde o valor do peso específico tende a reduzir com o avanço da alteração.
Obtido pela relação entre o peso da amostra (pesagem do corpo de prova) e o volume da amostra (geometria regular)
O peso específico pode ser relacionado aos estados saturado, seco e natural, e aos constituintes sólidos de uma rocha, possuindo influência direta na resistência e na deformabilidade (propriedades mecânicas) das rochas (figura 2).
Tanto a resistência à compressão quanto o módulo de elasticidade aumentam com o valor da densidade.
Figura 2 – O peso específico está relacionado diretamente com o estado de tensões verticais da crosta terrestre, sendo uma importante propriedade para a engenharia geotécnica e geologia de engenharia (Fonte: wikimedia).
- Porosidade (n)
Em rochas sedimentares (figura 3), formada por acúmulo de grãos, fragmentos de rochas ou conchas, a porosidade pode variar de 0 a 0,9 (n = 90%), onde neste tipo de rocha a porosidade tende a decrescer em função da profundidade e idade da rocha.
Figura 3 – Fotomicrografia de um arenito. Processos de compactação e cimentação podem reduzir a porosidade nessas rochas, chegando a valores inferiores a 5% (Fonte: wikimedia).
Quanto mais antiga uma rocha, maior a presença de minerais estáveis, já que os instáveis já foram alterados, lixiviados e substituídos por outros estáveis, gerando menor espaço de vazios ao material.
A porosidade representa a proporção de vazios de uma rocha sendo um parâmetro extremamente variável.
Em rochas ígneas (figura 4) e metamórficas intactas apresentam porosidade raramente superior a 2%, em geral fruto de microfissuras. A ação do intemperismo, especialmente nas microfissuras, no contorno dos grãos e nas juntas, pode gerar aumento da porosidade, sendo um índice muito preciso para avaliação da qualidade nessas rochas.
Apesar da porosidade decrescer com a profundidade este efeito é menos pronunciado nessas rochas, já que naturalmente apresentam baixas porosidades, mesmo próximos à superfície.
Figura 4 – Em granitos a porosidade pode chegar a 50%, quando os feldspatos e micas são alterados e lixiviados, originando esqueleto fracamente imbricado de cristais de quartzo (Fonte: wikimedia).
Rochas Sedimentares: 0 < n < 90%
Rochas Ígneas e Metamórficas: n ≤ 2 % (sã) e 20% ≤ n ≤ 50% (intemperizadas)
A porosidade pode ser calculada pela medida direta do volume de vazios, pela relação entre o teor de umidade de saturação e densidade relativa dos grãos, como também por lâmina delgada, onde neste último há possibilidade de erros de interpretação.
- Velocidade de Propagação de Ondas
As vibrações nas rochas se propagam, principalmente, por meio de ondas transversais e longitudinais. Teoricamente a velocidade de propagação de onda em uma rocha é influenciada diretamente pelas propriedades elásticas e densidade da rocha.
Na prática percebe-se que o índice de fissuramento de uma rocha interfere na propagação da onda, ou seja, quanto maior o fissuramento menor será a velocidade de propagação. O vídeo a seguir mostra o efeito da propagação de ondas, por cristais piezoelétricos, em um corpo de prova homogêneo e isotrópico.
A velocidade de propagação pode ser usada como índice de avaliação do grau de fissuramento de uma rocha, muito utilizado na avaliação de zonas de faturamento e/ou alteração em escavações subterrâneas.
Desta forma…
Em rochas mais alteradas, a velocidade de propagação diminui com o aumento da porosidade da rocha;
Em rochas menos alteradas, a velocidade de propagação aumenta com o aumento da densidade da rocha;
Independente do grau de alteração da rocha, a velocidade de propagação aumenta com o aumento do nível de tensões aplicadas e do teor de umidade, já que reduz a porosidade. e os vazios estão preenchidos por água, respectivamente.
- Alterabilidade e Durabilidade
As rochas são mais ou menos afetadas por ciclos de variação do nível de tensões, por exemplo, processos de aquecimento-resfriamento, umedecimento-secagem, congelamento-degelo, que levam a fadiga e ruptura do material. Por exemplo, granitos intactos são duráveis porque podem ser submetidos a ciclos de umedecimento-secagem sem se desintegrarem.
Rochas pelíticas como os folhelhos e algumas rochas ígneas e metamórficas intemperizadas, além de outras que possam conter sal anidro, incham e desintegram-se quando expostos às condições atmosféricas.
O índice de alterabilidade está diretamente relacionado ao grau de intemperismo de uma rocha e indica a tendência de desagregação desta.
É um índice bastante útil, por oferecer uma faixa relativa de durabilidade da rocha.
A alterabilidade é a facilidade que uma rocha tem de se alterar. A durabilidade é o inverso da alterabilidade.
Dentre os processos que alteram as rochas podemos citar a hidratação, solução, oxidação, esfoliação, desagregação, abrasão e outros. São processos complexos, do ponto de vista físico-químico, o que torna sua quantificação difícil em termos de processo e abrangência em uma rocha ou maciço rochoso.
Um ensaio muito comum e de fácil estimativa para obtenção do índice de durabilidade é o slake test (ensaio de durabilidade) (figura 5), proposto por Franklin e Chandra em 1972.
Figura 5 – O slake test é utilizado para determinar a resistência de rochas a ciclos de molhagem-secagem (Fonte: autor).
- Resistência
A resistência determina a eficiência da rocha em manter o seu arranjo original, ou seja, manter coesos os seus componentes. Em laboratório os ensaios para este parâmetro são caros e de difícil reprodução. Os resultados são altamente sensíveis ao método e tipo de carregamento aplicado.
Desta forma em 1972, Broch e Franklin propuseram o índice de resistência à compressão puntiforme ou pontual, obtido pelo point load test (ensaio de compressão puntiforme) (figura 6), servindo como propriedade-índice para avaliação da resistência da rocha.
No point load test a amostra é carregada pontualmente e a ruptura é provocada pelo desenvolvimento de fraturas de tração paralelas ao eixo de carregamento.
Figura 6 – O point load test apresenta vantagens quanto a simplicidade, rapidez e baixo custo. A amostra de rocha pode ter qualquer formato e tamanho, bem como ser reproduzido em qualquer lugar; existem versões portáteis do equipamento como o da foto (Fonte: autor).
- Permeabilidade
Como propriedade-índice expressa o grau de interconectividade entre os poros (rochas sedimentares) e/ou fissuras (outros tipos de rochas). O tamanho, a forma e a interconectividade dos vazios determinam a permeabilidade ou condutividade hidráulica da rocha (figura 7).
Em alguns casos o sistema de descontinuidade altera radicalmente os valores da permeabilidade no campo, quando comparadas em laboratório; assim os ensaios devem ser feitos in situ.
A permeabilidade do maciço rochoso depende da permeabilidade da rocha são e da condutividade hidráulica das descontinuidades
Figura 7 – A medida da permeabilidade para a geotecnia é importante, tendo em vista sua aplicação à problemas de bombeamento de água, óleo, ou gás para o interior ou exterior de uma formação porosa; disposição de rejeitos em formações porosas, armazenamento de fluidos em cavernas, conversão de energia, poços e previsão de fluxo em túneis (Fonte: wikimedia).
Assim…apesar das rochas mostrarem grande variedade em suas propriedades, algumas medições simples podem se tornar referências para caracterizá-las de forma quantitativa.
Bibliografia:
Goodman, R. E. Introduction to rock mechanics. 2 ed. New York: John Wiley & Sons, 1989. 562 p.
Marques, E. A. G.; Azevedo, I. C. D. Introdução à Mecânica das Rochas. 2a.. ed. Viçosa: Editora UFV, 2006. v. 1. 361p.
