9.5 Omfang og funndistribusjon på Adal vestre 1
9.5.2 Funndistribusjon
A selagem de pregagens na grande maioria dos empreendimentos em execução, é efectuada por uma calda de cimento-água. Existem, no entanto, alguns projectos onde as pregagens são seladas com outros fluidos, nomeadamente resinas injectáveis ou em cartuchos.
A utilização de resinas é muito limitada, devido ao seu elevado custo quando comparado com a solução de caldas cimentícias, no entanto, apresentam algumas vantagens ao nível da protecção quanto à corrosão e à mobilização de resistências elevadas, poucas horas após instalação.
Como exemplo da utilização de resinas, refira-se o projecto de reforço do Túnel do Sabugal situado na Linha da Beira Baixa (REFER, 2009) onde é preconizada a instalação de pregagens injectadas com resinas do tipo Weidmann. Estas resinas são fornecidas em cartuchos, com duas câmaras no seu interior, sendo cada uma de componentes específicos. A mistura de ambas realiza-se com a rotação da armadura aquando da sua introdução no furo.
Os cartuchos apresentam-se no mercado com diâmetros e comprimentos variáveis, permitindo a sua utilização em diversas soluções. Caso o elemento a selar tenha uma profundidade superior à máxima dimensão dos cartuchos, pode-se inserir vários cartuchos em um só furo, de modo a garantir a total selagem da armadura, conforme exemplifica a Figura 3.1.
Figura 3.1 - Aplicação de cartuchos de resina em pregagens (Minova, 2011)
Na grande maioria das situações a selagem das pregagens é efectuada com recurso a suspensões coloidais de água-cimento, com eventual recurso a aditivos para melhorar a trabalhabilidade das caldas e reduzir/acelerar a sua presa.
Podemos considerar que os principais parâmetros de controlo de qualidade de uma calda de cimento, que garantem as necessárias características mecânicas, são:
Densidade aparente; Viscosidade; Exsudação;
Resistência à compressão simples;
Entenda-se por viscosidade a resistência interna de um fluido para resistir a um escoamento e exsudação é a quantidade de água que reflui à superfície de uma calda que foi deixada em repouso e onde foi impedida a evaporação da água.
As caldas cimentícias são geralmente designadas pelo rácio de Água / Cimento (A/C), isto é, a quantidade, em massa, de água em relação à quantidade de cimento em peso. É prática comum considerar a quantidade de cimento unitária e fazer variar a quantidade de água, designando-se a calda apenas pela quantidade de água e omitindo-se por vezes a relação ao cimento:
Á
= = , = 0,5 (3.1)
No exemplo anterior estamos perante uma calda com uma relação A/C de 0,5, ou seja, temos 50 kg de água para cada 100 kg de cimento.
cimento de 94 libras (42.64 kg) ser de 1 pé cúbico (28.32 litros) e serem assim facilmente correlacionáveis.
Uma calda de selagem é uma suspensão de partículas sólidas (cimento) que pode ser, ou não, estável, isto é, as partículas sólidas podem apresentar uma maior ou menor tendência para sedimentar e promover a separação de alguma água. Este fenómeno é conhecido por exsudação e varia de acordo com a finura, fonte do cimento e a relação A/C. Quanto mais alta for esta relação, maior é a percentagem de decantação que uma calda sofre.
Quando é fabricada uma calda de cimento, através da adição de cimento à água, iniciam-se reacções químicas no imediato, que diminuem ao longo do tempo. Estas reacções químicas irão dar origem à presa e resistência da calda.
Para que se dê a hidratação total do cimento é necessário garantir uma relação A/C superior a 0,2, no entanto esta mistura não é injectável devido à sua alta viscosidade.
Na selagem de pregagens, as caldas utilizadas situam-se normalmente no intervalo 0,4 < A/C < 0,5, sendo permitido pela NP EN 14440 que se utilizem caldas até 0,55 de relação A/C.
O teor em água, isto é, a relação Água / Cimento tem uma influência primordial nas propriedades finais da calda, em particular na resistência e permeabilidade. A Figura 3.2, demonstra a variação da resistência à compressão simples, resistência ao corte e exsudação em função da quantidade de água relativamente ao cimento.
Figura 3.2 - Efeito da relação A/C nas propriedades da calda (Littlejohn et al, 1977)
Resistência ao escoamento (dynes/cm2 ) Resistência à compressão (28 dias)
Relação A/C (em peso)
Resistência à comp res s ão (N /mm 2) Exsudação Exsudação
Figura 3.3 – Decantação para diversos tipos de A/C, (Houlsby, 1990)
De acordo com Houlsby (1990) e Deere (1982), podemos considerar uma calda como estável se esta tiver menos de 5% de decantação e instável se o valor da decantação for superior a 5%. Assim e de acordo com os mesmos autores, podemos considerar qualquer calda com relação A/C (em peso) inferior a 1 estável.
Também a permeabilidade e porosidade de uma calda são muito influenciadas pela relação A/C e quanto maior for esta relação, maior é permeabilidade da calda e a sua porosidade.
Tempo (horas) Em Vol. Calda 12:1 Água de exsudação Calda decantada Exs uda ção ( % )
Figura 3.4- Relação entre a permeabilidade e a relação A/C (Kosmatka, 1990)
Como vimos anteriormente, existem diversos factores que influenciam directamente as características da calda produzida, torna-se assim necessário controlar os principais parâmetros de controlo de qualidade da mesma, anteriormente citados.
A aferição da densidade e viscosidade são ensaios expeditos e geralmente são realizados diariamente. Já os ensaios de resistência e exsudação são ensaios com uma logística mais complexa e usualmente são efectuados semanalmente, ou aleatoriamente, se solicitados, ou se houver uma mudança de procedimentos e/ou materiais.
Estes ensaios têm como objectivo verificar se as caldas estão a ser correctamente formuladas e misturadas.
Densidade
Este é o ensaio mais comum no fabrico de caldas e é o que mais expeditamente nos indica se a calda foi executada com as proporções correctas de cada um dos seus constituintes.
A densidade – massa volúmica () – é medida como a relação entre a massa e o volume medidos no estado liquido.
O valor teórico da densidade pode ser obtido a partir da sua definição base:
ρ = (3.2)
Sendo:
Massa, o somatório dos pesos unitários dos diversos constituintes (cimento, água, etc)
Coeficiente de permeabilidade, K, cm/sec x10
Temos assim,
ρ = á
á (3.3)
Manipulando a expressão (3.3), de modo a obtermos em função da massa de cimento e volume de água, passamos a ter:
ρ = á
á (3.4)
Utilizando a relação Água/Cimento em peso, conhecida aquando da formulação da calda e que a densidade da água é 1 g/cm3, podemos obter a expressão (3.5) em função do peso de cimento e da relação A/C:
ρ =
(3.5)
Onde,
cimento – é a densidade do cimento
é a relação Água / Cimento da calda
Quadro 3-1 - Densidade de caldas em função da relação A/C
Relação A/C (g/cm3) 0,3 2,09 0,35 2,01 0,4 1,94 0,45 1,88 0,5 1,82 0,55 1,78 1 1,51 2 1,29
Nas frentes de obra a medição da densidade de uma calda é feita através de uma balança de lamas – balança Baroid, seguindo a recomendação API 13B-I (1990) para medição de densidades de lamas de furação. Este equipamento de ensaio foi originalmente desenvolvido pela indústria petrolífera para a medição das densidades de fluidos de perfuração, tipo lamas bentoníticas. A balança Baroid é basicamente uma régua de pesagem calibrada (Figura 3.5).
Figura 3.5 - Balança Baroid (Rodio, 2011)
O procedimento de ensaio é genericamente o seguinte: 1. Colocação da balança numa superfície nivelada; 2. Enchimento do recipiente com o fluido a medir;
3. Colocação da tampa do copo, permitindo a saída do fluido em excesso através do orifício no topo da mesma;
4. Remoção do excesso de fluido que permaneça nas paredes e topo do copo;
5. Colocação da balança no suporte e nivelamento da mesma através da movimentação do contrapeso.
6. Leitura da densidade do fluido, na régua calibrada e à esquerda do contrapeso.
Previamente à realização de um ensaio, deverá ser efectuada uma aferição à balança, que consiste na medição da densidade da água. O valor obtido deverá ser 1 g/cm3.
De notar o facto que apesar de a balança Baroid apresentar um aspecto robusto e simples, é um instrumento de medição com uma precisão na ordem de 1%.
Viscosidade
Este ensaio reflecte uma combinação das diversas propriedades reológicas das caldas e das paredes do aparelho de ensaio utilizado.
O aparelho de ensaio mais comum, para a realização deste ensaio é o cone de Marsh. Analogamente à balança Baroid, este ensaio foi desenvolvido pela indústria de extracção do petróleo e posteriormente adaptado à Geotecnia. Também é utilizado para medição da viscosidade dos fluidos de perfuração: lamas bentoníticas ou poliméricas.
Figura 3.6 - Dimensões do cone de Marsh (Houlsby, 1990)
O equipamento de ensaio é composto pelos seguintes dispositivos: Cone de Marsh (Figura 3.6);
Copo graduado de 946 mL; Cronómetro
A metodologia de ensaio é:
1. Humedecimento da superfície do cone, através do escoamento de água pelo seu interior; 2. Tamponamento do orifício do fundo do funil com um dedo;
3. Enchimento do funil, com calda recentemente recolhida do agitador enchendo o funil até à base do peneiro;
4. Simultaneamente remover o dedo que obstruía o furo do funil e iniciar a medição do tempo (Figura 3.7);
5. Parar a contagem do tempo quando a calda atingir a medida de 1 L no copo graduado.
Após a realização de cada ensaio deverá ter-se um cuidado especial na limpeza do orifício do funil, pois qualquer resíduo de calda pode causar distorção dos resultados medidos.
A aferição do cone de Marsh pode ser efectuada através da realização de um ensaio com água, devendo-se obter um valor de 28 segundos.
Em Portugal e segundo a NP EN 445 (2008) os ensaios de fluidez não devem ser feitos com um cone de Marsh, com uma abertura de 5mm, mas antes com um cone de dimensões ligeiramente diferente e com uma abertura de 10mm - Figura 3.8. O procedimento de ensaio é análogo ao cone de Marsh, sendo o volume de calda alterado para 1 L.
Figura 3.8 – Dimensões do cone para ensaios de fluidez (NP EN 445, 2008)
Figura 3.9 - Ensaio de Fluidez NPEN445 (Rodio, 2011)
O resultado de ambos os ensaios é o tempo, em segundos, que demorou o escoamento. Este valor permite analisar possíveis variações na reologia da calda, comparativamente com amassaduras padrão efectuadas inicialmente. Funi l de Mars h
Exsudação e Variação de Volume
Apesar de a NP EN 445 na sua versão de 2008 prever a medição da exsudação através do ensaio do tubo inclinado ou do ensaio com mecha, o ensaio mais utilizado em obra ainda é feito de acordo com a versão 2000 da referida norma: medição com proveta de 500 ml. Este facto, é devido à logística dos ensaios com tubo inclinado ou com mecha ser mais pesada.
Para este ensaio, é utilizada uma proveta de 500 ml graduada em mm, com um diâmetro interno de 20 mm. A graduação em mm, pode ser conseguida pela colagem de uma escala à proveta, tipicamente uma tira de papel milimétrico.
Figura 3.11 - Proveta para avaliação da exsudação (Rodio, 2011)
O ensaio é conduzido da seguinte forma:
1. Instalação da proveta numa superfície horizontal e sem vibrações;
2. Colocação de calda no interior da proveta até se atingir a altura de 150mm. Registo da altura inicial - hi;
3. Vedação da boca da proveta, de modo a impedir a evaporação de água; 4. Medição, após 3 horas, da altura de água à superfície da calda – h3;
5. Caso se pretenda determinar a variação de volume da calda, deve manter-se o ensaio até perfazer 24 horas e registar a altura de calda – h ;
A exsudação ao fim de 3 horas, segundo a NP EN 455 (2008) é dada pela expressão x 100 % (3.6)
em que:
h3 é a altura de água à superfície da calda
hi é a altura inicial de calda
Já a variação de volume às 24 horas, segundo a NP EN445 (2008) é dada por:
x 100 % (3.7)
onde:
h24 é a altura da calda após 24 horas;
hi é a altura inicial de calda
Resistência à compressão simples
Os ensaios de resistência à compressão simples de caldas são efectuados seguindo a NP EN 196 - 1, com a alteração das dimensões dos provetes, passando estas a serem de 10x10x10 cm.
A preparação, cura e rebentamento dos provetes deverá seguir em todo o especificado pela norma acima referida.
Figura 3.12 - Resistências médias por tipo de calda e cimento (Rodio, 2011)
0 10 20 30 40 50 60 70 1 2 7 28 1 3 7 28 CEM I 42,5R CEM II 32,5N média [M Pa]
Idade de ensaio / Tipo de cimento
0,3 0,35 0,3625 0,4 0,5 0,6
3.1.2. ARMADURAS
Figura 3.13 - Esquema e componentes principais de uma pregagem (Porterfield, 1994)
Os componentes de uma pregagem variam de sistema para sistema, no entanto, podemos considerar como constituintes principais os seguintes materiais:
Armadura Tubo de selagem Centralizadores Placa de distribuição
Armadura
As pregagens convencionais possuem armadura metálica em varão corrente tipo A400NR ou A500NR, com diâmetros usuais entre 25 e 32mm. A ligação do varão à cabeça da pregagem é usualmente efectuada recorrendo a:
1. Dobra em L da ponta exterior do varão; 2. Soldadura do varão à placa de distribuição;
3. Roscagem da ponta do vão e aplicação de uma porca;
Face permanente Face temporária Geocompósito Varão Calda de cimento Furo Calda de cimento Centralizador Malha electrosoldada Chapa de apoio Porca de aperto Fixador Armadura de reforço
Figura 3.14 – Placa de distribuição e porca
Ainda em varão de aço, podem ser utilizadas barras roscadas em todo o seu comprimento. Estas barras têm uma tensão de cedência de 500 MPa e usualmente são designadas por barras Gewi. Em Portugal estas barras são comercializadas pela VSL Geo e pela Dywidag, apesar de serem produzidas na mesma fábrica austríaca. Os diâmetros correntes de utilização são: 25, 32 e 40 mm, existindo ainda os diâmetros menos comerciais de 20 mm, 28 mm, 50 mm e 63 mm (Figura 3.16).
Figura 3.16 - Características de barras roscada, tipo Gewi (VSL, 2000)
Figura 3.17 - Placa de apoio e porca plana Gewi, (Dywidag, sem data)
Figura 3.18 – Placa de apoio e porca com calota esférica (Dywidag, sem data)
Devido a serem barras totalmente roscadas a ligação da do varão à placa de apoio é efectuada com uma simples porca.
As pregagens em fibra de vidro são utilizadas em situações onde se preveja que a corrosão pode vir a ter uma acção importante sobre o aço, ou em taludes provisórios que venham a ser escavados posteriormente. Nesta última situação, a fibra de vidro tem a vantagem de ser facilmente destruída pelos meios de escavação e não ficar “enrolada” nos baldes de escavação dos equipamentos, como sucede com os varões de aço.
Figura 3.20 - Pormenor de pregagem em fibra de vidro (Rodio, 2011)
Para situações onde a furação se revele problemática pelo colapso das paredes do furo, não permitindo assim a posterior colocação da armadura, foi desenvolvido um sistema de pregagens autoperfurantes. A comercialização destas pregagens é feita pela Ischbeck com as pregagens Titan e a Atlas Copco com as pregagens MAI.
Figura 3.21 - Pregagens auto-perforantes (Atlas Copco, 2009)
Neste sistema e ao contrário das pregagens convencionais, a armadura é inserida no furo durante a execução da furação, com a injecção simultânea da calda de selagem.
Figura 3.22 - Pregagens autoperfurantes TITAN. (Ischbeck, Sem data)
Quadro 3-2 - Características técnicas das barras TITAN (Ischebeck, sem data)
Rede metálica Betão projectado Zona activa Zona de escorregamento Zona passiva Porca esférica Placa de apoio Barra Titan Acoplador Centralizador
Zona de solo melhorada pela injecção
Barra perforada para injecção
Espessura de calda > 20 mm
Tubo de selagem
Com excepção das pregagens autoperfurantes onde a selagem é feita pelo interior das barras, a selagem de uma pregagem convencional é efectuada através da colocação de um tubo de selagem no fundo do furo, de modo a permitir a que a selagem seja efectuada segundo o princípio tremie, isto é, a selagem deve ser feita de baixo para cima mantendo-se sempre a extremidade inferior do tubo submersa em calda.
O tubo deverá ter um diâmetro superior a 16mm de diâmetro, segundo a EN14490 e fabricado em PVC com uma resistência na ordem dos 0,6 a 0,8 MPa e terá sempre como comprimento mínimo o comprimento máximo de furação.
Figura 3.23 - Tubo de selagem enrolado na armadura (Rodio, 2011)
Este tubo pode ter uma segunda função, ao ser utilizado como centralizador da pregagem, através da sua colocação em espiral ao longo da armadura, ficando neste caso perdido na pregagem.
Centralizadores
Os centralizadores têm a função de garantir um recobrimento mínimo da armadura, assegurando assim uma cobertura mínima de calda. São geralmente construídos em PVC e instalados na armadura com afastamentos entre 1 a 2,5 metros, sendo o primeiro colocado a 0,5m do fundo da pregagem.
Figura 3.24 - Pormenorização de pregagem com centralizadores (VSL, sem data)
Nas frentes de obra os centralizadores mais utilizados são os centralizadores ditos “clássicos”, representados na Figura 3.24 e Figura 3.25, ou o tubo de selagem enrolado em espiral - Figura 3.23.
Figura 3.25 - Centralizador “clássico” (Rodio, 2011)
Cabeça da pregagem
A cabeça da pregagem, vulgarmente designada por placa de distribuição, compreende dois elementos: a porca ou soldadura de ancoragem e a chapa metálica e tem a função de transmitir as forças desenvolvidas na pregagem ao maciço no tardoz da cabeça.
Figura 3.26 - Pormenor da cabeça de pregagem (VSL, sem data)
As placas de apoio têm dimensões geralmente variáveis entre 150 a 250 mm, sendo quadradas e são fabricadas a partir de lâminas de aço Fe 360 na grande maioria das situações. No centro da placa é efectuado um orifício com o diâmetro suficiente para permitir que o varão da armadura atravesse a placa.
A ligação entre a armadura e a placa de apoio é efectuada ou por soldadura do varão à placa ou por uma porca roscada. No caso dos varões convencionais a porca tem uma rosca métrica corrente, já no sistema Gewi a rosca da porca é a rosca Gewi.
3.2. METODOLOGIA
A execução de uma pregagem, envolve 3 actividades distintas: 1. Furação
2. Colocação da armadura 3. Selagem
3.2.1. FURAÇÃO
Esta actividade compreende os trabalhos necessários para a abertura de furo com o diâmetro preconizado em projecto para a instalação do elemento de reforço. Os diâmetros convencionais de furação, para pregagens, são de 76 mm (3”), 89 mm (3” ½), 102 mm (4”), 115 mm (4” ½) e 127 mm (5”).
Uma outra dimensão importante para a escolha do tipo de equipamentos a utilizar é o comprimento de furação, que poderá condicionar ou inviabilizar a eleição de um determinado método de furação.
Figura 3.27 - Princípios de furação: martelo de superfície, martelo fundo de furo e tricone (Atlas Copco, sem data)
A escolha do método de furação tem assim em conta: o diâmetro e comprimento de furação previstos e primordialmente o tipo de geologia que se prevê encontrar. Neste trabalho, apenas serão focadas as metodologias de furação para maciços rochosos e para estes podemos considerar duas metodologias de furação:
Furação à rotação
O corte do terreno atravessar é feito unicamente pelo movimento rotativo da ferramenta de corte, isto é, corte por desgate. Esta furação poderá ser destrutiva, o material que compreende o volume da furação é destruído, ou com recolha de amostra, neste caso são recolhidos tarolos – ou carotes – do maciço atravessado. Princípio: Como indica o nome “martelo de superfície”, o martelo está montado sobre o carro de perfuração e funciona no topo das varas de furação. A energia de impacto do pistão do martelo é transmitida ao bit em forma de ondas de choque. Este método é rápido é boas condições de rocha. Princípio: O martelo está situado no fundo do furo em contacto directo com o bit. A perdas de energia são minimizadas. A proximidade do martelo ao bit permite a redução do potencial desvio do furo Princípio: A rotação é fornecida por um motor hidráulico chamado cabeça de rotação, que se movimenta na calha da máquina através de um sistema de correntes e que gera o “pulldown” requerido para fornecer ao bit a força de avanço necessária. A limpeza dos detritos de furação é normalmente feita com ar comprimido.
Figura 3.28 – Tricone (rollerbit)
No primeiro caso a ferramenta de corte poderá ser um tricone (rollerbit) – Figura 3.28 – ou uma coroa “cega” (Figura 3.29), neste último caso a ferramenta de corte possui uma impregnação de diamantes na zona de contacto com o maciço a atravessar.
Figura 3.29 – Coroa “Cega” impregnada com diamantes industriais
Já para a furação com recuperação de amostra a ferramenta será uma coroa vazada (Figura 3.30Figura 3.31), podendo também ter impregnação de diamantes.
Figura 3.30 - Coroa impregnada para furação à rotação com recolha de amostra (Atlas Copco, 2008)
Figura 3.31 - Pormenor de impregnação de diamantes industriais das coroas (Atlas Copco, 2008)
Furação à rotopercussão
O corte do terreno é feito pelo movimento percutivo da ferramenta de corte, que possui elementos (botões) de dureza elevada capazes de destruírem o maciço mantendo a sua integridade (Figura 3.32).
Figura 3.32 - Bit com botões de carbureto de tungsténio – vista de perfil e frontal (Rodio, 2011)
Os botões, geralmente fabricados em carbureto de tungsténio são agrupados numa ferramenta única chamada de bit. Esta ferramenta pode ter enumeras configurações, função dos terrenos a atravessar: dureza, abrasão, teor de água, teor de argila e dos equipamentos onde são utlizados (Figura 3.33).
Figura 3.33 - Diferentes configurações de bits (Atlas Copco, 2009)
O movimento percutivo é fornecido à ferramenta por um martelo hidráulico ou pneumático, que poderá estar instalado à superfície – martelos de superfície (Figura 3.34) – ou no interior do furo – martelos fundo de furo (Figura 3.35 e Figura 3.36). Os martelos fundo de furo, convencionais, são accionados unicamente por ar comprimido.
Figura 3.35 - ROC L6 equipado com martelo fundo de furo (Rodio, 2011)
Figura 3.36 - Martelo fundo de furo (Sandvik, sem data)
A furação com martelos fundos de furos é usualmente reservada para diâmetros de furação superiores a cerca de 127 mm (5”) e/ou para profundidades acima dos 20 m.
Em maciços rochosos e na grande maioria dos casos a furação de pregagens é executada à