Estudo experimental do comportamento mecânico de bimrocks orientados sob ensaio de compressão diametral usando DIC

Por que rochas misturadas importam para o dia a dia

Muitas encostas, túneis e fundações não estão escavados em rocha limpa e contínua. Em vez disso, atravessam terrenos embaralhados compostos por blocos de rocha dura flutuando em um material mais fraco, semelhante a um “recheio” ou argamassa. Essas rochas bloco‑em‑matriz, ou bimrocks, podem falhar de maneiras inesperadas, dificultando e encarecendo a construção de infraestruturas seguras. Este estudo aborda uma questão prática com grandes implicações para a engenharia: como a quantidade e o alinhamento dos blocos rochosos dentro dessas misturas alteram a forma como elas se fraturam sob tração, e um ensaio de laboratório comum consegue realmente medir sua resistência?

Rochas feitas de pedaços

Os bimrocks ocorrem em todo o mundo, em deslizamentos, zonas tectônicas e fluxos de detritos antigos. Parecem um “pudim rochoso”: blocos de pedra resistentes de vários tamanhos embutidos em uma matriz muito mais fraca e de grão fino. Engenheiros muitas vezes simplificam essa complexidade ignorando os blocos e projetando como se apenas a matriz macia existisse. Embora essa abordagem pareça cautelosa, pode ser enganosa, porque os blocos desviam fraturas e podem tanto reforçar quanto enfraquecer o terreno conforme sua disposição. Uma característica-chave é a orientação dos blocos: se os eixos longos dos blocos ficam majoritariamente na vertical, na horizontal ou em ângulos intermediários — uma "estrutura" que reflete como o material se formou na natureza.

Esmagando discos de rocha para revelar resistência oculta

Para investigar como o conteúdo e a orientação dos blocos afetam o comportamento à tração, os autores fabricaram bimrocks sintéticos em laboratório. Eles moldaram blocos ovais de “rocha” a partir de uma mistura forte de gesso‑cimento e os embutiram aleatoriamente em uma matriz mais fraca, rica em pó, controlando cuidadosamente a porcentagem de volume de blocos (de 0 a 50 por cento) e alinhando todos os eixos longos dos blocos em ângulos especificados em relação à direção de carregamento. A partir dessas misturas, cortaram corpos-de-prova em forma de disco e os carregaram ao longo do diâmetro em um ensaio padrão “brasileiro”, no qual a compressão nas bordas gera tração no interior do disco. Esse método é amplamente usado para estimar a resistência à tração de rochas por ser simples de executar.

Observando fraturas se formarem em tempo real

Em vez de confiar apenas nas leituras de força e nos espécimes rompidos, a equipe usou correlação digital de imagens, uma técnica ótica que acompanha pequenos movimentos de superfície entre milhares de pixels de imagem. Ao aplicar um padrão pontilhado nas superfícies dos discos e filmar os ensaios, eles reconstruíram mapas completos de deformação — quanto cada parte se alongou — ao longo do carregamento. Esses mapas mostraram onde a deformação local se concentrou, onde as fissuras apareceram primeiro e como elas atravessaram ou contornaram os blocos embutidos. Os pesquisadores então analisaram 87 ensaios estatisticamente, usando métodos de superfície de resposta e análise de variância para separar a influência da proporção e da orientação dos blocos e capturar seus efeitos combinados e não lineares sobre a carga máxima que os discos podiam suportar.

Como conteúdo e direção dos blocos remodelam a fratura

Os experimentos revelaram que mesmo uma pequena quantidade de blocos altera drasticamente o comportamento. Quando não havia blocos, o disco se comportou como os livros-texto preveem: a deformação se concentrou no centro e uma única fissura reta dividiu o disco ao longo do diâmetro carregado. Já com apenas 12,5 por cento do volume ocupado por blocos, a carga máxima caiu abruptamente e as fraturas passaram a favorecer as interfaces entre blocos e matriz, as zonas mais fracas da mistura. Em conteúdos maiores de blocos, a queda de resistência diminuiu de ritmo, mas os caminhos das fraturas tornaram‑se muito mais tortuosos. Em vez de se iniciarem no centro, elas frequentemente começaram nas arestas dos blocos ou perto dos pontos de aplicação da carga e zigzaguearam ao redor de múltiplos blocos. A orientação dos blocos controlou adicionalmente a resistência: discos com blocos alinhados paralelamente à direção de carregamento foram os mais fracos, enquanto aqueles com blocos rotacionados em direção à horizontal resistiram a cargas maiores, especialmente quando muitos blocos estavam presentes. Isso reflete como as longas fronteiras bloco‑matriz se alinham — ou não — com as principais tensões trativas.

Quando um ensaio padrão deixa de dizer a verdade

Os mapas de deformação da correlação digital de imagens oferecem um alerta para os engenheiros. A interpretação usual do ensaio brasileiro assume uma única fissura central causada por uma tensão interna relativamente uniforme. Nos experimentos, essa suposição só se manteve para a matriz pura. Conforme o conteúdo de blocos aumentou, as fissuras passaram a iniciar fora do centro e, com 50 por cento de blocos, várias fissuras se formaram e cresceram simultaneamente, transformando o ensaio de uma simples medida de material em uma falha estrutural complexa. Nessas condições, o número informado como “resistência à tração” deixa de representar uma propriedade básica do bimrock e passa a refletir o padrão particular de blocos em cada espécime.

O que isso significa para túneis, taludes e projetos

Para leitores não especialistas, a conclusão é que rochas mistas contendo muitos fragmentos duros não falham como materiais homogêneos, e um ensaio de laboratório amplamente usado pode dar respostas simplificadamente enganosas. Este estudo mostra que a quantidade de blocos e, crucialmente, sua direção preferencial controlam como as fraturas se iniciam e se propagam. Em conteúdos altos de blocos, o ensaio brasileiro torna‑se inválido para medir a verdadeira resistência à tração; mesmo em conteúdos menores, os resultados dependem fortemente do tamanho e do alinhamento dos blocos grandes. Os autores recomendam que projetistas que atuam em terrenos tão complexos usem essas percepções para interpretar os resultados com cautela, mapeiem a orientação dos blocos em campo e, quando as condições forem altamente heterogêneas, considerem ensaios diretos de tração alternativos quando a segurança depender de estimativas precisas de resistência.

Citação: Rostamlo-Jooshin, R., Bahaaddini, M. & Khosravi, M.H. Experimental study of the mechanical behavior of oriented bimrocks under diametral compression test using DIC. Sci Rep 16, 9544 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40334-8

Palavras-chave: bimrock, resistência à tração, ensaio brasileiro, correlação digital de imagens, engenharia geotécnica