Estudo Experimental de Solo Reforçado com Fibra de Coco Verde Para Carregamentos Estáticos em Obras Geotécnicas

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1 Estudo Experimental de Solo Reforçado com Fibra de Coco Verde Para Carregamentos Estáticos em Obras Geotécnicas Rafael Eduardo Zaccour Bolaños Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, PUC-Rio, Rio de Janeiro, Brasil, Michéle Dal Toé Casagrande Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, PUC-Rio, Rio de Janeiro, Brasil, RESUMO: Apresenta-se o estudo experimental do comportamento de um solo argiloso reforçado e não reforçado com fibras de coco verde (resíduo proveniente do consumo da água de coco), através da realização de ensaios de compactação e de ensaios triaxiais isotropicamente drenados. Dados da análise granulométrica, limites de liquidez e de plasticidade, bem como o peso específico dos grãos, previamente conhecidos, também são fornecidos. A fibra de coco utilizada é obtida por processo mecânico na empresa ECOFIBRA, que possui uma parceria com a Companhia de Limpeza Urbana da cidade do Rio de Janeiro (COMLURB) em projeto piloto de coleta seletiva das casca de coco verde. O material recebido foi cortado no comprimento aproximado de 2cm, enquanto que o seu diâmetro não é constante, por se tratar de uma fibra natural. O solo, de origem coluvionar, é retirado do campo experimental da PUC-Rio. Busca-se estabelecer padrões de comportamento que possam explicar a influência da adição da fibra de coco verde, relacionando-a com os parâmetros de resistência ao cisalhamento e deformação do solo. Os ensaios foram realizados em amostras compactadas na densidade máxima e umidade ótima, com teores de fibra nas proporções de 0,5%, 0,75%, 1%, 1,25% e 1,5%, em relação ao peso seco do solo. Comprova-se a existência de um incremento na resistência ao cisalhamento das misturas solo-fibra, uma vez que se observou um expressivo aumento da coesão das misturas, além de um discreto aumento do ângulo de atrito, em comparação aos dados obtidos para o solo puro. Os resultados se mostraram satisfatórios para aplicação do solo reforçado com a fibra de coco em camadas de aterros submetidos a carregamentos estáticos, tais como aterros sanitários e aterros sobre solos moles, dando assim uma destinação mais sustentável a esse resíduo. PALAVRAS-CHAVE: Fibras naturais, solos reforçados, sustentabilidade. 1 INTRODUÇÃO Um dos muitos desafios dos engenheiros geotécnicos é garantir, através de um projeto de engenharia, que um determinado solo resista mecanicamente às solicitações estimadas. Muitas vezes, tais solicitações estão além da capacidade de resistência do solo sobre o qual se quer construir e então, é necessário que ocorra algum tipo de intervenção. Dentre as opções de intervenção com a qual os engenheiros geotécnicos têm à disposição, podemos citar a possibilidade de remover o material existente no local e substituí-lo por outro com características adequadas ou, modificar e melhorar as propriedades do solo existente por meio de compactação mecânica, estabilização por processos químicos ou também, a adição de algum elemento de reforço, tais como geotêxteis, grelhas, tiras, fibras.

2 A introdução de um elemento reforço como tiras ou fibras resulta em um material conhecido como compósito, na verdade, trata-se da união de dois matérias com propriedades distintas (o solo e o elemento de reforço), que juntas, adquirem propriedades distintas das propriedades de seus constituintes individualmente (Budinski, 1996). Os compósitos formados por solo e fibra tem sido muito estudados em diversas regiões do planeta. Em geral, as fibras contribuem para o aumento da resistência do compósito, uma vez que lhe confere um aumento de tenacidade (capacidade de resistir à propagação de fissuras pré-existentes), fazendo com que assim, o material apresente uma maior resistência à esforços de tração (Taylor, 1994). O coco verde, habitualmente vendido em cidades praianas para consumo de sua água, possui a maior parte de seu volume e peso concentrado em sua casca. Essa casca, conhecida pelo nome de mesocarpo é na verdade composta por fibras, que vem sendo empregada cada vez mais em diversas finalidades. A figura 1 exemplifica as diferentes partes do coco. entre 1,1% e 3,4% do resíduo sólido urbano é composto por cascas de coco verde (Passos, 2005), o que representa um grande impacto nos aterros sanitários. Como resposta a essa questão, a Prefeitura da Cidade do Rio de Janeiro vem realizando um Projeto Piloto de coleta seletiva Coco Verde, coordenado pela Secretaria de Meio Ambiente da Cidade do Rio de Janeiro (SMAC) e com a participação da Companhia de Limpeza Urbana (COMLURB) e da Secretaria de Conservação e Serviços Públicos (SECONSERVA) que realiza a segregação, coleta e a entrega à empresa ECOFIBRA, para beneficiamento da fibra da casca de coco verde e seus derivados (Dias e Silva, 2012). A fibra de coco apresenta propriedades mecânicas modestas, quando comparadas a fibras sintéticas utilizadas em diversos compósitos, incluindo aplicações em reforço de solos. Entretanto, essa fibra possui um baixo custo de produção e gasto de energia, e seu emprego como material de reforço implica numa diminuição da geração de resíduos nas cidades. Tal fato, é a justificativa para se determinar a viabilidade do uso deste material como elemento de reforço. O objetivo deste trabalho foi estimar a influência desta fibra no incremento de resistência ao cisalhamento de solo submetidos a carregamentos estáticos. Todavia, cabe lembrar que por se tratar de uma fibra natural, e por tanto, passível de sofrer com a decomposição ao longo do tempo, é necessário que se realizem estudos para se encontrar formas de proteger este material da decomposição química e biológica, de forma que a fibra de coco possa, eventualmente, ser empregada não só em obras temporárias, mas também, em obras permanentes. 2 PROGRAMA EXPERIMENTAL Figura 1. Corte longitudinal do coco O consumo do coco verde vem crescendo ano após ano, e como isso, cresce também a quantidade de resido gerado com seu comércio. Estima-se que na cidade do Rio de Janeiro, Para a realização dessa pesquisa utilizou-se um solo maduro, coluvionar, argilo-arenoso, coletado no Campo Experimental II, localizado no campus da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro Este solo possui características de tonalidade vermelha amarelada, textura micro-granular e

3 aspecto homogêneo, sendo constituído basicamente por quartzo, granada alterada, argilominerais (essencialmente caulinita) e óxidos de ferro e alumínio, como produto do intemperismo dos minerais primários da biotita gnaisse. 2.1 Fibras de Coco As fibras de coco utilizadas nessa pesquisa são provenientes da ECOFIBRA, empresa responsável pelo beneficiamento da casca do coco verde. As fibra de coco vieram secas, soltas e com comprimentos que variavam entre 8cm e 25cm aproximadamente (Fig. 2). Utilizando tesouras e gabaritos, as fibras foram cortadas com um comprimento de 2cm, podendo haver uma variação de até 2mm, para mais ou para menos. Não se pode precisar o diametro das fibras utilizadas, já existe uma variação muito grande de fibra para fibra e até mesmo em uma fibra ao longo de seu comprimento. 2.2 Preparação das amostras Foram ensaiados 5 diferentes teores de fibra, misturados ao solo de forma aleatória, cujos valores foram de 0,5%, 0,75%, 1,0%, 1,25% e 1,5%, além de ter havido ensaios com o solo puro (Fig. 3). As misturas foram calculadas com respeito à massa total do solo seco. As misturas foram feitas primeiramente para o ensaio de compactação, no qual se deseja descobrir a umidade ótima de cada mistura. Figura 3. Mistura solo-fibra Uma vez conhecida a umidade ótima, através da curva de compactação, este valor é adotado como umidade utilizada para elaborar a mistura destinadas para a confecção dos corpos-deprova a serem usados nos ensaios triaxiais CID. 2.3 Ensaios de compactação Os ensaios de compactação foram realizados com o intuito de se determinar a umidade ótima de compactação (wótm) e o peso específico aparente seco máximo (γdmáx) dos materiais e das misturas. Foram realizados segundo as diretrizes da norma NBR 7182 da ABNT, utilizando-se a energia de compactação Proctor Normal e com reuso de material, adotando-se o reuso do material. Figura 2. Fibra de coco beneficiada 2.4 Ensaios Triaxiais CID

4 Os ensaios triaxiais realizados no presente trabalho são do tipo Consolidado Isotropicamente Drenado (CID) e foram executados no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio. 3 RESULTADOS E ANÁLISES 3.1 Densidade Real dos Grãos (Gs) A densidade real dos grãos (Gs) do solo ensaiado foi encontrada através da média obtida em quatro ensaios, tendo havido uma variação de 1,2 %. O resultado encontrado foi um Gs de 2, Limites de Atterberg Seguindo as normas NBR 6459/1984 Determinação do Limite de Liquidez e NBR 7180/1984 Determinação do Limite de Plasticidade, obteve-se para o Limite de Liquidez (LL) e para o Limite de Plasticidade (LP), respectivamente, os valores de 54% e 38%. O índice de plasticidade (IP), definido como a diferença entre os valores do Limite de Liquidez e do Limite de Plasticidade, é de 16% Figura 4. Curva granulométrica do solo 3.4 Ensaios de Compactação A curva de compactação Proctor Normal do solo puro e das misturas solo-fibra (Fig. 5) foi elabora a fim de se conhecer a umidade ótima de cada mistura. 3.3 Análise Granulométrica O ensaio de análise granulométrica do solo argiloso (Fig. 4) forneceu um comportamento comparável com o obtido em pesquisas precedentes. Assim, para amostras situadas em profundidades parecidas as porcentagens de material passantes na peneira #200 e retidas nesta, são parecidas. O solo argiloso coluvionar da campo experimental da Puc é classificado como CH, sendo a uma argila arenosa. Figura 5. Curva de compactação do solo puro e das misturas solo-fibra Pode-se perceber que a inclusão das fibras diminui a densidade da mistura com respeito ao solo puro, contudo, não foi possível estabelecer uma relação direta entre o aumento do teor de fibra e a diminuição da densidade, quer dizer, uma amostra com um maior teor de fibra não é necessariamente menos densa que uma amostra com um menor teor de fibra. Também não é possível estabelecer uma relação direta entre a variação do teor de fibras e o valor da umidade ótima. A amostra compactada com 0,75% de teor de fibra apresentou uma umidade ótima inferior a do solo puro, a amostra com 1,0% de fibra

5 apresentou uma umidade ótima similar a do solo puro e as demais amostras apresentaram umidades ótimas maiores que a do solo puro. Os valores de densidade máximas encontradas para as fibras cortadas varia entre 1,48 e 1,55, ou seja, entre 0,02 e 0,09 a menos que a densidade máxima do solo puro, enquanto a umidade ótima para essas misturas variam entre 23% e 26%, ou seja, 1,5% a mais e a menos do que a umidade ótima do solo puro. A partir dos resultados obtidos, e utilizando as definições de p e q, foram feitas as trajetória de tensões, de onde se pode extrair os parâmetros de resistência a e α, e que com os quais, pode-se determinar os parâmetros do critério de mohr-coulomb c e ϕ. 3.5 Ensaios Triaxiais CID Foram moldados três corpos de prova para o solo puro e três para cada mistura solo-fibra (Fig 6), compactados com a umidade ótima e ensaiados no equipamento triaxial do Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio. O tipo de ensaio triaxial realizado foi o Consolidado Isotropicamente Drenado (Fig 7), a partir dos quais se obteve os valores de tensão desviadora (σ 1 - σ 3 ) e de deformação, para diferentes valores de tensão de confinamento (50kPa, 150kPa e 300kPa). Figura 7. Ensaio triaxial isotropicamente drenado As curvas de tensão desviadora x deformação axial e de variação volumétrica x deformação axial para as tensões confinantes de 50kPa (Fig. 8), 150kPa (Fig. 9) e 300kPa (Fig 10) apresentam informações relevantes a respeito do comportamento do solo reforçado com a fibra de coco. Figura 6. Corpo-de-prova antes do ensaio

6 Figura 8. Tensão desviadora x def. axial e Variação volumétrica x def. axial para tensão confinante de 50kPa. Figura 9. Tensão desviadora x def. axial e Variação volumétrica x def. axial para tensão confinante de 150kPa Figura 10. Tensão desviadora x def. axial e Variação volumétrica x def. axial para tensão confinante de 300kPa As amostras reforçadas com fibra apresentaram um comportamento dúctil, não sendo observado um pico de ruptura nos gráficos tensão desviadora x deformação axial. Esse comportamento pode ser explicado pelo fato das fibras trabalharem evitando a propagação das fissuras que surgem na amostra a medida que esta vai sendo cisalhada. Devido a ausência de um pico de ruptura, com o qual se poderia determinar os valores finais de σ1 e σ3, e assim, elaborar as trajetórias de tensão, optouse por usar os valores de tensão obtidos em todos os ensaios, para uma deformação axial de 15%. Assim, os valores dos parâmetros de resistência que serão apresentados a seguir, são referentes a essa deformação. A figura 11 apresenta a envoltória no diagrama p x q, para o solo puro e das cinco misturas de solo-fibra. Pode-se perceber que dentre todas as amostras testadas, a que apresentou parâmetros de resistência mais modestos foi a do solo puro, enquanto que a amostra com 1,5% de teor de fibra (o maior teor ensaiado) apresentou os resultados mais expressivos. A tabela X abaixo exibe os valores dos parâmetros de resistência c e ϕ obtidos.

7 Tabela 1 Parâmetros de resistência c e ϕ do solo puro e das misturas. TEOR FIBRA (%) c' (kpa) ϕ' (graus) 0 29,83 25,17 0,5 54,37 25,69 0,75 42,10 28,48 1,0 67,77 29,47 1,25 63,69 28,45 1,5 86,08 29,39 Figura 11. Envoltórias p x q 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS Os resultados obtidos com os ensaios de compactação e triaxiais isotropicamente drenados realizados permitiram que se chegasse a algumas conclusões a respeito das propriedades mecânicas do solo argiloso reforçado com fibras de coco verde. Pode-se dizer que existe uma expectativa bem favorável quanto ao uso deste resíduo na constituição de um material geotécnico, tendo em vista a melhoria das propriedades mecânicas obtidas nessa pesquisa, quando comparadas ao solo puro. Dentre as conclusões, podemos citar que baseado nos resultados dos ensaios de compactação, pode-se perceber uma redução do peso específico das misturas solo-fibra, com respeito ao solo puro. Os resultados sugerem que a inclusão das fibras aumenta discretamente a umidade ótima das misturas com fibras cortadas. Com respeito ao resultado dos ensaios triaxiais, estes demonstraram um bom potencial para o emprego deste material como reforço geotécnico. Dentre todos os teores testados, o teor mais alto (1,5%) foi o que apresentou os melhores resultados de resistência ao cisalhamento. As curvas tensão desviadora x deformação axial unitária não apresentam picos de ruptura. O material apresenta um comportamento dúctil. Observou-se um aumento de 4 no ângulo de atrito da mistura de 1,5% de teor de fibra, com respeito ao solo puro. Também notou-se um aumento bastante significativo na coesão do solo reforçado. O teor com 1,5% de fibra apresentou um aumento de 188% na coesão, em relação a amostra de solo puro. Embora não tenha havido uma linearidade com relação ao aumento do teor de fibra e as melhorias dos parâmetros de resistência do solo, pode-se afirmar que o aumento do teor de fibra aumenta a resistência do solo, para a faixa de porcentagem de reforço estudada. Os resultados obtidos com essa pesquisa sugerem que a fibra de coco verde agrega um incremento significativo na resistência mecânica do solo e por tanto, tem grande potencial para ser utilizada como reforço geotécnico de baixo custo e com aspectos ambientalmente corretos, uma vez que se trata de um resíduo urbano abundante. REFERÊNCIAS Budinski, K.G. Engineering materials, properties and selection. 5ed. New Jersey: Prentice Hall International, 653p., Dias, T. M. da S.; Silva, B. de A. Potencial de uso da fibra de coco verde em pavimentac a o na cidade do rio de janeiro - seus benefi cios para o meio ambiente. 18a rpu reunia o de pavimentaça o urbana sa o lui s, ma, Passos, P. R. A. Destinac a o sustenta vel de cascas de coco (Cocos nucifera) verde: obtenc a o de telhas e chapas de parti culas f. Tese (Doutorado), Universidade Federal do Rio de Janeiro, Taylor, G.D. Materials in construction. 2ed. London:

8 Longman Scientific & Technical, 284p., 1994.