USO DA RELAÇÃO VAZIOS/CIMENTO NA ESTIMATIVA DA RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO SIMPLES DE UM SOLO ARTIFICIALMENTE CIMENTADO REFORÇADO COM FIBRAS

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1 USO DA RELAÇÃO VAZIOS/CIMENTO NA ESTIMATIVA DA RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO SIMPLES DE UM SOLO ARTIFICIALMENTE CIMENTADO REFORÇADO COM FIBRAS Marcel Antônio Arcari Bassani UFRGS, Porto Alegre, Brasil, Maurício Affonso Reis de Souza UFRGS, Porto Alegre, Brasil, Lucas Festugato UFRGS, Porto Alegre, Brasil, Nilo Cesar Consoli UFRGS, Porto Alegre, Brasil, RESUMO: Ensaios de resistência à compressão simples foram realizados para a obtenção de uma metodologia de dosagem de misturas solo-cimento-fibra, através da quantificação da influência do teor de cimento e da porosidade. Foram utilizados solo residual de arenito Botucatu, fibras de polipropileno de 24mm e 3,3dtex, cimento Portland de alta resistência inicial e água destilada. Utilizaram-se corpos-de-prova cilíndricos de 5cm de diâmetro e 1cm de altura. Os resultados indicam, de maneira preliminar, o aumento da resistência à compressão simples das misturas de solo-cimento-fibra com o aumento da quantidade de cimento adicionada ao solo, bem como com o aumento da massa específica aparente seca das amostras. Além disso, é verificado um acréscimo exponencial da resistência mecânica em função da diminuição da porosidade. PALAVRAS-CHAVE: Reforço de Solos, Solo-Cimento-Fibra, Metodologia de Dosagem. 1 INTRODUÇÃO A grande disponibilidade e o baixo custo tornam o solo um material vastamente empregado. Por se apresentar de forma heterogênea, complexa e variável, com freqüência, suas propriedades não se enquadram às características e às necessidades de projeto. A inclusão de fibras aos solos tem sido estudada por diversos pesquisadores nos últimos anos para numerosas aplicações, desde estruturas de contenção até a estabilização de solos sob fundações e pavimentos (Gray e Ohashi, 1983; Gray e Al-Refeai, 1986; Freitag, 1986; Maher e Gray, 199; Fatani et al., 1991; Maher e Ho, 1993; Santoni et al., 21; Zornberg, 22; Festugato, 28). Além disso, a técnica de tratamento de solos com cimento vem sendo empregada com sucesso, por exemplo, na construção de bases para pavimentos, na proteção de taludes em barragens de terra e canais, para execução de camadas de apoio para fundações superficiais, para contenção e escavações, na prevenção de liquefação em areias (Ingles e Metcalf, 1972; Dupas e Pecker, 1979; Tomé et al., 25). No entanto, ainda não há metodologias de dosagem das misturas solocimento-fibra baseadas em critérios mais racionais como há, por exemplo, no concreto. Nesse sentido, este estudo tem por objetivo quantificar a influência do teor de cimento e da porosidade, sobre a resistência mecânica de uma mistura de solo-cimento-fibra e avaliar a adequação do uso da relação vazios/cimento, sugerida por Consoli et al. (27) para solos cimentados, na estimativa da sua resistência à compressão simples.

2 2 METODOLOGIA 2.1 Materiais Solo Utilizou-se solo residual de arenito da chamada Formação Botucatu. É classificado como areia fina siltosa, não uniforme (NBR 652/95 ABNT, 1995). A massa específica real dos grãos de solo é 26,4kN/m³. Sua curva granulométrica é apresentada na Figura 1. Figura 1. Curva granulométrica do solo residual de arenito Botucatu Agente Cimentante O agente cimentante utilizado foi o cimento Portland de alta resistência inicial (CP V ARI). A massa específica real dos grãos de cimento é 31,5kN/m³ Fibras As fibras utilizadas como elemento de reforço são poliméricas de polipropileno. Possuem 24mm de comprimento e título de 3,3dtex, correspondente ao diâmetro de,23mm. Os micro-reforços apresentam densidade de,91, módulo de elasticidade de 3GPa, resistência última à tração de 12MPa e deformação de ruptura de 8%. 2.2 Métodos Moldagem e Cura dos Corpos de Prova Foram utilizados, para os ensaios de compressão simples, corpos-de-prova cilíndricos de 1cm de altura e 5cm de diâmetro. Após a pesagem dos materiais (solo, cimento, fibra e água), o solo e o cimento eram misturados com o auxílio de uma espátula metálica, até que a mistura adquirisse uma coloração uniforme. Em seguida, era adicionada a água, continuando o processo de mistura até que a homogeneidade fosse obtida. Posteriormente, eram adicionadas e misturadas as fibras. A quantidades de cimento necessária para cada mistura era calculada em relação à massa de solo seco utilizada e a quantidade de água (teor de umidade) e de fibras em relação à soma das massas de solo seco e de cimento. A quantidade total de mistura permitia a moldagem de um corpo-de-prova e uma quantidade adicional para determinação do teor de umidade. Após a mistura dos materiais, a quantidade de solo-cimento-fibra necessária para confecção de um corpo-de-prova era dividida em três partes iguais, armazenadas em recipientes com tampa para evitar a perda de umidade, para posterior compactação. Ao final deste processo, duas pequenas porções da mistura eram retiradas e colocadas em cápsulas para determinação do teor de umidade. A média dos dois teores de umidade medidos era adotada como sendo o teor de umidade de corpo-deprova. A amostra era, então, compactada estaticamente em três camadas no interior de um molde de metálico tripartido, devidamente lubrificado, de maneira que cada camada atingisse as especificações de teor de umidade e peso específico aparente seco, tomando-se o cuidado de se escarificar levemente os topos acabados da primeira e da segunda camada para aumentar a integração entre as camadas superpostas. Concluído o processo de moldagem, o corpo-de-prova era imediatamente extraído do molde, sua massa e medidas (diâmetro e altura) devidamente anotados com resolução de,1g e,1mm respectivamente, e acondicionado em um saco plástico

3 adequadamente identificado e vedado para evitar variações significativas do teor de umidade. Os corpos-de-prova assim obtidos eram, então, armazenados e curados por um período de seis dias em um ambiente com temperatura e umidade controladas (temperatura de 23º ± 2 ºC e umidade relativa do ar maior que 95%). Foram considerados aptos para ensaios os corpos-de-prova que atendiam as seguintes tolerâncias: Peso específico aparente seco (γ d ): grau de compactação de 99% a 11%, sendo o grau de compactação definido como o valor de γ d obtido na moldagem dividido pelo valor de γ d definido como meta. Teor de umidade (ω): valor determinado ±,5 pontos percentuais Dimensões: diâmetro 5 ±,5mm e altura 1 ± 1mm Moldagem e Cura dos Corpos de Prova Ensaios de resistência à compressão simples têm sido utilizados na maioria dos programas experimentais relatados na literatura quando se deseja verificar a efetividade da adição de cimento e de fibras ou acessar aspectos relativos à importância de fatores influentes sobre a resistência de misturas solo-cimentofibra. Uma das razões para tal é a experiência acumulada com este tipo de ensaio na área de concretos, além de ser um ensaio de simples e rápida execução, baixo custo, confiável e amplamente difundido no meio técnico. Para estes ensaios foi utilizada uma prensa automática com capacidade máxima de 5 kn, além de anéis dinamométricos calibrados com capacidade de 1kN e 5kN e resolução de,5kn (,5kgf) e,23kn (2,3kgf) respectivamente. A velocidade de deformação destes ensaios foi de 1,14mm por minuto. Os corpos-de-prova, após serem curados por 6 dias na câmara úmida, eram submersos em um tanque com água por um período de 24 horas, visando aproximar a condição de saturação e minimizar a sucção. A temperatura da água do tanque era controlada e mantida em 23 ± 3 C. Imediatamente antes do ensaio de compressão simples, os corpos-de-prova eram retirados do tanque e superficialmente secos como o auxílio de um tecido absorvente. Procedia-se então a execução do ensaio e anotava-se a carga máxima atingida pelo corpo-de-prova. Como critério de aceitação para ensaio de resistência à compressão simples, estipulou-se que as resistências individuais de três corpos-de-prova, considerados idênticos, não deveriam se afastar mais de 1% da resistência média desse conjunto. 2.3 Programa de Ensaios de Compressão Simples A principal etapa desta pesquisa é o ensaio de compressão simples, cuja elaboração permitiu avaliar a influência do teor de cimento, da porosidade e da relação vazio-cimento sobre a resistência mecânica de misturas de solocimento-fibra. O programa de ensaios de compressão simples é apresentado na Tabela 1. Os pontos de moldagem foram posicionados em uma linha, denominada linha A. A característica da linha A é apresentar o teor de umidade constante (1%) e variar o peso específico aparente seco. Tabela 1. Programa de ensaios de compressão simples. PONTOS DE MOLDAGEM Ponto γd (kn/m³) W (%) A1 17,3 1 A2 18, 1 A3 19, 1 A4 19,7 1 Cada ponto da linha A foi moldado com 5 diferentes porcentagens de cimento (C): 1%, 2%, 3%, 5% e 7% e iguais porcentagens de fibra (,25%). Partindo da experiência (internacional e brasileira) com o solo-cimento em nível experimental, foram escolhidas as porcentagens de cimento. Com o objetivo de diminuir a dispersão características dos ensaios de compressão simples e, dessa forma, aumentar a confiabilidade dos resultados, cada corpo-deprova foi moldado três vezes.

4 3 RESULTADOS 3.1 Efeito do Teor de Cimento e da Porosidade. Como cada ponto da linha A foi moldado com 5 diferentes porcentagens de cimento (1%, 2%, 3%, 5%, 7%), será possível avaliar a influência desta variável, já que o peso específico aparente seco e a umidade das amostras permaneceram constantes. Na Figura 2, são apresentadas as curvas de ajuste da variação da resistência à compressão simples em função do teor de cimento das misturas. Cada curva, isoladamente, possui a mesma massa específica aparente seca e todos os pontos possuem o mesmo teor de umidade (ω = 1%). Observa-se (através da Figura 2) o aumento linear da resistência à compressão simples com o aumento do teor de cimento. Percebe-se também que a cimentação e a adição de fibras são mais efetivas nas misturas mais compactas, pois nas misturas com maior peso específico seco, há uma maior taxa de aumento da resistência (representada pela inclinação das retas de ajuste da Figura 2) γ d = 17,3 kn/m³ q u = 165C R 2 =,95.. γ d = 18,kN/m³ q u = 23C + 26 R 2 =,98... γ d = 19, kn/m³ q u = 354C R 2 =,97... γ d = 19,7kN/m³ q u = 377C + 51 R 2 =,93 da porosidade das misturas de solo-cimentofibra η (%). C = 1% qu = 2x1 7 (η) -3,17 R 2 =,86.. C = 2% q u = 8x1 5 (η) -2,5 R 2 =,98... C = 3% qu = 1x1 9 (η) -4,15 R 2 =,99... C = 7% qu = 2x1 8 (η) -3,36 R 2 =,93... C = 5% qu = 1x1 9 (η) -3,91 R 2 =,98 Figura 3. Variação da resistência à compressão simples em relação à porosidade das misturas. Verifica-se que, de maneira similar à quantidade de cimento, a porosidade da mistura compactada exerce uma forte influência sobre a resistência à compressão simples do solocimento-fibra. Independentemente da quantidade de cimento utilizado, a redução na porosidade do material promove ganhos significativos de resistência. A resistência à compressão simples aumentou exponencialmente com a redução da porosidade da mistura compactada. 3.2 Efeito da relacão Vazios/Cimento Analisando a Figura 4, percebe-se a relação entre a variação da resistência à compressão simples e o inverso do volume de cimento (1/V c ) C (%) Figura 2. Variação da resistência à compressão simples em relação ao teor de cimento. Na Figura 3, são apresentadas as curvas de ajuste da variação da resistência à compressão simples em função da porosidade do solocimento-fibra compactado. Cada curva, isoladamente, possui o mesmo teor de cimento. Todos os pontos possuem o mesmo teor de umidade (ω = 1%). Verifica-se um ganho exponencial da resistência à compressão simples com a redução γ d = 17,3 kn/m³ q u = 27(1/V ci) -,78 R 2 =,93.. γ d = 18, kn/m³ q u = 33(1/V ci) -,79 R 2 =,99... γ d = 19, kn/m³ q u = 429(1/V ci) -,85 R 2 =,95... γ d = 19,7 kn/m³ q u = 671(1/V ci) -,73 R 2 =,95,2,4,6,8 1 1/V ci (cm³) -1 Figura 4. Variação da resistência à compressão simples em relação ao inverso do volume de cimento das misturas.

5 Também é possível analisar a variação da resistência à compressão simples através do volume de vazios (Vv) do material estudado. Essa análise é possível através da Figura C = 1% q u = 3x1 8 (V v) -3,25 R 2 =,84.. C = 2% q u = 2x1 6 (V v) -1,93 R 2 =,97... C = 3% q u = 4x1 1 (V v) -4,23 R 2 =,99... C = 5% q u = 1x1 1 (V v) -3,88 R 2 =,97... C = 7% q u = 3x1 9 (V v) -3,48 R 2 =, V v (cm³) Figura 5. Relação entre a resistência à compressão simples e o volume de vazios. Uma forma de combinar as duas variáveis é expressar a resistência a compressão simples em função da relação vazios/cimento (V v /V c ) que está representada na figura 6. Se observou que, para uma determinada variação no volume de vazios, uma variação proporcional no volume de cimento seria suficiente para compensar o aumento ou diminuição na resistência mecânica a compressão simples. 4 CONCLUSÕES A partir da análise dos resultados, bem como da avaliação da influência das variáveis estudadas (teor de cimento, porosidade e relação vazios/cimento) sobre a resistência à compressão simples das misturas solo-cimentofibra foram estabelecidas as seguintes conclusões: * A adição de cimento, mesmo em pequenas quantidades, provocou ganhos significativos de resistência no material. Na faixa de teores estudados, a resistência à compressão simples cresceu linearmente com o aumento do teor de cimento. Além disso, a taxa de resistência, representada pela inclinação das retas de ajustes, cresceu com o aumento do peso específico aparente seco do material estudado, indicando que o reforço através da cimentação e da adição de fibras é mais efetivo nas misturas mais compactas. * A redução na porosidade do material promove ganhos significativos de resistências. Verificou-se que a resistência à compressão simples aumentou exponencialmente com a redução da porosidade da mistura solo-cimentofibra. * A relação vazios/cimento, (Vv/Vc), mostrou-se razoável para a avaliação da resistência à compressão simples do material estudado (solo-cimento-fibra) qu = 1x1 4 (Vv/Vc) -,88 R 2 =,85 AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao PRONEX/FAPERGS e ao CNPq pelo apoio financeiro para a realização da pesquisa. 1 REFERÊNCIAS V v/v c Figura 6. Variação da resistência a compressão simples em função da relação vazios/cimento Casagrande, M.D.T. (25). Comportamento de Solos Reforçados com Fibras Submetidos a Grandes Deformações. Dissertação de Doutorado, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Consoli, N. C.; Foppa, D.; Festugato, L.; Heineck, K.S. (27). Key Parameters for Strength Control of Artificially Cemented Soils. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol. 133, N.2 p

6 Dupas, J. M. E Pecker, A. (1979). Static and dynamic Properties of Sand-cement. Journal of Geotechnial Engineering Division, ASCE, v. 15, n. 3, p Festugato, L. (28). Análise do comportamento mecânico de um solo micro-reforçado com fibras de distintos índices aspecto. Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Freitag, D.R. (1986). Soil randomly reinforced with fibers. Journal of Geotechnical Engineering, New York, v.112, n.8, p Gray, D.H.; Al-Refeai, T. (1986). Behavior of fabric versus fiber-reinforced sand. Journal of Geotechnical Engineering, New York, v.112, n.8, p Gray, D.H.; Ohashi, H. (1983). Mechanics of fiber reinforcement in sand. Journal of Geotechnical Engineering, New York, v.19, n.3, p ,. Ingles, O. G. e Metcalf, J. B. (1972). Soil Stabilization Principles and Practice. Australia: Butterworths Pty. Limited, 366p. Maher, M.H.; Gray, D.H. (199). Static response of sands reinforced with randomly distributed fibers. Journal of Geotechnical Engineering, New York, v.116, n.11, p Fatani, M.N.; Bauer, G.E.; Al-Joulani, N. (1991) Reinforcing soil with aligned and randomly oriented metallic. Geotechnical Testing Journal, Philadelphia, v.14, n.1, p Maher, M.H.; Ho, Y.C. (1993). Behavior of fiberreinforced cemented sand under static and cyclic loads. Geotechnical Testing Journal, Philadelphia, v.16, n.3, p Santoni, R.L.; Tingle, J.S.; WEBSTER, S.L. (21) Engineering Properties of sand-fiber mixtures for road construction. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, New York, v.127, n.3, p Zornberg, J.G. (22). Discrete framework for limit equilibrium analysis of fibre-reinforced soil. Géotechnique, London, v.52, n.8, p