ANÁLISE DO DESEMPENHO DE NOVOS MATERIAIS GEOTÉCNICOS PARA APROVEITAMENTO EM REFORÇO DE SOLOS

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1 ANÁLISE DO DESEMPENHO DE NOVOS MATERIAIS GEOTÉCNICOS PARA APROVEITAMENTO EM REFORÇO DE SOLOS - Avaliação do Comportamento de Solos Reforçados com Resíduos de Madeira para Aplicação em Geotecnia Aluno: Lucas Mendes Repsold Orientadora: Michéle Dal Toé Casagrande Introdução Percebe-se através do passar dos anos que, não só a construção civil, mas também a sociedade capitalista como um todo, não se preocupou com o uso indiscriminado de matérias primas. O modelo de produção massificada não levou em consideração fatores ambientais que pudessem afetar o ecossistema como um todo. Dessa forma, produziu-se de maneira extrativista e não planejada, gerando muita poluição e degradação ambiental que são continuamente mantidos pela indústria que visa na maioria das vezes apenas o lucro. Alguns setores da sociedade em países desenvolvidos começaram a perceber que se estava transformando o mundo onde vivemos em uma lixeira que nós mesmo alimentamos. Se estava transformando o Mundo, palavra que significa limpo, num lugar sujo, imundo. Estudos voltados para materiais alternativos são de extrema importância por representarem uma tendência necessária ao controle sob o uso das fontes de recursos naturais que se esgotam cada vez mais rapidamente, podendo se constituir em uma fonte alternativa para obter resultados equivalentes aos produtos já utilizados, mas com o diferencial do aproveitamento de materiais a baixo custo de produção, pois reduz-se a energia necessária para o beneficiamento do mesmo, além de não gerar tantos resíduos no seu beneficiamento ou até mesmo utilizando o que consideramos como resíduos, reciclando-os e transformando-os novamente matéria prima. A madeira é um material natural, com propriedades físicas e mecânicas capazes de conferir ao mesmo a possibilidade de aplicações estruturais e arquitetônicas diversas. Por esses motivos, a madeira sempre foi um dos principais materiais utilizados tanto na construção civil quanto na indústria moveleira. No entanto, em se tratando de um material natural, para que o mesmo viesse a estar disponível para consumo, uma grande demanda energética de recursos foi necessária para a sua produção. Recursos estes como nutrientes e água, vindos do solo para o plantio das árvores e trabalho humano. O processo de beneficiamento e processamento industrial da madeira geram grandes quantidades de resíduos da própria matéria prima, que muitas vezes é disposta de forma inadequada, desperdiçando tal potencial energético. Dessa forma, é preciso atentar-se a esse fato e procurar meios de aproveitamento desse material na medida em que esse resíduo é uma matéria prima que possui uma grande demanda energética embutida em sua existência e dispô-la simplesmente constitui-se em um problema ambiental e desperdício econômico. Os solos naturais muitas vezes não se encontram em condições imediatas de utilização em projeto geotécnico por não possuírem parâmetros de resistência adequados. Esse fato faz com que, cada vez mais, se procure por alternativas para a viabilização da utilização destes solos em obras geotécnicas. Uma alternativa é a remoção do material existente no local e substituição do mesmo por outro com características adequadas ou ainda melhor, modificar 1

2 suas propriedades de modo a criar um novo material com características de resistência e deformabilidade adequadas para tais finalidades. Um dos processos utilizados em obras geotécnicas para aproveitamento de solos naturais é a inserção de elementos de reforço que venham a conferir ao solo melhorias em seus parâmetros de resistência, viabilizando sua utilização imediata. É neste contexto que se iniciou essa pesquisa. No trabalho, pretendeu-se verificar a possibilidade do uso de serragem de madeira como material de reforço de solos para aplicação em obras geotécnicas, como camadas de aterros sanitários para uso como liners de cobertura, aterros sobre solos moles, taludes, fundações rasas, etc. Tendo em vista que tais obras consomem um grande volume de materiais, o uso de serragem como elemento de reforço torna possível a redução de volume de solo utilizado, assim como o aproveitamento e disposição adequada de um material com grande potencial energético que seria desperdiçado. Por se tratar de um material que pode se degradar naturalmente com o passar do tempo, também será tema futuro dessa pesquisa o estudo da durabilidade de tal material. As preocupações advindas desse quesito, que podem afetar ao longo prazo a estabilidade dimensional, resistência e ductilidade da fibra estão relacionadas ao fato de as fibras naturais estarem suscetíveis a ataques químicos e biológicos de elementos e micro-organismos presentes no solo. Dessa forma, é preciso impedir a ocorrência desse ataque ou atenuá-lo, para que as fibras naturais possam durar. Serão estudados futuramente alguns mecanismos de impermeabilização das fibras, métodos estes já estudados anteriormente para fibras naturais em matrizes cimentícias e que apresentaram boa eficácia para o aumento da durabilidade de fibras naturais. Por exemplo, na tese de doutorado de Romildo Dias Toledo Filho, de 1997, foi feita a imersão das fibras em micro-sílica líquida antes de serem incorporadas à matriz de cimento Portland. Dessa forma, pôde-se estudar o comportamento do material compósito ao longo de vários dias e avaliar os parâmetros desejados para aplicações em projetos de longo prazo. As fibras naturais também estão sujeitas a absorção de água, logo este quesito também precisa ser investigado para cada fibra, tendo em vista que o teor de água absorvida pode modificar o tamanho em volume das mesmas. Assim, o inchamento das fibras pode representar um obstáculo a estabilidade dimensional do elemento reforçado. Objetivo Neste trabalho pretende-se analisar o comportamento de um solo argiloso reforçado com serragem de dois tipos de madeira largamente utilizados na construção civil e indústria moveleira. Pretende-se avaliar as propriedades físicas e mecânicas do solo puro e do solo misturado com serragem através de ensaios de laboratório, de modo a poder comparar os parâmetros de resistência entre eles para avaliar a possibilidade da utilização da serragem como material de reforço. Metodologia Foram selecionadas serragens de dois tipos de materiais para aplicação em um solo argiloso (símbolo S ): Peroba (símbolo P ) e MDF (símbolo P ). O primeiro é uma madeira nobre, já o segundo é um material fabricado com fibras de madeira. O material utilizado são resíduos advindo de processo de lixamento, desbaste, desengrosso e corte de peças de madeira, provenientes da uma madeireira no bairro do Cosme Velho, Rio de Janeiro. 2

3 Figura 1 Máquina desengrossadeira da Madeireira Madeiras Cosme Velho com o resíduo de serragem Figura 2 Serra de mesa da Madeireira Madeiras Cosme Velho com o residuo gerado pelo corte de peças Trabalhou-se com o solo puro e misturas de solo com serragem destes materiais, com uma porcentagem fixa de 3% em massa em relação ao peso do solo seco. O solo argiloso utilizado é de origem coluvionar, procedente do campo experimental da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. O solo foi escolhido com base na facilidade de coleta, uma vez que o local de coleta se encontra dentro do campus da universidade. Figura 3 Solo Argiloso Figura 4 Serragem de MDF Figura 5 Serragem de Peroba 3

4 Com o objetivo de se determinar as propriedades índice da amostra de solo argiloso, proveniente do campo experimental da PUC-Rio, foram executados ensaios de caracterização física do material, como o ensaio granulométrico, ensaio para obtenção de massa específica real dos grãos e limites de consistência. Para se obter as propriedades mecânicas dos materiais e misturas estudados, foram realizados ensaios de compactação e cisalhamento direto. Caracterização física do solo argiloso: Ensaios para obtenção de propriedades físicas e de classificação do solo: a) Análise Granulométrica A primeira parte desse ensaio consiste-se em preparar a amostra para o ensaio granulométrico do solo assim como determinar o teor de umidade. A preparação da amostra para ensaios de caracterização segue a norma NBR 6457 que consiste em três etapas: - Secagem do solo ao ar (que pode ser simulado pela estufa, à 60º C). - Destorroamento do solo utilizando um recipiente de porcelana grande denominado almofariz e um pilão de madeira denominado mão de gral. - Peneiramento na peneira de número 40, que equivale ao diâmetro de abertura entre suas grelhas de 42 µm (0,42 mm). O material que passou na peneira foi separado do que não passou. O material retido foi levado ao tanque, na própria peneira, para ser lavado em água corrente, no âmbito de retirar as possíveis partículas de grãos finos que ainda residiam na amostra. Esse material por fim lavado, será conduzido na próxima etapa do ensaio para o peneiramento grosso. Esse material retido foi levado para estufa de 110º em um recipiente metálico para secagem total que ocorre em aproximadamente 24h após inserção na estufa. Já o material que passou foi guardado e uma pequena parte foi retirada para determinar a umidade higroscópica do solo. Parte desse material que passou será utilizado posteriormente para os ensaios de sedimentação (200g), ensaio de massa específica real dos grãos (250g), limites de Atterberg (200g) e o resto foi guardado. Para a umidade higroscópica, foi pesada uma cápsula (tara), colocado a amostra de solo nessa cápsula (tara+solo+água) e por fim levado a estufa de 110º para que posteriormente se possa pesar e obter o peso da cápsula com solo seco (tara+solo). Com esses valores pode-se determinar a umidade em que o solo se encontrava antes de ter sido levado à estufa, correspondendo a umidade higroscópica (relacionada à água adsorvida na superfície dos grãos). Dando sequência aos procedimentos para a análise granulométrica do solo em questão, foi feita a determinação do teor de umidade do solo que estava na cápsula colocada na estufa no dia anterior. Para isso, pesou-se novamente a cápsula, obtendo-se assim o peso do solo seco (cápsula + solo seco). Descontando-se essa pesagem da pesagem do dia anterior, obteve-se a massa de água que evaporou na estufa e assim foi possível determinar o teor de umidade em que se encontrava o solo antes de ser levado a estufa e obteve-se a umidade higroscópica do solo. O peneiramento grosso se deu com o material que ficou retido na peneira de número 40. Foi montado um conjunto de peneiras de forma ordenada da de malha mais fina a de malha mais grossa, de baixo para cima (peneiras: # 1 ½, ¾, 3/8, 5/16,1/4,4,8,10,20,40), sendo estas pesadas individualmente e vazias. Após a pesagem e já com o conjunto montado, colocou-se o solo que tinha ficado retido na peneira de número 40 (lavado e seco na estufa de 110º) no topo do conjunto de peneiras para dar sequência ao peneiramento. Essas peneiras foram levadas a um equipamento vibratório e permaneceram lá por 10 minutos para que o material fosse sendo sacudido de modo que os grãos fossem se arrumando e passando pelas peneiras que tivessem aberturas suficientes para sua passagem. Feito isto, o conjunto foi novamente pesado, peneira por peneira, para determinar a quantidade de material retido em cada peneira. 4

5 Figura 6 e 7 Destorroamento Figura 8 - Lavagem do material retido na peneira #40 Figura 9 - Equipamento vibratório Figura 10- Conjunto de peneiras Para a sedimentação, foram colocados em um copo solo, água e defloculante. Foi medida a temperatura, com auxílio de um termômetro. O copo, já com a mistura (solução + solo), foi colocado em um equipamento para misturar e manter as partículas em suspensão. A mistura, passada do copo para a proveta, foi preenchida com água de forma que atingisse 1L. Esta, então, foi retirada do equipamento, para agitá-la em movimentos semicirculares, durante 1 minuto. Imediatamente depois, começa-se a cronometrar o tempo e coloca-se o densímetro cuidadosamente na proveta para que ele não mergulhe e não quebre. Efetuam-se, então, as leituras no densímetro nos tempos: 0,5min; 1min; 2min; 4min; 8min; 15min; 30 min; 1h; 2h; 4h; 8h e 24h. Além disso, mede-se a temperatura nos seus respectivos tempos. Depois da realização das leituras, lava-se o material (#0,074mm) para realizar o peneiramento fino. 5

6 Finalmente, montam-se as tabelas com os dados coletados para relacionar o diâmetro dos grãos com as respectivas porcentagens de cada diâmetro presentes no solo e então classificá-lo. Figuras 11 e 12 - Dispersão do solo em solução Figura 13 - Movimentos semicirculares Figura 14 - Leitura do densímetro Figura 15 Curva de Distribuição Granulométrica 6

7 A partir dos ensaios realizados em laboratório concluiu-se então que o solo em estudo é classificado como CH, correspondente a uma Argila Arenosa de média plasticidade. b) Densidade Real dos Grãos (Gs) A massa específica dos grãos define-se como sendo a relação da massa de sólidos pelo volume de sólidos. Para obter a massa de sólidos desse solo, foi pesada na balança uma amostra seca em estufa de 110º do solo. A medida obtida representa a massa de sólidos da amostra. Para a determinação do volume, foi utilizado um picnômetro de volume conhecido (250ml). Foi colocada essa massa de solo pesada na balança dentro desse recipiente e completado com água destilada até uma determinada altura, de modo que o solo ficasse totalmente imerso na água (representada por uma pequena marca no picnômetro). O conjunto picnômetro mais solo mais água foi levado a uma bomba de vácuo para a retirada do ar que ainda pudesse estar presente na fronteira dos grãos e agitado circularmente durante um tempo de alguns minutos. Depois desse procedimento, completou-se o picnômetro com água destilada até a altura da tampa do picnômetro, que foi inserida em sequência, esguichando uma pequena quantidade de água por seu bico superior de modo que garantisse que todo o volume do picnômetro estivesse completo e posteriormente adicionando com uma seringa algumas cotas de água que vieram a ocupar alguns espaços ainda vazios no bico do picnômetro. O conjunto foi deixado em um recipiente com água a temperatura ambiente para que o mesmo tivesse sua temperatura equalizada, na medida em que a troca de calor no meio líquido ocorre de forma mais rápida. Isso foi feito porque a densidade da água depende da temperatura e esse dado será considerado nos cálculos. Após esse tempo de repouso, o conjunto foi pesado na balança. Depois disso, o picnômetro foi lavado e teve todo o seu volume completado apenas com água destilada, deixado em repouso no recipiente com água a temperatura ambiente e novamente pesado. Esse método consiste na obtenção do volume do solo inseridos no picnômetro (representando o volume de sólidos da nossa amostra) de forma indireta pelo balanço de massa entre os dois conjuntos pesados e a massa do solo. O valor encontrado para o Gs foi de 2,72. Figura 16 - Bomba de vácuo Figura 17 - Equalização da temperatura 7

8 c) Limites de Atterberg De posse dos resultados do ensaio anterior, ou seja, tendo em mãos a curva granulométrica do solo, pode-se observar que o solo do campus tem uma quantidade de finos muito grande, sendo este um solo de caráter argiloso. Os limites de liquidez e plasticidade são limites físicos que relacionam o teor de umidade do solo com sua consistência. Pode-se dizer que quando o solo está muito úmido, ou seja, acima do seu limite de liquidez, o solo comportase como um fluido e quando o solo está muito seco, ou seja, abaixo do seu limite de plasticidade, ele torna-se quebradiço. O estado compreendido entre esses dois extremos de consistência nos permite dizer que o solo deverá ter um comportamento plástico. Abaixo do limite de plasticidade, há o limite de contração, que represente o teor de umidade para qual o solo começa a diminuir de volume ao perder água por secagem. A determinação destes limites físicos é importante por vários motivos, como por exemplo, para a curva de compactação. Em projetos com o uso de solos compactados, desejase que o solo seja disposto com certa consistência. Muitas vezes queremos compactar um solo na umidade ótima, que corresponde ao teor de umidade em que o solo apresenta sua densidade seca máxima, sendo este o teor de umidade para o qual o solo fica com uma boa trabalhabilidade. Para que possamos realizar o ensaio de compactação para determinado solo argiloso pode-se estimar um valor para a umidade ótima, valor este que pode ser estimado tendo-se posse dos limites de consistência desse solo. A umidade ótima deverá ter um valor entre esses dois limites extremos, próximo ao limite de plasticidade ou inferior a ele. Relacionados a esses limites, existem vários índices, como por exemplo o Índice de Plasticidade, que pode fornecer uma indicação da plasticidade do solo, o Índice de Liquidez que nos pode fornecer um indicativo da história de tensões num solo, o Índice de Consistência que pode fornecer uma indicação do estado de consistência no campo de um solo e o Índice de atividade da fração fina de Skempton que pode fornecer a atividade da fração fina do solo, estimando assim os argilominerais presentes. Para a realização do ensaio de limite de liquidez, foi utilizado aproximadamente 100g do material passado na peneira #0,42mm (peneira 40), ou seja, o material utilizado é a parte fina do solo, seca em estufa de 110º C. A amostra foi colocada em uma cápsula de alumínio. Adicionou-se água destilada e, ao mesmo tempo, homogeneizou-se a mistura com o auxílio de uma espátula. Figuras 18, 19 e 20 - Adição de água e homogeneização da mistura Em seguida, a pasta foi transferida para o aparelho de Casagrande, dispondo certa quantidade de material na concha do aparelho, de forma que a parte central tivesse uma espessura de solo de aproximadamente 10 mm. Em sequência, passou-se um cinzel, no meio da amostra, de modo a dividir a massa de solo em duas partes. 8

9 Figuras 21, 22 e 23 - Utilização do cinzel e divisão da massa de solo em duas partes no aparelho de Casagrande O aparelho foi ligado e, ao bater a concha, foram contados os golpes necessários para que a ranhura feita com o cinzel fechasse. Assim que a ranhura fechou, coletou-se uma pequena parte do solo que se encontrava nessa região de encontro que, depois de colocado em uma cápsula, foi levado à estufa para posteriormente determinar seu teor de umidade. Ao final desse processo foi adicionado mais água na mistura para repetir o procedimento, a fim de se obter pelo menos três amostras entre os valores de 15 a 35 golpes. O limite de liquidez (LL) será o teor de umidade relacionado a 25 golpes. Esse valor será estimado graficamente supondo uma função linear que interpole esses valores de amostragem experimental. O limite de plasticidade é o teor de umidade em que o solo começa a trincar quando moldado um cilindro com 3 mm de diâmetro. Esse cilindro é moldado rolando-se o solo com a palma da mão sobre uma placa de vidro esmerilhado. Para a realização do ensaio de limite de plasticidade foi utilizada uma amostra do solo úmido, um gabarito de metal de 3 mm de diâmetro, uma placa de vidro esmerilhado e três capsulas vazias. Figuras 24 e 25 Moldagem dos cilindros para ensaio de limites de plasticidade Utilizando a amostra de solo com o teor de umidade estimado para o limite de plasticidade, foram feitos com as mãos três cilindros do mesmo tamanho e mesmo diâmetro que o gabarito. 9

10 Figuras 26, 27 e 28 - Moldagem dos cilindros e resultado final Os cilindros devem trincar exatamente no teor de umidade correspondente ao limite de plasticidade, como dito anteriormente. Feito isso, os três moldes foram colocados na cápsula e levados à estufa. Após esses procedimentos deve-se calcular o teor de umidade desses três cilindros e através da média, obter o limite de plasticidade LP. Figuras 29 e 30 - Medições de peso das cápsulas e cápsulas com solo Figura 31 Gráfico para o limite de liquidez 10

11 Limite de Liquidez 42% Limite de Plasticidade 30% Índice de Plasticidade 12% Limite de Contração 24% Tabela 2 Limites Físicos do Solo Argiloso Os ensaios de limites são pouco precisos dada a dificuldade em determinar o momento do fechamento da ranhura feita pelo cinzel, influenciando a contagem de golpes relativa a cada teor de umidade assim como a modelagem do corpo de prova cilíndrico que pode romper com diâmetro ligeiramente diferente do indicado pelo gabarito metálico. Concluímos que o solo pode então ser classificado pelo gráfico de Casagrande a partir desses limites encontrados e o valor do limite de contração pode ser também estimado a partir da análise gráfica pela carta de plasticidade de Casagrande. Caracterização mecânica do solo argiloso e misturas: a) Ensaios de Compactação Quando desejamos construir sob determinados tipos de solos, como o solo em questão, para a execução de estradas, aterros, barragens de terra, etc, faz-se necessário o uso da técnica de compactação do solo para que determinadas propriedades sejam melhoradas. A compactação Proctor têm como principais objetivos o aumento da rigidez do solo, redução da permeabilidade e redução das deformações causadas por possíveis cargas atuantes (recalques). Para que se possa atingir esses objetivos, faz-se a compactação do solo. Essa compactação é dada em termos dos teores de umidade em que o solo é disposto, ou seja, as propriedades do solo dependem do teor de umidade. Dessa forma, deseja-se com o ensaio de compactação traçar uma curva que relacione os teores de umidade com as respectivas massas específicas secas aparentes do solo. A compactação irá aumentar a densidade do solo (representada pelo aumento da massa específica seca) e consequentemente reduzir o índice de vazios, na medida em que a adição de água lubrifica os grãos que vão dispondo-se em uma configuração mais compacta. A massa específica seca tende a aumentar de modo que o arranjo dos mesmos seja o mais compacto possível na umidade ótima, que corresponde ao teor de umidade em que o solo terá a massa específica seca máxima. Após esse teor de umidade a massa específica tende a diminuir com a adição de água na medida em partículas de água passam a ocupar o lugar de grãos de solo. Vale ressaltar que ainda que o teor de umidade aumente, nunca se chegará a saturação do solo, ou seja, ainda haverá ar presente no solo compactado. Para o ensaio Proctor Normal, seleciona-se uma amostra de solo seca ao ar (simulada por secagem na estuda à 60º C), destorroada e peneirada. No caso, de posse da curva granulométrica, selecionou-se a peneira 10 da ASTM que possui abertura equivalente a 2mm para o peneiramento, removendo assim possíveis fragmentos de rochas ou minerais grandes, impurezas, fragmentos de galhos e raízes de plantas, folhas, de tamanho maiores que a abertura da peneira que poderiam estar presentes. Vale ressaltar que para solos com quantidade grande de pedregulhos, o ensaio de compactação deve ser feito com um cilindro maior do que o usado neste ensaio, para justamente considerar essas porções de elementos com dimensões grandes, que se fossem peneiradas, tornariam o ensaio pouco representativo para tal solo. Assim, pegase essa amostra, no caso 2kg de solo, e acrescenta-se água até cerca de 5% de umidade abaixo da ótima estimada. Esse valor pode ser estimado pelos limites de Atterberg, tendo a umidade ótima próxima ao valor do limite de plasticidade, mas também pela literatura que nos fornece 11

12 valores típicos de densidades secas e umidades ótimas. Para o nosso solo em questão, de caráter argiloso/siltoso, estima-se que a umidade ótima esteja em torno de 25% e 30% e as densidades secas máximas entre 1,5 e 1,4 g/cm³. Figura 32 Material utilizado para Ensaio Figuras 33 e 34 Cilindro e Soquete Padrão Menor Coloca-se o solo no cilindro padrão menor (dimensões: diâmetro = 9,98cm e altura = 12,74 cm, medidos com paquímetro digital) até altura estimada compactada de 1/3 da altura total. Realiza-se a compactação com soquete de massa de 2,5 kg, caindo e uma altura de 30,5 cm, num total de 26 golpes por camada de espessuras aproximadamente iguais, distribuindo os golpes em toda a área da camada de forma mais homogênea possível e escarificando a superfície da camada ao superpor a camada seguinte, para que haja melhor adesão entre elas. Figura 35 e 36 Processo de Compactação Esse processo é repetido até que o cilindro tenha seu volume completo e transpassado um pouco do anel complementar, compreendendo um total de 3 camadas. Ao fim, retira-se o anel e acerta-se a superfície do cilindro com uma régua de metal. Pesa-se o cilindro e pela diferença entre a massa do cilindro vazio e a massa do cilindro completo com solo, obtém-se a massa do corpo de prova compactado. Agora, basta retirar três amostras do interior do cilindro para serem pesadas, colocadas em estuda e obter-se posteriormente o teor de umidade real do corpo de prova, que embora já fosse conhecida, deve ser novamente calculado dada as perdas de umidade durante a realização do ensaios e adsorção 12

13 nas superfícies dos equipamentos e acessórios utilizados. Em seguida, o corpo de prova é retirado no macaco hidráulico, desfeito, homogeneizado, a umidade é aumentada em 2% e os procedimentos descritos anteriormente são repetidos até que se observe que a massa do corpo de prova tenha aumentado, ficado constante e começado a cair por duas ou três vezes. Nesse terceiro instante de decréscimo a densidade seca já terá atingiu um pico (correspondente a umidade ótima) e decrescido. Feito isso, basta calcular as massas específicas secas e traçar o gráfico da curva de compactação, que irá associar a cada corpo de prova uma densidade seca aparente máxima a um correspondente teor de umidade que será obtido após 24h ao término do ensaio pelas cápsulas secas na estufa à 110º C. Esse procedimento foi realizado para o solo puro e para ambas as misturas de serragem. Figura 37 Retirada da Amostra do Molde Figura 38 Pesagem de amostra do solo Figura 39 Gráfico de compactação do solo puro e misturas 13

14 Material / Misturas Umidade Ótima (%) Massa Específica Seca Máxima (g/cm3) S100 26,30% 1,56 S97M03 27,40% 1,43 S97P03 25,50% 1,49 Tabela 4 Resultado dos ensaios de compactação Através da análise gráfica, observa-se que a inserção de serragem no solo diminui a massa específica seca máxima do compósito. a) Ensaios de Cisalhamento Direto Para o ensaio de cisalhamento direto, deve-se modelar os corpos de prova no formato específico para encaixar na prensa do laboratório. Primeiramente, pega-se o solo e compactase um corpo de prova cilíndrico. Esse corpo de prova foi compactado na energia Proctor Normal e umidade ótima, obtidas pelos ensaios de compactação para o solo puro e as misturas. Dadas as dimensões da caixa utilizada no equipamento de cisalhamento direto, foi utilizado o cilindro grande de dimensões 15,08cm x 17,78cm (diâmetro x altura) utilizando o soquete grande de 4,53kg com aplicação de 26 golpes por camada em 5 camadas, para que a energia Proctor Normar se mantivesse igual a das amostras compactadas anteriormente no ensaio de compactação. Assim que o material é compactado, envolve-se o corpo de prova cilíndrico em papel filme para que o corpo de prova não rompa ao ser moldado e depois moldam-se os corpos de prova que serão destinados ao ensaio de cisalhamento direto. A moldagem é feita com a cravação de um anel metálico com as mesmas dimensões da caixa de cisalhamento, 10,15cm x 1,97cm (lado x altura), cravando uniformemente o anel untado com vaselina para facilitar o processo e não danificar o corpo de prova quando transferido para o equipamento. Posteriormente, acerta-se a base e o topo da amostra para que as faces fiquem paralelas. Com um cilindro grande é possível moldar pelo menos 3 corpos de prova. Ao final, basta transferir o corpo de prova para o equipamento de cisalhamento direto com um cap acrílico. Figura 40 Cilindro e soquete grandes e materiais Figura 41 Cilindro compactado 14

15 Figura 42 Corpo de prova compactado Figura 43 - Cravação do anel A prensa de cisalhamento direto dispõe de uma caixa dividida horizontalmente em duas metades onde uma força normal é aplicada a partir do topo da caixa onde fica o corpo de prova quadrado quando é imposto um deslocamento na caixa a uma velocidade constante. As caixas deslizam-se uma sobre a outra quando o equipamento é ligado, estando estas afastadas 0,5 mm entre si. Acima e abaixo do corpo de prova são colocadas placas com ranhuras e furos que aderem as faces do corpo de prova, papel filtro para que não ocorra carreamento de partículas finas durante o ensaio e pedras porosas saturadas para que ocorra drenagem livremente a fim de manter poro-pressões nulas durante a realização do ensaio. Em se tratando de um ensaio onde o controle é por deformação, a velocidade de deslocamento deve ser calculada. Essa velocidade é calculada através dos dados na fase inicial do ensaio, o adensamento, onde o corpo de prova é submetido somente à tensão vertical e tem sua deformação vertical medida por um LVDT até que se estabilize. Através de um gráfico de deslocamento vertical versus raiz do tempo, obtém-se a velocidade. Essa velocidade foi obtida com o adensamento do solo puro e foi mantida para os ensaios com as misturas, fazendo com que cada ensaio durasse em torno de 3 horas. A ruptura do corpo de prova se dá na direção horizontal, onde as caixas se encontram. São medidos os deslocamentos horizontal e vertical do corpo de prova com LVDTs (Linear Variable Differential Transformer) e a força atuante no solo com uma célula de carga. Os ensaios foram repetidos para cada mistura, adotando-se três valos de tensões verticais normais: 50, 150 e 300 kpa. Através do ensaio, é possível plotar gráficos de tensão cisalhante máxima por deformação para análise do comportamento dos corpos de prova quando submetidos a esforços cisalhantes. Este tipo de ensaio possui vantagens e desvantagens. O cisalhamento direto é um ensaio simples de ser realizado e fácil de ser montado. O fato de se impor uma superfície de ruptura, não permitindo que o solo rompa ao longo do plano mais fraco, pode vir a ocasionar distorções nos resultados obtidos. Dessa forma, a realização de ensaios triaxiais seria melhor para maior assiduidade dos dados e melhor entendimento do comportamento desse material. 15

16 Figura 44 Placa metálica, Pedra porosa e Papel Filtro Figura 45 Caixa da Prensa Figura 46 Caixa da prensa com o corpo de prova Figura 47 Prensa de Cisalhamento Direto do Laboratório de Geotecnia da PUC-RIO 16

17 Figura 48 Detalhe da caixa da prensa Figura 49 Pesos para gerar as tensões verticais Figura 50 Detalhe da caixa da prensa montada Figura 51 Sistema de aquisição de dados Figuras 52 e 53 Corpo de prova após o ensaio de cisalhamento 17

18 Resultados e Discussões Os métodos de ensaio consistem em análise comparativa, onde são analisados dados de corpos de prova de solo puro e posteriormente com a presença das fibras. Figura 54 Gráfico Tensão Cisalhante x Deformação Horizontal Analisando-se os gráficos, pode-se traçar algumas considerações e conclusões: Para tensão normal de 50kPa Observa-se uma ruptura bem definida no solo puro. Já nas misturas com fibra, essa ruptura não é atingida. Há um ganho de tenacidade e aumento da tenção cisalhante máxima com o uso de ambas as serragens, mas com a serragem de peroba os ganhos são maiores. Para tensão normal de 150kPa Observa-se que o solo puro não tem ruptura bem definida. As misturas com ambas as serragens geraram ganho de tenacidade e aumento da tensão cisalhante máxima, sendo a serragem de peroba novamente a que se mostrou mais eficiente Para tensão normal de 300 kpa Observa-se que o solo puro também não possui ruptura bem definida. As misturas com a serragem de MDF geram algum ganho de tenacidade e aumento da tensão cisalhante máxima. No entanto, a serragem de peroba diminuiu a tenacidade da mistura e também da tensão cisalhante máxima em relação ao solo puro. Segundo o critério de ruptura de Mohr-Coulomb, ao se plotar os pares de tensão cisalhante e tensão normal em um gráfico obtém-se as envoltórias de ruptura, cujos parâmetros são definidos por uma reta, onde o coeficiente linear nos dá o valor da coesão (c ) e o coeficiente angular nos dá o ângulo de atrito, sendo estes parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo. 18

19 Figura 55 Gráfico das Envoltórias de Ruptura Conclusão Material/Mistura S S97M03 S97P03 σ (KPa) τ máx(kpa) 55,2 106,3 213, ,5 219,6 68,9 132,9 206,1 C ' (kpa) 18,4 38,8 45,3 Φ' (graus) 32,6 31,3 28,6 Tabela 4 Resultados de tensão cisalhante máxima (τ máx) para cada tensão normal (σ), coesão (C ) e ângulos de atrito (Φ ) para o solo puro e para cada mistura. A partir dos resultados gráficos e numéricos obtidos e analisados nesta pesquisa, observou-se que as misturas de ambas as serragens selecionadas melhoraram os parâmetros de resistência do solo argiloso, levando a um comportamento mecânico compatível com as exigências de projetos geotécnicos. Deve-se destacar que ambas as serragens produziram um aumento da coesão das misturas, chegando a pelo menos 50% de melhoria em relação ao solo puro, sem perdas significativas no ângulo de atrito, comprovando que a serragem pode ser utilizada como elemento de reforço em solos. Ainda será avaliado futuramente a utilização de diferentes madeiras nas misturas, assim como diferentes teores de serragens e sua durabilidade quando submetido as condições climáticas e ambientais. 19

20 Referências ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. (1984) ABNT NBR 7181: Solo Análise granulométrica. Rio de Janeiro/RJ. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. (1984) ABNT NBR 6459: Solo Determinação do limite de liquidez. Rio de Janeiro/RJ. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. (1984) ABNT NBR 7180: Solo Determinação do limite de plasticidade. Rio de Janeiro/RJ. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. (1984) ABNT NBR 6508: Grãos de Solo que passam na Peneira 4,8mm Determinação da Massa especifica. Rio de Janeiro/RJ. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. (1986) ABNT NBR 6457: Amostras de solo Preparação para ensaios de compactação e ensaios de caracterização. Rio de Janeiro/RJ. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. (1986) ABNT NBR 7182: Solo Ensaio de Compactação. Rio de Janeiro/RJ. CASAGRANDE, Michéle Dal Toé. Estudo do comportamento de um solo reforçado com fibras de polipropileno visando o uso como base de fundações superficiais. Dissertação (Mestrado Engenharia Civil) Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS. Porto Alegre CASAGRANDE, Michéle Dal Toé. Comportamento de solos reforçados com fibras submetidos a grandes deformações. Tese (Doutorado Engenharia Civil) Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS. Porto Alegre DAS, Braja M. Fundamentos de engenharia geotécnica. São Paulo: Cengage Learning, PINTO, Carlos de Souza. Curso básico de mecânica dos solos. São Paulo: Oficina de Textos, SOTOMAYOR, Juan Manuel Girao. Avaliação do comportamento carga-recalque de uma areia reforçada com fibra de coco submetidos a ensaios de placa em verdadeira grandeza. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. PUC-RIO SZELIGA, Luciana. Avaliação do comportamento de solos reforçados com borracha moída de pneus inservíveis para aplicação em obras geotécnicas. Projeto de final de curso em engenharia ambiental. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro TOLÊDO FILHO, Romildo Dias. Materiais compósitos reforçados com fibras naturais: caracterização experimental. Tese (Doutorado Engenharia Civil) Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro - PUC-RIO. Rio de Janeiro