COMPORTAMENTO MECÂNICO DE MISTURAS AREIA- CIMENTO-FIBRA DE VIDRO ATRAVÉS DE ENSAIOS DE RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO SIMPLES

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1 COMPORTAMENTO MECÂNICO DE MISTURAS AREIA- CIMENTO-FIBRA DE VIDRO ATRAVÉS DE ENSAIOS DE RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO SIMPLES Márcio Felipe Floss Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasil, Lucas Festugato Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasil, Nilo Consoli Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasil, RESUMO: Por se apresentar de forma heterogênea, complexa e variável, com frequência, as propriedades do solo não se enquadram às características e às necessidades de projetos geotécnicos. Dessa forma, ensaios de resistência à compressão simples foram realizados para a obtenção de uma metodologia de dosagem de misturas de areia-cimento-fibra, através da quantificação da influência do teor de cimento e da porosidade. Foram utilizados areia fina, fibras de vidro de 24mm de comprimento, cimento Portland de alta resistência inicial e água destilada. Utilizaram-se corpos-deprova cilíndricos de 5cm de diâmetro e 1cm de altura, com teores de 1, 3 e 7% de cimento em relação a massa de solo seco e,5% de fibra em relação a soma de massas do solo seco e do cimento. O ensaio de RCS foi realizado após 7 dias de cura dos corpos de prova. Os resultados indicam o aumento da RCS das misturas de solo-cimento-fibra com o aumento da quantidade de cimento adicionada ao solo. Também verificou-se que a taxa de ganho de resistência cresceu com a redução do índice de vazios inicial do material estudado, indicando que o reforço através da cimentação e da adição de fibras é mais efetivo nas misturas mais compactas. Além disso, é verificado um acréscimo exponencial da resistência mecânica em função da diminuição da porosidade. PALAVRAS-CHAVE: Solo Reforçado, Fibra de Vidro, Mistura Areia-Cimento-Fibra, Resistência à Compressão Simples 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; Casagrande, 25). 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; Thomé et al., 25; Consoli et al., 27). No entanto, ainda não há metodologias de dosagem das misturas solo-cimento-fibra baseadas em critérios mais racionais como há,

2 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 areiacimento-fibra de vidro, avaliar a adequação do uso da relação porosidade/teor volumétrico de cimento na estimativa da sua resistência à compressão simples, e comparar qualitativamente o modo de ruptura da amostras reforçadas com as amostras não reforçadas. 2 METODOLOGIA 2.1 Materiais Solo O solo utilizado é oriundo de uma jazida localizada em Osório-RS, no sul do Brasil. O material é caracterizado como uma areia fina, limpa, com granulometria uniforme. O peso específico real dos grãos é de 26,2kN/m³. O diâmetro efetivo dos grãos é igual a,9mm. Os coeficientes de uniformidade e de curvatura calculados são respectivamente 2,1 e 1,. Os índices de vazios máximo e mínimo são, respectivamente,,9 e,6. A curva granulométrica do solo é apresentada na Figura 1. Porcentagem menor (%) Diâmetro (mm) Figura 1. Curva Granulométrica da Areia de Osório 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 Porcentagem maior (%) Fibras As fibras utilizadas como elemento de reforço são inorgânicas de vidro. Possuem 24mm de comprimento médio,,17mm de diâmetro e, assim, um valor de índice aspecto em torno de 14. Os micro-reforços apresentam densidade de 2,68, módulo de elasticidade de 72 GPa, resistência última à tração de 3.5 MPa e deformação de ruptura de 4,5%. 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 quantidade 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

3 um molde metálico tripartido 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 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%) Ensaios de compressão simples 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 tanto 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. 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. Tabela 1. Programa de ensaios de compressão simples Ponto e W (%) D1,63 1 D2,69 1 D3,75 1 D4,81 1 Os pontos de moldagem foram posicionados em uma linha, denominada linha D. A característica da linha D é apresentar o teor de umidade constante (1%) e variar o índice de vazios inicial. Partindo da experiência (internacional e brasileira) com o solo-cimento em nível experimental, foram escolhidas as porcentagens de cimento e de fibra. Cada ponto da linha D foi moldado com 3 diferentes porcentagens de cimento (C): 1%, 3% e 7% e igual porcentagem de fibra: 1,5%. Com o objetivo de diminuir a dispersão características dos ensaios de compressão simples e, dessa forma, aumentar a confiabilidade dos resultados, três corpos de prova foram moldados para cada ponto de moldagem e teor de cimento.

4 3 RESULTADOS 3.1 Efeito do Teor e da Porosidade Cada ponto da linha D foi moldado com 3 diferentes porcentagens de cimento (1%, 3% e 7%), sendo assim possível avaliar a influência desta variáel, já que o índice de vazios inicial 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 o mesmo índice de vazios inicial e todos os pontos possuem o mesmo teor de umidade (ω = 1%). São apresentados, na figura, os valores médios de resistência das amostras. Observa-se, através da Figura 2, o aumento exponencial 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 menor índice de vazios, há uma maior taxa de aumento da resistência (representada pelos coeficientes das curvas de ajuste da Figura 2). q u (kpa) e =,63 e =,69 e =,75 q u = 139e,28(C) R 2 =,98 q u = 123e,27(C) R 2 =,99 q u = 18e,24(C) R 2 =, C (%) Figura 2: Variação da resistência à compressão simples em relação ao teor de cimento C. Na Figura 3, são apresentadas as curvas de ajuste da variação da resistência à compressão simples em função da porosidade (η) do solocimento-fibra compactado. Cada curva, isoladamente, possui o mesmo teor de cimento. Todos os pontos possuem o mesmo teor de umidade (ω = 1%). q u (kpa) Areia - Cimento - Fibra - C=1% Figura 3. Variação da resistência à compressão simples em relação à porosidade das misturas. Verifica-se como do tipo potência o melhor ajuste da curva de resistência à compressão simples em relação à porosidade das misturas de solo-cimento-fibra. Observa-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 expressivos de resistência. Constata-se que a adição de fibras confere maior ganho de resistência às amostras com teor menor de cimento, diminuindo o ganho conforme se aumenta a porosidade.entretanto, para o teor de 7% de cimento, a adição da fibra diminuiu a resistência para até aproximadamente 43% de porosidade. A partir desse ponto, há tendência de maior resistência para as amostras reforçadas com fibras. Também verifica-se que os expoentes das curvas de ajuste do material reforçado com fibras aumentam conforme se elevam os teores de cimento. 3.2 Modo de Ruptura q u = 1E+11(η) -5,53 R 2 =,48 Areia - Cimento - Fibra - C=3% q u = 8E+5(η) -2,12 R 2 =,22 Areia - Cimento - Fibra - C=7% q u = 7E+4(η) -1,2 R 2 =, η (%) O aumento da ductilidade do solo com a adição de fibras é uma observação feita em caráter

5 unânime por vários autores (e.g. Hoare, 1979; Maher e Ho, 1993; Consoli et al. 1999), sendo este aumento mis pronunciado quanto maior for a quantidade de fibras. A Figura 4, para comparação, mostra uma amostra rompida de areia cimentada reforçada com fibra de vidro. Não se verifica um plano de ruptura definido. Em função das fibras há a formação de uma banda de cisalhamento. 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 na forma de potência com a redução da porosidade da mistura solo-cimentofibra. A influência da adição de fibras em amostras com maior teor de cimento ou mais densas, não se mostrou benéfica, podendo ocorrer até mesmo a perda de resistência. Em contrapartida, a adição de fibras mostrou-se eficiente nas amostras menos densas, e com menor cimentação. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq e à Capes pelo apoio financeiro para a realização da pesquisa. REFERÊNCIAS Figura 4. Modo de ruptura de uma amostra de areia cimentada reforçada com fibras de vidro. 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 ao material. Na faixa de teores estudados, a resistência à compressão simples cresceu exponencialmente com o aumento do teor de cimento. Além disso, a taxa de ganho de resistência, representada pelos coeficientes das curvas de ajustes, cresceu com a redução do índice de vazios inicial do material estudado, conforme o esperado, Casagrande, M. D. T. (25). Comportamento de Solos Reforçados com Fibras Submetidos a Grandes Deformações. Tese de Doutorado, Programa de Pós- Graduação em Engenharia Civil, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Consoli, N.C.; Prietto, P.D.M; Ulbrich, L.A. (1999). The behavior of a fiber-reinforced cemented soil. Ground Improvement, ISSMGE, v.3, n.3, p Consoli, N. C.; Foppa, D. (27). Key Parameters for Strength Control of Artificially Cemented Soils. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol. 133, N.2 p 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 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 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

6 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 Hoare, D.J. (1979). Laboratory study of granular soils reinforced with randomly oriented discrete fibres. In: International Conference on Soil Reinforcement. V.1, 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 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