Alunos: Tatiana Alvarez Lopes Orientadora: Michéle Dal Toé Casagrande Co-Orientadora: AlenaVitkova Calheiros. Introdução

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1 Estudo do Comportamento de Solos Reforçados para Aplicação em Obras Geotécnicas Avaliação do Comportamento de Solo Reforçado com Poliestireno Expandido (EPS) Introdução Alunos: Tatiana Alvarez Lopes Orientadora: Michéle Dal Toé Casagrande Co-Orientadora: AlenaVitkova Calheiros O Poliestireno Expandido (EPS) é um plástico celular rígido, oriundo da polimerização do estireno em água. As pérolas (cápsulas de estireno) são expandidas utilizando-se o gás pentano, o que faz com que estas apresentem uma constituição de 98% de ar e 2% de estireno. As principais características do EPS são: leveza, resistência mecânica e baixa condutividade térmica. Isso faz com que este apresente inúmeras aplicações como, por exemplo, isolante térmico, embalagens, proteção para aparelhos e maquinas e etc. Ressalta-se que se trata de um material inerte e inócuo. O grande problema relacionado ao EPS é o seu descarte. Apesar apresentar baixa densidade, o EPS ocupa muito volume, o que dificulta a reciclagem e satura os aterros sanitarios.com relação a reciclagem,além da dificuldade do transporte devido ao grande volume que o EPS ocupa, outro problema e que durante o processo de reciclagem o EPS tem seu volume reduzido para aproximadamente 1% de seu volume original, já que é composto principalmente por ar. Dessa forma, são poucas as empresas que se interessam em reciclar o EPS.Sendo assim, é importante encontrar maneiras de reaproveitar esse material. Na construção civil, as pérolas de EPS vêem sendo reutilizadas, agregadas a outros materiais, na produção de termobloco,argamassa e concreto leve. É importante salientar que a quantidade reaproveitada é muito pequena comparada com a produzida, sendo necessário encontrar novas alternativas. Em obras geotécnicas, é muito comum que o solo natural não apresente os parâmetros de resistência adequados. Sendo assim é necessário substituí-lo por outro que apresente conformidade com os parâmetros, ou então alterar e modificar suas características para assim adequá-lo aos parâmetros de projeto. O reforço do solo natural com materiais alternativos é uma das formas de se modificar as propriedades do solo e de aumentar a sua resistência. Nesse trabalho verificou-se a possibilidade de se utilizar as pérolas de EPS como material de reforço em um solo argiloso de baixa capacidade de suporte. Esta seria mais uma solução para o problema do descarte de EPS. Objetivos O principal objetivo desse trabalho é analisar a viabilidade do uso de pérolas de EPS como material de reforço, em solo argiloso. Sendo assim foi analisada a influência do acréscimo do EPS, em diversos teores (,25%;,5%;,75% e 1%), na resistência de um solo coluviar argiloso. A possível aplicação dessa mistura solo-eps será em obras geotécnicas, como por exemplo, aterros sobre solos moles e como camadas de aterros sanitários.

2 Programa Experimental O programa de ensaios teve como finalidade analisar e identificar como a adição de poliestireno expandido (EPS) a um solo coluviar argiloso, em diferentes concentrações (,25%;,5%;,75% e,1%) irá alterar as propriedades mecânicas como a resistência e a deformabilidade do solo natural. A aplicação do ESP tem como objetivo melhorar as propriedades do solo e assim ser possível utilizá-lo em obras geotécnicas. A utilização de diversas concentrações, calculadas com relação ao peso do solo seco, têm como finalidade analisar a influencia destas sobre os parâmetros do solo puro e determinar qual é o teor ótimo de EPS que deve ser acrescentado para melhorar as propriedades mecânicas do solo natural. O programa experimental, realizado no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio), consistiu-se em ensaio de caracterização física e mecânica. Segundo a ABN NBR 4, resíduo inerte é qualquer resíduo que, quando amostrado de uma forma representativa, segundo a ABNT NBR 7, e submetidos a um contato dinâmico e estático com água destilada ou deionizada, à temperatura ambiente,conforme ABNT NBR 6, não tiveram nenhum de seus constituintes solubilizados a concentrações superiores aos padrões de potabilidade de água,excetuando-se aspecto,cor,turbidez e sabor. Sendo assim, pelo fato do EPS ser um material inerte não foi preciso à realização de uma caracterização química, e com relação à caracterização física, só foi necessária a do solo puro. Já na caracterização mecânica, foram realizados ensaios do solo puro e das misturas solo-eps (com os teores de,25%;,5%;,75% e,1%). É importante ressaltar que todos os ensaios foram realizados seguindo as normas da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). A argila utilizada no projeto é um solo maduro, coluvionar argiloso-arenoso, não saturado (Soares 5), apresentada na figura 1. Esse solo é oriundo do Campo experimental II, localizado no interior do campus da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, cujo local da coleta está representado na figura 2.. Figura 1- Local de coleta do solo argiloso ( Soares 5)

3 Figura 2 Solo coluviar argiloso utilizado na pesquisa - Métodos e Procedimentos de Ensaio Na caracterização física do solo coluviar argiloso puro foram realizados os seguintes ensaios laboratoriais: - Densidade Real dos Grãos; - Limites de Atterberg; -Analise granulométrica; Já na caracterização mecânica do solo puro e das misturas solo-eps (com os teores de,25%;,5%;,75% e,1%), os ensaios laboratoriais realizados foram os seguintes: - Compactação proctor normal; - Triaxial Consolidado Isotropicamente Drenado; - Densidade Real dos Grãos O ensaio para determinação da densidade real dos grãos do solo argiloso, foi realizado segundo a norma NBR 658/1984 da ABNT. Primeiramente, o material passou pela peneira #4, o que corresponde a,425 mm. Foi então separado aproximadamente gramas desse material passante da peneira #4, seco em uma estufa à 15 C. Após essa etapa, foram colocados 25 gramas de material em quatro picnômetros de aproximadamente 25 ml, e então se adicionou água destilada de modo que o solo ficasse totalmente submerso. Em seguida, foi realizada a extração do ar existente entre as partículas, através de uma bomba de vácuo. Essa etapa durou aproximadamente 15 minutos, o que corresponde ao tempo que demora em extrair todo o ar na forma de bolhas. O próximo passo foi introduzir água destilada de forma lenta, a fim de se evitar que ocorresse a entrada de ar, ate completar o volume. Em seguida, os picnômetros foram colocados em banho maria até que ocorresse a equalização da temperatura. Após esse processo, pesaram-se cada um dos conjuntos picnômetros+solo+água. Após essa pesagem, o material foi descartado e então pesou-se o conjunto picnômetro+água. Com a obtenção desses dados, foi possível então calcular o valor da massa especifica dos grãos através da fórmula abaixo:

4 s = Wd*Gw/(W1 + Wd - W2) onde Wd = Peso do solo seco utilizado; W1 = Peso do picnômetro + água; W2 = Peso do picnômetro + água + solo; Gw = Constante de correção para temperatura igual a 22 C. - Limites de Atterberg Os limites de Atterberg, limite de liquidez (LL) e limite de plasticidade (LP), estão relacionados com as mudanças entre os estados de consistência do material de estudo. Através desses limites é possível caracterizar a interação solo-água. Os ensaios para o cálculo desses limites foi realizado com o material passante na peneira #4 (,425 mm),de acordo com as normas brasileiras NBR 6459/1984 e NBR 718/1984 respectivamente. O limite de liquidez marca a transição do estado plástico-liquido. O procedimento consiste em inicialmente umedecer e homogeneizar a amostra de solo.na próxima etapa, esse material foi colocado no aparelho de casagrande (figura 3), em aproximadamente 2/3 da superfície, e alisado com o auxilio de uma espátula. Em seguida com o uso de um cinzel foi realizada uma ranhura no meio da amostra. Após esse procedimento vira-se a manivela contando o número de golpes necessários para ocorra o fechamento da ranhura. Coleta-se então uma pequena quantidade de material onde as bordas das ranhuras se encontraram para determinar assim a umidade. Já o Limite de Plasticidade (LP) marca a transição entre o estado plástico e o semi sólido. O ensaio consiste na realização manual de rolos de massa de solo sobre uma placa de vidro despolida. Esse procedimento é realizado ate que o rolo atinja a espessura da de um gabarito (3mm) e que este se rompa. Após essa etapa alguns fragmentos são coletados para a determinação da umidade. Esse procedimento esta caracterizado pelas figuras 4 e 5. Como os dados obtidos nos ensaio do Limite de Liquidez e do Limite de Plasticidade, é possível determinar o Índice de Plasticidade (IP), através da seguinte formula: IP(%) = LL(%) LP(%) Figura 3- Aparelho de Casagrande

5 Figura 4 e 5 Ensaio para determinação do limite de plasticidade - Análise Granulométrica Na determinação da curva granulométrica do solo argiloso puro, de acordo com a norma NBr 7181/1984, peneirou-se gramas do material na peneira #4 (,425 mm).como o solo argiloso utilizado nesse estudo apresenta fração grossa e fina, foi necessário a realização de processos de peneiramento e de sedimentação. Na fase de peneiramento, para obtenção de granulometria da parte grossa, foram utilizadas peneiras com diferentes malhas. Já para determinação da fase fina realizou-se o processo de sedimentação com o auxílio de um defloculante. O material que fico retido foi então lavado e em seguida colocado na estufa a 15 C. Após 24 horas esse material passou por um processo de peneiramento grosso. Do material passante na peneira #4, foi utilizado 5,39 gramas,que foram misturados com 125 ml de uma solução de hexametafosfato de sódio(defloculante), para a realização da sedimentação. Essa mistura foi deixada em repouso por 24 horas. Depois da sedimentação, todo o material foi lavado na peneira # e o que ficou retido, foi levado à estufa. Em seguida, o material seco proveniente da estufa passou por um peneiramento fino. Figura 6- conjunto de peneiras.

6 - Ensaio de Compactação Os ensaios de compactação foram realizados tanto para o solo argiloso puro como também para o mistura solo com,25%;,5%;,75% e,1% de EPS, com a finalidade de se obter a umidade ótima de compactação (w ótm ) e o peso especifico aparente maximo (γ dmáx ) dos materiais. Nos ensaios utilizou-se a energia de compactação Proctor Normal e o reuso de material. É importante ressaltar que esses ensaios seguiram as diretrizes determinadas na norma NBR 7182 da ABNT. Inicialmente o solo passou por um processo de secagem em uma estuga a 6 C, seguido pelo destorroamento do mesmo. Na seguinte etapa, o material resultante passou por uma peneira #4, conforme a norma da ABNT NBR 6457/1986- preparação com secagem prévia ate a umidade higroscópica. Em seguida, foi adicionada uma certa quantidade de água ao material, com a finalidade de que o material adquiri-se cerca de 5% de umidade abaixo da umidade ótima. É possível estimar esse valor através do limite de plasticidade, cujo valor pode se aproximar ao da umidade ótima. Após a mistura do solo argiloso (puro e com as demais concentrações de EPS) com o volume de água previamente calculado, o material foi bem homogeneizado. Posteriormente a preparação das misturas, o material foi introduzido dentro de um molde cilíndrico pequeno (cilindro de Proctor) cujas dimensões são 1 cm x 12,7 cm (diâmetro x altura). Em seguida aplicou-se 26 golpes com o auxilio de um soquete, cujo peso corresponde a 2,5 kg, que se deixa cair na camada de solo a uma altura de 3,5 cm aproximadamente. A compactação é realizada em três camadas, ou seja, cada porção de solo compactado deve ocupar cerca de 1/3 da altura total do molde. Antes de se compactar a camada sobrejacente, escarificou-se bem cada uma delas com a finalidade de se obter uma boa aderência entre as camadas compactadas. Normalmente, quando completadas as três camadas, a altura atingida é maior que a do molde, isso ocorre em função da utilização de um anel complementar, o qual garante se ter a altura total necessária. O excesso, ao final do ensaio, é removido e acertando-se assim o volume de solo em relação a altura do molde. O próximo passo depois de finalizado o processo de compactação é pesar o cilindro juntamente com o solo. A partir do peso total do corpo de prova e do volume do cilindro pode-se calcular seu peso especifico úmido. Já a umidade média é obtida, após a secagem em estufa, a partir de três amostras retiradas do interior do corpo de prova (parte média do cilindro). A partir dos dados obtidos, é possível então calcular o peso especifico seco do material. Para finalizar todo o procedimento, um novo corpo de prova é preparado, dessa vez com uma quantidade maior de água, aumentando-se a umidade da mistura em aproximadamente 2%. A partir daí, realiza-se uma nova compactação e obtém-se um novo par de valores de umidade (w) e massa específica seca (γd). A partir dos pontos obtidos, plota-se um gráfico de peso especifico seco versus umidade, tendo-se então a curva de compactação. Os valores de w ótm e γ dmáx obtidos correspondem ao ponto máximo das curvas, e foram utilizados para moldagem dos corpos de prova utilizados nos ensaios triaxiais Consolidado Isotropicamente Drenado (CID). Todo o processo foi repetido cinco vezes para cada mistura, a fim de se obter cinco pares de valores, sendo ao menos dois no ramo seco e dois no ramo úmido da curva de compactação.

7 Figura 7 mistura solo-argila compactada Ensaios Triaxiais CID Em obras geotécnicas, os ensaios triaxiais são amplamente utilizados para a determinação de parâmetros de comportamento de solos. O ensaio triaxial permite a realização de uma simulação de diversas condições de campo e a determinação do comportamento mecânico dos solos segundo diversos níveis de tensões. No presente estudo foram realizados ensaios triaxiais do tipo consolidado isotropicamente e drenado durante a fase de cisalhamento.esses ensaios foram realizados tanto para o solo puro com o também para a mistura do mesmo com diversas concentrações de EPS (,25%;,5%;,75% e 1%). a) Preparação dos corpos de prova do solo argiloso O processo de confecção do corpo de prova do solo argiloso puro e da mistura do mesmo com diversos teores de EPS consiste em, inicialmente compactar um corpo cilíndrico, na energia Proctor Normal, com os valores de umidade ótima e peso especifico seco Maximo obtido anteriormente para cada mistura e para o solo puro. Após obter o material compactado, o corpo de prova foi moldado através do uso de uma aparelho de fabricação própria do Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da Puc-rio. As dimensões dos corpos de prova foram 7,82 cm de altura e 3,8 cm de diâmetro. Figura 8 Corpo de Prova

8 O primeiro passo no ensaio triaxial CID é a realização do procedimento de saturação dos corpos de prova. As técnicas de saturação utilizadas, no presente trabalho, para os corpos de prova de solo argiloso e para as misturas solo-eps foram: a percolação de água através da amostra e a contrapressão. No caso da percolação a diferença de contrapressão entre o topo e a base do corpo de prova foi de 5 kpa, sendo o fluxo de água da base para o topo do corpo de prova. Já na saturação através da contrapressão a pressão confinante, aplicada ao corpo de prova, excedia em 1 kpa a contrapressão, onde o fluxo de água era permitido pelo topo e base. Para verificar se o grau de saturação era satisfatório, utiliza-se o parâmetro B de Skempton, onde: onde: Δu: excesso de poropressão gerado, Δσ c : acréscimo de tensão confinante aplicado. Posteriormente a saturação do corpo de prova, se tem inicio a fase de adensamento. Durante 24h foram coletados dados de variação de volume. Com estes dados se traçava o gráfico variação de volume (ml) x raiz do tempo (min,5 ). Segundo a recomendação de Head (1986), prologava-se o trecho retilíneo inicial até encontrar a prolongação horizontal do trecho final. Este último trecho corresponde à estabilização das variações de volume. O ponto de interseção destas duas linhas prolongadas fornecia a raiz de t (min,5 ) no eixo das abscissas. Logo com o valor de t (min) se calculava a velocidade de cisalhamento. Em seguida, com a velocidade de cisalhamento definida, procedia-se a colocação na prensa de um par de engrenagens com a respectiva marcha, a que define a velocidade desejada. Para os ensaios triaxiais, os variantes de tensão q (tensão de desvio) e p (tensão efetiva média normal) foram calculados com as formulações de Lambe, para os parâmetros de resistência do solo utilizou-se os valores da envoltória de resistência (α ) e da coesão (a ) obtida no espaço p :q, para calcular os parâmetros de resistência no espaço Mohr Coulomb (φ c ). As formulações de Lambe e os parâmetros definem-se como: Onde: α : inclinação da envoltória de resistência no espaço p :q.

9 a : intercepto com o eixo q da envoltória de resistência no espaço p :q. φ : inclinação da envoltória de resistência do espaço σ:τ (Mohr Coulomb). c : intercepto da envoltória de resistência do espaço σ:τ (Mohr Coulomb). Resultados e Discussões Nessa seção serão apresentados os resultados e análises dos ensaios descritos anteriormente, para as amostras de solo argiloso puro, e misturas destes com as porcentagens de,25%;,5%;,75% e,1% de EPS. - ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO FÍSICA - Densidade Real dos Grãos (Gs) A densidade real dos grãos relaciona a massa e o volume dos grãos. O valor de Gs do solo argiloso puro foi determinado a partir da media aritmética de quatro determinações, cuja variação máxima foi de 1,1%. O valor de Gs,obtido da tese de Ramirez (212) e utilizado no presente trabalho, foi de 2,72. -Limites de Atterberg Os limites de Atterberg são essenciais na Análise do comportamento do solo. Enquanto o Limite de Liquidez (LL) corresponde à transição entre o estado plástico e o estado liquido, o Limite de Plasticidade (LP) marca a transição entre o estado plástico e o semi solido. Segundo Ramirez (212), o valor do LL obtido para o solo argiloso foi igual a 53% e o LP igual a 39%. A partir desses resultados foi possível calcular o índice de Plasticidade (IP = LL-LP ) cujo valor encontrado foi igual a 14%. -Análise Granulométrica O ensaio de analise granulométrica tem com objetivo definir as frações que compõem o solo e sua classificação. Só foi necessário a realização da analise granulométrica do solo puro, já que o poliestireno expandido (EPS) é um material inerte. A Figura 9 apresenta a curva granulométrica obtida para o solo puro.

10 Figura 9 Curvas granulométricas obtidas para o solo puro Segundo o Sistema Unificado de Classificação dos Solos (SUCS), o solo em estudo é classificado com CH, o que corresponde a uma argila arenosa de média plasticidade. Abaixo na tabela 1, segue as frações que constituem o solo utilizado no estudo. Tabela 1 Resultados das análises granulométricas do solo puro. Material Pedregulho+areia (%) Silte (%) Argila (%) Solo 36,4 1,8 52,7 - ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA a) Solo Argiloso - Ensaios de Compactação Os ensaios de compactação foram realizados tanto para o solo puro com também para as misturas destes,25%;,5%;,75% e 1% de EPS, com a finalidade de se obter a umidade ótima de compactação (w ótm ) e o peso específico aparente seco máximo (γ dmáx ). A figura 1, apresenta um gráfico com as curvas de compactação Proctor Normal obtidas para o solo argiloso puro e misturas. Observa-se que o introdução de EPS diminui o peso especifico maximo do material,esse valor decresce a medida que o teor de EPS aumenta. Pode-se observar o mesmo comportamento com relação à umidade ótima Os valores de umidade ótima obtidos serão utilizados posteriormente na realização do ensaio triaxial.

11 σv (kpa) Massa Específica seca (g/cm3) Umidade (%) S S99,75/EPS,25 S99,5/EPS,5 S99,25/EPS,75 S99/EPS1 Figura 1 Curvas de compactação do solo puro e misturas solo-eps. - Ensaio Triaxial CDI Os ensaios triaxiais CID, em compressão axial, foram realizados para amostras de solo argiloso puro (S) e das misturas com teores ESP de,25%;,5%;,75% e 1% em relação ao peso do solo seco. Em todos os casos citados foram aplicadas tensões efetivas de 5, 15 e 3 KPa. As figuras 11, 12, 13, 14 e 15 apresentam a curva de tensão desviadora versus a deformação axial para o solo puro e todas as misturas. 7 6 S εa (%) 5 kpa 15 kpa 3 kpa Figura 11

12 σv (kpa) σv (kpa) 7 6 S99,75/EPS, εa (%) 5 kpa 15 kpa 3 kpa Figura S99,5/EPS, εa (%) 5kPa 15 kpa 3 kpa Figura 13

13 σv (kpa) σv (kpa) 7 6 S99,25/EPS, εa (%) 5 kpa 15 kpa 3 kpa Figura S99/EPS εa (%) 5 kpa 15 kpa 3 kpa Figura 15

14 q (kpa) q (kpa) As figuras 16, 17, 18, 19 e 2 apresentam as envoltórias de resistência referentes ao solo puro e as misturas de solo com diversos teores de EPS (,25%;,5%;,75% e 1%). 4 3 S c = 25, kpa ϕ = 29,1⁰ 3 4 p (kpa) kpa 15 kpa 3 kpa Figura S99,75/EPS,25 c = 3, kpa ϕ = 25,5⁰ 3 4 p (kpa) kpa 15 kpa 3 kpa Figura 17

15 q (kpa) q (kpa) 4 3 S99,5/EPS,5 c = 4, kpa ϕ = 25,⁰ p (kpa) 5 kpa 15 kpa 3 kpa Figura S99,25/EPS,75 c = 35, kpa ϕ = 26,6⁰ p (kpa) 5 kpa 15 kpa 3 kpa Figura 19

16 q (kpa) 4 3 S99/EPS1 c = 2, kpa ϕ = 29,9⁰ p (kpa) 5 kpa 15 kpa 3 kpa Figura 2 Pode-se observar que o acréscimo de,25% de EPS ao solo argiloso fez a coesão aumentar de 25 para 3 KPa porém o ângulo de atrito diminuiu de 29,1 para 25,5. Já com relação ao acréscimo de,5 % houve um aumento de coesão para 4 KPa e uma diminuição do ângulo de atrito para 25. A partir da mistura com,75% de EPS observou-se um decréscimo da coesão para 35 KPa, enquanto o ângulo de atrito aumentou para 26,6. Na mistura com 1% de EPS a coesao sofreu um novo decréscimo passando a 2 KPa e ângulo de atrito apresentou um novo aumento, com o valor de 29,9. Conclusão Os resultados obtidos foram satisfatórios para as misturas de solo com os teores de,25%;,5%; e,75% de EPS, onde houve uma melhora nos parâmetros de resistência das misturas, quando comparadas ao solo puro. A única mistura que apresentou uma coesão menor que o solo puro foi a 1% de EPS A mistura que apresentou o melhor desempenho foi com o teor de,5% de EPS. Apesar de nesse teor haver uma diminuição do ângulo de atrito, o aumento da coesão foi muito mais significativo que o decréscimo da ângulo de atrito.podese assim concluir que o EPS pode ser utilizado como material de reforço em solos argilosos para obras geotécnicas de carregamentos estáticos. 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.

17 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. (1984) ABNT NBR 718: Solo Determinação do limite de plasticidade.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. DAS, B. M. (7) Fundamentos de Engenharia Geotécnica.6ª Edição. Tradução AllTasks São Paulo: Thomson Learning. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. (4) ABNTNBR 4: Resíduos Sólidos Classificação. Rio de Janeiro/RJ