Parede Diafragma. 1 Histórico

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1 Parede Diafragma 1 Histórico Na origem da técnica de construção de paredes diafragmas aparece o trabalho pioneiro da indústria de perfuração de poços petrolíferos. Apesar do efeito estabilizador das lamas nas perfurações ser conhecidas desde 1900 na indústria petroleira, a primeira publicação sobre o assunto só aparece em A bentonita foi introduzida nos sistema de lama em Progressos técnicos consideráveis só ocorreram no início dos anos 40. Os primeiros diafragmas de concreto armado surgem na Itália nos anos 50; primeiro como funções de impermeabilização, mais tarde como obras de contenção. No Brasil a primeira parede diafragma foi executada pela FRANKI para o Edifício do Pelletron, na Universidade de São Paulo em A Lama de Escavação A lama de escavação é uma suspensão em água doce de uma argila especial bentonita da família dos montmorilonitas de sódio (alcalina). A concentração coloidal da mistura água + bentonita é obtida pela expressão: C c = Peso da bentonita x 100 ( em percentagem ) l de água Normalmente o peso da bentonita está compreendida em 30 kgf e 100 kgf, em função da viscosidade e da densidade que se deseja obter da lama. A suspensão da lama bentonítica é estável e os fatores que governam a estabilidade são os seguintes: - as partículas dispersas devem ter diâmetros médios inferiores a 0,1 µ para poderem apresentar movimento browniano; - as partículas devem possuir cargas elétricas superficiais que impeçam a aglomeração das mesmas. PAREDE DIAFRAGMA 1

2 A lama bentonítica apresenta como característica principal a propriedade da tixotropia, ou seja, um comportamento fluído quando agitada mas é capas de formar um gel quando em repouso. As principais funções da lama durante a escavação são: a) - suportar a face da escavação; b) - formação de um selo para impedir a perda da lama no solo; c) - deixar em suspensão partículas sólidas do solo escavado, evitando que elas se depositem no fundo da escavação. Especificações da bentonita Requisitos Valor - Resíduos em peneira nº 200 = 1 % - Teor de umidade = 15 % - Limite da liquidez = Velocidade Marsh 1500/1000 da suspensão a 6 em água destilada = 40 - Decantação da suspensão a 6% em 24 horas = 2 % - Água separada por pressofiltração de 450 cm³ da suspensão a 6% nos primeiros 30 minutos, a pressão de 0,7 MPa = 18 cm³ - ph da água filtrada 7 a 9 - Espessura do cake no filtroprensa = 2,5 mm Parâmetros para a lama bentonítica Parâmetros Valores Equipamento para ensaio Densidade 1,025g /cm³ a 1,10g / cm³ Densímetro Viscosidade 30 s a 90 s Funil Marsh p H 7 a 11 Papel de p H Cake 1,00 mm a 2,00 mm Filter press Teor de areia até 3 % Baroid sand content ou similar PAREDE DIAFRAGMA 2

3 3 Ação Estabilizante da Lama Dentre os vários fatores que contribuem para a estabilização do talude escavado, destacamos os seguintes: - Pressão hidrostática exercida pela lama; - Resistência ao cisalhamento do gel; - Aumento da resistência ao cisalhamento do solo na zona penetrada pela lama (cake); - Forças eletro-osmoticas. Na parcela correspondente a pressão hidrostática da lama devemos comparar com o empuxo ativo exercido pelas paredes da escavação em uma análise de estabilidade. A uma profundidade Z é necessário que a tensão normal, horizontal, exercida pela lama seja maior que a tensão normal, horizontal, exercida pelo solo e devida ao seu peso próprio + tensão normal, horizontal, exercida pelo solo e devida sobrecarga + tensão normal, horizontal, exercida pela água. PAREDE DIAFRAGMA 3

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5 Assim, para melhorar a condição de estabilidade da escavação, pode-se atuar nas duas parcelas de tensões horizontais, a saber: Tensão Resistente - Aumentar a altura da coluna de lama. Elevando o topo da mureta guia em relação ao nível do terreno. - Aumentar a densidade lama. Adicionando na lama substâncias que aumentem a sua densidade. Tensões Atuantes - Rebaixamento do nível do lençol freático. Altura mínima ideal 2,00 m entre topo do nível da lama e o nível do lençol freático. - Evitando sobrecargas sobre o terreno próximo a escavação. No trecho próximo ao nível do terreno a ação estabilizadora da lama não é muito eficaz devido a grande e constante variação do seu nível, bem como devido ao peso dos equipamentos de escavação, por isto deve-se usar uma estrutura de concreto armado para sustentação do solo - a mureta guia. As medidas de resistência do gel indicam as propriedades tixotropicas de lama. A pressão exercida pela lama é sempre maior do que a pressão exercida pela água em qualquer profundidade da escavação, então a lama penetra nos vazios do solo, e na medida em que a resistência a essa penetração aumenta a lama vai ficando em repouso e vai adquirindo rigidez suficiente para a formação de uma película que colmata às partículas do solo (cake) dando-lhes, assim, um aumento de resistência ao cisalhamento. Esta penetração não é necessariamente uniforme, dependendo do tipo de solo, do índice de vazios, da viscosidade da lama e diferença de pressão entre a lama e a água do solo. Isto representa um importante fato: o selo é formado dentro do solo e evita também a perda de lama através do solo. Tão logo, em poucos segundos, o cake é coberto por uma fina camada de partículas de bentonita na superfície da escavação, chamado filme protetor e neste estágio oferece completa resistência a futuras penetrações da lama no solo bem como melhor distribui para o solo a pressão hidrostática exercida pela lama. PAREDE DIAFRAGMA 5

6 A formação do filme protetor é realizada por um processo eletro-osmótico. PAREDE DIAFRAGMA 6

7 4 Fases de Execução Para a execução da parede diafragma são realizadas várias operações que interligam-se entre si e cada uma deve ser planejada com antecedência para que não haja imprevistos. Podemos destacar as seguintes fases bem definidas, a saber: a) - Execução da mureta guia; b) - Fabricação da lama; c) - Escavação; d) - Troca da lama; e) - Colocação da armadura; f) - Concretagem. Execução da mureta guia A execução da parede diafragma é precedida pela execução de muretas guias, que tem por objetivo: - definir o caminhamento da parede, servindo de guia para a ferramenta de escavação clamshell ; - impedir o desmoronamento do terreno próximo a superfície devido a grande e permanente variação do nível de lama; devido a entrada e saída do clamshell na escavação; - Garantir uma altura de lama compatível com o nível do lençol freático ( h = 2,00m). PAREDE DIAFRAGMA 7

8 Fabricação da lama A lama é preparada numa instalação especial denominada central de lama. A mistura é feita no misturador de alta turbulência. A bentonita apresenta um inchamento muito acentuado quando na presença de água, por isto antes da utilização da lama na escavação é necessário um período de pelo menos 12 horas para que seja atingido o total inchamento da bentonita. Este tempo é chamado maturação. Durante a maturação da lama, esta, deve ser mantida em agitação. A lama deve ir até o local da escavação usando-se tubulações metálicas com engate rápido ou mangueiras de plástico rígido. Escavação Antes do início da escavação é indispensável à execução de testes na lama para saber se ela está em condições de ser utilizada, tendo em vista o tipo de solo a ser atingido durante a escavação. Normalmente estes testes na lama consistem no controle da densidade, viscosidade, do cake, e do ph. A escavação é executada pela penetração da ferramenta de escavação - clamshell e o corte do solo é realizado pelo movimento vertical das mantíbulas do clamshell. A medida em que o solo vai sendo retirado é introduzida simultaneamente mais lama. É fundamental para a estabilidade das paredes, que sempre seja mantido o nível da lama, dentro da escavação, o mais alto possível. Se ocorrer uma perda acentuada da lama no solo, tal que não permita manter o nível estável da lama, a escavação deverá ser interrompida imediatamente para uma análise do motivo que está provocando a anormalidade constatada. A escavação deve ser levada até a profundidade prevista no projeto. PAREDE DIAFRAGMA 8

9 Troca da lama de escavação Terminada a fase de escavação, a lama que se encontra dentro da vala escavada apresenta grande quantidade de sólidos (grãos de areia) em suspensão (25% a 30%). Na fase de concretagem a lama deve possuir um teor máximo de areia da ordem de 3% em volume, tendo em vista que um teor de areia elevado pode acarretar o perigo de misturar as partículas de areia contidas na lama com o concreto. Por esta razão deve ser procedida a troca da lama utilizada durante a escavação. A troca da lama pode ser realizada de duas maneiras, a saber: a) - Com Substituição: a medida em que a lama utilizada na escavação vai sendo retirada pela parte inferior, com a utilização de bombas submersas ou por processo utilizando-se air-lift, a lama nova vai sendo introduzida na cava pela parte superior. b) - Com Circulação: a lama utilizada vai sendo retirada pela parte inferior é bombeada através de desarenadores onde por processos mecânicos a areia que se encontra em suspensão é retirada da lama. A lama então desarenada volta para a cava. Esta operação se denomina desarenação. Concluída a operação de troca da lama efetua-se a limpeza do fundo da escavação para se ter certeza de que não houve deposição de partículas de areia no fundo da escavação. Colocação da armadura A armadura é constituída por barras longitudinais e estribos montados em forma de gaiolas. A gaiola da armadura é içada e mergulha na escavação cheia de lama bentonita com auxílio de guindaste auxiliar. Em função da operação de manobra e içamento é indispensável que a gaiola da armadura tenha ferros de enrijecimento para garantir a sua rigidez, bem como alças de içamento e posicionamento da mesma após o mergulho na escavação. No detalhamento do projeto das gaiolas das armaduras deve sempre ser levado em conta que a concretagem é submersa, por isto os ferros longitudinais devem ter PAREDE DIAFRAGMA 9

10 espaçamento mínimo de 10 cm e um recobrimento mínimo de 4 cm para se garantir um perfeito envolvimento pelo concreto; bem como no trecho central da gaiola deve ser previsto um espaço de 30 cm a 60 cm para a descida do tubo de concretagem. O recobrimento das barras longitudinais deve ser assegurado por meio de roletes espaçadores colocados a cada 3 m² de área e em ambos os lados das gaiolas da armadura. Concretagem O processo de concretagem utilizado na execução das paredes diafragma é o submerso, ou seja, aquele executado de baixo para cima de uma maneira contínua e uniforme. Tal processo necessita de uma técnica especial apropriada afim de não permitir a mistura do concreto, que vai sendo lançado, com a lama bentonítica existente na escavação. O processo consiste em mergulhar um tubo de concretagem - tremonha - constituído por elementos emendados por rosca até o fundo da escavação. Para evitar que a lama, que se encontra dentro do tubo, se misture com o concreto lançado, coloca-se uma bola plástica no interior do tubo que funcionando como um êmbolo que expulsa a lama pelo peso próprio da coluna de concreto. O concreto é lançado através de funil colocado na extremidade superior da tremonha. A medida em que o concreto vai sendo lançado na tremonha e penetra na escavação pela parte inferior, a lama tixotrópica sendo menos densa vai subindo a qual é recolhida por intermédio de bombas que a conduzem aos tanques de acumulação na central de lama. O tubo da tremonha à medida que o concreto vai subindo dentro da escavação, vai sendo levantado, tendo-se o cuidado, deixar a extremidade sempre mergulhada no concreto com um comprimento de no mínimo 2,00m. A operação de concretagem é controlada por um operador que tem a qualquer momento o volume de concreto lançado, a velocidade de lançamento, a altura do concreto dentro da escavação, etc; para que se tenha uma perfeita segurança durante a concretagem submersa. O fornecimento do concreto deve ser contínuo e não se deve permitir interrupção por período de tempo superior a 20 minutos o que pode acarretar danos a continuidade do fuste concretado da parede. PAREDE DIAFRAGMA 10

11 A concretagem deve ser levada até uma cota superior a cota prevista da ordem de 30 cm a 50 cm para o arrasamento da parede, porque o concreto que se encontra em contato com a bentonita apresenta uma baixa resistência a compressão o qual deverá ser removido posteriormente durante o preparo do topo da parede para execução da viga de coroamento. O concreto utilizado na concretagem submersa tem como característica principal uma alta plasticidade slump test entre 18 e 22. O consumo de cimento mínimo é de 400 kgf / m³ e os agregados utilizados são areia e brita 1. Normalmente se utiliza um aditivo - Plastment VZ - cuja finalidade é dar maior trabalhabilidade ao concreto e retardar o início da pega do concreto. O traço normalmente utilizado do concreto para o rendimento de 1,0 m³ é o seguinte: COMPONENTES EM PESO EM VOLUME Cimento Portland 400 kgf 290,0 litros Areia 720 kgf 570,0 litros Brita nº1 980 kgf 630,0 litros Água 240 litros 240,0 litros Plastiment VZ 1,2 litros 1,2 litros A lama que fica em contato direto com o concreto é contaminada pelo hidróxido de cálcio, o que provoca um aumento da viscosidade, da resistência do gel, da perda do fluído e do ph, em alguns casos chega a provocar a floculação da lama. O tratamento da lama neste caso exige a utilização de aditivos especiais que exigem para sua aplicação a complementação de outros aditivos na sua maioria importados; na prática, como o volume de lama contaminado pelo concreto é pequeno a melhor solução consiste em joga-la fora. Para a concretagem de painéis iniciais e sequenciais pequenos ( l = 2,50m ) é usado apenas um tubo de concretagem. Para painéis sequenciais grandes ( l > 2,50m ) e painéis de canto devem ser usados dois tubos de concretagem. PAREDE DIAFRAGMA 11

12 5 Divisão dos Painéis da Parede Diafragma PAREDE DIAFRAGMA 12

13 6 Vantagens do Emprego O sucesso deste processo se deve a diversos fatores. O primeiro é a multiplicidade de suas aplicações, incluindo: - Elemento de contenção de água e terra em escavações provisórias ou permanentes. - Elementos impermeabilizantes (diafragma plástico), visando o controle da percolação em escavações, diques, barragens, reservatórios, etc. - As paredes podem ainda receber cargas verticais. Outros fatores são as vantagens do processo, destacando-se: - Execução sem as vibrações e o barulho inerente à cravação de estacas; - Possibilidade de atravessar camadas do solo de grande resistência; - As paredes diafragma possuem, como elemento de suporte de escavações, grande resistência e pequena deformabilidade, o que as coloca como solução mais indicada para suporte de escavações próximas a prédios existentes; - Redução do rebaixamento do lençol d água atrás do escoramento (e consequentemente dos recalques de prédios próximos) através da colocação da instalação de rebaixamento no interior da escavação; - Execução rápida; - Frequentemente mais econômico devido a incorporação das paredes à estrutura permanente. Na incorporação das paredes com as lajes e vigas da estrutura podemos usar duas formas distintas. a) - Executar um corte na parede até expor a armadura existente. Executar uma viga especial de ligação, com algumas barras horizontais passando por trás (e eventualmente soldadas) das barras verticais existentes na parede. b) - Instalando-se chumbadores com argamassa expansiva em furos abertos na parede. PAREDE DIAFRAGMA 13

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15 7 Diafragma Plástico O diafragma plástico é executado com a lama de escavação constituída pela mistura de cimento, bentonita, água e com agregação de uma certa quantidade de solo incorporada a mistura durante o processo de escavação. A escavação é executada pelo método dos painéis alternados, sendo que quando da escavação dos painéis secundários, deverá haver uma escavação de no mínimo 50 cm, em cada extremidade do painel primário do material de diafragma plástico já executado, garantindo-se a continuidade da função impermeabilizadora do diafragma. A seqüência de preparo da mistura final é a seguinte: a) Preparação de uma mistura bentonita água com 60 kgf de bentonita por m³, usando misturador de alta turbulência. b) Preparação de mistura cimento água, na proporção de 400 kgf por m³, e usandose retardador de pega (em geral 0,1% a 0,2% do peso de cimento) de preferência da família dos lignosulfitos, especialmente para retardar o início de pega. c) Mistura em partes iguais das duas misturas acima, obtendo-se, por m³, 30 kgf de bentonita e 200 kgf de cimento. d) Durante a escavação do painel, serão, pela ação do próprio processo incorporados cerca de 50 kgf a 100 kgf de solo em cada m³ de mistura. PAREDE DIAFRAGMA 15