Influência da taxa de deformação e temperatura em ensaios de tração faixa-larga de geotêxteis não tecidos

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1 Influência da taxa de deformação e temperatura em ensaios de tração faixa-larga de geotêxteis não tecidos Natália de Souza Correia EESC - USP, São Carlos, Brasil, nataliacorreia@usp.br Fernando H. M. Portelinha EESC - USP, São Carlos, Brasil, fernando@sc.usp.br Clever Aparecido Vatentin EESC - USP, São Carlos, Brasil, cclever@sc.usp.br RESUMO: As deformações nas fibras dos geotêxteis não tecidos podem ser afetadas pelas condições de ensaio, tais como a taxa de deformação, temperatura, exposição à degradantes, etc. Essa condição de ensaio muitas vezes é definida com base nas condições de campo em que o material será aplicado, ou pode ser definida como uma condição padrão, baseada em normas e procedimentos. O ensaio de tração faixa-larga, muito utilizado pelos fabricantes e projetistas, segue as especificações de normas brasileiras ou estrangeiras, que se diferenciam em um aspecto: a taxa constante de deformação. Um outro aspecto importante, é que estas normas padronizam a temperatura ambiente em 1ºC. No entanto, sabe-se que a temperatura nas reais condições de campo pode variar significativamente. Para tanto, o artigo visa avaliar o efeito da taxa de deformação e da temperatura nos parâmetros de resistência e deformabilidade de geotêxteis não tecidos por meio de ensaios de tração faixa-larga, buscando uma comparação entre as normas NBR e ASTM. Analisou-se o efeito de diferentes temperaturas e duas diferentes taxas de deformação, bem como a combinação dessas duas variáveis. Os resultados mostram pequena variação em termos de taxa de deformação nos parâmetros de resistência e deformabilidade destes materiais, cujo efeito é diferente entre geotêxteis de fibras curtas e longas. Naturalmente, o aumento da temperatura reduz o valor de resistência na ruptura; porém, o efeito na deformabilidade fica dependente dos níveis de deformação. PALAVRAS-CHAVE: não tecido, Tração faixa-larga, Taxa de deformação, Temperatura. 1 INTRODUÇÃO O comportamento dos materiais poliméricos é elasto-viscoplástico e, portanto, as deformações nas fibras ou filamentos dos geotêxteis não tecidos podem ser fortemente influenciadas pelo processo de fabricação e pelas condições de ensaio, particularmente a velocidade de solicitação e a temperatura ambiente. O comportamento tensão-deformação destes materiais é normalmente determinado através de ensaios de tração uniaxial. No entanto, existem vários tipos de ensaios para a determinação das propriedades de resistência e deformabilidade dos geotêxteis não tecidos, e os resultados destes são utilizados para diversas finalidades, tais como: controle de qualidade na fabricação do produto, comparações entre diferentes fabricantes, controle de recepção do material que chega à obra ou nas condições de uso e, principalmente, para a determinação das propriedades índices a serem utilizados no projeto. Os projetistas preocupam-se principalmente com os últimos dois problemas e, com a grande variabilidade de geotêxteis não tecidos no mercado, há a necessidade de identificar quais ensaios devem ser realizados e quais as condições de exposição em campo que podem influenciar o desempenho destes materiais. Assim, a resistência à tração dos geotêxteis necessita ser definida por meio de métodos

2 padronizados, e a escolha do método mais adequado ainda é uma preocupação para os projetistas. Isto porque existem variações nas especificações de ensaio entre as normas brasileiras e estrangeiras, como é o caso do ensaio de tração faixa-larga, em que as normas se diferenciam em um aspecto: a taxa constante de deformação. Para descrever a resposta tensão-deformação dos geotêxteis não tecidos, as taxas constantes de deformação de 1%/min (ASTM D 595/5) e %/min (NBR /93) são utilizadas frequentemente. Contudo, muitos trabalhos tem relatado a influência da taxa de deformação nos resultados dos ensaios de tração não confinados em geossintéticos (Andrawes et al., 19; Ling et al., 199; Holtz, 199; Hirakawa et al., 3), o que dificulta ainda mais a escolha do método adequado. Para projetos com base em uma abordagem analítica, as condições de ensaio devem representar, tanto quanto possível, as situações de campo e, sob tais condições, os geotêxteis não tecidos podem ser expostos ainda à grandes variações de temperatura. No entando, o uso de ensaios acelerados de fluência são amplamente utilizados para indicar o comportamento elasto-viscoplástico das fibras dos geotêxteis não tecidos quanto às deformações sob carregamento constante, e fazem uso do efeito da temperatura para estimar a deformação do material à longo prazo (Bush, 199; Zornberg et al., ; Bueno et al., 5). Portanto, sabe que a temperatura é um fator externo bastante influente no comportamento tensão-deformação dos geotêxteis não tecidos, podendo influenciar significativamente nas condicões de uso do material em campo. Desta forma, além da influência da taxa de deformação, faz-se necessária a previsão do comportamento dos materiais nas condições de temperatura e solicitações de campo. De acordo com Andrawes et al. (19), o comportamento dos geotêxteis neste aspecto pode ser explicado em termos estruturais, já que a deformação total é a soma das deformações nos filamentos e as deformações devido ao rearranjo da estrutura interna. Deformações devido ao rearranjo estrutural interno não são sensíveis à temperatura ou mudanças na taxa de deformação, enquanto as deformações dos filamentos poliméricos são sensíveis. Neste contexto, o presente trabalho visa avaliar os parâmetros de resistência e deformabilidade de diferentes geotêxteis não tecidos, por meio de ensaios de tração faixalarga sob as taxas constantes de deformação de 1 e %/min. Ainda, outro aspecto avaliado numa segunda série de ensaios consiste na análise do efeito da temperatura no comportamento de tração destes materiais. Finalmente, faz-se uma análise da influência da velocidade de ensaio nas diferentes temperaturas analisadas. PROGRAMA EXPERIMENTAL.1 Materiais Nesta pesquisa, foram utilizados três geotêxteis não tecidos: poliéster agulhado de fibras longas e gramatura nominal 15 g/m (PET 15); poliéster agulhado de fibras curtas e gramatura nominal 3 g/m () e polipropileno agulhado de fibras curtas, termofixado, de gramatura nominal g/m (). A Tabela 1 apresenta algumas das propriedades dos geotêxteis. Tabela 1. Propriedades dos geotêxteis Polímero Gramatura (g/m²) Espessura (mm) PET 15 1% PET 1,75 1% PET 31, 1% PP 1 1, PET = Poliéster; PP = Polipropileno; TFX = Termofixado.. Métodos.1.1 Preparação das amostras As amostras dos geotêxteis não tecidos foram devidamente preparadas de acordo com a NBR 1593/93. Os corpos de prova foram preparados nas seguintes dimensões: mm de largura (lado perpendicular à direção da aplicação da carga) e comprimento de 1 mm, descontada a fixação no sistema de garras, de acordo com as especificaçoes das normas de ensaio (ASTM D595/5 e NBR /93).

3 Todos os ensaios foram realizados na direção de maior resistência dos materiais, sendo o sentido longitudinal para o PET 15 e o transversal para os materiais e TFX. As amostras foram condicionadas em estufa por horas para climatização antes da realização dos ensaios, de acordo com a temperatura a ser analisada..1. Ensaios de tração Os geotêxteis não tecidos foram submetidos aos ensaios de tração em uma máquina do tipo CRE (Constant-rate-of extension), capaz de assegurar as variações uniformes no comprimento da amostra ao longo do tempo. Uma câmara, capaz de manter a temperatura controlada durante todo o ensaio, foi desenvolvida no Laboratório de Geossintéticos da Escola de Engenharia de São Carlos-USP, e equipada com um regulador de temperatura com variação máxima de ± C e um termômetro para assegurar a temperatura exigida no ensaio. A caixa foi baseada nas recomendações da ASTM D 59/9, que avalia os efeitos da temperatura nas propriedades de resistência e deformação de geotêxteis. A Figura 1 ilustra o sistema de aquecimento. Sistema de aquecimento Controle de temperatura Aquisição de dados Figura 1. Máquina de tração com sistema de aquecimento e controle de temperatura. Tanto os ensaios na temperatura ambiente (1 ± C), quanto os ensaios aquecidos (5 e ± C) foram realizados com diferentes taxas constantes de deformação. Primeiramente seguindo as recomendações da NBR /93 (%/min) e, posteriormente, de acordo com a ASTM D 595/5, que indica o uso da taxa de deformação de 1%/min. 3 RESULTADOS 3.1 Taxa constante de deformação A Figura apresenta as curvas de resistência à tração versus deformação dos geotêxteis avaliados à temperatura normatizada () para ambas as normas de ensaio. Cabe salientar que todas as curvas de tração apresentadas referem-se ao comportamento médio de cinco corpos de prova, com coeficiente de variação máximo de 5%. Resistência à tração (kn/m) PET 15-1%/min PET 15 - %/min Deformação (%) Figura. Resistência à tração versus deformação para as taxas constantes de deformação de 1%/min (ASTM) e %/min (NBR). Nota-se que os materiais tendem a apresentar o mesmo comportamento quando ensaiados com diferentes taxas de deformação na temperatura ambiente, ou seja, aumento na deformabilidade e manutenção do valor de ruptura. Somente o geotêxtil não tecido de fibras longas (PET 15) apresentou aumento de 15% no valor de resistência à tração na ruptura

4 quando a taxa passou de 1 para %/min. A análise indica que o geotêxtil de fibras longas apresenta comportamento oposto aos de fibras curtas, sendo mais sensível às variações normativas de ensaio quanto à resistência na ruptura, e por apresentar maior deformabilidade quando ensaiado com a taxa de deformação da NBR. Já o e o apresentaram deformabilidade maior quando ensaiados sob as recomendaçoes da ASTM. 3. Influência da temperatura A Figura 3 apresenta as curvas de resistência à tração versus deformação dos geotêxteis não tecidos avaliados a e nas temperaturas de 5 e, sob as recomendações da ASTM. Resistência à tração (kn/m) Taxa de deformação: 1 %/min 1 PET Deformação (%) Figura 3. Resistência à tração versus deformação para a taxa constante de deformação de 1%/min. Observa-se que as curvas de resistência à tração versus deformação dos geotêxteis não tecidos sofreram alterações significativas com a variação na temperatura em todos os materiais analisados, principalmente no parâmetro de resistência à tração na ruptura. De modo geral, as maiores variações ocorreram entre a temperatura da norma e maiores temperaturas. Nota-se na Figura 3 que o PET 15 apresenta comportamento diferente dos demais. Neste caso, sob a taxa de 1%/min, os resultados dos ensaios a indicaram ganho de resistência máxima e maior aumento na deformabilidade. Na temperatura de, o material apresentou diminuição da resistência e grande variação na deformabilidade ao longo da curva. Pode-se dizer que a temperatura de 5ºC não foi suficiente para promover alterações nos valores de ruptura em relação à temperatura ambiente. Na verdade, foram necessários 7ºC para promover alterações significativas. Comportamento peculiar foi verificado entre as temperaturas de 1 e 7ºC do, onde os valores de resistência à tração na ruptura foram bastante similares. Portanto, há evidências de que o processo de fabricação pode ser uma variável adicional nesta análise. O mesmo comportamento foi observado para os valores de deformação na ruptura. Por algum motivo, os parâmetros de resistência à tração dos materiais de fibras curtas, ensaidados à 5ºC, foram menores do que à 7ºC, o que não ocorreu com o PET 15. Novamente, o PET 3 apresentou comportamento semelhante ao. A Figura apresenta a resposta tensãodeformação dos geotêxteis ensaiados sob as recomendações da NBR. Resistência à tração (kn/m) Taxa de deformação: %/min Deformação (%) PET 15 Figura. Resistência à tração versus deformação para a taxa constante de deformação de %/min.

5 Verifica-se na Figura que o comportamento tensão-deformação dos materiais ensaiados com taxa de deformação de %/min foi bastante similar ao observado em ensaios com 1 %/min quando aquecidos. Todos os materias apresentam diminuição na resistência e ligeira mudança no formato da curva com o aumento da temperatura. Para o PET 15, a deformabilidade diminuiu no ensaio a e não variou em relação à. Novamente, os geotêxteis e mostram resultados semelhantes, com aumento na deformabilidade somente a. Alterações significativas foram evidenciadas somente entre a temperatura ambiente e maiores temperaturas. Não houve variação significativa tanto nos valores de resistência quanto na deformação na ruptura entre os parâmetros de resistência dos ensaios aquecidos à 5 e 7ºC. De modo geral, nota-se que a exposição à temperaturas superiores a ambiente proporcionou queda na resistência à tração e comportamento variado quanto ao parâmentro de deformabilidade destes materiais. Isso mostra que a mesma influência da temperatura ocorre nos geotêxteis não tecidos, independente da norma adotada. Cabe observar também que o processo de fabricação e a origem do polímero de cada geotêxtil pode ter afetado o comportamento de tração em diferentes temperaturas. De modo a facilitar a visualização da influência da temperatura e da taxa constante de deformação nos parâmetros analisados, as Figuras 5 e são apresentadas. Na Figura 5, nota-se que o PET 15 apresenta comportamento variado com o aumento da temperatura e mudança na taxa de deformação. Já o e o mostram o mesmo comportamento quanto à temperatura, independente da taxa de deformação. A Figura indica que o PET 15 apresenta comportamento similar quanto ao aumento da temperatura e velocidade de ensaio. Acredita-se que, em termos de deformabilidade do material, não houve variação significativa. Os outros materiais apresentam-se sensíveis tanto à temperatura quanto à velocidade de ensaio, quando analisada a deformação na ruptura. Resistência à tração na ruptura (kn/m) PET 15-1%/min PET 15 - %/min Temperatura ( C) Figura 5. Influência da temperatura nos valores de resistência à tração na ruptura dos geotêxteis não tecidos. Deformação na ruptura (%) 1 1 PET 15-1%/min PET 15 - %/min Temperatura ( C) Figura. Influência da temperatura nos valores de deformação na ruptura dos geotêxteis não tecidos. Com relação à influência das normatizações na taxa de deformação de ensaio, pode-se concluir que, de modo geral, menores taxas de deformação resultaram em maiores valores de resistência à tração na ruptura e deformações. Em alguns casos, a temperatura promoveu alterações nesse comportamento padrão, principalmente no geotêxtil de fibras longas (PET 15).

6 Conforme as especificações da ASTM D 59/9, a estabilidade térmica do geotêxtil é calculada pela variação percentual da resistência à tração ou alongamento a uma temperatura específica, e comparada com valores obtidos nas condições padrões de ensaio. As Tabelas e 3 apresentam os valores de módulo de rigidez na ruptura nas diferentes condições de temperatura e taxas de deformações sugeridas pela NBR e ASTM, respectivamente. São mostrados também os valores de variação percentual (C) da rigidez nas temperaturas avaliadas. Tabela. Valores de rigidez na ruptura e estabilidade térmica dos geotêxteis nas diferentes condições de temperatura, conforme a NBR % % PET 15 17,79 1,9 95,5 13,53 7,5 19, 15,37 77,5 1,75, 15, 1,3 9, 13, 9, Tabela 3. Valores de rigidez na ruptura e estabilidade térmica dos geotêxteis nas diferentes condições de temperatura, conforme a ASTM % % PET 15 17,7 17,7 99, 13,73 77,3 1,95 1,3 1, 17,9 1,1 13,1 1,7 9, 13,13 1, Comparando-se as taxas de deformação sugeridas pela NBR e ASTM a, pode-se verificar que ensaios mais rápidos (conforme a NBR), resultam em maiores valores de rigidez na ruptura quando comparados com os ensaios mais lentos da ASTM. Este comportamento é condizente com o que é relatado na literatura por Andrawes et al. (19). Nas tabelas e 5, a mesma análise é realizada para o módulo de rigidez secante do material à 5% de deformação. Verifica-se novamente que ensaios mais rápidos (NBR), na temperarura ambiente, resultam em maiores valores de rigidez à 5% de deformação, em comparação aos ensaios da ASTM. Com relação ao aumento da temperatura, os resultados das normas de ensaio apresentam o mesmo comportamento. Tabela. Valores de rigidez à 5% de deformação e estabilidade térmica dos geotêxteis nas diferentes condições de temperatura, conforme a NBR % % PET 15,9 5,97 1,1 9,7 1, , , 1,5 1, 7 Tabela 5. Valores de rigidez à 5% de deformação e estabilidade térmica dos geotêxteis nas diferentes condições de temperatura, conforme a ASTM % % PET 15 17,9 5,3,5 3, 1,3 5 11,5 5 1,97 15,1 9 1,93 7 Verificou-se expressivo incremento de rigidez para o com o aumento da temperatura, principalmente quando ensaiado sob as recomendações de velocidade de ensaio da ASTM. Além disso, verificou-se dimuição deste parâmentro para o, em ambas as normas analisadas. O PET 15 apresenta comportamento diferente dos demais, já que houve aumento na rigidez para e queda para, como reportado na análise anterior. Considerando que os materiais aqui estudados são provenientes de diferentes fabricantes, pode-se justificar as diferenças de comportamento entre os materiais pela origem do polímero de cada fábrica ou do processo de fabricação. Outro aspecto interessante no presente trabalho é o fato do geotêxtil termofixado apresentar maior variação na deformabilidade quando comparado com os geotêxteis agulhados. Na verdade, devido ao processo de fabricação com termofixação das fibras, o efeito da temperatura acaba prejudicando a termofixação e proporcionando maiores níveis de deformações. Por outro lado, as temperaturas avaliadas não se apresentaram próximas da temperatura de fusão dos filamentos dos geotêxteis agulhados, portanto, as variações na deformação acabaram não sendo tão expressivas quanto no geotêxtil termofixado. No entanto, pode-se dizer que a deformabilidade dos materiais só passa a ser

7 prejudicada significativamente em ensaios aquecidos com temperaturas acima de 7º C. CONCLUSÕES Com base nos resultados obtidos nesse artigo, pode-se observar que: Comparando-se ensaios realizados a temperatura ambiente com diferentes velocidades de solicitação, o geotêxtil não tecido de fibras longas apresentou comportamento oposto aos de fibras curtas, sendo sensível a taxa de deformação quanto à resistência à tração na ruptura, e por apresentar maior deformabilidade quando ensaiado com maior taxa de deformação; Menores taxas de deformação de ensaios promovem maiores valores de resistência na ruptura e deformação, muito embora as variações sejam pequenas, inclusive para os ensaios aquecidos; Não foi verificado um comportamento padrão de deformabilidade e resistência com a variação da temperatura, no entanto, variações significativas foram notadas entre a temperatura ambiente e maiores temperaturas. Porém, não houve variação significativa entre 5 e 7º C; O efeito da temperatura promoveu menores alterações na rigidez em menores deformações do que nos valores de rigidez na ruptura. Ainda, a maior velocidade de ensaio resultou em maiores valores de rigidez à 5% de deformação e na ruptura; O processo de fabricação e origem do polímero consistem em variáveis adicionais a serem consideradas, pois diferentes materiais comportaram-se de maneiras diferentes sob o efeito da temperatura; O efeito da temperatura foi mais relevante no geotêxtil termofixado do que nos agulhados. O fato é que a termofixação das fibras são prejudicas em elevadas temperaturas. REFERÊNCIAS Andrawes, K. Z., McGown, A., Kabir, Md. H. (19). Uniaxial strength testing of woven and nonwoven geotextiles. Geotextiles and Geomembranes. Vol 1, p. 1-5 ASTM D 59 (199). Standard test method for effects of temperature on stability of geotextiles. American Society of Testing Materials. 3p. ASTM D 595 (5). Standard test method for tensile properties of geotextiles by the wide-width strip method. American Society of Testing Materials. 11p. Bueno, B. S., Costanzi, M. A., Zornberg, J. G. (5). Conventional and accelerated creep tests on nonwoven needle-punched geotextiles. Geosynthetics International, Vol. 1, p. 7 7 Bush, D.I. (199). Variation of long-term design strength of geosynthetics in temperatures up to C. Proc., th Int. Conf. on Geotextiles, Geomembranes, and Related Products, p Hirakaw D., Kongkitkul W., Tatsuok, F., Uchimura T. (3). Time-dependent stress strain behaviour due to viscous properties of geogrid reinforcement. Geosynthetics International, Vol. 1, p Holtz, R.D. (199). Influence of strain rate, specimen length and confinement on measured geotextile properties. Geosynthetics International, Vol. 3, p. 5-5 Ling, H.I., Wu, J.T.H. and Tatsuoka, F. (199), Shortterm strength and deformation characteristics of geotextiles under typical operational conditions, Geotextiles and Geomembranes, Vol. 11, No., pp NBR 1593 (1993). Geossintéticos - Amostragem e Preparação de corpos de prova de Geotêxteis. ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas. São Paulo, 3, 3p. NBR (1993). Geotêxteis - Determinação da tração não-confinada Ensaio de Tração de Faixa Larga. ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas. Rio de Janeiro, 1993, 5p. Zornberg, J. G., Byler, B. R., Knudsen, J. W. (). Creep of geotextiles using time temperature superposition methods. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, p