RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO SIMPLES DE UM SOLO ARTIFICIALMENTE CIMENTADO REFORÇADO COM FIBRAS DE VIDRO

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1 RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO SIMPLES DE UM SOLO ARTIFICIALMENTE CIMENTADO REFORÇADO COM FIBRAS DE VIDRO Álisson Silveira Sachetti UFRGS, Porto Alegre, Brasil, Marina Bellaver Corte UFRGS, Porto Alegre, Brasil, Camila Mendonça Rabassa UFRGS, Porto Alegre, Brasil, Lucas Festugato UFRGS, Porto Alegre, Brasil, Nilo Cesar Consoli UFRGS, Porto Alegre, Brasil, RESUMO: Ensaios de resistência à compressão simples foram realizados para a obtenção de uma metodologia de dosagem de misturas de solo-cimento-fibra, através da quantificação da influência do teor de cimento e da porosidade. Dessa meneira, foram analizados os modos de ruptura dos corpos de prova, quando submetidos à compressão simples. Foram utilizados solo residual de arenito da formação Botucatu, fibras de vidro de 24mm de comprimento, cimento Portland de alta resistência inicial e água destilada. Utilizaram-se corpos-de-prova cilíndricos de 5cm de diâmetro e 10cm de altura. Os resultados indicam o aumento linear da resistência à compressão simples das misturas de solo-cimento-fibra com o aumento da quantidade de cimento adicionada ao solo, bem como com a redução da porosidade. PALAVRAS-CHAVE: Reforço de Solos, Solo-Cimento-Fibra, Metodologia de Dosagem. 1 INTRODUÇÃO O solo, por sua grande disponibilidade e o baixo custo, torna-se um material vastamente utilizado. 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, 1990; Fatani et al., 1991; Maher e Ho, 1993; Santoni et al., 2001; Zornberg, 2002; Casagrande, 2005; Festugato, 2008). 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., 2005; Consoli et al., 2007). No entanto, ainda não há metodologias de dosagem das misturas solo-cimento-fibra difundidas na engenharia geotécnica como há, 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

2 uma mistura de arenito-cimento-fibra de vidro e comparar qualitativamente o modo de ruptura das amostras reforçadas com as amostras não reforçadas. 2 METODOLOGIA 2.1 Materiais Solo O solo utilizado é oriundo de uma jazida localizada em São Leopoldo-RS, no sul do Brasil. Esse solo residual pode ser caracterizado como uma areia fina siltosa, não uniforme (NBR 6502/95 ABNT, 1995). O peso específico real dos grãos é de 27 kn/m³. O diâmetro efetivo dos grãos é igual a 0,0035mm. O coeficiente de uniformidade é 41,0. A curva granulométrica do solo é apresentada na Figura 1. Porcentagem Passante (%) ARGILA SILTE AREIA FINA AREIA MÉDIA AREIA GROSSA 0 0,001 0,010 0,100 1,000 10,000 Diâmetro dos Grãos (mm) Figura 1. Curva granulométrica do arenito 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. Este cimento foi escolhido devido ao seu rápido ganho de resistência aos sete dias de idade, proporcionando maior agilidade a pesquisa Fibras As fibras de vidro utilizadas como elemento de PEDREGULHO reforço são inorgânicas. Possuem 24mm de comprimento médio, 0,017mm de diâmetro e, assim, um valor de índice aspecto em torno de Os micro-reforços apresentam densidade de 2,68, módulo de elasticidade de 72 GPa, resistência última à tração de MPa e deformação de ruptura de 4,5% Água A água utilizada para moldagem dos corpos-deprova, assim como, para os ensaios de caracterização, era destilada. Dessa forma, atendia as especificações da norma. 2.2 Métodos Moldagem e Cura dos Corpos de Prova Foram utilizados, para os ensaios de compressão simples, corpos-de-prova cilíndricos de 10cm 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-deprova 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-de-

3 prova. A amostra era, então, compactada estaticamente em três camadas no interior de 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 0,01g e 0,1mm respectivamente, em seguida o corpode-prova era 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 controlada (temperatura de 23º ± 2 ºC) 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 50 kn, além de anéis dinamométricos calibrados com capacidade de 10kN e 50kN e resolução de 0,005kN (0,5kgf) e 0,023kN (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. 2.3 Programa de Ensaios de Compressão Simples A principal etapa desta pesquisa é o ensaio de compressão simples, cuja elaboração permitiu avaliar a influência do teor de cimento e da porosidade sobre a resistência mecânica de misturas de solo-cimento-fibra. O programa de ensaios de compressão simples é apresentado no Quadro 1. Os pontos de moldagem foram posicionados em uma linha, denominada linha A. A característica da linha A é apresentar o teor de umidade constante (10%) e variar o peso específico aparente seco. Quadro 1. Programa de ensaios de compressão simples. PONTOS DE MOLDAGEM Ponto γd (KN/ m³) W (%) A1 17,3 10 A2 19,0 10 A3 19,7 10 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 A foi moldado com três diferentes porcentagens de cimento (C): 1%, 3% e 5% e igual porcentagem de fibra: 0,5%. Com o objetivo de diminuir a dispersão características dos ensaios de compressão simples e, dessa forma, aumentar a confiabilidade dos resultados, dois corpos de prova foram moldados para cada ponto de moldagem e teor de cimento. 3 RESULTADOS 3.1 Efeito do Teor de Cimento e da Porosidade. Cada ponto da linha A foi moldado com três

4 diferentes porcentagens de cimento (1%, 3% e 5%), sendo assim, foi possível avaliar a influência desta variável, já que o índice de vazios inicial e a umidade das amostras permaneceram constantes. Na Figura 2, são apresentadas as retas de ajuste da variação da resistência à compressão simples em função do teor de cimento das misturas. Cada reta, isoladamente, possui a mesma porosidade inicial e todos os pontos possuem o mesmo teor de umidade (ω = 10%). São apresentados, na figura, os valores de resistência das amostras. Observa-se (através da Figura 2) o aumento linear 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 maior peso específico seco há uma maior taxa de aumento da resistência (representada pelo coeficiente angular das retas de ajuste da Figura 2). qu (kpa) γ. d = 17,3 kn/m³ q u = 175,90C + 88,10 R 2 = 0,94 γ.. d = 19,0 kn/m³ q u = 214,97C + 155,15 R 2 = 0,99 γ, d = 19,7 kn/m³ q u = 252,60C + 204,45 R 2 = 0, C (%) Figura 2. Variação da resistência à compressão simples em relação ao teor de cimento C. Na Figura 3, são apresentadas as retas de ajuste da variação da resistência à compressão simples em função da porosidade (η) do solocimento-fibra compactado. Cada reta, isoladamente, possui o mesmo teor de cimento. Todos os pontos possuem o mesmo teor de umidade (ω = 10%). Verifica-se como do tipo linear o melhor ajuste da curva de resistência à compressão simples em relação à porosidade das misturas de solo-cimento-fibra. qu (kpa) C = 1% q u = -36,14η ,45 R 2 = 0,98 C = 3% q u = -32,69η ,68 R 2 = 0,90 C = 5% q u = -26,97η ,59 R 2 = 0, η (%) Figura 3. Variação da resistência à compressão simples em relação à porosidade das misturas. 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. 3.3 Modo de ruptura O aumento da ductilidade do solo com a adição de fibras é uma observação feita em caráter unânime por vários autores (e.g. Hoare, 1979; Maher e Ho, 1993; Consoli et al. 1999), sendo este aumento mais pronunciado quanto maior for a quantidade de fibras. A Figura 4 apresenta o modo de ruptura das amostras de areia cimentada não reforçada com fibras (Caberlon, 2008). Percebe-se um plano de ruptura bem definido, de forma inclinada, característica de materiais rígidos, assim como no caso de amostras cimentadas de solo residual de arenito Botucatu.

5 A análise qualitativa visual indicou que o comportamento rígido das amostras das amostras não reforçadas com fibras se modificou para dúctil nas amostras de arenito cimentado reforçado com fibras de vidro. 4 CONCLUSÕES Figura 4. Modo de ruptura de uma amostra de areia cimentada não reforçada. (Caberlon, 2008). A Figura 5, para comparação, mostra uma amostra rompida de mistura de solo residual de arenito cimentado reforçado com fibras de vidro. Não se verifica um plano de ruptura definido. Em função das fibras há a formação de uma banda de cisalhamento. A partir da análise dos resultados, bem como da avaliação da influência das variáveis estudadas, teor de cimento e porosidade, sobre a resistência à compressão simples das misturas solo-cimento-fibra 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 linearmente com o aumento do teor de cimento. Além disso, a taxa de ganho de resistência, representada pelos coeficientes das retas de ajustes, cresceu com o aumento do peso específico aparente seco inicial do material estudado, conforme o esperado, 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 de forma linear com a redução da porosidade da mistura solo-cimentofibra. * Através de análise qualitativa visual, conclui-se que as fibras conferiram comportamento dúctil às misturas. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq e à ANEEL (projeto UFRGS-CEEE) pelo apoio financeiro para a realização da pesquisa. REFERÊNCIAS Figura 5. Modo de ruptura de uma amostra de arenito cimentado reforçado com fibras de vidro. Caberlon, R.C. (2008). Influência de parâmetros fundamentais na rigidez, resistência e dilatância de uma areia artificialmente cimentada. Tese de

6 Doutorado, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Casagrande, M.D.T. (2005). 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.; Festugato, L.; Heineck, K.S. (2007). 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. 105, n. 3, p Festugato, L. (2008). 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 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.109, 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. (1990). 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 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 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. (2001). 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. (2002). Discrete framework for limit equilibrium analysis of fibre-reinforced soil. Géotechnique, London, v.52, n.8, p