Análise do Comportamento de Solos Reforçados com Poliestireno Expandido

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1 Alena Vitková Calheiros Análise do Comportamento de Solos Reforçados com Poliestireno Expandido Dissertação de Mestrado Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós- Graduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio. Orientadora: Michéle Dal Toé Casagrande Rio de Janeiro Novembro de 2013

2 Alena Vitková Calheiros Análise do Comportamento de Solos Reforçados com Poliestireno Expandido Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil do Centro Técnico Científico da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada. Profa. Michéle Dal Toé Casagrande Orientadora Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio Prof. Euripedes do Amaral Vargas Jr Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio Profa. Raquel Quadros Veloso Universidade Federal de Ouro Preto Prof. José Eugenio Leal Coordenador Setorial do Centro Técnico Científico PUC-Rio Rio de Janeiro, 28 de Novembro de 2013

3 Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, do autor e da orientadora. Alena Vitková Calheiros Graduou-se em Engenharia Ambiental pela Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro em Ingressou no mestrado na Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro em 2011, desenvolvendo Dissertação na linha de pesquisa de Geotecnia Experimental aplicada a solos reforçados. Calheiros, Alena Vitková Ficha Catalográfica Análise do comportamento de solos reforçados com poliestireno expandido / Alena Vitková Calheiros ; orientadora: Michéle Dal Toé Casagrande f. il. (color.) ; 30 cm Dissertação (mestrado) Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Civil, Inclui bibliografia CDD: Engenharia civil Teses. 2. Solos CDD: 624

4 Aos meus pais, Luiz Augusto e Alena e ao meu irmão, Alex pelos momentos em que estive ausente. Dedico à eles essa e todas as vitórias que eu venha obter, pois eles são o maior presente que Deus colocou em minha vida.

5 Agradecimentos A Deus pela vida, pela oportunidade e por ter conseguido chegar até aqui com sucesso, vencendo todas as dificuldades. Aos meus pais, Luiz Augusto e Alena, e irmão, Alex, por todo apoio, dedicação, amor e incentivo durante todos os passos da minha vida. Devo tudo isso a vocês. A todos os meus familiares e amigos por todos os incentivos prestados durante toda a minha vida e pelo apoio na realização deste curso. A professora Michéle Dal Tóe Casagrande pela orientação do meu trabalho, por todo o conhecimento transmitido e por apoiar integralmente na realização deste trabalho, sempre disposta a ensinar e tirar dúvidas. A todos meus amigos da PUC-Rio, aos amigos da sala 607B, aos amigos que fiz ao longo do mestrado e em especial a Camyla Oliveira e Daniel Gomes da Costa, por fazerem do meu Mestrado um momento especial. Aos professores da Engenharia Civil da PUC-Rio, pelas excelentes aulas ministradas. Ao pessoal de Iniciação Científica pela ajuda e realização de parte dos ensaios de caracterização desta dissertação. À Monica Moncada, pela ajuda e auxílio fornecido no laboratório de Geotecnia da PUC-Rio. Aos técnicos do laboratório Amaury e Josué pelo apoio para realizar os ensaios. À CAPES e à PUC-Rio, pelos auxílios concedidos, sem os quais este trabalho não poderia ter sido realizado.

6 Resumo Calheiros, Alena Vitková; Casagrande, Michéle Dal Toé. Análise do comportamento de Solos Reforçados com Poliestireno Expandido. Rio de Janeiro, p. Dissertação de Mestrado. Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Este estudo apresenta o comportamento de solos reforçados com adição de pérolas de EPS (Poliestireno Expandido) através de estudo experimental. Os solos utilizados foram: um solo argiloso de origem coluvionar, uma areia limpa, mal graduada e bentonita. Foram realizados ensaios de caracterização física e de caracterização mecânica, como ensaios de compactação Proctor Normal, ensaios triaxiais consolidados isotropicamente drenados (CID) e ensaios de cisalhamento direto para buscar estabelecer padrões de comportamento que possam explicar a influência da adição de pérolas de EPS, relacionando-a com os parâmetros de resistência ao cisalhamento. Os ensaios triaxiais CID foram realizados em amostras de solo argiloso compactadas na densidade máxima seca e umidade ótima, com teores de pérolas de EPS de 0%, 0,25%, 0,50%, 0,75% e 1%, em relação ao peso seco do solo e os ensaios triaxiais CID em amostras de areia foram realizados para uma densidade relativa de 50% e umidade de 10%, com teores de pérolas de EPS de 0%, 0,50% e 0,75%, em relação ao peso seco do solo. Os ensaios de cisalhamento direto com bentonita foram realizados com teores de pérolas de EPS de 0%, 0,50% e 0,75%, em relação ao peso seco do solo. Os resultados mostraram que o tipo de solo, o teor de pérolas de EPS e o nível de tensão confinante influenciam positivamente o comportamento mecânico final dos compósitos com relação aos parâmetros de resistência, porém não há uma tendência de comportamento bem definida ao analisar cada fator independentemente. Portanto, o uso de pérolas de EPS em obras geotécnicas de carregamento estático contribuiria com o menor consumo de material natural e a consequente redução dos custos de transporte e volume de material mobilizado. Palavras-chave cisalhamento direto. Solos reforçados; poliestireno expandido; ensaio triaxial; ensaio de

7 Abstract Calheiros, Alena Vitková; Casagrande, Michéle Dal Toé (Advisor). Analysis of the Behavior of Reinforced Soil with Expanded Polystyrene. Rio de Janeiro, p. MSc. Dissertation. Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. This study presents the behavior of soils reinforced with EPS (Expanded Polystyrene) beads through experimental study. The soils used were a coluvionar soil, a clean and barely graduated sand and bentonite. Physical characterization, Standard Proctor, consolidated drained triaxial and direct shear tests were performed to establish patterns of behavior that may explain the influence of the addition of expanded polystyrene beads, linking it with shear strength parameters. The CID triaxial was performed on samples of clayey soil compacted within the maximum dry density and optimum moisture content with expanded polystyrene beads ratios of 0%, 0.25%, 0.50%, 0.75% and 1% by dry weight of soil. CID triaxial tests on sand samples were made to a relative density of 50% and 10% of moisture content, with EPS beads ratios of 0%, 0.50% and 0.75% by dry weight of soil. The direct shear tests with bentonite were made with EPS beads ratios of 0%, 0.50% and 0.75% by dry weight of soil. The results showed that the kind of soil, the EPS content and level of confining stress level influence positively on the final mechanical behavior of the composites with respect to strength parameters, but there is no well-defined pattern of behavior to examine each factor independently. Therefore, the use of EPS beads in geotechnical works, contribute to lower consumption of natural material and the consequent reduction in transport costs and volume of mobilized material. Keywords Reinforced soils; expanded polystyrene; triaxial tests; direct shear tests.

8 Sumário 1 Introdução Relevância e Justificativa da Pesquisa Objetivos Organização do Trabalho 18 2 Revisão Bibliográfica Poliestireno Expandido (EPS) Aspectos Gerais do EPS Características de Mercado do EPS EPS e seu Impacto ao Meio Ambiente Solo Reforçado Ensaios Experimentais com Uso de EPS 29 3 Programa Experimental Materiais utilizados na pesquisa Solo Argiloso Solo Arenoso Bentonita Poliestireno Expandido (EPS) Água Mistura Solo-EPS Métodos e Procedimentos de Ensaio Ensaios de Caracterização Física Ensaios de Caracterização Mecânica 46 4 Resultados e Análises Ensaios de Caracterização Física Solo Argiloso Solo Arenoso Bentonita 61

9 4.2. Ensaios de Caracterização Mecânica Solo Argiloso Solo Arenoso Bentonita 88 5 Considerações Finais Conclusões Sugestões para pesquisas futuras Referências Bibliográficas 101

10 Lista de Figuras Figura Produção Mundial de EPS em 2000: 2,95 milhões de toneladas Figura Distribuição do EPS por segmento no mundo em Figura Transformação de EPS no Brasil em 2000, principais municípios Figura Curvas de compactação das misturas de areia com diferentes teores de PS na densidade de EPS de 0,16 kn/mᶟ.z Figura Curva de expansão livre do solo com Índice de Plasticidade de 38% e com diferentes teores de EPS Figura Efeito da adição de pérolas de EPS na contração volumétrica Figura Efeito da adição de pérolas de EPS na contração volumétrica Figura Localização do Campo Experimental II PUC-Rio (Soares, 2005) Figura Solo coluvionar utilizado Figura Descrição morfológica do perfil do Campo Experimental II da PUC- Rio (Daylac, 1994) Figura Localização do ponto de coleta de areia na Barra da Tijuca RJ Figura Areia utilizada na pesquisa Figura Bentonita utilizada na pesquisa Figura Pérola de EPS utilizada na pesquisa Figura (a) Procedimento de dispersão em aparelho de ultra-som e (b) Bomba a vácuo Figura Prensa triaxial da marca Wykeham-Ferrance Figura Medidor de Variação de Volume tipo Imperial College Figura (a) Software CatmanEasy; (b) Sistema de aquisição de dados (Ramirez, 2012) Figura Corpo cilíndrico compactado Figura Corpo de prova após moldagem Figura Corpo de prova com pérolas de 3mm de diâmetro Figura Montagem do corpo de prova arenoso Figura Corpo de prova Bentonita-EPS Figura Prensa de cisalhamento direto Figura Distribuição granulométrica do solo argiloso (Ramírez, 2012)

11 Figura Curva granulométrica do solo arenoso Figura Distribuição granulométrica da bentonita Figura Curvas de compactação Proctor Normal do solo argiloso e misturas Figura Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para o solo argiloso em ensaios triaxiais Figura Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a mistura S99,75/EPS0,25 em ensaios triaxiais Figura Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a mistura S99,50/EPS0,50 em ensaios triaxiais Figura Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a mistura S99,25/EPS0,75 em ensaios triaxiais Figura Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a mistura S99/EPS1 em ensaios triaxiais Figura Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial das amostras S100 e S99,75/EPS0,25 em ensaios triaxiais...69 Figura Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial das amostras S100 e S99,50/EPS0,50 em ensaios triaxiais...71 Figura Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial das amostras S100 e S99,25/EPS0,75 em ensaios triaxiais...73 Figura Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial das amostras S100 e S99/EPS1 em ensaios triaxiais Figura Envoltória e parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo argiloso S Figura Envoltória e parâmetros de resistência ao cisalhamento da mistura S99,75/EPS0, Figura Envoltória e parâmetros de resistência ao cisalhamento da mistura S99,50/EPS0, Figura Envoltória e parâmetros de resistência ao cisalhamento da mistura S99,25/EPS0, Figura Envoltória e parâmetros de resistência ao cisalhamento da mistura S99/EPS Figura Envoltória e parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo puro e das misturas...78

12 Figura Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para o solo arenoso em ensaios triaxiais Figura Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a mistura A99,50/EPS0,50 em ensaios triaxiais Figura Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a mistura A99,25/EPS0,75 em ensaios triaxiais Figura Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial das amostras A100 e A99,50/EPS0,50 em ensaios triaxiais Figura Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial das amostras A100 e A99,25/EPS0,75 em ensaios triaxiais Figura Envoltória e parâmetros de resistência ao cisalhamento Figura Envoltória e parâmetros de resistência ao cisalhamento Figura Envoltória e parâmetros de resistência ao cisalhamento Figura Envoltória e parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo puro e das misturas...87 Figura Curvas da tensão desviadora e deslocamento vertical versus deformação axial para a bentonita em ensaio de cisalhamento direto Figura Curvas da tensão desviadora e deslocamento vertical versus deformação axial para a mistura B99,50/EPS0,50 em ensaio de cisalhamento direto Figura Curvas da tensão desviadora e deslocamento vertical versus deformação axial para a mistura B99,25/EPS0,75 em ensaio de cisalhamento direto Figura Curvas da tensão cisalhante e deslocamento vertical versus deslocamento horizontal das amostras B100 e B99,50/EPS0,50 em ensaios de cisalhamento direto Figura Curvas da tensão cisalhante e deslocamento vertical versus deslocamento horizontal das amostras B100 e B99,25/EPS0,75 em ensaios de cisalhamento direto Figura Envoltória de resistência da bentonita Figura Envoltória de resistência da mistura B99,50/EPS0, Figura Envoltória de resistência da mistura B99,25/EPS0,

13 Lista de Tabelas Tabela Características exigíveis para o EPS na NBR 11752: Tabela Análise mineralógica (Sertã, 1986) Tabela Símbolos utilizados para os solos e misturas Tabela Índices físicos do solo arenoso Tabela Resultados dos ensaios de compactação Proctor Normal para o solo argiloso e misturas Tabela Resumo do ângulo de atrito e coesão do solo argiloso e de cada mistura solo-eps Tabela Resumo ângulo de atrito e coesão do solo arenoso e de cada mistura solo-eps Tabela Resumo ângulo de atrito e coesão da bentonita e de cada mistura solo-eps

14 Lista de Abreviaturas ABRAPEX ABNT CID CFC CH EPS IP LL LP LVDT MVV NBR PET PUC XPS Associação Brasileira de Poliestireno Expandido Associação Brasileira de Normas Técnicas Consolidado Isotropicamente Drenado Clorofluorcarboneto Argila arenosa de média plasticidade Poliestireno Expandido Indice de Plasticidade Limite de Liquidez Limite de Plasticidade Linear Variable Differential Transformer Medidores de Variação Volumétrica Norma Brasileira Polietileno Tereftalato Pontifícia Universidade Católica Poliestireno Extrusado

15 Lista de Simbolos ótm d máx d s Gs e e máximo e mínimo C u C c D 10 D 50 t f L ν # s v 1, 3 Teor de umidade ótimo de compactação Peso específico seco máximo Peso específico seco Peso específico dos grãos Teor de umidade Massa específica do solo Peso específico Índice de vazios Índice de vazios máximo Índice de vazios mínimo Coeficiente de uniformidade Coeficiente de curvatura Diâmetro efetivo Diâmetro médio Tempo mínimo de ruptura Altura do corpo de prova Velocidade de cisalhamento Relativo a tensões efetivas Polegadas Número Deformação axial Deformação volumétrica Tensão de cisalhamento Tensões principais, maior e menor σ c Tensão de confinamento efetiva σ v S u Tensão desviadora Resistência não Drenada Ø Ângulo de atrito c Coesão

16 p (σ 1 + σ 3 )/2 (Tensão efetiva média normal) q (σ 1 σ 3 ) /2 (Tensão de Desvio) H Altura final do corpo de prova. h i % ml mm cm m t t/ano mm/min min g g/cm 3 kg kg/m 3 kgf/m 2 kn kpa C Altura inicial do corpo de prova. Porcentagem Mililitro Milímetro Centímetros Metro Tonelada Tonelada por ano Milímetro por minuto Minuto Grama Grama por centímetro cúbico Quilograma Quilograma por metro cúbico Quilograma força por metro quadrado Quilo Newton Quilo Pascal Graus centígrados

17 1 Introdução 1.1. Relevância e Justificativa da Pesquisa A adequada destinação final dos resíduos sólidos urbanos, entre eles o poliestireno expandido (EPS), constitui um dos maiores problemas da sociedade moderna, já que a composição desses resíduos se modificou muito ao longo dos últimos anos e a geração de lixo tem crescido consideravelmente. A tecnologia e o crescimento populacional apresentam um intenso avanço que, associado ao atual modelo econômico, faz ampliar o consumo de recursos naturais acarretando um aumento, na mesma proporção, do volume de resíduos. Assuntos relacionados à gestão de resíduos vêm assumindo destaque na organização da sociedade e em vários setores são observadas mudanças ou adaptações nos padrões comportamentais. Na esfera pública, prefeituras são obrigadas a elaborar planos de gerenciamento integrado de resíduos bem como legislações e políticas relacionadas a essa temática são implementadas; e a iniciativa privada é obrigada a recolher os resíduos provenientes de seus produtos. Quando manipulados de forma inadequada, os resíduos podem causar uma série de impactos ambientais, desde o local onde são gerados até sua disposição final. Fica evidente que a maneira como se trata o lixo em uma sociedade não é a causa de um problema ambiental, e, sim, o reflexo de um modelo comportamental indevido. Dessa maneira, a presente pesquisa visa conhecer a viabilidade do emprego de pérolas de EPS como material de reforço em obras de terra, através de ensaios experimentais de laboratório. O uso deste resíduo como material alternativo pode contribuir para a minimização de passivos ambientais, agregar valor ao resíduo e evitar problemas ambientais, tais como poluição do ar e o assoreamento de rios e lagos, eliminando problemas atuais de disposição de resíduos em lixões e aterros sanitários. Uma vez que ele é considerado com um dos vilões do lixo por ocupar muito espaço nos aterros sanitários, dificultar a compactação do aterro e prejudicar a degradação dos materiais presentes.

18 Objetivos O objetivo principal desta pesquisa é estudar a influência das pérolas de poliestireno expandido (EPS) como reforço em três tipos de solos. Este objetivo será alcançado através da avaliação do comportamento físico e mecânico dos solos e das misturas, estabelecendo parâmetros de comportamento que possam medir a influência da adição das pérolas de EPS. específicos: A partir do objetivo principal descrito foram estabelecidos os seguintes objetivos Realizar ensaios de caracterização física dos solos através de ensaios de laboratório normatizados; Avaliar o comportamento mecânico dos solos puros e das misturas com diversos teores de pérolas de poliestireno expandido. Essa avaliação foi feita através de ensaios de compactação, ensaios triaxiais consolidados isotropicamente drenados, no caso do solo argiloso e areia, e cisalhamento direto, no caso da bentonita, a fim de se obter os parâmetros de resistência ao cisalhamento; Analisar a influência do teor de pérolas de EPS em misturas com cada tipo distinto de solo Organização do Trabalho Este trabalho está dividido em cinco capítulos, iniciando com o capítulo introdutório (Capítulo 1), seguido do Capítulo 2, onde é apresentada uma revisão da literatura existente sobre o poliestireno expandido. Também é abordado de maneira geral o reforço de solos com outros tipos de materiais. No Capítulo 3 é descrito detalhadamente o programa experimental utilizado neste trabalho. Descrevem-se também os materiais utilizados, os equipamentos e os métodos de ensaios. O Capítulo 4 apresenta os resultados dos ensaios de caracterização física e mecânica realizados. Estes resultados são analisados com o objetivo de observar se há uma mudança no comportamento dos solos com a adição das pérolas de EPS.

19 19 Finalmente no Capítulo 5 são apresentadas as considerações finais baseadas no conhecimento obtido da realização deste trabalho e da análise dos resultados, bem como sugestões para futuros trabalhos.

20 2 Revisão Bibliográfica 2.1. Poliestireno Expandido (EPS) Aspectos Gerais do EPS O EPS é a sigla internacional do Poliestireno Expandido, produto, no Brasil, conhecido como Isopor. Esse material foi descoberto em 1949 pelos químicos Fritz Stastny e Karl Buchholz nos laboratórios da Basf, na Alemanha. O termo expandido refere-se à expansão sofrida pelas cápsulas de estireno, pérolas de 0,4 a 2,5 mm de diâmetro, podendo ser ampliadas até 50 vezes, quando em uma câmara hermeticamente fechada e aquecida, aplicando-se o vácuo. O EPS é um termoplástico derivado do petróleo. Constitui-se de um polímero do hidrocarboneto estireno (poliestireno) que é expandido usando-se o gás pentano (outro hidrocarboneto). Sendo assim, quimicamente o EPS é formado só de dois elementos, o carbono e o hidrogênio. A pérola de EPS é composta de 98% de ar e 2% de matériaprima (em massa). No processo produtivo do EPS, inicialmente ocorre a expansão do poliestireno por um pré-expansor através de aquecimento por contato com vapor de água, resultando um granulado de partículas de EPS constituídas por pequenas células fechadas, que são armazenadas para estabilização. Ao longo deste processo, o espaço dentro das células é preenchido pelo ar circundante. O gás expansor incorporado na matéria-prima é o pentano, conforme mencionado anteriormente. É importante lembrar que não se usa nenhum tipo de CFC como agente expansor na produção de EPS e o gás pentano é inofensivo ao meio ambiente por degradar-se fotoquimicamente (pela ação dos raios solares) muito rapidamente. Além do poliestireno expandido, existem outros tipos de poliestireno. Um exemplo é o poliestreno extrudido (XPS), que é também uma espuma rígida de poliestireno, mas diferencia-se do EPS por ser obtida por um processo de extrusão em contínuo e por empregar outros gases expansores. Assim como já foi mencionado, o

21 21 EPS se expande com gás pentano, não sendo impactante ao meio ambiente, porém o XPS é expandido com o gás CFC, o maior agressor da camada de ozônio. O EPS apresenta muitas vantagens, as principais características são destacadas a seguir. Baixa condutibilidade térmica: A estrutura de células fechadas, cheias de ar, dificulta a passagem do calor, o que confere ao EPS um excelente poder isolante. Exposição a temperaturas extremas: O EPS não tem limite a exposição a baixa temperaturas; a temperatura mínima de utilização corresponde à de liquefação dos gases do ar contido nas células. No entanto, como todos os plásticos, o EPS tem um limite superior de exposição à temperatura. A temperatura máxima do EPS poderá ultrapassar os 100ºC em exposição muito curtas, baixando para 80-85ºC em situações de exposição prolongada com aplicação de cargas elevadas. Baixo peso específico: Entre 9kg/m³ a 40kg/m³. Resistência mecânica: Possui alta resistência à compressão que normalmente varia de 7000kgf/m² até 1400kgf/m². Baixa absorção de água: O EPS não é higroscópio. Mesmo quando imerso em água ele absorve apenas pequenas quantidades de água. Tal propriedade garante que o EPS mantenha suas características térmicas e mecânicas mesmo sob a ação da umidade. O EPS não apresenta ascensão capilar. Difusão do vapor de água: O EPS é permeável ao vapor de água. Resistente ao envelhecimento: As propriedades do EPS não tem alteração ao longo da vida do material. Estima-se, na natureza, que o EPS tenha vida útil de 150 anos. O EPS é produzido em duas versões: Classe P, não retardante à chama, e Classe F, retardante à chama. Possui três grupos de massa específica aparente: I de 13 a 16kg/m³, II de 16 a 20kg/m³ e III de 20 a 25kg/m³. Na Tabela 2.1 são mostradas as características exigíveis para o EPS de acordo com a norma NBR 11752/2007 da ABNT (ABRAPEX, 2000).

22 22 Tabela Características exigíveis para o EPS na NBR 11752:1993. Fonte: (ABRAPEX, 2000). As aplicações do EPS estendem-se por diversas áreas como: embalagens para equipamentos eletroeletrônicos, utilidades domésticas como conservadoras térmicas, isolantes acústicos e térmicos, bandejas para acondicionamento de alimentos, entre outras Características de mercado do EPS De acordo com a pesquisa divulgada pela ABRAPEX (2000) foram produzidos 2,95 milhões de toneladas de EPS no ano de 2000 no cenário mundial. A Europa foi a maior produtora destes produtos, responsável por 40% do total. A distribuição da produção de EPS no mundo é encontrada na Figura 2.1.

23 23 Figura Produção Mundial de EPS em 2000: 2,95 milhões de toneladas. Fonte: (ABRAPEX, 2000). Na mesma pesquisa feita pela ABRAPEX foi realizado um levantamento da distribuição do EPS por segmento no mundo constatando que a construção civil é responsável por grande parte do consumo do EPS, segundo é apresentado na Figura 2.2. A grande utilização na construção civil acontece devido às características isolantes, leveza e resistência do material. Figura Distribuição do EPS por segmento no mundo em Fonte: (ABRAPEX, 2000). No cenário nacional, o Brasil apresentou uma produção de EPS de aproximadamente 40 mil toneladas em 2000, conforme divulgado pela ABRAPEX (2000), distribuída em diversos municípios. De acordo com a Figura 2.3, o município

24 24 de São Paulo/SP foi o maior transformador apresentando t/ano, seguido pelo município de Joinville/SC, com t/ano, que se destaca no Brasil como um dos maiores pólos de transformação de EPS. Figura Transformação de EPS no Brasil em 2000, principais municípios. Fonte: (ABRAPEX, 2000). No ano de 2007, a produção de EPS no Brasil aumentou, foram produzidas 55 mil toneladas de isopor e outras 2 mil toneladas foram importadas com equipamentos eletrônicos e diferentes bens trazidos do exterior. Conforme dados da Plastivida, em 2008 foram produzidos no Brasil cerca de 62,9 mil toneladas de Poliestireno Expandido (EPS) e aproximadamente 20 mil toneladas de Poliestireno Extrusado (XPS), totalizando cerca de 82,9 mil toneladas de isopor. Desse total, estima-se que retornaram ao processo produtivo com destino à reciclagem cerca de 7 mil toneladas, ou seja, apenas 8,4% de tudo o que foi produzido.

25 O EPS e seu Impacto ao Meio Ambiente O descarte de EPS é um problema enfrentado por diversas cidades grandes bem como as capitais, que já encontram muitos problemas com esse tipo de material, que vem saturando os aterros sanitários. O isopor sozinho não polui nem contamina o solo, mas como leva centenas de anos para se decompor, acaba ocupando muito espaço, diminuindo a área útil dos lixões. Além disso, na natureza o isopor leva 150 anos para ser degradado, conforme estimativas. Algumas empresas por não terem onde descartar esse material acaba fazendo verdadeiras atrocidades ao queimarem grandes quantidades, normalmente à noite, o que agrava em muito o problema do aquecimento global, causador das constantes alterações climáticas, bem como aumenta a poluição do ar. Conforme foi observado anteriormente, no Brasil são fabricados toneladas de EPS por ano, segundo dados da ABRAPEX, isso sem falar nas embalagens que vem com produtos tipo exportação. Grande parte deste produto vai direto para os lixões. Além disso, se descartado indevidamente na água, pode ser ingerido por animais aquáticos prejudicando muito sua saúde e todo ecossistemas que deles depende. Como se pode observar, o baixo custo e a versatilidade dos produtos de EPS se tornam muito mais caros na hora de dar uma destinação adequada a esses materiais após seu uso. A leveza e baixa densidade, as principais características do EPS, também são responsáveis por dificultar sua reciclagem. Como se constitui principalmente de ar, quando derretido, seu volume cai para 10% do original. Somando isso à dificuldade de transportar esse material por ocupar muito espaço, poucas empresas se interessam por reciclar, ou mesmo, coletar o EPS (CBB RECICLA, 2013). Quanto à classificação do EPS em relação ao tipo de resíduo sólido, a Associação Brasileira de Normas Técnicas publicou, no dia 31 de maio de 2004, a versão atualizada da norma NBR (Classificação de Resíduos Sólidos). Esta norma técnica brasileira classifica os resíduos sólidos quanto aos seus riscos potenciais ao meio ambiente e à saúde pública, para que possam ser gerenciados adequadamente. Os resíduos sólidos podem apresentar periculosidades em função de suas características físicas, químicas ou infecto-contagiosas. A NBR /04 classifica os resíduos sólidos visando orientar sua disposição final e ao conhecimento em si de sua periculosidade. Assim, os resíduos sólidos se classificam em classe 1 (perigosos) e

26 26 classe 2 (não perigosos). Os resíduos classe 2 dividem-se em classe 2A, que são os reativos, e classe 2B, que são os não reativos. O processo de classificação tem como base a origem dos resíduos e a sua constituição química. Quando não pode ser realizada a classificação do resíduo através da identificação da origem e sua comparação com as tabelas da referida norma, faz-se necessária a realização de análises químicas dos extratos lixiviados e extrato solubilizado do resíduo, segundo as normas NBR e NBR , respectivamente. Os resíduos de EPS são classificados como classe 2B. (Chagas, Berreta-Hurrado & Gouvêa, 2011) Solos Reforçados De acordo com Casagrande (2005), Entende-se por melhoria ou reforço de solos a utilização de processos físicos e/ou químicos que visem o melhoramento das propriedades mecânicas dos solos. Procura-se o aumento da resistência do solo tratado e a diminuição de sua compressibilidade e de sua permeabilidade. O termo melhoria de solos está associado ao tratamento através de processos químicos, enquanto que o termo reforço está associado à utilização de inclusões em aterros ou taludes. A técnica para reforçar o solo tem sido muito utilizada. Alguns dos materiais usados para esse fim são fibras (PET, vidro, polipropileno), borracha moída, geossintéticos, entre outros. Gray e Ohashi (1983) desenvolveram um modelo teórico para estudar o comportamento de uma areia reforçada com fibras. Os autores executaram ensaios de cisalhamento direto com areia, nos estados fofo e denso, reforçada com fibras naturais, sintéticas e metálicas. Com os resultados obtidos nos ensaios, eles concluíram que a inclusão da fibra aumenta a resistência ao cisalhamento de pico e reduz a queda póspico. Outra conclusão foi a existência de uma tensão de confinamento crítica onde, abaixo desta, as fibras são arrancadas e, acima desta, as fibras são alongadas. As fibras com módulo baixo comportaram-se como uma inclusão extensível, ou seja, não romperam durante o ensaio. O aumento do comprimento das fibras resultou num aumento da resistência, porém, esse aumento é verificado até certo limite, a partir do qual, este efeito não é mais observado. Shewbridge e Sitar (1989) avaliaram o mecanismo de desenvolvimento da zona de cisalhamento de um solo granular reforçado com vários tipos de fibras. Ensaios em

27 27 equipamento de cisalhamento direto foram realizados, cujas dimensões eram maiores que as convencionais. Para o solo reforçado, a zona de cisalhamento era mais larga e aumentava com a concentração, rigidez e aderência entre o solo e o reforço. Após um amplo programa experimental, os autores concluíram que o aumento da resistência é função das propriedades da areia (graduação, tamanho e forma das partículas) e da fibra (teor, relação l/d e módulo). A resistência diminui com o aumento do tamanho médio e da esfericidade das partículas de areia, por outro lado, há um acréscimo da resistência com o aumento do coeficiente de uniformidade da areia, do teor de fibras, do módulo das fibras e da relação l/d. O modelo proposto pelos autores para prever o comportamento do solo reforçado com fibras é baseado num modelo aplicado a concreto reforçado com fibras. Em geral, há um razoável ajuste entre os valores experimentais e os previstos pelo modelo. Entretanto, ainda há a necessidade de um melhor refinamento do modelo, principalmente em relação à estimativa da espessura da zona de cisalhamento. Montardo (2000) e Consoli (2002) apud Heineck (2002) investigaram os efeitos da inclusão de fibras sintéticas de diferentes propriedades mecânicas, distribuídas aleatoriamente, o comportamento de um solo arenoso, artificialmente cimentado e nãocimentado e chegaram às seguintes conclusões: fibras relativamente rígidas (fibras de vidro e PET) exercem efeito mais pronunciado na resistência de ruptura, ao passo que fibras relativamente flexíveis (fibras de polipropileno) exercem efeito mais pronunciado no modo de ruptura e no comportamento último; a inclusão de fibras de PET ou de vidro aumentou, tanto a resistência à compressão, quanto à resistência a tração da matriz cimentada, enquanto que as fibras de polipropileno não aumentam estas duas variáveis; a inclusão de fibras de polipropileno no compósito cimentado alterou o comportamento do material na ruptura, que era frágil, para dúctil, sendo que a inclusão de fibras de PET e de vidro não modificaram o modo de ruptura; a inclusão de qualquer tipo de fibra aumentou a capacidade de absorção de energia de deformação, de forma mais acentuada para comprimentos de fibras maiores; a rigidez inicial não foi afetada pela inclusão das fibras de PET e de vidro porém ela é drasticamente reduzida com a inclusão de fibras de polipropileno. Casagrande (2005) estudou o efeito da adição das fibras de polipropileno em solo arenoso através da realização de ensaios triaxiais. Conclui-se desse estudo que a inclusão das fibras de polipropileno ao solo proporcionou um crescimento constante da resistência com o aumento das deformações distorcionais, acarretando em um aumento

28 28 das deformações volumétricas de contração para as tensões efetivas médias iniciais altas, independentes da trajetória de tensões seguida pelo material. Curcio (2008) avaliou o comportamento hidromecânico e mecânico de amostras de solo compactado reforçado com fibras de PET reciclado. A inserção de fibras reduziu a magnitude das fissuras de tração. Notou-se que o comportamento do material compósito em relação à resistência à tração parece ser inicialmente controlado apenas pela matriz de solo. À medida que crescem as deformações, o comportamento passa a ser controlado pela matriz e pelas fibras. A adição de 1% de fibras, além de favorecer o acréscimo da tensão de tração máxima do solo, retarda a abertura de fissuras e reduz a magnitude das mesmas, sem alterar as propriedades desejáveis na compactação e sem influenciar negativamente a condutividade hidráulica do solo quando utilizadas sob tensão confinante. Ghazavi (2004) realizou ensaio de cisalhamento direto para misturas com 0%, 10%, 15%, 20%, 50%, 70% e 100% de borracha em um solo arenoso. A borracha utilizada tinha tamanho médio de 4,0 mm. Em geral as melhorias na resistência ao cisalhamento não foram significativas, contudo as resistências de pico das misturas aconteceram para deslocamentos horizontais maiores que no caso da areia pura, sendo que as curvas de tensão cisalhante x deslocamento horizontal não presentaram um pico muito bem definido com relação à curva da areia pura. Nas envoltórias observa-se que para as misturas que têm entre 10% e 20% de borracha o valor do ângulo de atrito atingiu seus maiores valores. Costa (2011) estudaram o comportamento de misturas compostas por solo laterítico e tiras de borracha de tamanho médio de 1,40 mm. através de ensaios de cisalhamento direto em amostras com 0%, 10%, 20%, 40% e 50% de borracha. As envoltórias de resistência de todas as misturas apresentaram maiores valores de resistência ao cisalhamento do que do solo puro. O máximo incremento aconteceu para a mistura com um teor de borracha de 40%. O deslocamento horizontal onde acontece a tensão cisalhante máxima das misturas é maior do que do solo puro. Estes deslocamentos horizontais correspondentes à tensão cisalhante máxima aumentam com o maior o teor de borracha da mistura. Ramírez (2012) realizou ensaios triaxiais em misturas de argila-borracha e areiaborracha. A partir dos ensaios, observou-se que os compósitos atingem sua resistência de pico com deformações axiais maiores do que em relação ao solo puro. Este nível de deformação axial aumentou para as misturas com maiores teores de borracha. A

29 29 resistência pós-pico dos compósitos diminuiu lentamente com a deformação, fornecendo um comportamento dúctil durante o cisalhamento. Assim, notou-se que o comportamento mecânico dos compósitos depende do teor de borracha inserido no solo. Existe uma tendência de melhorar a resistência ao cisalhamento com o aumento do teor, sendo que a partir de certo teor (teores distintos para diferentes tipos de solo) a inserção de borracha é prejudicial em relação às propriedades do solo puro. Outro material utilizado como reforço do solo é o geossintético. Segundo a NBR 12553/1991, geossintético é a denominação genérica de produtos poliméricos, podendo ser sintéticos ou naturais, que são industrializados e desenvolvidos para utilização em obras geotécnicas, que desempenham uma ou mais funções, entre as quais se destacam: reforço, filtração, drenagem, proteção, separação, impermeabilização e controle de erosão superficial. Há atualmente um grande número de geossintéticos desenvolvidos para diversas aplicações, sendo estes classificados em geotêxteis, geomambranas, geocompostos argilosos para barreira impermeável e para drenagem, georredes, geogrelhas, geocélulas e geomantas. Dentre estes, os mais utilizados para o reforço são o geotêxtil tecido e não tecido, geocomposto para drenagem, geogrelha e geocélula Ensaios Experimentais com Uso de EPS Abdelrahman (2013) estudaram o comportamento de amostras de areia misturadas com perólas de EPS através de ensaios de compactação Proctor Normal. As curvas de compactação obtidas são mostradas na Figura 2.4. A partir dessa figura, o autor observou que com a adição de pérolas de EPS a densidade seca do material varia consideravelmente, reduzindo com o aumento do teor de pérolas de EPS, porém a umidade ótima nao apresentou o mesmo comportamento. Esse fato pode ser atribuido a baixa densidade aparente e a baixa absorção de umidade por parte das pérolas de EPS (Abdelrahman, 2013).

30 30 Figura Curvas de compactação das misturas de areia com diferentes teores de EPS na densidade de EPS de 0,16 kn/mᶟ. Fonte: (Abdelrahman, 2013). Abdelrahman (2009) a partir de um outro estudo, concluiu que o aumento da densidade da pérola de EPS aumenta a densidade máxima seca do material para uma mesma porcentagem de pérolas de EPS. Nattatmadja (2009) estudou o comportamento das argilas expansivas com índices de plasticidade (IP) variando de 22% a 53% misturados com pérolas de poliestireno expandido (EPS) em laboratório. Um dos motivos para esse estudo foi o fato de materiais de aterramento convencionais estarem se tornando mais escassos e caros, surgindo assim uma pressão crescente para usar materiais reciclados para esse fim. Apesar de sua abundância, solos expansivos são geralmente evitados uma vez que podem causar danos estruturais significativos às estruturas, tais como muros de contenção. Para investigar o efeito da mistura de pérolas de EPS com argilas expansivas, três solos expansivos foram fabricados no laboratório, misturando areia fina com bentonita sódica em várias proporções. A bentonita pura rica em sódio disponível comercialmente foi misturado em diversas proporções com areia, de modo a simular a contração e a expansão características de solos expansivos. Com os teores de bentonita selecionados (16, 24 e 32%), três diferentes argilas artificiais (denominado SB16, SB24 e SB32) foram produzidas. A Figura 2.5 mostra uma curva típica de expansão livre de

31 31 um teste com a mistura SB16 indicando que mesmo após duas semanas, as amostras podem ainda inchar muito embora a uma taxa inferior. Figura Curva de expansão livre do solo com Índice de Plasticidade de 38% e com diferentes teores de EPS. Fonte: Nattatmadja (2009). A Figura 2.6 mostra que a adição de EPS nas argilas artificiais pode reduzir a contração volumétrica por até 50% dependendo a porcentagem da pérolas de EPS presente. Figura Efeito da adição de pérolas de EPS na contração volumétrica. Fonte: Nattatmadja (2009). Nattatmadja (2009) estudou também a capacidade de um aterro para drenar a água, pois isso é um fator importante que afeta a estabilidade de um muro de contenção. Um aterro permeável vai permitir que a água flua rapidamente, de modo a não aumentar a magnitude da força horizontal que pode desestabilizar a parede. A variação de

32 32 condutividade hidráulica de SB24, com a adição de EPS é mostrado na Figura 2.7. É visto que a condutividade hidráulica da composição do solo do EPS aumenta ligeiramente com 0,3%, quando comparado com o solo de puro, mas com maior teor de EPS um aumento significativo pode ser esperado. Figura Efeito da adição de pérolas de EPS na condutividade hidráulica. Fonte: Nattatmadja (2009). Dessa maneira, Nattatmadja (2009) concluiu que a adição de pérolas de EPS em um solo funciona bem como uma substituição parcial do solo. Em argilas expansivas, isto pode reduzir a magnitude da pressão de expansão e da expansão livre. Verificou-se também que quanto maior a quantidade de pérolas de EPS no solo, menor é o potencial de contração. Uma redução de cerca de 50 % na contracção volumétrica pode ser esperada para um solo com um PI de 53 misturada com 0,9 % de pérolas de EPS, em massa. Assim, mostrou ser possível fazer um uso benéfico dos produtos de EPS e da argila expansiva, sendo um novo conceito que irá oferecer uma solução sustentável tanto para a habitação quanto para as indústrias de produção de EPS.

33 3 Programa Experimental O programa de ensaios estabelecidos nesta dissertação tem como principal objetivo avaliar o efeito da adição de poliestireno expandido (EPS) nas propriedades mecânicas de um solo coluvionar argiloso, de um solo arenoso e da bentonita. As etapas do programa experimental proposto são detalhadamente descritas neste capítulo, bem como a descrição dos materiais utilizados na pesquisa, os métodos utilizados na preparação das amostras, detalhes de execução dos ensaios e equipamentos utilizados nos ensaios de laboratório. Os ensaios do programa experimental desta pesquisa foram realizados no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio Materiais utilizados na pesquisa Solo Argiloso A argila utilizada neste trabalho é um solo maduro, coluvionar, argilo-arenoso, não saturado (Soares, 2005 apud Ramirez, 2012). Este solo foi coletado no Campo Experimental II, localizado no interior do campus da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, conforme o esquema mostrado na Figura 3.1. O material foi retirado de uma profundidade de 2 metros, a partir da superfície da encosta.

34 34 Figura Localização do Campo Experimental II PUC-Rio (Soares, 2005). Este solo coluvionar possui características de tonalidade vermelha amarelada, textura micro-granular e com aspecto homogêneo, sendo constituído basicamente por quartzo, granada alterada, argilominerais (essencialmente caulinita) e óxidos de ferro e alumínio, como produto do intemperismo dos minerais primários da biotita gnaisse (Soares, 2005 apud Ramirez, 2012). O solo coluvionar utilizado na pesquisa é apresentado na Figura 3.2. As características geotécnicas físicas deste material são apresentadas e analisadas no item 4.1. O material foi retirado manualmente e depositado em baldes cilíndricos de plástico. Após a coleta, o solo foi levado para o laboratório e colocado na estufa a 60 C. Depois de atingir uma umidade constante, foi colocado em sacolas de plástico lacradas e guardado na câmara úmida. Este tipo de solo já foi utilizado anteriormente em outras pesquisas desenvolvidas na PUC-Rio (Sertã, 1986; Marinho, 1986; Lins, 1991; Daylac, 1994; Beneveli, 2002; Soares, 2005). Sertã (1986) fez um estudo dos aspectos geológicos e geotécnicos do solo coluvionar do Campo Experimental II, deixando um amplo conhecimento das suas características.

35 35 Figura Solo coluvionar utilizado. Segundo o perfil morfológico feito por Daylac (1994) apresentado na Figura 3.3, o solo utilizado está situado na camada superior do perfil, conformada por colúvio. No lugar da coleta, se observou presença de alguns pedregulhos de quartzo. No processo de preparação do solo para os ensaios (destorroamento), se retiraram as raízes presentes no material.

36 36 Figura Descrição morfológica do perfil do Campo Experimental II da PUC-Rio (Daylac, 1994) Sertã (1986) fez uma análise mineralógica do solo presente no Campo Experimental II. A Tabela 3.1, elaborada por Daylac (1994), resume os resultados obtidos por Sertã para amostras retiradas entre 3,00 m e 3,50 m de profundidade. A presença imperante de certos minerais como a caulinita, a gibsita e a goetita, e o perfil morfológico apresentado anteriormente sugerem que o solo tem um alto grau de intemperismo.

37 37 Tabela Análise mineralógica (Sertã, 1986). Fração do solo Pedregulho Areia Silte Argila Mineral Quartzo Granada alterada Quartzo Granda muito alterada Agregados Ferruginosos Magnetita Quartzo Caulinita Goetita Caulinita Goetita Quantidade / observações grãos arestados de coloração transparente a leitosos alguns fragmentos grãos arestados correspondem a aproximadamente 5% da amostra total pequenos traços presença presença presença presença marcante alguns traços Este solo coluvionar foi utilizado também por Szeliga (2011), Ramírez (2012), Quispe (2013), entre outros, realizando-se ensaios de caracterização física no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio. Os resultados são apresentados no item Solo Arenoso A areia utilizada neste estudo é proveniente de uma praia localizada na Barra da Tijuca RJ (Figura 3.4). É uma areia média, limpa e mal-graduada (Figura 3.5). Os resultados da curva granulométrica e índices físicos são apresentados no item

38 38 Figura Localização do ponto de coleta de areia na Barra da Tijuca RJ. Figura Areia utilizada na pesquisa Bentonita A bentonita (Figura 3.6) utilizada nesta pesquisa foi adquirida comercialmente no Rio de Janeiro. Segundo a NBR 6502 (ABNT, 1995), essa bentonita pode ser classificada como uma argila. Os resultados da curva granulométrica e índices físicos são apresentados no item

39 39 Figura Bentonita utilizada na pesquisa Poliestireno Expandido (EPS) As pérolas de EPS (Figura 3.7) utilizadas nesta pesquisa foram adquiridas comercialmente no Rio de Janeiro. Na prática, essas pérolas podem ser provenientes do trituramento de placas de isopor descartadas transformando-as em partículas menores. O diâmetro médio das pérolas utilizadas nos ensaios é de, aproximadamente, 1 mm. Figura Pérola de EPS utilizada na pesquisa.

40 Água A água utilizada na preparação dos corpos de prova para ensaios de compactação (solo coluvionar), ensaio triaxial (solo coluvionar e arenoso) e ensaio de cisalhamento direto (bentonita) foi proveniente da rede pública de abastecimento da cidade do Rio de Janeiro. Nos ensaios de caracterização física foi utilizada água destilada Mistura Solo-EPS Para cada solo foram preparadas misturas com diferentes teores de EPS, com o objetivo de determinar o teor ótimo para a inserção deste material como reforço. As misturas utilizadas com o solo argiloso foram 0,25%, 0,50%, 0,75% e 1,0% de pérolas de EPS, calculados em relação ao peso seco do solo. No caso do solo arenoso e da bentonita foram preparadas duas misturas com 0,50% e 0,75% de pérolas de EPS, em relação ao peso seco do solo. Esses teores foram determinados com o intuito de analisar a evolução ou retrocesso da melhoria dos parâmetros de resistência de cada tipo de solo e misturas, a fim de se estabelecer uma melhoria máxima com o maior volume de resíduo, já que, um dos objetivos do uso deste material como reforço, é dar uma destinação ambientalmente correta para a maior quantidade possível. A quantidade de pérolas de EPS a ser usada em cada mistura foi calculada em relação ao peso total do solo seco. O volume de água adicionado no solo argiloso foi determinado em função da umidade ótima obtida nos ensaios de Compactação Proctor Normal. No caso do solo arenoso e bentonita, as misturas foram preparadas com umidade de, respectivamente, 10% e 170%. Essas porcentagens foram determinadas a partir de ensaios de cisalhamento direto, onde esses valores se apresentaram similares aos valores encontrados por Casagrande (2005).

41 41 Na Tabela 3.2 são apresentadas as siglas utilizadas para identificar cada tipo de solo e as misturas. Tabela Símbolos utilizados para os solos e misturas. Material / Mistura Solo (%) Pérolas de EPS (%) Símbolo Solo Argiloso S100 Mistura 1 99,75 0,25 S99,75/EPS0,25 Mistura 2 99,50 0,50 S99,50/EPS0,50 Mistura 3 99,25 0,75 S99,25/EPS0,75 Mistura 4 99,00 1 S99/EPS1 Solo Arenoso A100 Mistura 5 99,50 0,50 A99,50/EPS0,50 Mistura 6 99,25 0,75 A99,25/EPS0,75 Bentonita B100 Mistura 7 99,50 0,50 B99,50/EPS0,50 Mistura 8 99,25 0,75 B99,25/EPS0, Métodos e Procedimentos de Ensaio Neste item serão apresentados as metodologias e procedimentos utilizados para as análises físicas e mecânicas do solo argiloso, arenoso e bentonita. O objetivo deste programa experimental foi a caracterização de cada solo no intuito de conhecer seu comportamento e posteriormente realizar os ensaios mecânicos (ensaios de compactação proctor normal e ensaios triaxiais drenado, no caso do solo argiloso, ensaios triaxiais drenados, no caso do solo arenoso e ensaios de cisalhamento direto, no caso da bentonita) a fim de conhecer seus parâmetros de resistência e ter uma idéia de como o poliestireno expandido pode atuar como estabilizante no solo.

42 42 Ensaios de Caracterização Física Com a finalidade de determinar as propriedades índices das amostras de solo argiloso proveniente do Campo Experimental II do campus da PUC-Rio, da bentonita e do solo arenoso foram executados ensaios de caracterização física no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio. Os três materiais foram preparados segundo o preconizado nas normas técnicas brasileiras (Associação Brasileira de Normas Técnicas ABNT). No caso do solo argiloso e bentonita, os ensaios realizados seguiram os métodos indicados pelas seguintes normas: NBR 6457/1986 Amostras de Solos Preparação para ensaios de compactação e caracterização; NBR 7181/1984 Solo Análise Granulométrica; NBR 6508/1984 Solo Determinação da densidade real dos grãos; NBR 6459/1984 Solo Determinação do Limite de Liquidez; NBR 7180/1984 Solo Determinação do Limite de Plasticidade. E no caso do solo arenoso, os ensaios realizados seguiram os procedimentos indicados pelas seguintes normas: NBR 6457/1986 Amostras de Solos Preparação para ensaios de compactação e caracterização; NBR 7181/1984 Solo Análise Granulométrica; NBR 6508/1984 Solo Determinação da densidade real dos grãos; NBR 12004/1990 Solo Determinação do índice de vazios máximos de solos não coesivos; NBR 12051/1991 Solo Determinação do índice de vazios mínimos de solos não coesivos. No caso do EPS não foi feita a caracterização física, pois o EPS é considerado inerte. Assim, foi feita a caracterização física apenas dos solos.

43 43 Densidade Real dos Grãos A densidade real dos grãos do solo argiloso e arenoso foi determinada utilizando o material que passou na peneira #40 (0,425 mm), segundo a norma NBR 6508/1984 da ABNT. Do material passante da peneira #40 seco em estufa a 105 C foi utilizado aproximadamente 100 gramas de solo argiloso e 120 gramas de solo arenoso. Posteriormente foram colocados 25 gramas, no caso do solo argiloso, e 30 gramas, no caso do solo arenoso, em quatro picnômetros de 250 ml e se cobriu o material dentro dos picnômetros com água destilada. Em seguida procedeu-se à extração do ar contido entre as partículas, utilizando uma bomba de vácuo. Esse procedimento é realizado durante 15 minutos, aproximadamente, que é o tempo que demora extrair todo o ar em forma de bolhas. No passo seguinte os quatro picnômetros foram cheios com água destilada e pesados. Para determinar a densidade real dos grãos da bentonita a partir do método usado para os dois solos descritos anteriormente foi difícil, uma vez que este material apresenta granulometria muito fina. Sendo assim, a água adicionada aos picnômetros para a realização do ensaio não conseguia penetrar e molhar todo o solo contido nos mesmos (25g). Em função disso, formava-se uma camada de solo seco aderida às paredes no fundo dos picnômetros, além da formação de grumos do material. Além de ser um material de granulometria fina, a bentonita sódica é altamente expansiva, causando problemas como formação de camada de solo seco no fundo dos picnômetros, formação de grumos, inchamento excessivo e perda de material durante a aplicação do vácuo, o que tornou impraticável o ensaio com uma massa de solo de 25g. Várias tentativas foram feitas e adotou-se para este trabalho o seguinte procedimento complementar: Utilização de uma massa de solo de 10g; Adição e homogeneização do solo aos poucos dentro do picnômetro já tarado com uma determinada quantidade de água. Dessa maneira foi possível molhar todo o solo e evitou-se a formação da camada de solo seco aderida ao fundo do picnômetro; Dispersão do material já dentro dos picnômetros, durante 30 minutos, através de um aparelho de ultra-som para evitar a perda de material e conseguir uma dispersão mais efetiva (Figura 3.8 a);

44 44 Retirada do ar através da aplicação do vácuo com auxilio de uma bomba (Figura 3.8 b). (a) Figura (a) Procedimento de dispersão em aparelho de ultra-som e (b) Bomba a vácuo. (b) Limites de Atterberg Os limites de Atterberg, limite de liquidez e limite de plasticidade do solo argiloso e da bentonita foram determinados utilizando-se o material passante na peneira #40 (0,425 mm), segundo as normas NBR 6459/1984 e NBR 7180/1984 da ABNT. Análise Granulométrica Para a determinação da curva granulométrica do solo argiloso, peneirou-se 1000 gramas do material na peneira #40 (0,425 mm), seguindo a norma NBR 7181/1984 da ABNT. O material retido na peneira foi lavado e posteriormente secado na estufa a 105 C. Depois de 24 horas se realizou o peneiramento grosso com este material. Do material passante na peneira #40, utilizou-se 50,39 gramas para a sedimentação, sendo este misturado com 125 ml de uma solução de hexametafosfato de sódio e deixado em repouso durante 24 horas. Depois de realizada a sedimentação, todo o material foi lavado na peneira #200 e o retido levado à estufa, para quando seco proceder com o peneiramento fino. Para a determinação da curva granulométrica do solo arenoso, peneirou-se 1000 gramas do material na peneira #40 (0,425 mm), seguindo a norma NBR 7181/1984 da ABNT. O material retido na peneira foi lavado e posteriormente secado na estufa a 105 C. Depois de 24 horas se realizou o peneiramento grosso com este material.

45 45 Para a determinação da curva granulométrica da bentonita, onde só tem a fase de sedimentação, inicialmente o ensaio foi feito segundo os procedimentos da NBR 7181/1984. Porém, tal material apresentou alguns problemas, já mencionados anteriormente na determinação da densidade real dos grãos. Assim, uma grande quantidade de material ficava aderido às paredes do recipiente antes de ser iniciada a sedimentação, causando perda de material. O hexametafosfato de sódio, utilizado como defloculante, produziu um efeito contrário à sua ação dispersante natural. O material ao invés de deflocular, floculou. Dessa maneira, foi adotado outro procedimento utilizando-se 50 gramas de bentonita misturada com 125 ml de hexametafosfato de sódio e mais 200 ml de água. Em seguida, essa mistura foi deixada em repouso durante 24 horas. Depois de realizada a sedimentação, todo o material foi lavado na peneira #200 e nenhum material ficou retido na peneira. Índice de vazios mínimos e máximos Inicialmente, mediu-se a altura e diâmetro interno do molde, a fim de calcular o volume interno do cilindro usado no ensaio, e pesou-se o cilindro vazio. A determinação do índice de vazio máximo, segundo a NBR12004/1990, é feita inicialmente homogeneizando uma amostra seca de areia. Com o auxílio de um funil, colocou-se o solo no molde, tão fofo quanto possível, vertendo-o através do bico em fluxo constante e mantendo o funil em posição vertical. Ajustou-se continuamente a altura do bico, de modo que a queda livre do material seja da ordem de 1 cm ou apenas o suficiente para assegurar um fluxo contínuo da partículas do solo, sem que o bico entre em contato com o material já depositado. Moveu-se o funil segundo uma trajetória espiralada, da borda para o centro do molde, de forma a resultar camadas com espessuras uniformes. Encheu-se o molde até 1 a 2 cm acima do topo dele. O excesso de solo acima do cilindro foi retirada com auxílio de uma régua de aço biselada e pesou-se o conjunto. A determinação do índice de vazio mínimo, de acordo com a NBR 12051/1991, é realizada inicialmente também homogeneizando uma amostra seca de areia. Com auxílio do funil, encheu-se o molde com a amostra de solo até 1 a 2 cm acima do topo do molde e retirou-se o excesso. Em seguida, colocou-se o disco-base da sobrecarga sobre a superfície da amostra de solo e girou-o levemente algumas vezes, de forma que ele tenha ficado firme e uniformemente em contato com a superficie do material. Fixou-

46 46 se o molde à mesa vibratória e o tubo guia ao molde, tendo-se garantido previamente que as paredes internas destes estavam alinhadas. Depois, assentou-se a sobrecarga correspondente sobre o disco-base e o solo ficou sobre vibração por um minuto. Após a vibração, o cilindro foi pesado. Tanto para determinar o índice de vazio máximo, quanto para determinar o índice de vazio mínimo, foram feitos três ensaios em cada, e retirado a média Ensaios de Caracterização Mecânica Ensaios de Compactação Proctor Standard Os ensaios de compactação foram realizados para o solo argiloso e misturas solo- EPS, com o objetivo de determinar a umidade ótima de compactação (w ótm ) e o peso específico aparente seco máximo (γ dmáx ) do solo e das misturas. Os ensaios foram realizados segundo as diretrizes da norma NBR 7182 da ABNT, utilizando-se a energia de compactação Proctor Normal e com reuso de material. Após secagem do solo em estufa a uma temperatura de 60 C, iniciou-se o processo de destorroamento deste, passando-o posteriormente pela peneira #4, adotando-se o procedimento descrito pela norma NBR 6457 (ABNT, 1986) - preparação com secagem prévia até a umidade higroscópica. Em seguida, adicionou-se uma determinada quantidade de água ao material, a fim de que este ficasse com cerca de 5% de umidade abaixo da umidade ótima. Este valor pode ser estimado inicialmente através do limite de plasticidade, cujo valor pode se aproximar ao da umidade ótima. Após mistura do solo argiloso (puro e com as diversas porcentagens de EPS) com o volume de água calculado, homogeneizou-se bem o material. Com as misturas preparadas, colocou-se o material dentro do molde cilíndrico pequeno (cilindro Proctor), de dimensões 10 cm x 12,7 cm (diâmetro x altura). Aplicouse 26 golpes com um soquete pequeno, de peso igual a 2,5 kg, o qual se deixa cair na camada de solo a uma altura de 30,5 cm aproximadamente. As porções de solo compactadas devem ocupar cerca de 1/3 da altura total do molde (compactação em três camadas). A fim de se obter uma boa aderência entre as camadas compactadas, escarificou-se bem cada uma delas antes de se compactar a camada sobrejacente. Em geral, depois de completar as três camadas, atinge-se uma altura maior do que a do

47 47 molde, o que ocorre devido à utilização de um anel complementar, que garante a altura total necessária. Este excesso é removido no final do ensaio, acertando-se o volume de solo em relação à altura do molde. Concluído o processo de compactação, o cilindro é pesado juntamente com o solo. Com o peso total do corpo de prova e o volume do cilindro, é possível calcular seu peso específico úmido. Através da retirada de três amostras do interior do corpo de prova (em sua parte média), determina-se sua umidade média após secagem em estufa. Calcula-se, então, o peso específico seco do material. Terminado todo o procedimento, um novo corpo de prova é preparado com uma quantidade maior de água, aumentando-se a umidade da mistura em aproximadamente 2%. Assim, realiza-se uma nova compactação e obtém-se dessa forma um novo par de valores de umidade (w) e peso específico seco ( d ). Com todos os pontos obtidos, plota-se um gráfico de peso específico seco versus umidade, tendo-se então a curva de compactação. Os valores de w ótm e dmáx obtidos correspondem ao ponto máximo das curvas e foram utilizados para moldagem dos corpos de prova utilizados nos ensaios triaxiais CID. O procedimento completo 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. Ensaios Triaxiais CID Os ensaios triaxiais realizados neste trabalho são do tipo Consolidado Isotropicamente Drenado (CID). Os ensaios foram executados no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio. Descreve-se a seguir os equipamentos utilizados nestes ensaios, bem como as metodologias empregadas na preparação dos corpos de prova, processo de saturação e cisalhamento. Equipamento utilizado A prensa utilizada é da marca Wykeham-Ferrance, de velocidade de deslocamento controlada, com capacidade de 10 toneladas (Figura 3.9). O ajuste das velocidades de deslocamento do pistão é determinado mediante a seleção adequada de pares de engrenagens e a respectiva marcha (Ramírez, 2012).

48 48 A câmara triaxial empregada é própria para corpos de prova com diâmetro de 1,5. Essa câmara é feita de um material acrílico que suporta uma pressão confinante máxima de 1000 kpa (Ramírez, 2012). A célula de carga utilizada é do fabricante ELE International Ltd., com capacidade máxima de 5000 kn e exatidão de 0,1 kn. Para a obtenção dos deslocamentos foram utilizados LVDT s da marca Wykwham Farrance, com cursos de 25 mm e resolução de precisão de 0,01 mm. O transdutor usado na medida das pressões na câmara, no medidor de variação de volume e das poropressões são da marca Schaevitz, com variações de ± 2,0 kpa e capacidade máxima de 1700 kpa (Ramírez, 2012). As variações de volume são obtidas através de medidores de variação volumétrica (MVV), fabricados na PUC-Rio, segundo o modelo do Imperial College (Figura 3.10). A gravação dos dados, obtidos por intermédio dos transdutores, foi feita utilizando o sistema de aquisição de dados composto pelo hardware QuantumX de oito canais da empresa alemã HBM e pelo software CatmanEasy (Ramirez, 2012) (Figura 3.11). Com esses equipamentos mencionados foi possível realizar e monitorar, em tempo real, todas as etapas do ensaio.

49 49 Figura Prensa triaxial da marca Wykeham-Ferrance Figura Medidor de Variação de Volume tipo Imperial College. (a) (b) Figura (a) Software CatmanEasy; (b) Sistema de aquisição de dados (Ramirez, 2012).

50 50 Preparação dos corpos de prova do solo argiloso Para a confecção dos corpos de prova do solo argiloso puro e das misturas solo- EPS, inicialmente compactou-se um corpo cilíndrico na energia Proctor Normal, utilizando a umidade ótima e peso específico seco máximo obtido para o solo e para cada mistura (Figura 3.12). Figura Corpo cilíndrico compactado. Obtido o material compactado, o corpo de prova foi moldado utilizando um aparelho de fabricação própria do laboratório (Figura 3.13). De cada corpo compactado, retiram-se três pequenos corpos-de-prova, sendo assim obtém-se as mesmas condições para cada ensaio. As dimensões dos corpos de prova foram 7,82 cm de altura e 3,80 cm de diâmetro. Figura Corpo de prova após moldagem.

51 51 Conforme mencionado no item 3.1.4, o diâmetro das partículas ensaiadas apresentaram diâmetro em média de 1 mm. Ensaios foram realizados com pérolas de diâmetro de 3 mm porém não deu certo, devido a desintegração do corpo de prova (Figura 3.14). Figura Corpo de prova com pérolas de 3mm de diâmetro. Preparação dos corpos de prova do solo arenoso A confecção dos corpos de prova do solo arenoso puro e das misturas solo-eps foi feita por compactação diretamente num molde cilíndrico tripartido. Esta compactação foi realizada manualmente em oito camadas. Para a areia pura e misturas, a umidade e peso específico seco adotados foram de 10% e 1,63 g/cm 3, respectivamente. Estes valores correspondem a uma densidade relativa de 50% e índice de vazios de 0,63. A Figura 3.15 ilustra as etapas da montagem dos corpos de prova.

52 52 Montagem do corpo de prova arenoso 1 - A membrana é colocada na base onde os o-rings são inseridos para segurala. 2 - O molde tripartido é colocado sendo as três partes unidas por uma abraçadeira metálica. 3 - As juntas são vedadas por uma fita cinza. É vedado também dois dos três furos de acesso ao interior do molde. Os o-rings são colocados na parte superior do molde tripartido e a membrana é ajustada por cima. 4 - Uma mangueira é instalada para conectar o tripartido a bomba a fim de exercer sucção à membrana e colar esta contra as paredes do tripartido. 5 - Um papel filtro é colocado sobre a pedra porosa da base e o material vai sendo adicionado aos poucos, compactando ao todo oito camadas. 6 - Coloca-se o papel filtro, a pedra porosa e o cap na parte superior do corpo de prova. Em seguida, ajusta-se a membrana ao redor do cap e esta é fixada através dos o-rings. 7 - Todos os elementos que são utilizados para moldar o corpo de prova é desmontado e a membrana é acomodada cobrindo os o-rings da parte inferior. 8 - A câmara triaxial é colocada e ocorre o enchimento da câmara com água destilada. Figura Montagem do corpo de prova arenoso. Procedimento de saturação dos corpos de prova As técnicas de saturação utilizadas para os corpos de prova de argila, de areia e para suas respectivas misturas foram de saturação por percolação de água através da amostra e por contrapressão. No caso da percolação, a diferença da contrapressão entre o topo e a base do corpo de prova foi de 5 kpa, sendo que a água fluía da base para o topo do corpo de prova. Na saturação por contrapressão, a pressão confinante aplicada ao corpo de prova excedia a contrapressão em 10 kpa, onde o fluxo de água era permitido pelo topo e base.

53 53 Para verificar se o grau de saturação era satisfatório, calculava-se o parâmetro B de Skempton, sendo: Equação 1 onde: Δu: excesso de poropressão gerado, Δσ c : acréscimo de tensão confinante aplicado. Para as amostras constituídas de argila foram considerados aceitáveis valores de B maiores ou iguais a 0,95 enquanto que para os corpos de prova confeccionados com areia os valores de parâmetro B aceitáveis foram maiores ou iguais a 0,87. Além de medir o parâmetro B, era monitorada a quantidade de água que percolava através da amostra, considerando-se saturada quando se atingia um volume percolado de duas vezes o volume de vazios do corpo de prova. Adensamento e Cálculo do t 100 Atingida a saturação do corpo de prova, iniciava-se a fase de adensamento isotrópico. O adensamento durava, em média, 24 horas. Nesse tempo, os dados da variação de volume eram coletados. Com estes dados se traçava o gráfico variação volumétrica (ml) x raiz do tempo (min 0,5 ). Segundo a recomendação de Head (1986), prolongava-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 100 (min 0,5 ) no eixo das abscissas. Logo com o valor de t 100 (min) se calculava a velocidade de cisalhamento.

54 54 Cálculo da velocidade de cisalhamento e etapa decisalhamento no ensaio triaxial Como os ensaios triaxiais foram drenados, a expressão utilizada proposta por Head (1986) foi a seguinte: Equação 2 onde: ν: velocidade máxima de cisalhamento em mm/min, L: altura do corpo de prova em mm, ε f : deformação axial estimada na ruptura em %, t f : tempo mínimo de ruptura em minutos. O valor de t f para este tipo de ensaio triaxial (CID sem drenagem radial) é de 8,5 vezes o valor de t 100. Contudo, Head (1986) propõe um valor mínimo para t f de 120 min. O objetivo de definir uma velocidade suficientemente lenta para a aplicação da compressão axial é permitir a total drenagem da água do corpo de prova sem gerar excesso de poropressão. Todos os valores obtidos de t f para os corpos de prova de solo argiloso, de areia e das misturas, foram menores que 120 minutos. Portanto, adotou-se t f = 120 minutos. Assim, definiu-se que a ruptura ocorreria para uma deformação axial de 5% e dessa maneira a velocidade máxima (ν) calculada foi a mesma para todos os ensaios (0,033 mm/min), sendo a velocidade adotada igual a 0,030 mm/min. Com a velocidade de cisalhamento definida, o passo seguinte era a colocar um par de engrenagens na prensa, que define a velocidade desejada. Para os cálculos foi adotado 18% de deformação axial como deformação máxima no caso do solo argiloso e 17% no caso do solo arenoso. Para os ensaios triaxiais, as 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

55 55 espaço Mohr Coulomb (φ c ). As formulações de Lambe e os parâmetros que são apresentados nos gráficos dos resultados definem-se como: Equação 3 Equação 4 Equação 5 Equação 6 Onde: α : inclinação da envoltória de resistência no espaço p :q. 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). Ensaios de Cisalhamento Direto Os ensaios de cisalhamento direto foram realizados com a bentonita e com as misturas solo-eps, com objetivo de determinar a resistência ao cisalhamento do solo. Essa resistência é obtida através da obtenção dos parâmetros coesão (c) e ângulo de atrito (ϕ). Estes ensaios foram realizados segundo os métodos descritos pela norma ASTM D 3080/2004. A seguir será descrito o método de preparação utilizado para a bentonita. Para confecção dos corpos de prova da bentonita e misturas desta com os diversos teores de pérolas de EPS, a compactação do material foi realizada diretamente na caixa de cisalhamento e de forma manual. As amostras de bentonita foram preparadas com 170% de umidade, que corresponde a um índice de vazios de 4,93. Para garantir que o material ficasse com todas as propriedades adequadas, calculou-se a quantidade certa de material seco que deveria ser adicionado à caixa de cisalhamento, realizando-se em seguida a mistura com

56 56 a quantidade de água e posteriormente com as porcentagens de EPS definidas. Com o auxílio de um gabarito, foi possível ajustar a altura adequada do material no equipamento. A Figura 3.16 apresenta um corpo de prova solo-eps moldado a partir do procedimento explicado anteriormente. Figura Corpo de prova Bentonita-EPS. Para realização do ensaio, o corpo de prova foi colocado na caixa de cisalhamento metálica. A caixa é dividida horizontalmente em duas metades e a força normal é aplicada a partir do topo da caixa de cisalhamento no corpo de prova. A força de cisalhamento é aplicada movendo-se uma metade da caixa em relação à outra para provocar a ruptura. As caixas superior e inferior são distanciadas de 5,0 mm antes de se dar inicio à fase de cisalhamento do ensaio, para que possa haver o deslocamento relativo entre elas. Acima e abaixo do corpo de prova são colocadas placas ranhuradas, que fornecem atrito ao solo impedindo que este deslize quando aplicada a força horizontal, papéis filtro, para impedir o carreamento de partículas, e pedras porosas, para que a drenagem possa ocorrer livremente, estando o corpo de prova completo ou parcialmente saturado. O ensaio de cisalhamento direto realizado ocorreu com o controle da deformação, onde uma taxa constante de deslocamento cisalhante é aplicada na metade superior da caixa por um motor que atua por meio de engrenagens a uma velocidade determinada por um fator que vai de acordo com a carga aplicada verticalmente. Essa velocidade é calculada através dos dados da fase inicial do ensaio, chamada fase de adensamento, onde o corpo de prova é submetido somente à tensão vertical, e mede-se a variação de altura com o tempo, até que esta se estabilize. Através de um gráfico de deslocamento vertical versus raiz do tempo (t), obtém-se o valor de

57 57 t 100, correspondente a 100% do adensamento, e calcula-se a velocidade a ser adotada na fase de cisalhamento. O tempo de adensamento foi estipulado em 24 horas. Na fase de cisalhamento, a ruptura sofrida pelo corpo de prova ocorre ao longo do plano de divisão da caixa. O deslocamento horizontal da metade superior da caixa é medido por um LVDT (Linear Variable Differential Transformer ) horizontal, que funciona como um sensor para medição de deslocamento linear. As variações da altura do corpo de prova, ou seja, as variações do volume do mesmo ao longo do ensaio são obtidas através das leituras no LVDT vertical. O anel de carga mede a força horizontal variável à qual o corpo de prova está sendo submetido. Os ensaios foram repetidos em corpos de prova similares, para cada solo e mistura. Adotou-se os valores de 50, 100 e 300 kpa para as tensões normais aplicadas. Através do gráfico da Tensão Cisalhante Máxima, que indica o momento da ruptura, versus Tensão Normal, pré-definida, determinam-se as envoltórias de ruptura e os parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo. A Figura 3.17 ilustra o equipamento de cisalhamento direto utilizado na presente pesquisa. Figura Prensa de cisalhamento direto.

58 4 Resultados e Análises Neste capítulo são apresentados os resultados e as análises dos ensaios descritos no capítulo 3 para as amostras dos três tipos de solo e misturas solo-eps. Inicialmente serão expostos e analisados os resultados realizados em argila e logo após, os ensaios executados em areia e na bentonita, todos para a avaliação do comportamento mecânico dos materiais citados reforçados e não reforçados com EPS. Esses ensaios têm o objetivo de melhorar a compreensão do comportamento do material em estudo Ensaios de Caracterização Física Solo Argiloso A caracterização física do solo argiloso utilizado no presente estudo foi obtida por Ramírez (2012), que utilizou este em sua pesquisa. Peso Específico (Gs) O valor do Gs para o solo argiloso foi obtido através da média aritmética de quatro determinações, sendo que a variação máxima foi de 1,1 %. O valor do Gs foi 2,72. Análise Granulométrica Na Figura 4.1 é apresentada a curva granulométrica obtida para o solo puro. Segundo Ramírez (2012), o ensaio de análise granulométrica do solo argiloso forneceu um comportamento comparável com o obtido em pesquisas precedentes. Assim, para amostras situadas em profundidades parecidas as porcentagens de material passantes na peneira #200 e retidas nesta, são similares.

59 59 Figura Distribuição granulométrica do solo argiloso (Ramírez, 2012). Limites de Atterberg A partir dos resultados obtidos no laboratório, tem-se que o Limite de Liquidez do solo argiloso é igual a 53% e o Limite de Plasticidade igual a 39%, resultando em um Índice de Plasticidade (IP = LL LP), igual a 14%. De acordo com o Sistema Unificado de Classificação dos Solos (SUCS), o solo em estudo é classificado como CH, correspondendo a uma argila arenosa de média plasticidade Solo Arenoso Índices Físicos Este material caracteriza-se por ser uma areia média, limpa e mal-graduada. Durante a caracterização do material não se observou a presença de matéria orgânica. Os índices físicos do material são apresentados na Tabela 4.1.

60 60 Tabela Índices físicos do solo arenoso. Índices Físicos Solo Arenoso Densidade real dos grãos (Gs) 2,65 Coeficiente de uniformidade (Cu) 1,9 Coeficiente de curvatura (Cc) 1,0 Diâmetro efetivo (D10) 0,33 mm Diâmetro médio (D50) 0,58 mm Índice de vazios (emínimo) 0,51 Índice de vazios (emáximo) 0,74 Análise Granulométrica Na Figura 4.2 é apresentada a curva granulométrica obtida para a areia. De acordo com o Sistema Unificado de Classificação dos Solos (SUCS), as areias com menos de 5% de finos, apresentando Cu < 6 e 1 < Cc < 3, como o material em questão, são classificadas como SP. Dessa maneira, se trata então de uma areia mal-graduada. Figura Curva granulométrica do solo arenoso.

61 Bentonita Peso Específico (Gs) O valor do Gs para a bentonita foi obtido através da média aritmética de quatro determinações, sendo que a variação máxima foi de 1,1 %. O valor do Gs encontrado foi 2,90. Análise Granulométrica A curva granulométrica da bentonita, obtida através de ensaios de sedimentação, está apresentada na Figura 4.3. Figura Distribuição granulométrica da bentonita. Limites de Atterberg A partir dos resultados obtidos no laboratório, tem-se que o Limite de Liquidez da bentonita é igual a 368,4% e o Limite de Plasticidade igual a 53,7%, resultando em um Índice de Plasticidade igual a 314,7%.

62 Massa Específica seca (g/cm3) Ensaios de Caracterização Mecânica Solo Argiloso Ensaios de Compactação Proctor Normal Na Figura 4.4 é apresentada as curvas de compactação Proctor Normal obtidas para o solo argiloso e misturas. A partir do gráfico, observa-se que a inserção das pérolas de EPS diminui a massa específica seca máxima do material, e que este valor decresce à medida que o teor de EPS aumenta. A umidade ótima possui o mesmo comportamento. 1,70 1,60 1,50 1,40 1,30 1,20 1,10 1, Umidade (%) S100 S99,75/EPS0,25 S99,50/EPS0,50 S99,25/EPS0,75 S99/EPS1 Figura Curvas de compactação Proctor Normal do solo argiloso e misturas. Na Tabela 4.2 é apresentado um resumo dos valores de umidade ótima e massa específica seca máxima para o solo argiloso e misturas, determinados através da análise do gráfico.

63 63 Tabela Resultados dos ensaios de compactação Proctor Normal para o solo argiloso e misturas. Material/Mistura Umidade ótima (%) Massa Específica Seca Máxima (g/cm 3 ) S100 26,2 1,58 S99,75/EPS0,25 26,0 1,49 S99,50/EPS0,50 26,0 1,47 S99,25/EPS0,75 24,5 1,44 S99/EPS1 24,5 1,40 O mesmo solo argiloso já foi estudado em outras pesquisas, por exemplo, Beneveli (2002), na qual seu comportamento submetido ao ensaio de Compactação Proctor Normal apresentou resultado similar ao apresentado neste trabalho. Ensaios Triaxiais CID Os resultados dos ensaios triaxiais CID, em compressão axial, realizados em amostras de solo argiloso e misturas solo-eps serão apresentados nesse item. As misturas possuíram teores de pérolas de EPS de 0,25% 0,50%, 0,75% e 1%, em relação ao peso do solo seco, e as tensões efetivas que foram aplicadas em todos os casos são 50, 150 e 300 kpa. As trajetórias, envoltórias de resistência e os parâmetros de resistência ao cisalhamento, assim como uma análise da influência do teor de pérolas de EPS no comportamento das amostras durante o cisalhamento, serão apresentadas nesse item.

64 εv (%) σv (kpa) 64 Comportamento Tensão Desviadora e Variação Volumétrica versus Deformação Axial Na Figura 4.5 estão apresentadas as curvas tensão desviadora (σ v ) e variação volumétrica (ε v ) versus deformação axial (ε a ), correspondentes aos ensaios do tipo CID, para a matriz de solo argiloso, nas tensões confinantes efetivas de 50, 150 e 300 kpa S εa (%) 50 kpa 150 kpa 300 kpa S εa (%) 50 kpa 150 kpa 300 kpa Figura Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para o solo argiloso em ensaios triaxiais.

65 εv (%) σv (kpa) 65 Na Figura 4.6 estão apresentadas as curvas tensão desviadora (σ v ) e variação volumétrica (εv) versus deformação axial (εa), correspondentes aos ensaios do tipo CID, para a mistura S99,75/EPS0,25 nas tensões confinantes efetivas de 50, 150 e 300 kpa S99,75/EPS0, εa (%) 50 kpa 150 kpa 300 kpa S99,75/EPS0, εa (%) 50 kpa 150 kpa 300 kpa Figura Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a mistura S99,75/EPS0,25 em ensaios triaxiais.

66 εv (%) σv (kpa) 66 Na Figura 4.7 estão apresentadas as curvas tensão desviadora (σv) e variação volumétrica (εv) versus deformação axial (εa), correspondentes aos ensaios do tipo CID, para a mistura S99,50/EPS0,50 nas tensões confinantes efetivas de 50, 150 e 300 kpa S99,50/EPS0, εa (%) 50kPa 150 kpa 300 kpa S99,50/EPS0, εa (%) 50kPa 150 kpa 300 kpa Figura Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a mistura S99,50/EPS0,50 em ensaios triaxiais.

67 εv (%) σv (kpa) 67 Na Figura 4.8 estão apresentadas as curvas tensão desviadora (σv) e variação volumétrica (εv) versus deformação axial (εa), correspondentes aos ensaios do tipo CID, para a mistura S99,25/EPS0,75 nas tensões confinantes efetivas de 50, 150 e 300 kpa S99,25/EPS0, εa (%) kpa 150 kpa 300 kpa S99,25/EPS0, εa (%) 50 kpa 150 kpa 300 kpa Figura Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a mistura S99,25/EPS0,75 em ensaios triaxiais.

68 εv (%) σv (kpa) 68 Na Figura 4.9 estão apresentadas as curvas tensão desviadora (σv) e variação volumétrica (εv) versus deformação axial (εa), correspondentes aos ensaios do tipo CID, para a mistura S99/EPS1 nas tensões confinantes efetivas de 50, 150 e 300 kpa S99/EPS εa (%) 50 kpa 150 kpa 300 kpa 2 1 S99/EPS εa (%) 50 kpa 150 kpa 300 kpa Figura Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a mistura S99/EPS1 em ensaios triaxiais.

69 εv (%) σv (kpa) 69 Influência do Teor de Pérolas de EPS Neste item são apresentadas as curvas de tensão desviadora e variação volumétrica versus deformação axial do solo puro e das misturas, correspondentes aos ensaios do tipo CID em compressão axial, nas tensões confinantes efetivas de 50, 150 e 300 kpa, sendo que agora é feita uma comparação em relação ao teor de pérolas de EPS. Dessa maneira, serão apresentadas as curvas do solo puro com cada tipo de mistura. Na Figura 4.10 estão apresentadas as curvas da tensão desviadora e variação volumétrica versus deformação axial para as amostras de solo argiloso (S100) e mistura S99,75/EPS0, εa (%) S kpa S kpa S kpa S99,75/EPS0,25 50 kpa S99,75/EPS0, kpa S99,75/EPS0, kpa εa (%) S kpa S kpa S kpa S99,75/EPS0,25 50 kpa S99,75/EPS0, kpa S99,75/EPS0, kpa Figura Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial das amostras S100 e S99,75/EPS0,25 em ensaios triaxiais.

70 70 Nota-se que para a tensão confinante de 50 kpa, o corpo de prova de solo puro (S100) apresenta o comportamento semelhante ao da mistura S99,75/EPS0,25, porém o solo puro possui maior resistência ao cisalhamento para deformações axiais similares. O mesmo comportamento é observado para as tensões confinantes efetivas de 150 e 300 kpa, porém observa-se que à medida que a tensão confinante aumenta, a diferença entre os valores das resistências do solo puro e da mistura fica maior. Assim, para a mistura de S99,75/EPS0,25, conclui-se que tensões confinantes efetivas mais baixas apresentam os valores de resistência mais próximo ao solo puro. Com relação à variação de volume do corpo de prova de solo puro, na tensão de 50 kpa, nota-se uma compressão inicial seguida de uma expansão em 8 mm de deformação axial, enquanto que no caso da mistura S99,75/EPS0,25, a expansão foi retardada em relação ao solo puro. Para tensões maiores, observa-se que após a compressão os corpos de prova tendem a uma estabilização. Na tensão de 150 kpa, os corpos de prova S100 e S99,75/EPS0,25 apresentaram maior compressão, onde a estabilização do corpo de prova puro ficou similar ao do mesmo corpo de prova na tensão de 300 kpa.

71 εv (%) σv (kpa) 71 Na Figura 4.11 estão apresentadas as curvas da tensão desviadora e variação volumétrica versus deformação axial para as amostras de solo argiloso (S100) e mistura S99,50/EPS0, εa (%) S kpa S kpa S kpa S99,50/EPS0,50 50 kpa S99,50/EPS0, kpa S99,50/EPS0, kpa εa (%) S kpa S kpa S kpa S99,50/EPS0,50 50 kpa S99,50/EPS0, kpa S99,50/EPS0, kpa Figura Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial das amostras S100 e S99,50/EPS0,50 em ensaios triaxiais.

72 72 Para a tensão confinante de 50 kpa, o corpo de prova de solo puro apresenta valores de resistência ao cisalhamento ligeiramente maior do que a mistura S99,50/EPS0,50 até a deformação axial de 6%. Após essa deformação, os valores da tensão cisalhante para o dois materiais ficam iguais, onde na deformação axial de aproximadamente 10%, a mistura S99,50/EPS0,50 apresenta o comportamento melhor em relação à resistência. Na tensão confinante de 150 kpa, para os mesmos valores de deformação axial, o solo puro apresentou maior resistência ao cisalhamento. O mesmo comportamento é observado para a tensão confinante de 300 kpa. Da mesma maneira que ocorreu na mistura S99,75/EPS0,25 para as tensões de 150 e 300 kpa, quanto maior a tensão confinante, maior é a diferença entre a resistência cisalhamento para a mesma deformação axial dos materias, com valores maiores para o solo sem a adição das pérolas de EPS. Além disso, para a mistura de S99,50/EPS0,50 na tensão confinante de 300 kpa, a resistência de pico da mistura ocorreu para uma deformação axial maior. Para a mistura S99,50/EPS0,50, em relação à variação volumétrica, foi observado o mesmo comportamento do que na mistura S99,75/EPS0,25 uma vez que para a tensão de 50 kpa se observa uma compressão inicial seguida de uma expansão. Essa expansão foi retardada em relação ao solo puro, porém ocorreu anterior a mistura S99,75/EPS0,25. Nas tensões de 150 kpa, os dois materiais apresentaram comportamento bem similar, porém no caso da tensão de 300 kpa a mistura apresentou uma menor compressão em relação ao solo puro. Na Figura 4.12 estão apresentadas as curvas da tensão desviadora e variação volumétrica versus deformação axial para as amostras de solo argiloso (S100) e mistura S99,25/EPS0,75.

73 εv (%) σv (kpa) εa (%) S kpa S kpa S kpa S99,25/EPS0,75 50 kpa S99,25/EPS0, kpa S99,25/EPS0, kpa εa (%) S kpa S kpa S kpa S99,25/EPS0,75 50 kpa S99,25/EPS0, kpa S99,25/EPS0, kpa Figura Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial das amostras S100 e S99,25/EPS0,75 em ensaios triaxiais. Para a mistura S99,25/EPS0,75, na tensão confinante de 50 kpa, o solo puro apresenta melhor comportamento até a deformação axial de 11%. A partir dessa deformação, os dois materiais apresentam o mesmo valor de tensão para uma mesma deformação. Após a deformação de 14,5% a mistura apresenta valores mais elevados do que o solo argiloso puro para a mesma deformação. Na tensão confinante de 150 e 300 kpa, o solo puro apresenta melhor comportamento em relação a mistura S99,25/EPS0,75 para as mesmas deformações

74 εv (%) σv (kpa) 74 axiais, porém a resistência de pico da mistura ocorre para uma deformação axial maior. Esse mesmo comportamento foi observado para a tensão confinante de 150 kpa. Com relação à variação de volume dos corpos de prova, a mistura S99,25/EPS0,75 apresenta comportamento similar ao das outras misturas citadas anteriormente, porém nesse caso a mistura S99,25/EPS0,75 na tensão de 300 kpa apresenta maior compressão, diferente do que ocorreu nos casos anteriores. Na Figura 4.13 estão apresentadas as curvas da tensão desviadora e variação volumétrica versus deformação axial para as amostras de solo argiloso (S100) e mistura S99/EPS εa (%) S kpa S kpa S kpa S99/EPS1 50 kpa S99/EPS1 150 kpa S99/EPS1 300 kpa εa (%) S kpa S kpa S kpa S99/EPS1 50 kpa S99/EPS1 150 kpa S99/EPS1 300 kpa Figura Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial das amostras S100 e S99/EPS1 em ensaios triaxiais.

75 75 Na tensão confinante de 50kPa, o solo puro apresentou melhor comportamento em relação à resistência do que mistura S99/EPS1. Nas tensões confinantes de 150 e 300 kpa, observa-se que a resistência de pico para ambas as tensões na mistura S99/EPS1 ocorreu para deformações maiores do que para o solo puro e a resistência residual ficou similar para os dois materiais. No gráfico da deformação volumétrica versus deformação axial, observa-se que com a adição de 1% de EPS na tensão de 50 kpa, a expansão é retardada em relação do solo puro. Em tensões maiores, o corpo de prova comprime mais, sendo que o corpo de prova puro apresentou maior compressão em relação a mistura para essas tensões. A partir dos gráficos anteriores pode-se observar que a adição das pérolas de EPS no solo argiloso coluvionar apresenta melhores resultados para baixas tensões de confinamento. Para altas tensões de confinamento, apesar do resultado ter sido melhor para o solo puro, existe um certo paralelismo nas curvas com EPS, as quais não apresentam um pico e sim um aumento progressivo de resistência. Dessa maneira, para grandes deformações, as quais não foi possível alcançar nos ensaios triaxiais realizados, pode ser que a resistência da mistura solo-eps ultrapasse a do solo puro. Envoltórias e Parâmetros de Resistência ao Cisalhamento Nas Figuras 4.14, 4.15, 4.16, 4.17 e 4.18 estão ilustradas, respectivamente, as envoltórias e parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo argiloso e das misturas S99,75/EPS0,25, S99,50/EPS0,50, S99,25/EPS0,75 e S99/EPS1. Na Figura 4.19 é apresentado um comparativo das envoltórias do solo puro e das quatro misturas. As envoltórias estão plotadas no espaço p :q.

76 q (kpa) q (kpa) S100 c = 25,0 kpa ϕ = 29,1⁰ p (kpa) kpa 150 kpa 300 kpa Figura Envoltória e parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo argiloso S S99,75/EPS0,25 c = 30,0 kpa ϕ = 25,5⁰ p (kpa) kpa 150 kpa 300 kpa Figura Envoltória e parâmetros de resistência ao cisalhamento da mistura S99,75/EPS0,25.

77 q (kpa) q (kpa) S99,50/EPS0,50 c = 40,0 kpa ϕ = 25,0⁰ p (kpa) 50 kpa 150 kpa 300 kpa Figura Envoltória e parâmetros de resistência ao cisalhamento da mistura S99,50/EPS0, S99,25/EPS0,75 c = 35,0 kpa ϕ = 26,6⁰ p (kpa) kpa 150 kpa 300 kpa Figura Envoltória e parâmetros de resistência ao cisalhamento da mistura S99,25/EPS0,75.