RESISTÊNCIA AO ARRANCAMENTO DE GRAMPOS COM FIBRAS DE POLIPROPILENO. Marcelo Aldaher Magalhães

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1 RESISTÊNCIA AO ARRANCAMENTO DE GRAMPOS COM FIBRAS DE POLIPROPILENO Marcelo Aldaher Magalhães DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA CIVIL. Aprovada por: Prof. Anna Laura Lopes da Silva Nunes, Ph. D. Prof. Alberto Sampaio Ferraz Jardim Sayão, Ph. D. Prof. Nilo César Consoli, Ph. D. Prof. Willy Alvarenga Lacerda, Ph. D. RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL SETEMBRO DE 2005

2 MAGALHÃES, MARCELO ALDAHER Resistência ao Arrancamento de Grampos com Fibras de Polipropileno [Rio de Janeiro] 2005 XV, 124 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M.Sc., Engenharia Civil, 2005) Dissertação - Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE 1. Resistência de Grampos com Fibras I. COPPE/UFRJ II. Título ( série ) ii

3 Dedico este trabalho aos meus pais Ricardo Maurício e Astir e aos meus irmãos Rodrigo e Andréa pelo amor e incentivo iii

4 AGRADECIMENTOS No momento em que o presente trabalho chega à sua etapa final não poderia deixar de agradecer à pessoas e instituições que, de uma forma ou de outra, auxiliaram-me ou deram sua contribuição em alguma fase do mesmo. À Prof. Anna Laura Lopes da Silva Nunes e ao Prof. Alberto Sampaio Ferraz Jardim Sayão pela constante dedicação, zelo e competência demonstrados ao longo da orientação do trabalho. Meus sinceros agradecimentos pela amizade, paciência e apoio em todos os momentos. A todo o corpo técnico do Laboratório de Estruturas da COPPE/UFRJ, em especial ao Júlio, pelo auxílio na moldagem e retificação dos corpos de prova. Ao Prof. Romildo Dias Tôledo Filho por permitir que eu utilizasse a infra-estrutura do Laboratório; a todos vocês meu muito obrigado. Ao meu grande amigo Alexander Magno Borges pela ajuda nos ensaios de campo e na interpretação da geologia. Aos amigos Thiago Proto, Alexandre Saré e Fernanda Otto Springer da PUC-Rio pela amizade e pelo inestimável auxílio nos ensaios de campo e laboratório. Com chuva ou com sol, vocês não conheciam tempo ruim e estavam sempre prontos para me ajudar nos experimentos. A vocês meus sinceros agradecimentos. À Empresa SEEL (Serviços Especiais de Engenharia LTDA), e em especial ao engenheiro Paulo Henrique Dias, por disponibilizar a área experimental para os ensaios de campo. Por todo o suporte e instrumental necessários; pelos conselhos em toda a fase do trabalho, sou muito grato. À empresa Ober/S.A pelo fornecimento da fibra de polipropileno utilizada na pesquisa. À Capes, à FAPERJ e ao PEC/UFRJ pelo auxílio financeiro. iv

5 Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.) RESISTÊNCIA AO ARRANCAMENTO DE GRAMPOS COM FIBRAS DE POLIPROPILENO Marcelo Aldaher Magalhães Setembro/2005 Orientadores: Anna Laura Lopes da Silva Nunes Alberto Sampaio Ferraz Jardim Sayão Programa: Engenharia Civil Este trabalho tem por objetivo estudar a viabilidade do emprego de grampos não convencionais, reforçados com fibras de polipropileno na técnica de contenção conhecida como solo grampeado. Propõe-se que os grampos, convencionalmente executados com barras de aço e nata de cimento, sejam substituídos por uma mistura de argamassa com fibras de polipropileno, o que pode representar uma grande economia de recursos. Para atestar esta viabilidade, foram realizados ensaios de arrancamento em grampos moldados em cotas distintas do talude de uma obra de solo grampeado, situada no município de Niterói, RJ. No laboratório foram executados ensaios de compressão uniaxial e diametral em corpos de prova moldados com fibras e com nata de cimento, para determinação dos parâmetros de resistência e de deformabilidade do material compósito. Os ensaios de arrancamento indicaram uma resistência de pico inferior para os grampos com fibras quando comparados aos grampos convencionais. Entretanto, os resultados de resistência ao arrancamento associados à melhoria das propriedades mecânicas no estado pós-pico do compósito estudado sugerem a viabilidade do uso de grampos com fibras de polipropileno para reforço de solos. v

6 Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.) PULL-OUT STRENGTH OF NAILS WITH POLYPROPYLENE FIBRES Marcelo Aldaher Magalhães September/2005 Advisors: Anna Laura Lopes da Silva Nunes Alberto Sampaio Ferraz Jardim Sayão Department: Civil Engineering This work aims at studying the viability of the use of unconventional nails reinforced with polypropylene fibres as a soil reinforcement technique known as soil nailing. It is proposed that the nails, currently executed with steel bars and cement paste, be substituted by a mortar mixture with polypropylene fibres, which could represent a great economy of resources. An experimental program has been carried out with field pull-out tests on nails in different elevations of a slope in a soil nailing site in the city of Niteroi, RJ. Laboratory uniaxial and diametral compression tests in fiber and cement paste specimens were also carried out for the determination of strength and deformability parameters of the composite material. The pull-out tests indicated a lower peak resistance for the fiber nails, when compared to the conventional ones. However, the results of pull-out strength together with the increase of the post peak mechanical properties of the fiber cement mixture suggest the viability of the use of the unconventional nails with polypropylene fibres for soil reinforcement applications. vi

7 SUMÁRIO Capítulo 1: Introdução : Importância da Pesquisa : Objetivo da Tese : Organização da Tese...3 Capítulo 2: Revisão Bibliográfica : Alguns Conceitos Básicos : Solo Grampeado : Breve Histórico do Uso da Técnica : Conceito : Aplicações : Vantagens e Desvantagens : Grampo Convencional : Características : Comportamento : Concreto Reforçado com Fibra : Tipos de Fibras Disponíveis : Aplicações : Comportamento do Material Compósito : Resistência à Compressão : Resistência à Tração : Vantagens e Desvantagens...41 vii

8 Capítulo 3: Área Experimental e Materiais Estudados : Descrição e Localização da Área de Ensaios : Grampos Estudados : Grampo Convencional : Grampo com Fibras de Polipropileno : Execução dos Grampos : Corpos de Prova de Laboratório...60 Capítulo 4: Programa Experimental de Laboratório : Ensaios de Compressão Uniaxial em Laboratório : Instrumentação das Amostras : Ensaios de Compressão Uniaxial : Ensaios de Compressão Diametral em Laboratório : Resultados dos Ensaios de Laboratório : Análises e Resultados dos Ensaios de Compressão Uniaxial : Análises e Resultados dos Ensaios de Compressão Diametral..76 Capítulo 5: Programa Experimental de Campo : Ensaios de Arrancamento dos Grampos no Campo : Exumação dos Grampos no Campo : Resultados dos Ensaios de Campo : Resistência ao Arrancamento dos Grampos Capítulo 6: Conclusões e Sugestões : Conclusões : Sugestões para Pesquisas Futuras Referências Bibliográficas Anexo viii

9 Anexo Anexo ix

10 LISTA DE FIGURAS Capítulo 2 Figura 2.1: Técnicas de execução de túneis com revestimento rígido e flexível (GEORIO, 2000)...9 Figura 2.2: Etapas de execução da estrutura em solo grampeado (ABRAMENTO et al., 1998)...10 Figura 2.3: Detalhe do dreno horizontal profundo (ABRAMENTO et al., 1998)...16 Figura 2.4: Detalhe do dreno tipo barbacã (ABRAMENTO et al., 1998)...17 Figura 2.5: Detalhe do dreno de paramento (ABRAMENTO et al., 1998)...17 Figura 2.6: Detalhe do grampo convencional e suas partes constituintes (ZIRLIS et al., 1999)...20 Figura 2.7: Mecanismo de transferência de carga em estruturas de solo grampeado...21 Figura 2.8: Disposição ideal entre a fibra e a fissura (VENDRUSCOLO, 2003)...34 Figura 2.9: Influência do tempo de cura na resistência à compressão do compósito (adapt. de HUGHES e FATTUHI, 1977)...39 Capítulo 3 Figura 3.1: Curva granulométrica da areia utilizada na argamassa do grampo com fibras...47 Figura 3.2: Detalhe das fibras de polipropileno...48 Figura 3.3: Detalhe da etapa de execução do furo para execução do grampo no talude...52 Figura 3.4: Disposição dos furos dos grampos Bateria Figura 3.5: Disposição dos furos dos grampos Bateria Figura 3.6: Face do talude com os furos dos grampos Bateria Figura 3.7: Misturador manual utilizado em campo...54 Figura 3.8: Bomba do tipo Hidrojet utilizada para injeção dos grampos...56 Figura 3.9: Esquema do grampo convencional...57 Figura 3.10: Disposição de centralizadores e luvas na barra do grampo convencional...57 Figura 3.11: Esquema do grampo com fibras de polipropileno...58 x

11 Figura 3.12: Disposição de centralizadores e luvas na barra do grampo com fibra...58 Figura 3.13: Sistema e reinjeção dos grampos...59 Figura 3.14: Barras de aço com espuma, espaçadores, luvas e mangueiras de reinjeção...60 Figura 3.15: Detalhe dos corpos de prova para ensaios de laboratório moldados em campo...62 Capítulo 4 Figura 4.1: Sistema utilizado para os ensaios de compressão uniaxial...66 Figura 4.2: Sistema do ensaio de compressão diametral...69 Figura 4.3: Curvas carga-deslocamento típicas dos corpos de prova com e sem fibras de polipropileno...71 Figura 4.4: Curvas carga-deslocamento típicas das amostras com e sem fibras em compressão diametral...76 Capítulo 5 Figura 5.1: Esquema dos componentes para o ensaio de arrancamento dos grampos...81 Figura 5.2: Montagem típica dos ensaios de arrancamento dos grampos...82 Figura 5.3: Suporte do extensômetro: (a) Esquema e (b) Detalhe...82 Figura 5.4: Escavação mecânica para exumação dos grampos...84 Figura 5.5: Curvas carga-deslocamento dos grampos convencional e com fibras Bateria Figura 5.6: Vista frontal do grampo P14, no contato solo residual jovem maduro...87 Figura 5.7: Histograma das cargas de arrancamento dos grampos Bateria Figura 5.8: Curvas carga-deslocamento dos grampos convencional e com fibras Bateria Figura 5.9: Vista do grampo com fibras P22 após a exumação...91 Figura 5.10: Vista do grampo com fibras P24 após a exumação...91 Figura 5.11: Histograma das cargas de arrancamento dos grampos Bateria Figura 5.12: Vista do grampo P21 após a exumação...93 Figura 5.13: Detalhe típico do grampo ilustrando a região sem fissuras...96 xi

12 Figura 5.14: Esquema do padrão de fissuração típico para os grampos com fibras...97 Figura 5.15: Detalhe da seção com fissuras do grampo P Figura 5.16: Perfil dos solos em contato com os grampos Bateria Figura 5.17: Distribuição de carga no grampo de polipropileno Hipótese Figura 5.18: Distribuição de carga no grampo de polipropileno Hipótese Figura 5.19: Curvas típicas carga-comprimento do grampo convencional (PROTO SILVA, 2005) Figura 5.20: Distribuição triangular de carga em grampo com fibras Figura 5.21: Distribuição uniforme de carga ao longo do grampo com fibras Anexo 1 Figura A 1: Mapa de locação dos furos de sondagem com identificação das áreas utilizadas para os ensaios de arrancamento Figura A 2: Boletim de sondagem típico da área experimental Anexo 2 Figura A 3: Detalhe do grampo P Figura A 4: Detalhe do grampo P Figura A 5: Detalhe do grampo P Figura A 6: Detalhe do grampo P Figura A 7: Detalhe do grampo P Anexo 3 Figura A 8: Ensaios de compressão uniaxial em corpos de prova de cimento Figura A 9: Ensaios de compressão uniaxial em corpos de prova com fibras Figura A 10: Ensaios de compressão diametral em corpos de prova de cimento Figura A 11: Ensaios de compressão diametral em corpos de prova com fibras parte I Figura A 12: Ensaios de compressão diametral em corpos de prova com fibras parte II xii

13 LISTA DE TABELAS Capítulo 3 Tabela 3.1: Características das fibras de polipropileno...48 Tabela 3.2: Traços adotados para os grampos convencionais e com fibras...54 Tabela 3.3: Seqüência específica de lançamento dos materiais dos grampos com e sem fibras...55 Capítulo 4 Tabela 4.1: Características dos corpos de prova para ensaios de compressão uniaxial..67 Tabela 4.2: Resultados dos ensaios de compressão uniaxial dos corpos de prova...71 Tabela 4.3: Resistência à tração indireta da nata de cimento e argamassa com fibras...77 Capítulo 5 Tabela 5.1: Grampos convencionais e com fibras de polipropileno ensaiados...80 Tabela 5.2: Resultados dos ensaios de arrancamento Bateria Tabela 5.3: Resultados dos ensaios de arrancamento Bateria Tabela 5.4: Comparação entre abertura de trinca e deslocamentos máximos dos grampos Bateria Tabela 5.5: Comprimento sem fissuras na ponta dos grampos com fibras Bateria Tabela 5.6: Resumo da exumação dos grampos da bateria Tabela 5.7: Resistência ao arrancamento dos grampos Bateria Tabela 5.8: Resistência ao arrancamento dos grampos Bateria xiii

14 LISTA DE SÍMBOLOS A: Área da seção transversal do corpo de prova D: Diâmetro do corpo de prova/furo do grampo d: Diâmetro da fibra E: Módulo de Elasticidade ou Módulo de Young f a : Resistência de aderência entre a fibra e a matriz na ruptura f ck : Resistência característica à compressão do concreto F máx : Carga de ruptura para os ensaios de compressão diametral f t : Resistência à tração da fibra G s : Densidade real dos grãos H: Altura do corpo de prova para o ensaio de compressão uniaxial k: Rigidez do material k 1 : Rigidez do material no estado pré-pico da curva carga-deslocamento k 2 : Rigidez do material no estado pós-pico da curva carga-deslocamento L inj. : Comprimento do trecho injetado para o grampo convencional L c/barra : Comprimento do trecho injetado com barra do grampo com fibras L s/barra : Comprimento do trecho injetado sem barra do grampo com fibras L: Comprimento da região sem fissuras do grampo com fibras l: Comprimento da fibra Q sc : Taxa de carga de arrancamento por metro linear do grampo convencional Q sf : Taxa de carga de arrancamento por metro linear para o trecho injetado sem barra do grampo com fibras q s : Resistência de Arrancamento q sc : Resistência ao arrancamento para o grampo convencional q sf : Resistência ao arrancamento para o trecho injetado sem barra do grampo com fibras T m : Carga de arrancamento do grampo T res. : Carga residual do grampo T g.c. : Carga de arrancamento para o grampo convencional hipótese 1 T conv. : Parcela de carga a ser resistida pelo trecho injetado com barra do grampo com fibras hipótese 2 T s/barra : Parcela de carga a ser resistida pelo trecho injetado sem barra do grampo com fibras hipótese 2 xiv

15 t: Espessura do corpo de prova para o ensaio de compressão diametral δ m : Deslocamento do grampo correspondente à carga de ruptura δ res. : Deslocamento do grampo correspondente à carga residual ν: Coeficiente de Poisson σ p : Resistência de pico do material (tração ou compressão) σ c /σ cmáx : Resistência à compressão uniaxial σ cres. : Resistência residual para o corpo de prova no ensaio de compressão uniaxial σ t,b : Resistência à tração indireta (Ensaio Brasileiro) xv

16 CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO 1.1 IMPORTÂNCIA DA PESQUISA A estabilização de taludes e encostas tem sido ao longo dos anos motivo de grande preocupação para a comunidade geotécnica. Visto que os prejuízos e perdas causados com a deflagração de movimentos de massa, não raras vezes, são de valor incalculável, várias metodologias de análise têm sido propostas com o objetivo de avaliar o risco potencial dos taludes e propor soluções de contenção ou reforço. Um sistema de contenção tem como objetivo principal fornecer ao talude uma oposição à sua tendência natural de movimentação, a partir de uma superfície crítica de deslizamento, assegurando deste modo sua estabilidade. Um determinado tipo de estrutura de contenção é considerado como solução de engenharia quando se constata ser viável técnica e economicamente. Portanto, torna-se imperativa a adoção de técnicas que garantam as condições requeridas de estabilidade e que, ao mesmo tempo, sejam vantajosas do ponto de vista econômico. Com este objetivo, técnicas que prevêem o emprego de materiais alternativos têm sido estudadas nos centros de pesquisa tendo em vista a economia de recursos advinda da utilização de novos materiais quando comparados aos materiais convencionais. Uma das técnicas que tem merecido grande atenção, não apenas na geotecnia, mas também em outros ramos da engenharia, é o reforço através da inclusão de fibras naturais ou sintéticas. Esta técnica de reforço já vem sendo utilizada há muito tempo pela humanidade, como por exemplo, a utilização de fibras vegetais e mantas de raízes como elementos de reforço nos Zigurates, na Muralha da China, entre outras construções antigas. Mais recentemente porém, a técnica ganhou novo impulso a partir do avanço da engenharia e ciência de novos materiais poliméricos. 1

17 Quando inseridas no solo ou em qualquer outro material, como o concreto, as fibras são responsáveis por uma melhoria significativa nas propriedades mecânicas destes materiais, podendo-se citar, por exemplo, o aumento da resistência à compressão simples, tanto de pico quanto residual, ductilidade e tenacidade do material, entre outras. A pesquisa, portanto, se desenvolve no sentido de verificar a viabilidade do emprego de fibras de polipropileno em substituição às barras de aço utilizadas nos grampos convencionais da técnica de solo grampeado. 1.2 OBJETIVO DA TESE Este trabalho tem como objetivo geral estudar a viabilidade de utilização de grampos com fibras de polipropileno em substituição aos grampos convencionais para reforço de taludes de solo e rocha. Tais grampos são formados a partir de uma mistura de argamassa (cimento, água, areia e aditivo) reforçada com fibras de polipropileno. Para cumprir tal objetivo, um amplo programa experimental foi elaborado para se determinar as características de resistência e deformabilidade dos grampos não convencionais. Este programa experimental contemplou a realização de ensaios de campo e laboratório. Na etapa de laboratório, foram realizados ensaios de compressão uniaxial (simples) e compressão diametral em corpos de prova moldados com nata de cimento e argamassa com fibras de polipropileno nas mesmas proporções dos materiais utilizados nos grampos de campo. Esses ensaios tiveram como objetivo principal analisar e comparar o comportamento tensão-deformação das misturas com e sem fibras, além de determinar suas propriedades de resistência e deformabilidade. Na etapa de campo, foram realizados ensaios de arrancamento em grampos convencionais e com fibras moldados em uma área experimental situada em uma obra de solo grampeado no município de Niterói, RJ, com a meta principal de se avaliar a resistência ao arrancamento do reforço. Desta forma, a metodologia desenvolvida teve os seguintes objetivos: 2

18 Determinar e comparar a resistência ao arrancamento dos grampos convencionais e não convencionais; Estudar o comportamento carga-deslocamento do grampo reforçado com fibras de polipropileno; Comparar o comportamento carga-deslocamento do grampo com fibras com o do grampo convencional; Estudar o mecanismo de transferência de carga ao longo do grampo reforçado com fibras de polipropileno; Avaliar a influência do tipo de solo atravessado pelos grampos na resistência de arrancamento. 1.3 ORGANIZAÇÃO DA TESE A pesquisa está apresentada em mais cinco capítulos além deste capítulo introdutório (Capítulo 1), incluindo-se também as referências bibliográficas pesquisadas e anexos que se encontram ao final deste documento. No Capítulo 2 é feita uma revisão do estado da arte sobre o conceito da técnica de contenção conhecida como solo grampeado, bem como das condições em que ela pode ser aplicada, suas vantagens e desvantagens. A revisão discorre à respeito das características geométricas dos grampos convencionais, dos materiais constituintes e do seu comportamento. Ainda são apresentadas diversas aplicações do concreto reforçado com fibras, comentando-se as vantagens e desvantagens do emprego deste material compósito. Também são tecidas considerações sobre o comportamento tensãodeformação do material compósito correspondente ao concreto reforçado com fibras de polipropileno, dando ênfase especial às solicitações de tração. O Capítulo 3 apresenta a descrição e localização da área experimental utilizada na pesquisa para a realização dos ensaios de campo, além de introduzir os materiais utilizados nos grampos convencionais e com fibras de polipropileno e a metodologia de trabalho adotada para o desenvolvimento deste estudo tanto no campo quanto no laboratório. 3

19 No Capítulo 4 são descritos os procedimentos experimentais da pesquisa para os ensaios de laboratório. São apresentados os procedimentos empregados para a instrumentação dos corpos de prova e os métodos de ensaios de compressão uniaxial e diametral. Ao final do Capítulo, são apresentados e analisados os resultados dos ensaios de laboratório executados nos corpos de prova moldados com e sem fibras de polipropileno. O Capítulo 5 descreve os procedimentos experimentais para os ensaios de campo. São descritas as metodologias adotadas para a execução dos ensaios de arrancamento e para a exumação dos grampos. Ao final do Capítulo, são apresentados e analisados os resultados obtidos dos ensaios de arrancamento dos grampos no campo, incluindo-se as análises resultantes da exumação. Os comportamentos de resistência e deformabilidade dos grampos convencionais e com fibras são discutidos e comparados. No Capítulo 6 são apresentadas as conclusões da pesquisa e as sugestões para futuros trabalhos a serem desenvolvidos neste tema. Finalmente, este documento ainda apresenta 3 anexos; o primeiro com a planta da área de ensaios de campo e boletins de sondagem, o segundo ilustrando o padrão de fissuração apresentado pelos grampos não convencionais moldados na segunda bateria de ensaios de campo e o terceiro com os resultados dos ensaios de compressão uniaxial e diametral executados em laboratório. 4

20 CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Neste capítulo é feita uma revisão da bibliografia que trata dos assuntos de interesse da presente pesquisa. Ele se encontra dividido em três partes principais. Na primeira parte, são introduzidos alguns conceitos básicos que possibilitam uma melhor compreensão do trabalho. A segunda parte inicia-se com um breve histórico sobre o surgimento dos sistemas de contenção do tipo solo grampeado como alternativa frente aos sistemas convencionais de contenção de taludes e encostas, relatando-se casos de obras no Brasil e no exterior. Os conceitos e condições relacionados com a técnica, além das vantagens e desvantagens, são apresentados de forma resumida. É feita também menção especial aos elementos de reforço utilizados em obras convencionais em solo grampeado. Descrevem-se os aspectos do grampo, tais como sua geometria, os materiais que o compõem e o comportamento deste elemento frente às solicitações do maciço. Na terceira parte da revisão é apresentada uma breve definição de materiais compósitos à base de cimento reforçados com fibras (pastas de cimento, argamassas e concretos). São apresentados os vários tipos de fibras existentes no mercado com suas principais características e propriedades de engenharia. Casos onde as fibras são utilizadas como reforço para o concreto são relatados, mostrando a grande variedade de aplicações deste material compósito na prática da Engenharia Civil. Por fim, são apresentados resultados de ensaios realizados em laboratório por diversos pesquisadores que contribuem para uma maior compreensão do comportamento tensão-deformação do material compósito, principalmente sob solicitações de compressão e tração. Também são reportadas as vantagens e desvantagens advindas do uso deste material. 5

21 2.1 ALGUNS CONCEITOS BÁSICOS O melhor entendimento desta pesquisa exige a apresentação de alguns conceitos básicos, tais como: Material Compósito: É o material resultante da combinação de dois ou mais materiais diferentes, cujo objetivo é criar um material com melhores propriedades em comparação aos demais materiais constituintes. Resulta disso que as propriedades deste material não são encontradas em nenhum dos materiais que lhe deram origem. Material Compósito Fibroso: É aquele material compósito onde um dos materiais constituintes tem a forma de fibra (filamentos onde uma das dimensões é muito superior às demais). O material compósito é constituído de dois componentes principais: a matriz que ocupa a maior parte do volume total do compósito, e o reforço. No presente trabalho, a matriz é representada pela argamassa (cimento, água, areia e aditivo), enquanto as fibras de polipropileno são os elementos de reforço. Resistência de Pico (σ p ): É a tensão normal (de compressão ou tração) correspondente à carga de ruptura do material. Resistência ao Arrancamento (q s ): É a resistência que se desenvolve no contato entre o grampo e o solo circundante, devido ao atrito lateral e à adesão. Módulo de Elasticidade ou Módulo de Young (E): Relação entre a variação de tensão normal e a deformação longitudinal correspondente. 2.2 SOLO GRAMPEADO Neste item é feito um resumo geral sobre o avanço da utilização de sistemas de contenção em solo grampeado no Brasil e no mundo. São também apresentadas considerações sobre os procedimentos executivos correntemente adotados na construção de estruturas em solo grampeado, suas condições de aplicação, vantagens e desvantagens inerentes à técnica. 6

22 2.2.1 BREVE HISTÓRICO DO USO DA TÉCNICA A necessidade de promover a rápida estabilização de taludes teve sua origem nas escavações para exploração de minérios (ABRAMENTO et al., 1998). A partir da década de 50, houve um grande crescimento no emprego de ancoragens curtas para a estabilização de túneis na Europa. Em 1945 foi desenvolvido o método NATM (New Austrian Tunneling Method) para avanço de escavações de túneis em maciços rochosos. Sob efeito do peso e tensões confinantes do maciço, uma cavidade apresenta deformações, as quais são responsáveis pela conseqüente redução de seu diâmetro. Na circunvizinhança desta cavidade e no interior do maciço, desenvolve-se uma zona de plastificação do material. A estabilização desta cavidade é obtida através da aplicação de um revestimento flexível de concreto projetado, tela metálica e da inserção de elementos de reforço metálicos (chumbadores) curtos e radiais no interior da zona plástica formada pela abertura da escavação. Este revestimento é aplicado tão logo a escavação seja concluída. O revestimento assim executado fica, portanto, sujeito a cargas mais reduzidas, uma vez que o procedimento construtivo oferece maior liberdade ao maciço para se deformar até que os elementos de reforço sejam instalados. O método ganhou a aceitação dos profissionais e evoluiu para a aplicação em um túnel executado em maciço composto por uma camada de xisto grafítico argiloso (Túnel Massemberg), em Seguiram-se aplicações em solos pouco competentes, substituindo pesados escoramentos de madeira por finas camadas de concreto projetado e chumbadores (ABRAMENTO et al., 1998). Em 1970, Lizzi apresentou um sistema de contenção que visava estabilizar maciços de solo. Esta técnica contempla a utilização de chumbadores longos e não protendidos, executados com várias inclinações e fixados a vigas de concreto armado. Em 1972, na França, a ontenção foi utilizada pela primeira vez com o nome de sol cloué. A empresa Bouygues, em consórcio com a empresa Soletanche, aplicou a técnica 7

23 de solo grampeado para um talude ferroviário próximo à cidade de Versailles. Os maciços constituídos por arenitos apresentavam inclinações da ordem de 70 o. Várias obras foram executadas e a técnica se popularizou entre as soluções para fins de estabilização de taludes e escavações. Até o ano de 1986, cerca de m 2 haviam sido estabilizados. Diversos programas de pesquisa foram desenvolvidos na França, como os grupos CERMES da École National de Ponts et Chaussées e CEBTP (Centre d'études et de Recherches du Bâtiment et des Travaux Public), além de um programa nacional de estudos denominado Programme Clouterre. Na Alemanha Ocidental o desenvolvimento da técnica iniciou-se no ano de 1975 em associação da empresa Karl Bauer AG com a Universidade Karlsruhe e o Ministério de Pesquisa e Tecnologia. Esta associação consistiu em um programa que durou 4 anos e que teve por finalidade estudar 8 modelos experimentais em escala real. Nos Estados Unidos, o sistema foi empregado pela primeira vez em 1976 nas escavações para construção de um Hospital em Portland, Oregon. Cerca de m 2 de contenções em solo grampeado com alturas de até 18 m haviam sido executadas anteriormente no Canadá (ABRAMENTO et al., 1998). Um programa de pesquisas conduzido na Universidade da Califórnia (SHEN, 1981) teve como objetivo estudar o comportamento de estruturas grampeadas a partir da análise de resultados de ensaios em modelos instrumentados e em escala real. Até o final da década de 70, engenheiros realizaram seus trabalhos de forma independente sem que houvesse troca de informações entre eles. Em 1979, entretanto, graças à realização de um simpósio sobre a técnica de solo grampeado em Paris, abriuse espaço para o intercâmbio de idéias entre os profissionais, propiciando um grande desenvolvimento da compreensão dos mecanismos físicos envolvidos e grande impulso foi dado à adoção do grampeamento como solução de estabilização. No Brasil, muitas obras permanentes em solo grampeado já foram executadas. Em 1966, a empresa suíça radicada no Brasil "Ródio Perfurações e Consolidações" aplicou 8

24 concreto projetado e tela metálica com grampos para estabilizar taludes na área de reservatório da Barragem de Xavantes (ABRAMENTO et al., 1998). Em 1970, a empresa SABESP utilizou o reforço com chumbadores curtos, concreto projetado e tela metálica nos emboques de um dos túneis do Sistema Cantareira de abastecimento de água para a cidade de São Paulo. A partir de 1972, foram aplicadas contenções com chumbadores, perfurados e injetados com calda de cimento ou simplesmente cravados, e reticulados de microestacas nos túneis e taludes da Rodovia dos Imigrantes CONCEITO O solo grampeado é uma técnica bastante prática e eficiente para promover a estabilização de taludes e escavações através do reforço do solo in situ. Pode ser utilizada tanto provisoriamente como de forma permanente para o reforço de maciços. Seu conceito é semelhante ao da técnica de execução de túneis com suporte flexível (NATM), a qual permite a deformação do terreno (Figura 2.1), em contraposição ao modo tradicional de execução de túneis, onde as deformações do maciço são restringidas pela aplicação de um revestimento mais rígido (ORTIGÃO et al., 1993). Figura 2.1: Técnicas de execução de túneis com revestimento rígido e flexível (GEORIO, 2000). 9

25 Este sistema de contenção é composto por elementos de reforço constituídos por inclusões semi-rígidas (chumbadores) em um maciço de solo/rocha em corte em associação à aplicação de um revestimento na face do talude, o qual pode ser, por exemplo, o concreto projetado armado. Como qualquer sistema de contenção, conta ainda com um sistema de drenagem superficial e profunda. Os chumbadores têm a função de promover a estabilização geral do maciço, enquanto o revestimento de concreto projetado é responsável por garantir a estabilidade local, junto à face da estrutura (ZIRLIS et al., 1999). A drenagem sendo superficial e profunda, se encarrega de promover tanto a estabilização pontual, junto ao paramento da estrutura, quanto a estabilização geral do maciço. O procedimento de execução de grampeamento é simples consistindo de três etapas principais: escavação prévia de uma faixa de talude até determinada altura, execução dos grampos e jateamento da face com concreto projetado (Figura 2.2). Figura 2.2 Etapas de execução da estrutura em solo grampeado (ABRAMENTO et al., 1998). 10

26 A altura máxima a escavar em cada etapa depende da resistência do material a ser escavado e da inclinação da face acabada da estrutura. Segue-se daí a execução da primeira linha de grampos e posterior revestimento da face com concreto projetado. No caso de taludes já escavados ou encostas naturais, pode-se trabalhar de forma descendente ou ascendente, conforme a conveniência (KOCHEN, 2003). Simultaneamente ao avanço dos trabalhos, executa-se a drenagem com drenos subhorizontais profundos (DHP), drenagem junto ao paramento da estrutura (dreno de paramento), drenos pontuais e superficiais junto à face da estrutura (drenos do tipo barbacã), canaletas e descidas d'água de concreto armado. Os elementos de reforço são usualmente moldados in loco através das atividades de perfuração do talude com equipamento mecânico ou manual, até se atingir o comprimento dos grampos e fixação de haste metálica com injeção de calda de cimento sob pressão (ZIRLIS et al., 1999). Segundo ABRAMENTO et al. (1998), os grampos podem também ser instalados através de cravação de barras ou tubos de aço utilizando marteletes pneumáticos ou de forma manual. Entretanto esta técnica é de uso menos corrente no Brasil. O processo de instalação dos grampos por cravação é rápido, porém a resistência no contato sologrampo é baixa, sendo encontrados valores típicos da ordem de 30 a 40 kpa, em solos arenosos (GEORIO, 2000). O processo de execução por cravação ainda tem seu emprego limitado quando há a ocorrência de pedregulhos bem como solos muito competentes como os saprolitos de granito e gnaisse. A técnica de uso mais corrente na prática da execução do solo grampeado é a instalação de barras metálicas dentro de perfurações feitas no talude a ser reforçado. Ela é semelhante à execução de ancoragens de barra, onde se perfura o terreno com diâmetros de furo variando entre 50 a 100 mm, seguindo-se de introdução de uma barra de aço e injeção de nata de cimento com pressões baixas, inferiores a 100 kpa. As perfurações são normalmente executadas por equipamentos leves, pesando menos de 10 kn. Tais equipamentos são, portanto, de fácil manuseio, instalação e operação em qualquer talude. 11

27 Como fluido de perfuração e limpeza do furo, podem ser utilizados água, ar ou lama, tendo-se também a opção dos trados helicoidais contínuos. O sistema mais comumente utilizado tem sido aquele onde a água é o fluido de perfuração. Dependendo da profundidade do furo, diâmetro e da área de trabalho, pode-se optar por perfuratrizes do tipo sonda, crawlair, wagon drill, ou até mesmo perfuratrizes manuais. Quando se deseja alta produtividade dos trabalhos no canteiro, são utilizadas esteiras de perfuração do tipo crawlair, cujo peso varia entre 20 e 40 kn. A escolha do método de perfuração deve ser tal que garanta a estabilidade da cavidade formada até a inserção da barra e preenchimento com calda de cimento (ABRAMENTO et al., 1998). O projetista tem a opção de usar lama bentonítica como fluido de estabilização da cavidade. Porém, caso seja empregada, deve-se assegurar que a lama seja removida por completo através da introdução da calda de cimento para evitar que haja um decréscimo no valor da resistência lateral unitária por conta da presença da lama. Uma vez concluída a etapa de perfuração, segue-se a instalação dos elementos de reforço (grampos) sub-horizontais, com inclinações sempre abaixo da horizontal e variando entre 5 o a 30 o (ZIRLIS et al., 1999). Os grampos podem ter barras de aço, de fibras de vidro resinadas ou similares. Usualmente são utilizadas barras de aço comuns na construção civil. Como os elementos de reforço não devem perder suas características de resistência ao longo do tempo, um tratamento anticorrosivo adequado, composto por aplicação de resinas epóxicas, ou proteção eletrolítica, e posterior injeção de calda de cimento, faz-se necessário. No caso de barras de fibra, este tratamento pode ser dispensado. Ao serem inseridas no talude, as barras devem contar com dispositivos centralizadores que garantam um recobrimento constante e contínuo, visto que as barras devem ficar imersas na calda de cimento utilizada para preencher o interior das perfurações. 12

28 As barras que constituem os elementos de reforço são geralmente dobradas a 90 o em sua extremidade, podendo alternativamente receber placa metálica, rosca e porca, se uma carga inicial for aplicada. Neste caso, deve-se prever um trecho não aderido ao solo, denominado trecho livre (ABRAMENTO et al., 1998). Para o caso onde se executa a cravação de hastes metálicas, considera-se desnecessária a aplicação de proteção contra a corrosão, devendo-se trabalhar, portanto, com uma espessura de aço adicional. Se o elemento cravado for tubular, é possível proceder uma injeção posterior, desde que ele seja cravado com ponteiras. Em seguida à etapa de instalação das barras, é feita uma primeira injeção de calda de cimento para dentro da perfuração, a qual recebe o nome de "bainha". PITTA et al. (2003) comentam que o fator água/cimento para esta mistura varia em torno de 0,50 a 0,70. ZIRLIS et al. (1999) definem a bainha como sendo a fase inicial de injeção onde se pretende recompor a cavidade escavada. A calda pode ser otimizada com o uso de aditivos, como os expansores de calda de cimento, que evitam a retração, garantindo o preenchimento total e contínuo da cavidade. GEORIO (2000) afirma que o valor do atrito lateral unitário obtido através desta adição atinge valores razoavelmente elevados em solos compactos ou rijos. Qualquer fluido cimentante pode ser utilizado, sendo típicas as injeções com calda de cimento ou resinas. Em casos de contenção em maciços de solo é comum a utilização de caldas com elevado teor de cimento, ficando as resinas para o caso de reforço de materiais rochosos. Para instalação dos grampos, pode-se realizar a injeção de calda de cimento após a introdução da barra no talude. Como alternativa, primeiramente é feito o preenchimento do furo com material cimentante e em seguida, a barra é inserida. Com o auxílio de tubulação acessória, cuja extremidade é posicionada na parte inferior da perfuração, procede-se a injeção de baixo para cima, com o objetivo de preencher totalmente a cavidade. 13

29 Em casos, onde se deseja um aumento na aderência lateral solo-calda é feita uma segunda injeção (reinjeção) após um período de tempo total mínimo de 12 horas da fase de injeção inicial (ZIRLIS et al., 1999). Esta reinjeção é realizada com a calda sob pressão por meio de tubo de injeção perdido, fixado junto ao chumbador. Nesta fase de reinjeção, é possível controlar a quantidade de calda de cimento injetada, medindo-se a pressão de injeção e o volume de calda injetado (PITTA et al., 2003). A tubulação de injeção perdida constitui-se de tubo de polietileno de 8 a 10 mm de diâmetro com válvulas de injeção instaladas entre 30 e 50 cm, até 1,5 m da boca do furo. ABRAMENTO et al. (1998) destacam que a injeção além de promover uma maior ancoragem do chumbador, ainda trata o maciço através do preenchimento das fissuras. O paramento da estrutura de contenção em solo grampeado recebe um revestimento composto por uma camada de concreto projetado ao longo de toda a altura do talude a ser reforçado. Em taludes com inclinações mais suaves (da ordem de 45 o ) pode-se adotar o revestimento vegetal. Este revestimento em concreto projetado é a solução mais indicada em casos de fácil acesso, onde os equipamentos necessários à sua execução podem ser transportados sem qualquer dificuldade. A armação da face, caso seja revestida por concreto projetado, pode ser feita com armação convencional, tela eletrossoldada de aço ou fibras (ZIRLIS et al., 1999). Segundo ABRAMENTO et al. (1998) é necessário garantir o recobrimento desta armação e cuidados especiais durante a fase de projeção têm de ser observados a fim de que haja ao final desta fase uma boa ligação entre o concreto e a armadura. O concreto ainda deve ser bem compactado, especialmente se a armação já tiver sido colocada, evitando que a mesma funcione como anteparo. Uma forma alternativa de execução da face em concreto projetado, que tem merecido muito destaque nos últimos anos, é a utilização de concreto reforçado com 14

30 fibras. Tais concretos constituem-se em materiais mais homogêneos com maior resistência à tração, ductilidade e resistência à corrosão. A utilização de concreto reforçado com fibras para compor a face dos taludes apresenta as seguintes vantagens: rapidez de execução devido à eliminação da etapa de colocação da tela, redução de volume de concreto projetado devido à redução nas perdas por reflexão e melhor controle sobre a espessura da camada (GEORIO, 2000). Segundo ABRAMENTO et al. (1998), testes realizados na Barragem CHESF e de Miranda indicaram que o emprego de concreto reforçado com fibras metálicas constituiu-se em solução mais prática e econômica, em comparação com a armação com tela, e que as características do concreto são melhoradas nos aspectos de resistência à tração e de permeabilidade. O concreto que irá compor a face do talude é pressurizado por meio de equipamento especial. O concreto contém, em sua composição, areia média, pedrisco, cimento e água e desta forma é conduzido por mangotes até o bico de projeção. O jateamento do concreto pode ser feito de duas maneiras: via seca ou via úmida. Segundo ZIRLIS et al. (1999), a diferença básica entre os dois métodos está no preparo e condução dos materiais componentes do concreto. Na via seca, os componentes sólidos do concreto são misturados sem adição de água. A adição de água (umidificação do concreto) se dá junto ao bico de projeção, instantes antes da aplicação. Na via úmida, o concreto é misturado com todos os seus componentes e deste modo é conduzido através dos mangotes até o local de aplicação. O jateamento por via seca é mais usado nas obras devido à sua maior praticidade, não havendo, entretanto, qualquer objeção à utilização do jateamento por via úmida. ABRAMENTO et al. (1998) afirmam que a elevada energia que a mistura fica submetida por ocasião de sua projeção promove boas condições de compactação do concreto colaborando para sua alta resistência, bem como para o adensamento da capa superficial do solo. 15

31 Com relação à drenagem destas estruturas, a boa prática recomenda a execução de sistemas de drenagem profunda e de superfície. No caso de drenagem profunda, em geral são utilizados drenos sub-horizontais profundos (DHP), formados por tubos plásticos drenantes com diâmetros de 38,1 mm a 50 mm inseridos em perfurações de diâmetros da ordem de 63,5 mm a 100 mm. São drenos lineares embutidos no maciço, cujos comprimentos se situam geralmente em torno de 6 até 18 m (Figura 2.3). Figura 2.3: Detalhe do dreno horizontal profundo (ABRAMENTO et al., 1998). No caso de drenagem de subsuperfície, utiliza-se drenos do tipo barbacã e drenos de paramento. O dreno do tipo barbacã é o resultado da escavação de uma cavidade de 40x40x40 cm, preenchida com material drenante (brita ou areia), tendo como saída um tubo de PVC com inclinação descendente e revestido por um filme de nylon ou camada de geotêxtil no trecho em contato direto com o material drenante (Figura 2.4). Estes tubos têm a função de coletar água proveniente da parte posterior do paramento e conduzi-la para fora do maciço, sendo responsáveis por uma drenagem mais pontual. O dreno de paramento, localizado no tardoz do muro e disposto ao longo de toda a altura da estrutura (do pé à crista do muro), é composto por calha plástica ondulada revestida por manta geotêxtil numa escavação de 10x30 cm que aflora na canaleta de pé. Trata-se de um dreno linear e é considerado como opção mais eficiente e recomendável para projeto, segundo ZIRLIS et al. (1999). A Figura 2.5 mostra um detalhe do dreno de paramento. 16

32 Figura 2.4: Detalhe do dreno tipo barbacã (ABRAMENTO et al., 1998). Figura 2.5: Detalhe do dreno de paramento (ABRAMENTO et al., 1998). Finalizando o sistema de drenagem da estrutura, são executadas canaletas de pé e de crista, bem como descidas d'água. Estes dispositivos são moldados in loco e revestidos por concreto projetado. 17

33 2.2.3 APLICAÇÕES A contenção em solo grampeado pode ser aplicável a taludes ou escavações muito íngremes, até verticais, formando um maciço estável. Esta solução encontra aplicação em praticamente todos os tipos de terreno. Para que esta técnica possa ser aplicada com sucesso, é necessário que o material a ser escavado e reforçado com grampos apresente uma resistência ao cisalhamento não drenada de no mínimo 10 kpa (ORTIGÃO e PALMEIRA, 1992). Os autores argumentam que uma resistência ao cisalhamento desta ordem de grandeza pode ser observada na maioria dos solos arenosos e argilosos, até mesmo em areias úmidas. Apesar destes solos não possuírem uma cimentação natural, pode-se contar com este valor de resistência devido às tensões de sucção (coesão aparente) que se desenvolvem formando um arranjo mais estável por conta do efeito de capilaridade. Apenas em taludes formados por camadas de areias secas e sem cimentação natural, bem como por solos argilosos de baixa consistência (argilas muito moles a moles), este tipo de contenção não se configura como uma solução tecnicamente viável VANTAGENS E DESVANTAGENS A técnica de contenção em solo grampeado apresenta vantagens econômicas tanto no que se refere ao escoramento de escavações quanto na estabilização de taludes naturais. Dentre as principais vantagens deste sistema de contenção podem ser destacadas as seguintes: Economia entre 10 e 50% com relação aos sistemas de contenção atirantados; Maior velocidade de execução da estrutura; Uso de equipamentos de execução de pequeno porte com acesso a áreas reduzidas, densamente ocupadas e instáveis; 18

34 Facilidade de adaptação a geometrias distintas, acomodando-se à forma do maciço existente, o que contribui para a redução do volume das escavações e maior estabilidade da obra; Mobilização da carga dos grampos para deslocamentos relativamente pequenos; Avanço contínuo dos trabalhos, não necessitando de paralisações para aguardar cura, ensaios e protensão das ancoragens (comuns em cortinas ancoradas); Face estruturalmente mais leve devido ao baixo nível de carga suportado pelos grampos quando comparado ao sistema de cortina atirantada; Possibilidade de ajuste do projeto, mesmo após iniciadas as escavações; Emprego para taludes verticais, caso não haja restrição de movimentações na crista. Dentre as desvantagens e/ou limitações da técnica, podem ser citadas as seguintes: As escavações são limitadas pelo espaçamento entre duas linhas de grampos, necessitando para tal que o talude permaneça estável por algumas horas até a execução dos serviços. Neste caso, é suficiente que o solo tenha alguma coesão ou cimentação; Uso não recomendado para maciços com pacotes de solos moles ou solos não coesivos sem cimentação natural ou no estado seco devido à baixa resistência ao cisalhamento; Não é aconselhável no caso de solos permeáveis, onde é detectado nível d'água. Nestes casos poderão ocorrer freqüentes instabilizações localizadas, dificultando a execução da face em concreto projetado. 2.3 GRAMPO CONVENCIONAL Neste item estão resumidas as informações da literatura sobre grampos convencionais. São apresentados os aspectos relativos à geometria dos grampos, aos materiais constituintes e por fim ao comportamento de um grampo frente às solicitações de campo. 19

35 2.3.1 CARACTERÍSTICAS Os grampos convencionais, ou seja, os executados com maior freqüência no Brasil, são constituídos de monobarras de aço com seção cilíndrica. Em casos especiais, são usadas micro-estacas ou barras sintéticas, em seções com formato cilíndrico ou retangular. A barra de aço tem usualmente diâmetros compreendidos na faixa de 10 a 25 mm. Ela é em geral dobrada na extremidade a 90 o (para diâmetros até 20 mm) com comprimentos de dobra de cerca de 20 cm. Centralizadores são dispostos ao longo de seu comprimento para garantir seu recobrimento, com espaçamento usual de 2 metros. Quando o diâmetro da barra for maior que 20 mm, não é usual dobrá-la, recorrendose portanto, a um sistema de placa e porca. Adjacentes à barra e fixados à mesma, são instalados tubos de injeção, com diâmetros de 10 a 15 mm, providos de válvulas a cada 50 cm. Uma ilustração do grampo convencional mostrando seus materiais constituintes é apresentada na Figura 2.6. Figura 2.6: Detalhe do grampo convencional e suas partes constituintes (ZIRLIS et al., 1999). Segundo ZIRLIS et al. (1999), a calda de cimento utilizada para injeção da bainha e posterior reinjeção é constituída por uma mistura de cimento e água dispostos de maneira a satisfazer um fator água/cimento em peso aproximadamente igual a 0,50. 20

36 Aditivos plastificantes podem ser utilizados com o objetivo de produzir misturas que apresentem uma trabalhabilidade adequada com redução do fator água/cimento COMPORTAMENTO O grampo, uma vez instalado no talude a ser reforçado, tem como função costurar a zona potencialmente instável (zona ativa), delimitada pela superfície crítica de deslizamento, e a zona estável (zona passiva), onde o material não apresenta movimentações significativas. Os elementos de reforço em estruturas de solo grampeado ficam submetidos a tensões de tração que se desenvolvem ao longo de todo o comprimento do reforço (Figura 2.7), atingindo o seu valor máximo no ponto de interseção do grampo com a superfície potencial de deslizamento. Figura 2.7: Mecanismo de transferência de carga em estruturas de solo grampeado. Os grampos também são projetados para suportar esforços do tipo flexão composta. No caso de estruturas de solo grampeado, as solicitações a que os grampos ficam submetidos no campo são de natureza trativa e de cisalhamento. GEORIO (2000) indica que, o valor da resistência no contato entre o solo e o grampo tem papel fundamental no comportamento do elemento de reforço. Este valor pode ser estimado na fase preliminar da obra, através de correlações empíricas. Uma vez já tendo sido instalados os reforços, o atrito solo-grampo pode ser medido através da realização de ensaios de arrancamento. 21

37 2.4 CONCRETO REFORÇADO COM FIBRA Dentre os vários materiais compósitos fibrosos desenvolvidos ao longo dos anos podem-se destacar os materiais compósitos à base de cimento. Dentro deste grupo, estão as pastas de cimento, argamassas e concretos reforçados com fibras. As pastas de cimento reforçadas com fibras são definidas como sendo um material resultante da combinação de cimento, água e fibras. Os materiais, cujo estudo do comportamento se torna mais relevante para a presente pesquisa, são as argamassas e concretos reforçados com fibras. Denomina-se Concreto Reforçado com Fibra (CRF) o material compósito fibroso, onde a matriz é constituída por uma mistura de cimento, água e agregados graúdo e miúdo (pedra britada e areia) e o elemento de reforço é constituído por fibras descontínuas (BENTUR e MINDESS, 1990). Já as argamassas reforçadas com fibras são uma mistura dos mesmos materiais citados anteriormente, porém sem a presença do agregado graúdo TIPOS DE FIBRAS DISPONÍVEIS Existe atualmente no mercado uma grande variedade de fibras que podem ser utilizadas para reforço de materiais compósitos. Elas diferem entre si pela composição física e química, propriedades mecânicas e resistência quando expostas a meios agressivos (VENDRUSCOLO, 2003). Estas fibras podem ser divididas em quatro grandes grupos: naturais, poliméricas, minerais e metálicas. Fibras Naturais Os primeiros tipos de fibras empregados em obras de terra de que se tem registro são as fibras naturais. Dentre os materiais utilizados na confecção de fibras naturais podem ser citados: bambu, juta, capim elefante, malva, coco, piaçava, sisal, linho, celulose e cana de açúcar. Algumas destas fibras podem atingir grandes resistências, 22

38 como as fibras de bambu, cuja resistência geralmente supera valores de 100 MPa e com módulo de elasticidade situado entre 10 e 25 GPa. A durabilidade dos compósitos formados com fibras vegetais constitui-se em um grande problema, devido à degradação natural provocada pela ação de fungos e microorganismos (VENDRUSCOLO, 2003). A exposição destas fibras a ambientes alcalinos é responsável por sua rápida deterioração, podendo-se citar como exemplo a utilização de fibras vegetais em materiais cimentados com cimento Portland comum. Fibras Poliméricas As fibras poliméricas são aquelas cujo emprego para fins de reforço de solos talvez seja o mais promissor. Os polímeros, dependendo de sua estrutura química, apresentam comportamentos diferentes, dando origem a diferentes tipos de fibras. A utilização deste tipo de fibra como reforço de materiais de construção é recente. Dos diferentes tipos de fibras que fazem parte deste grupo podem ser destacadas as fibras de polipropileno, polietileno, poliéster e poliamida (nylon). As principais características e propriedades de engenharia observadas para estas fibras são descritas resumidamente a seguir: (i) Fibras de Polipropileno: São constituídas de um tipo de material polimérico denominado termoplástico. Este material adquire uma consistência plástica com o aumento da temperatura. Possuem grande flexibilidade e tenacidade em função de sua constituição. No que se refere ao seu comportamento mecânico, estas fibras apresentam módulo de elasticidade variando em torno de 8 GPa, sendo consideradas, portanto, fibras de baixo módulo em comparação com fibras de outra natureza. 23

39 As fibras de polipropileno possuem resistência à tração de aproximadamente 400 MPa e elevada resistência ao ataque de substâncias químicas e álcalis. Fibras de polipropileno foram utilizadas para reforço da matriz cimentante na presente pesquisa. (ii) Fibras de Polietileno: As fibras de polietileno apresentam baixo módulo de elasticidade e, assim como as de polipropileno, são fracamente aderidas à matriz cimentante e possuem alta resistência ao ataque dos álcalis. Podem ser encontradas no mercado sob a forma de monofilamentos picados ou malhas contínuas. A durabilidade destas fibras é alta, mas elas apresentam maiores deformações de fluência, o que limita a sua utilização em compósitos fibrosos fissurados submetidos a tensões permanentes e de valor elevado. O polietileno de alta densidade (PEAD) foi desenvolvido para minimizar a baixa aderência com a matriz e aumentar o módulo de elasticidade. (iii) Fibras de Poliéster: O poliéster é um polímero que apresenta valores altos de densidade, rigidez e resistência, conferindo tais características às fibras feitas deste material. Estas fibras possuem aspecto muito similar às fibras de polipropileno e podem ser utilizadas para as mesmas aplicações. O poliéster mais comum é o polietileno tereftalato (PET) empregado em larga escala na produção de garrafas plásticas. (iv) Fibras de Poliamida (Kevlar): Polímeros contendo longas cadeias de moléculas geralmente possuem baixas resistência e rigidez, dado que suas moléculas são espiraladas e dobradas. Contudo, se estas moléculas forem espichadas e reforçadas durante o processo de manufatura, altas 24

40 resistências e módulos de elasticidade podem ser alcançados, como é o caso das fibras do tipo Kevlar. Existe no mercado a fibra Kevlar 29, cuja resistência à tração é da ordem de 3 GPa e módulo de elasticidade intermediário de aproximadamente 64 GPa. Há também a fibra Kevlar 49, que apresenta a mesma resistência mecânica e módulo de elasticidade mais elevado (300 GPa). Fibras Minerais A família das fibras minerais é composta por fibras de carbono, vidro e amianto, cujas características mais relevantes são descritas a seguir. (i) Fibras de Carbono: São materiais cujas propriedades são função da resistência das ligações entre os átomos de carbono e do peso atômico reduzido dos mesmos. As fibras de carbono têm diâmetros variando na ordem de 5 a 10 µm e são formadas por agrupamentos que chegam a conter até filamentos. Estas fibras podem ser divididas em duas categorias principais: fibras de alta resistência e fibras de alta rigidez. As fibras de alta resistência possuem resistência à tração de aproximadamente 2,4 GPa e módulo de elasticidade de 240 GPa, enquanto as fibras de alta rigidez apresentam resistência à tração da ordem de 2,1 GPa e módulo de elasticidade de 420 GPa. (ii) Fibras de Vidro: As fibras de vidro são geralmente confeccionadas na forma de cachos, ou seja, fios compostos de centenas de filamentos individuais e justapostos. O diâmetro destes filamentos individuais é da ordem de 10 µm. Cerca de 99% das fibras de vidro são produzidas a partir do vidro do tipo E, que é susceptível ao ataque dos álcalis presentes no cimento Portland. Uma fibra especial resistente à ação dos álcalis, denominada comercialmente de Cem-Fil vem sendo desenvolvida para o uso em pastas cimentadas (VENDRUSCOLO, 2003). 25

41 (iii) Fibras de Amianto: Esta fibra apresenta ótimas características mecânicas, se comparadas às demais fibras disponíveis no mercado, com resistência à tração média da ordem de 1 GPa e módulos de elasticidade em torno de 160 GPa. Além disso, aderem satisfatoriamente quando imersas em matriz de cimento. Seu diâmetro é muito pequeno, da ordem de 1 µm. Sua utilização na construção civil, entretanto, é proibida em muitos países, porque, ao ser cortada, esta fibra libera partículas muito pequenas que danificam os alvéolos pulmonares, se aspiradas pelo homem. Além disso, o comportamento frágil e a baixa resistência à cargas de impacto limitam o uso deste material na prática da engenharia civil. Fibras Metálicas Dentre a família das fibras metálicas, as mais comuns são as fibras de aço. Seu formato pode ser bastante variável, com o objetivo de aumentar a aderência com a matriz cimentante. Estas fibras têm sido utilizadas em um número considerável de pesquisas, como forma de melhorar as propriedades mecânicas dos materiais de construção. A resistência à tração da fibra metálica é da ordem de 1,1 GPa e o módulo de elasticidade é igual a 200 GPa (VENDRUSCOLO, 2003). As fibras utilizadas na construção civil apresentam um fator de forma (relação l/d) variando na faixa de 30 a 50, comprimentos da ordem de 0,1 a 7,6 cm e diâmetros entre 0,1 a 0,9 mm. O mecanismo de ruptura de um compósito reforçado por fibra metálica é geralmente associado ao arrancamento destas fibras e não ao rompimento das mesmas. Dependendo do meio onde se inserem, estas fibras podem apresentar problemas de corrosão. Uma técnica desenvolvida para minimizar este problema é o banho de níquel. 26

42 APLICAÇÕES O concreto reforçado com fibras pode ser utilizado em diversos tipos de obras, destacando-se o reforço de base de fundações superficiais, reforço de pavimentos industriais e revestimento de túneis e concreto projetado de face de talude. Reforço de Base de Fundações Superficiais A técnica de melhoramento de solos para a aplicação como base para fundações superficiais tem sido difundida e utilizada em todo o mundo. A estabilização de solos tem sido muito utilizada na Suécia nos últimos anos com o objetivo de fornecer uma redução no nível de recalques sofridos pelo elemento de fundação e um aumento de resistência do solo (VENDRUSCOLO, 2003). Para exemplificar o emprego da técnica de melhoramento de solos para base de fundações superficiais, pode-se citar o caso da Escola de Engenharia de São Carlos, onde uma camada superficial de solo foi removida, pois a mesma não apresentava condições satisfatórias de capacidade de suporte. Após sua remoção, ela foi novamente recolocada em camadas compactadas. VENDRUSCOLO (2003) cita que, após a compactação, a capacidade de suporte aumentou de 100 a 200% em relação à capacidade de suporte do solo natural. O reforço de base de fundações superficiais com a inclusão de fibras foi estudado por CASAGRANDE (2001). Ela pesquisou a influência da adição de fibras em uma camada superficial de solo compactado através de uma série de ensaios de placa. Pode-se concluir que a camada compactada e reforçada com fibras apresentou um comportamento mais rígido e mais resistente, se comparado com a camada sem reforço. Segundo CASAGRANDE et al. (2002), foi observada uma banda de cisalhamento vertical abaixo da borda da placa na camada de solo compactado sem reforço. Para CONSOLI et al. (2002), as fibras permitem uma redistribuição das tensões atuantes em uma área maior, aumentando assim a capacidade de suporte. 27

43 Reforço de Pavimentos Industriais Pavimentos industriais reforçados com fibras de aço têm sido intensamente executados no Brasil (FOÁ e ASSIS, 2002). Algumas vantagens de seu emprego, quando comparado com o uso de telas metálicas soldadas, são listadas a seguir: Inexistência da etapa de colocação das telas, reduzindo-se o número total de operários necessários para a execução do pavimento; Redução de espaço na obra, uma vez que não é preciso dispor de área que sirva de estocagem para a armadura; Inexistência de espaçadores, necessários no emprego de telas metálicas; Reforço de toda a espessura de concreto do pavimento; Corte das juntas de dilatação do pavimento sem a necessidade de se dispor de barras de transferência pré-instaladas; Reforço das bordas das juntas de dilatação, minimizando o efeito de lascamento destas regiões; Maior facilidade de acesso ao local de concretagem, podendo-se chegar ao local de lançamento do concreto com o caminhão betoneira, o que é impossível quando se utilizam telas metálicas; Não apresentam restrições quanto à mecanização da execução do pavimento. Esta tecnologia de execução e reforço de pavimentos, contudo, apresenta algumas desvantagens e limitações, segundo FOÁ e ASSIS (2002). Quando a fissuração do pavimento é reduzida pela adição de fibras ao concreto, pode ocorrer empenamento por retração diferencial. Além disso, após a etapa de acabamento superficial, algumas fibras tendem a ficar na superfície da placa, o que aumenta os riscos de corrosão e o aparecimento de pontos de ferrugem em detrimento do aspecto estético da obra. 28

44 Revestimento de Túneis Dentro da área de revestimento de túneis, um dos grandes avanços alcançados nos últimos anos tem sido o emprego de materiais compósitos fibrosos constituídos por concreto reforçado com fibras de aço (FOÁ e ASSIS, 2002). Esta técnica apresenta inúmeras vantagens, se comparada com o reforço com tela metálica: Aplicação imediata à escavação, diminuindo o risco de acidentes por conta do desprendimento de material do maciço; Maior velocidade de execução da obra devido à eliminação das fases de instalação de cambota e tela metálica; Maior homogeneidade da estrutura de revestimento; Redução da permeabilidade do material; Redução da ocorrência de vazamentos localizados; Redução do nível de fissuração do revestimento primário de concreto projetado, o qual sofre grandes deformações por conta das deformações do material recém escavado; Aumento da durabilidade do revestimento devido à redução da fissuração; Menor reflexão do concreto projetado devido à ausência da tela e das irregularidades das cambotas metálicas; Redução do consumo de aço devido à eliminação das cambotas e dos riscos de acidentes associados a sua instalação. Concreto Projetado para Revestimento de Taludes O concreto projetado reforçado com fibras para aplicação em revestimento de face de taludes em solo grampeado é uma tecnologia relativamente recente. Em contraste com o modo convencional de revestimento de taludes, o concreto projetado reforçado com fibras de aço apresenta uma série de vantagens, tais como uma 29

45 menor reflexão do concreto devido à ausência de tela metálica e uma maior homogeneidade do material. Ao contrário dos países desenvolvidos, que já fazem uso da fibra de aço como reforço do concreto projetado, mesmo sem haver um consenso geral tanto a nível de projeto quanto a nível de controle, não havia desde o início da década de 90, registro de sua aplicação no Brasil. Um dos fatores que inibiu tal utilização, segundo FOÁ e ASSIS (2002), foi um comportamento mais conservador adotado pelos projetistas e construtores brasileiros. Isto se deve porque a construção de túneis pelo método NATM foi feita em São Paulo, onde o solo exige um baixo período de tempo para que o revestimento primário apresente resistência suficiente para suportar os deslocamentos do maciço. Deste modo, os construtores exigiam que a fibra apresentasse uma certa equivalência à tela metálica, como elemento de reforço. Outro fator que restringe a aplicação de fibras no Brasil está no fato de ser recente o seu uso como elemento de reforço para peças moldadas por concreto. As fibras nacionais eram basicamente subprodutos. Elas produziam baixo desempenho pósfissuração ou dificultavam a mistura e a aplicação, provocando entupimentos nos equipamentos. A função do reforço com fibra de aço é oferecer ao concreto projetado maior ductilidade e menor possibilidade de ocorrência de ruptura do tipo frágil. O concreto reforçado com fibras de aço passa a se comportar como um material pseudo-dúctil, ou seja, ele é capaz de suportar um nível adequado de tensão residual mesmo após sua fissuração. Vale dizer que é necessário haver uma grande compatibilidade entre a fibra e a matriz para que se possa esperar uma durabilidade satisfatória do conjunto. Isto não ocorre no caso do reforço de matrizes cimentíceas com fibras de vidro, devido à sua deterioração por parte dos álcalis presentes no cimento. 30

46 Além das fibras de aço, também são aplicadas fibras de origem vegetal, como a palha, sisal, casca de coco e celulose. Estas fibras, porém, têm sua durabilidade comprometida quando aplicadas em meios alcalinos, como é o caso de matrizes cimentíceas. Um compósito que tem sido muito aplicado nos últimos anos, inclusive no Brasil, são as argamassas e concretos reforçados com fibras sintéticas (polipropileno e nylon). Uma grande melhoria no que diz respeito ao controle de fissuração por retração plástica foi verificado em compósitos reforçados com fibras desta natureza para argamassas de reparo, onde o baixo módulo de elasticidade das fibras é suficiente para inibir a propagação das fissuras. Outras Aplicações Segundo FOÁ e ASSIS (2002), a utilização de concretos reforçados com fibras é viável em casos de obras onde as estruturas estão muito sujeitas a esforços dinâmicos, podendo-se citar como exemplo, o caso de estruturas alocadas em regiões sujeitas a ação de abalos sísmicos e até mesmo estruturas sujeitas ao fenômeno de fadiga por esforço cíclico. A vantagem do emprego de materiais compósitos fibrosos nestes casos é que o reforço com fibras tende a minimizar os danos causados pelos esforços de natureza cíclica e diminuir a fissuração da estrutura, resultando em uma maior vida útil da obra. Na área militar, é grande o potencial deste material para a construção. Ressalta-se a importância da utilização de materiais que ofereçam resistência elevada ao impacto de projéteis. O concreto reforçado com fibras tem todas as condições para proporcionar um desempenho superior se comparado ao concreto armado. Um outro campo de aplicação importante para os concretos reforçados com fibras é o da indústria de pré-moldados. Isto se deve à maior velocidade de produção das peças por conta da eliminação da fase de instalação da armadura nas formas previamente ao lançamento do concreto. 31

47 2.4.3 COMPORTAMENTO DO MATERIAL COMPÓSITO As fibras utilizadas para reforço de matrizes cimentíceas agem tanto no sentido reforçar o compósito em relação a carregamentos que induzem tensões de tração (retração restringida, tração direta ou flexão e cisalhamento) quanto no sentido de aumentar a ductilidade e a tenacidade destas matrizes. As fibras atuam controlando a abertura e o espaçamento entre as fissuras, distribuindo assim as tensões de maneira mais uniforme dentro da matriz. Taylor (1994) afirma que as fibras não impedem a formação de fissuras dentro da matriz, mas contribuem para aumentar a resistência à tração do compósito através do controle da propagação das mesmas (VENDRUSCOLO, 2003). As fibras ainda mantém as interfaces das fissuras juntas, atuando principalmente após a fissuração da matriz, aumentando a ductilidade do compósito. As fibras que atravessam as fissuras promovem um aumento de resistência, de deformabilidade e de tenacidade nos compósitos. Para que uma fibra possa ser considerada adequada para reforço de um material compósito, algumas características devem ser consideradas relevantes: a fibra deve ser quimicamente neutra e não deteriorável, não deve sofrer ataque de fungos, bactérias ou álcalis, além de apresentar características físicas e mecânicas adequadas. Segundo VENDRUSCOLO (2003), os principais fatores ligados ao desempenho dos materiais compósitos reforçados com fibras são: Teor de fibra: Um alto teor de fibras confere ao compósito maior resistência no estado pós-pico e menor dimensão das fissuras, desde que as fibras possam absorver as cargas adicionais causadas pelo surgimento das fissuras; Rigidez da fibra: Um alto valor de módulo de elasticidade causaria um efeito semelhante ao teor de fibra, mas o que se verifica é que, quanto maior o valor do módulo, maior a probabilidade de haver uma ruptura do compósito por arrancamento das fibras; 32

48 Aderência entre a fibra e a matriz: A aderência entre a matriz e o reforço é o fator fundamental que governa as características de resistência, deformação e modo de ruptura de uma grande variedade de materiais compósitos à base de cimento. Uma alta aderência provoca a redução no tamanho das fissuras e amplia a distribuição destas fissuras pelo compósito; Resistência da fibra: Com o aumento da resistência das fibras, aumenta também a ductilidade dos compósitos, desde que não ocorra o rompimento das ligações de aderência fibra/matriz. A resistência da fibra depende na prática das características pós-fissuração desejadas para o material, bem como do teor de fibra e da aderência fibra/matriz; Deformabilidade da fibra: A ductilidade do compósito pode ser aumentada através da utilização de fibras que apresentam maior deformação até a ruptura. Isto se deve ao fato de compósitos reforçados com fibras com alto grau de deformabilidade consumirem energia sob a forma de alongamento da fibra; Compatibilidade entre a fibra e a matriz: A compatibilidade física e química entre a fibra e a matriz é muito importante. A curto prazo, as fibras que absorvem água podem provocar perda de trabalhabilidade do concreto e provocar variações de volume que, por sua vez, podem comprometer a aderência com a matriz. A longo prazo, observa-se que alguns tipos de fibras poliméricas não possuem estabilidade química frente à presença de álcalis nos materiais constituídos por cimento Portland. Neste caso, pode ocorrer uma rápida deterioração da fibra com perda significativa de suas propriedades; Comprimento da fibra: Quanto menor o comprimento das fibras, maior é a possibilidade de elas serem arrancadas, devido a um menor comprimento de ancoragem na matriz. Para garantir um melhor desempenho da fibra, o comprimento deve ser suficiente para que, a partir de uma dada tensão de cisalhamento aplicada à fibra, possa ser gerada uma tensão de tração igual à resistência à tração da fibra. 33

49 Para que se tenha uma compreensão real do comportamento mecânico de compósitos reforçados com fibras, há que se considerar também o diâmetro, o qual influencia a capacidade da fibra em resistir às tensões de cisalhamento e tração. A Figura 2.8 apresenta a disposição ideal da fibra em relação à fissura, onde fica clara a importância da relação entre o comprimento da fibra e o diâmetro (l/d). Figura 2.8: Disposição ideal entre a fibra e a fissura (VENDRUSCOLO, 2003). A relação l/d é proporcional ao quociente entre a resistência à tração da fibra (f t ) e a resistência de aderência entre a fibra e a matriz na ruptura (f a ). Se a fibra possui alta resistência à tração, como as fibras de aço por exemplo, então a resistência de aderência entre a fibra e a matriz deve ser alta para impedir o arrancamento das fibras antes que a resistência à tração seja totalmente mobilizada. Isto indica que fibras com alta relação l/d devem ser utilizadas. O desempenho dos materiais compósitos reforçados com fibras é controlado principalmente pelo teor e pelo comprimento da fibra, pelas propriedades físicas da fibra e da matriz e pela aderência entre as duas fases. Ainda é observado que a orientação da fibra em relação ao plano de ruptura e a sua distribuição pela matriz exercem influência no desempenho do material compósito. Quando a fibra se posiciona paralelamente ao plano de ruptura não é verificado efeito algum de reforço. Por outro lado, uma fibra que se encontra em posição perpendicular ao plano de ruptura tem seu efeito de reforço maximizado. 34

50 Para cada tipo e aplicação de fibra existe um teor que promove um maior acréscimo nas propriedades desejadas para o compósito. Um dos fatores que contribui para um bom desempenho do material compósito fibroso é o número de fibras por metro cúbico de concreto. Este número varia muito em função do diâmetro e da densidade da fibra RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO Segundo SPECHT et al. (2002), a adição de fibras em um compósito do tipo solocimento resulta em um material com melhores características de resistência e ductilidade. Além disto, o aumento na resistência é uma função direta do teor de fibra até um certo nível, a partir do qual o reforço se torna menos efetivo. Ensaios de compressão triaxial realizados em amostras de solo-cimento demonstraram que o modo de ruptura destes compósitos é dependente do nível de confinamento. Até um determinado nível de tensão confinante, chamada de tensão crítica, a ruptura do compósito ocorre por deslizamento da fibra em relação à matriz. Para valores de tensão confinante acima da tensão crítica, a ruptura é governada pela resistência da fibra. SPECHT et al. (2002) estudaram a influência do reforço com fibras de polipropileno nas propriedades de resistência e deformabilidade de um material compósito constituído de um solo cimentado artificialmente. Foram realizados ensaios de compressão não confinada (compressão uniaxial) e compressão diametral, com o objetivo de avaliar a influência da inserção de dois tipos diferentes de fibras: uma fibra do tipo extensível (mais deformável) em forma de filamentos e uma fibra do tipo inextensível (menos deformável) fibrilada e formada por filamentos unidos. A utilização de fibras de caráter extensível (fibras mais flexíveis) para reforço em materiais compósitos à base de cimento promove um aumento na deformação de ruptura do compósito, exercendo assim, um efeito muito importante no comportamento póspico do material. 35

51 Os reforços com fibras deformáveis (fibras de polipropileno) apresentam comportamento distinto em relação às fibras rígidas. As fibras mais flexíveis têm módulo de elasticidade menor se comparada à matriz e, nestes casos, elas não rompem. Apesar de conferir algum ganho de resistência, o reforço com fibras desta natureza tem como principal função aumentar a ductilidade do material compósito (MONTARDO et al., 2001). No que concerne ao comportamento tensão-deformação, pode-se dizer que a adição de fibras mais deformáveis conduz a uma mudança no modo de ruptura de matrizes cimentíceas. O comportamento, que antes era do tipo frágil, passa a ser dúctil com a inclusão deste tipo de fibras. SPECHT et al. (2002) ainda relatam que é preciso pouca deformação para mobilizar a resistência da fibra extensível. Também concluíram que a fibra do tipo inextensível (fibras mais rígidas) contribui para um incremento na resistência de pico do material e uma redução no nível de deformações do compósito até a ruptura. Quanto à tenacidade, foi constatado um ligeiro aumento na capacidade de absorção de energia proporcional ao comprimento da fibra. De forma análoga ao que foi verificado quando da utilização de fibras extensíveis, as fibras mais rígidas também promovem uma redução no índice de fragilidade de materiais compósitos, sendo que esta redução é bem menor e não é suficiente para provocar uma mudança no comportamento tensão-deformação do material compósito. Esta redução é maior para maiores comprimentos de fibra. De acordo com DONATO et al. (2004), com a ruptura da matriz cimentada, grande parte das cargas passam a ser resistidas pelas fibras, reduzindo drasticamente a queda de resistência pós-pico conferindo, conseqüentemente, um caráter mais dúctil ao comportamento tensão-deformação do material compósito. Em contraposição aos elementos de reforço de natureza extensível, as fibras mais rígidas apresentam módulo de elasticidade maior que o da matriz. Sendo assim, elas podem ou não romper, quando solicitadas, dependendo da resistência à tração. 36

52 MONTARDO et al. (2001) relatam que compósitos reforçados com fibras mais rígidas podem apresentar ganhos de resistência mecânica, porém podem ocorrer rupturas catastróficas. SHEWBRIDGE e SITAR (1990) afirmam que quanto maior for o módulo de elasticidade das fibras, maior será a probabilidade delas serem arrancadas da matriz, aumentando a possibilidade de rupturas catastróficas. MONTARDO et al. (2001), estudando o comportamento mecânico de materiais compósitos à base de cimento reforçados com fibras, buscaram estabelecer uma correlação com as propriedades dos materiais constituintes (fibra e matriz). Foi realizada uma campanha experimental com ensaios triaxiais drenados para avaliar o efeito da porcentagem de cimento, porcentagem de fibra, comprimento de fibra e tensão confinante nas propriedades do compósito constituído por uma matriz de areia fina, cimento Portland e diversos tipos de fibras. Foi também estudado o efeito da natureza da fibra na resposta mecânica do material compósito através de corpos de prova reforçados com três tipos de fibras: poliéster, polipropileno e vidro. Os autores concluíram que a natureza das fibras e da matriz é fundamental para o aumento da resistência de ruptura. Ensaios realizados em matrizes reforçadas por fibras de polipropileno demonstraram que houve um decréscimo na resistência, tanto mais acentuado quanto maior o comprimento de fibra. Apesar disto, os autores afirmam que de maneira geral, ocorre um acréscimo de resistência de pico para maiores comprimentos de fibra em relação ao material sem fibras. O aumento na resistência à compressão de materiais compósitos reforçados com fibras de polipropileno é mais expressivo para matrizes com granulometria mais fina (DONATO et al., 2004). LI e MAALEJ (1996) afirmam que a introdução de fibras para reforço de materiais compósitos à base de cimento causa um aumento na tenacidade. Este aumento é muito mais significativo do que o aumento nas propriedades de resistência. 37

53 À medida que a matriz começa a fissurar com o aumento do carregamento, as fibras que atravessam as fissuras, unindo os dois lados da mesma, funcionam como pontes transferindo as tensões de um lado a outro (BANTHIA e SHENG, 1996). Segundo HUGHES e FATTUHI (1977), a resistência à compressão e a ductilidade de compósitos com matriz cimentícea sofrem ambas um acréscimo a partir da inclusão de fibras de aço curtas e uniformemente distribuídas ao longo da mistura. Os autores atribuíram tal acréscimo a vários fatores como: o comprimento e o teor das fibras, o tipo e a resistência da matriz e a orientação das fibras em relação à direção do carregamento. HUGUES e FATTUHI (1977) realizaram ensaios de compressão em corpos de prova prismáticos de dimensões iguais a 100 x 100 x 300 mm e cúbicos com 102 mm de aresta em concretos contendo cimento, água, agregado miúdo e agregado graúdo (1,0:0,5:2,5:1,5). As fibras de polipropileno utilizadas nesta mistura foram adicionadas respeitando um teor de fibra em volume igual a 1,5%. Foram usadas fibras com título de denier e comprimento de 51 mm e fibras com título de denier e comprimento de 53 mm. O título é a propriedade da fibra que informa o seu peso por uma determinada unidade de comprimento de fibra. No caso em questão, o título de 1 denier equivale dizer que uma fibra que tenha um comprimento igual a m, apresenta um peso de 1 gf. Valores de resistência à compressão variando em torno de 30 a 32 MPa foram encontrados para concretos reforçados com as fibras de polipropileno de 51 mm de comprimento. Concretos moldados com as fibras de 53 mm de comprimento apresentaram valores de resistência da ordem de 36 a 38 MPa, mostrando a influência do comprimento das fibras na resposta mecânica do material compósito. Também foram ensaiados corpos de prova com diferentes idades a fim de se avaliar a influência do tempo de cura no comportamento tensão-deformação do material. A Figura 2.9 ilustra os resultados obtidos para amostras reforçadas com fibras de polipropileno de 51 mm de comprimento e título de denier para 30, 90 e 190 dias de cura (HUGHES e FATTUHI, 1977). Os resultados mostram que, quanto maior for o tempo decorrido desde a moldagem do corpo de prova até o instante do ensaio (tempo de cura), maior é a resistência de pico do compósito e o índice de fragilidade. 38

54 Figura 2.9: Influência do tempo de cura na resistência à compressão do compósito (adapt. de HUGHES e FATTUHI, 1977). Segundo HUGHES e FATTUHI (1977), se as forças de atrito existentes entre as superfícies do corpo de prova sob compressão uniaxial e a peça de topo da máquina forem minimizadas, então é possível ocorrer a ruptura do corpo de prova por expansão lateral. O concreto começa a fissurar antes de atingir a carga de pico. Uma vez que a carga de pico foi atingida, as fissuras passam a se ligar umas às outras (coalescência), reduzindo a resistência do material. Se fibras de aço, por exemplo, estiverem dispostas perpendicularmente em relação ao eixo do carregamento, então a redução observada no nível de deformações laterais pode ser explicada pela rigidez da fibra. Por isso, verificase um acréscimo na resistência do compósito à abertura de fissuras. Dois fatores controlam esta resistência: o teor de fibras presente no compósito e a eficiência da fibra em manter juntas as paredes das fissuras. Fibras distribuídas de maneira aleatória pela matriz do compósito são menos eficazes neste sentido, enquanto fibras dispostas paralelamente à direção do carregamento oferecem resistências menores devido ao empenamento das fibras. Com relação ao reforço do concreto por fibras de polipropileno, pode-se concluir que a adição deste tipo de fibra acarreta em um decréscimo na resistência à compressão, mas aumenta a ductilidade do concreto. 39

55 RESISTÊNCIA À TRAÇÃO Em um compósito, as fibras contribuem para impedir a propagação de fissuras dentro da matriz, podendo contribuir para o aumento da resistência à tração. SPECHT et al. (2002) realizaram uma série de ensaios de compressão diametral (Ensaio Brasileiro) em amostras de solo-cimento reforçado com fibras de polipropileno aleatoriamente distribuídas. O objetivo destes ensaios era avaliar a influência da porcentagem de cimento, do comprimento de fibra e da porcentagem da fibra na resistência à tração do compósito. Os autores concluíram que tanto o aumento no teor de cimento, quanto o produto entre a porcentagem de fibra e o comprimento de fibra promovem um aumento de resistência à tração do material. Porém, o aumento do comprimento de fibra promove um redução da resistência. Ensaios utilizando dois tipos de fibras de polipropileno (extensíveis e inextensíveis) demonstraram um decréscimo na resistência à tração. Este decréscimo se mostrou mais acentuado para as matrizes reforçadas com fibras do tipo extensível (mais flexíveis). Em matrizes cimentíceas reforçadas com fibras, a resistência à tração dos elementos fibrosos só será mobilizada se houver deformação da matriz circundante. A parcela de resistência à tração mobilizada pela fibra depende, portanto, da magnitude das deformações da matriz e da rigidez do reforço. Desta forma, fibras mais rígidas desenvolvem maior resistência à tração para menores níveis de deformação. Isto leva, conseqüentemente a um aumento na resistência à tração do compósito. SPECHT et al. (2002) citam que fibras mais flexíveis não são solicitadas a baixas deformações devido à perda de aderência que surge com a quebra de nódulos de cimentação entre a fibra e a matriz. Esta quebra promove uma redução na resistência à tração do compósito, que é tanto maior quanto maior for o teor de fibra utilizado. 40

56 DONATO et al. (2004), através dos resultados de ensaios de compressão diametral em amostras de concreto compactado com rolo (CCR) reforçadas e não reforçadas com fibras de polipropileno, concluíram que a adição de fibras (teor de 0,5% em peso) produz um incremento da ordem de 50% na resistência à tração do material VANTAGENS E DESVANTAGENS Em resumo, dentre as vantagens referentes à utilização de fibras genéricas para reforço de matrizes cimentíceas, em comparação ao concreto convencional, podem ser citadas: As fibras promovem um aumento nas resistências à compressão e à tração de solos artificialmente cimentados; As fibras contribuem para uma mudança no comportamento tensão-deformação de matrizes cimentíceas, com o aumento da ductilidade, beneficiando o material no seu estado pós-fissuração; As fibras inibem a amplitude das fissuras associadas ao material compósito, acarretando um aumento da tenacidade; As fibras controlam a propagação das fissuras dentro da matriz do compósito; O reforço com fibras provoca um aumento das resistências à fadiga, às cargas de impacto e dinâmicas; A utilização específica de fibras de polipropileno como reforço de materiais compósitos também apresenta uma série de vantagens, tais como: Possuem alta resistência aos álcalis presentes no cimento e são de baixo custo; Proporcionam uma ampla distribuição das fissuras ao longo da matriz, sugerindo uma maior distribuição das tensões; Minimizam a fissuração que ocorre no estado plástico do concreto e nas primeiras horas de endurecimento; Restringem as fissuras causadas por retração plástica do concreto, ou sua freqüência e tamanho são reduzidos; Controlam a abertura de fissuras que venham a surgir dentro da matriz; 41

57 Diminuem a incidência de fissuras de assentamento dos componentes sólidos durante o fenômeno de exsudação do concreto; Aumentam a resistência à abrasão pelo controle da exsudação do concreto; Reduzem a reflexão do concreto projetado devido ao aumento da coesão. De forma geral, o uso de fibras de polipropileno com maior capacidade de elongação (fibras poliméricas, por exemplo) tem apresentado melhores resultados se comparados à utilização de fibras de maior rigidez tais como as de aço. Como desvantagens da utilização de fibras de polipropileno como reforço de materiais à base de cimento podem-se citar: Alta sensibilidade à luz solar e oxigênio; Baixo módulo de elasticidade; Fraca aderência com a matriz. 42

58 CAPÍTULO 3 ÁREA EXPERIMENTAL E MATERIAIS ESTUDADOS Neste capítulo são apresentadas as características da área utilizada para a realização dos ensaios de arrancamento. São descritos também os procedimentos adotados na execução de uma estrutura de contenção em solo grampeado no talude usado para a realização da campanha experimental de campo. Segue-se um relato das condições geológico-geotécnicas do local, apresentando os tipos de materiais encontrados a partir das investigações geotécnicas no terreno atravessado pelos grampos. Em seguida, tem-se uma descrição dos materiais utilizados para confeccionar os grampos convencionais e com fibras e moldar os corpos de prova, destacando as principais propriedades de interesse para um maior entendimento do comportamento destes materiais em campo e em laboratório. Finalizando o capítulo, apresenta-se uma descrição pormenorizada das atividades necessárias para a realização de toda a campanha experimental de campo e de laboratório. 3.1 DESCRIÇÃO E LOCALIZAÇÃO DA ÁREA DE ENSAIOS A área experimental que serviu para a execução dos ensaios de campo está localizada no município de Niterói, no Estado do Rio de Janeiro. Trata-se de uma obra para a implantação de um edifício residencial de apartamentos no bairro da Boa Viagem. A obra consiste no corte de talude natural até atingir-se a conformação indicada em projeto e na execução de uma estrutura de contenção do tipo solo grampeado. Estas atividades antecedem a construção do edifício residencial. Para executar este tipo de contenção, foi prevista a instalação de grampos com barras de aço de diâmetro igual a 22 mm em furos de 75 mm de diâmetro, a execução 43

59 do paramento da estrutura em concreto projetado com f ck igual a 20 MPa, a construção de sistema de drenagem composto por canaletas de concreto armado e por drenos do tipo barbacã, e, por fim, a implantação de sistema de proteção superficial contra erosão próximo à crista do talude. A estrutura de contenção foi construída segundo os procedimentos consagrados no meio técnico. Tais procedimentos consistem na escavação prévia do talude até uma determinada altura, na instalação de grampos constituídos por monobarras de aço inseridas em furos feitos no talude e, por fim, no preenchimento do furo de perfuração por calda de cimento (mistura de cimento e água), conforme SAYÃO et al. (2005). O Morro do Palácio, área utilizada para a realização dos ensaios de campo na presente pesquisa, é formado por encostas com mais de 25 m de altura, com inclinações naturais variando entre 30 o e 45 o, que mergulham em direção à Praia das Flexas e da Boa Viagem, próximo ao local onde foi construído o Museu de Arte Contemporânea (MAC) de Niterói. Essas encostas apresentam espessa camada de solo residual areno-argiloso, sobrejacente a uma camada de saprolito/rocha alterada extremamente friável, muito quartzosa e de granulometria grosseira, com fragmentos de feldspatos ainda preservados. A geologia desta área é marcada pela grande diversidade das rochas dentro de uma faixa estreita de terreno, causada por um sistema de falhamentos de direção NE-SW, intercalando gnaisse facoidal e kinzigito. A zona é extremamente fraturada, permitindo assim uma intensa atividade intrusiva, com a formação de inúmeros diques de diabásio e veios pegmatíticos que cortam as rochas em direções NE-SW e E-W preferencialmente (GOMES SILVA, 2005). A alteração das rochas com essa configuração geológico-estrutural produziu solos de coesão moderada e com várias descontinuidades, que facilitam o desenvolvimento de processos erosivos e o colapso por tombamento das partes mais íngremes destas encostas. 44

60 O local escolhido para a realização dos ensaios de campo é marcado pela presença de encosta com altura superior a 30 m e inclinação média da ordem de 30 o. Ela apresenta trechos subverticais (ravinamentos), revestidos por vegetação do tipo rasteira e arbustiva, de pequeno a médio porte. As sondagens geotécnicas detectaram a presença de bloco de rocha (matacão) muito alterado e superficial, sendo provável a existência de outros dentro da matriz de solo. Na parte baixa da encosta encontra-se uma camada de solo residual jovem com superfície mais degradada por conta da ação pluvial. Não foram encontradas trincas e/ou abatimentos no terreno nem nas vias de circulação adjacentes. As sondagens, cujos boletins são apresentados ao final deste documento no Anexo 1, acusaram nos furos SP-01, SP-02, SP-04 e SP-07 a presença de uma camada superficial de aterro de espessura variando em torno de 0,20 a 0,40 m, seguida de uma camada de solo residual de gnaisse. O solo residual é constituído por misturas siltoargilosas ou argilo-siltosas, às vezes com a presença de pedregulhos, de coloração variável, desde o branco até o marrom escuro. Esta camada de solo residual apresentou N SPT praticamente crescente com a profundidade, e com valores variando entre 20 e 120. O mapa com a locação dos furos de sondagem no canteiro também se encontra no Anexo GRAMPOS ESTUDADOS Neste item são apresentados os materiais utilizados durante a pesquisa para a elaboração dos grampos convencionais e dos grampos com fibras de polipropileno GRAMPO CONVENCIONAL O grampo convencional consiste da barra metálica que é inserida no furo do maciço de solo e, posteriormente, sofre a injeção da calda de cimento ao longo de todo comprimento. O cimento utilizado na mistura para preenchimento dos furos dos grampos do tipo convencional é o cimento Portland do tipo CP-II-E-32RS (cimento composto com 45

61 escória e resistente aos sulfatos) da marca NASSAU. Este cimento tem peso específico da ordem de 12,0 kn/m 3 e é comercializado no mercado em sacos de 50 kg. A água utilizada nas misturas para os grampos convencionais foi obtida no próprio canteiro e retirada de uma das caixas d água que serviam à obra. Foi utilizado na mistura um aditivo plastificante para reduzir o consumo de água na mistura, e, conseqüentemente, o fator água/cimento da mesma, além de garantir uma trabalhabilidade adequada. O produto utilizado foi o aditivo CEMIX da marca Vedacit Impermeabilizantes. Este produto, tal como a água, já vinha sendo utilizado na obra e por isto foi selecionado para moldar os grampos convencionais, bem como preparar as misturas da etapa de reinjeção. Segundo informações contidas no catálogo do fabricante, este produto caracteriza-se como um aditivo plastificante/redutor de água para concreto. O aditivo tem peso específico de 11,9 kn/m 3, coloração marrom escura, dosagem recomendada em torno de 0,2 a 0,3% sobre o peso de cimento seco e pode ser comercializado em embalagens de 20 e 230 kg. As barras de aço dos grampos moldados em campo são barras de aço CA75 nervuradas, de diâmetro externo nominal igual a 22 mm (7/8 ) da marca INCOTEP. Conforme informações do fabricante, as barras de aço possuem as seguintes propriedades: seção efetiva de 314 mm 2, tensão limite de escoamento do aço igual a 660 MPa, tensão limite de resistência igual a 800 MPa e cargas de escoamento e ruptura iguais a 207 e 251 kn, respectivamente. No caso dos ensaios de arrancamento dos grampos do tipo convencional, o comprimento das barras de aço é igual a 4,80 m. 46

62 3.2.2 GRAMPO COM FIBRAS DE POLIPROPILENO O grampo não convencional corresponde a um compósito fibroso moldado com argamassa de cimento e fibras de polipropileno, em substituição à barra de aço. O cimento, água e aditivo utilizados na confecção do grampo com fibras de polipropileno são os mesmos das misturas de injeção e reinjeção dos grampos convencionais. As misturas se diferem pela adição de fibras de polipropileno e areia. A areia utilizada na produção da argamassa dos grampos com fibras de polipropileno corresponde ao material passante na peneira com abertura de malha # 3/8. Esta areia possui um peso específico de 18,3 kn/m 3 e densidade real dos grãos G s média igual a 2,63. A areia apresenta granulometria de média a grossa e é isenta de finos, mica e matéria orgânica. Estas propriedades foram obtidas a partir de ensaios de caracterização realizados segundo a norma brasileira NBR 7181/84 da ABNT nas dependências do Laboratório de Geotecnia da COPPE/UFRJ. A Figura 3.1 apresenta a curva granulométrica da areia utilizada nas misturas. Figura 3.1: Curva granulométrica da areia utilizada na argamassa do grampo com fibras. 47

63 As fibras de polipropileno utilizadas nesta pesquisa foram fornecidas pela empresa Ober S.A. São fibras com cerca de 30 mm de comprimento e 0,018 mm de diâmetro nominal (Figura 3.2). A Tabela 3.1 resume as propriedades das fibras de polipropileno. Figura 3.2: Detalhe das fibras de polipropileno. Tabela 3.1 Características das fibras de polipropileno. Característica Unidade Valor Comprimento (m) 0,03 Diâmetro (* 10-5 m) 1,8 Título (denier) 2,8 Carga de Ruptura (* 10-5 kn) 3,5 Resistência à Tração (MPa) 138,3 Alongamento na Ruptura (%) 70,0 3.3 EXECUÇÃO DOS GRAMPOS A pesquisa foi desenvolvida em duas etapas principais: etapa de campo e de laboratório. A etapa de campo foi desenvolvida anteriormente à de laboratório e consistiu de uma série de ensaios de arrancamento realizados em duas baterias, ou seja, dois grupos de ensaios que foram executados em cotas diferentes do talude, a saber: cota 31 m (9 m acima do nível da rua) para a bateria 1 e cota 22 m (nível da rua) para a bateria 2. 48

64 Estes ensaios tiveram por objetivo determinar e comparar as cargas de arrancamento de grampos convencionais e com fibras moldados in situ para cada bateria, bem como estudar o comportamento da resistência ao arrancamento q s em função dos deslocamentos. Além disso, procurou-se também avaliar a distribuição de tensões ao longo dos grampos através da investigação do padrão de fissuramento observado na exumação dos grampos, após os ensaios de arrancamento. Para cumprir tais objetivos, esta fase de campo compreendeu a execução das seguintes atividades para cada bateria de ensaios de arrancamento: Escolha e preparação do local para a inserção dos grampos e definição dos espaçamentos e altura dos furos; Locação e marcação dos furos a serem feitos; Perfuração dos taludes nos locais definidos e demarcados até a profundidade de 4,0 m; Vedação dos furos feitos na etapa anterior até a moldagem dos grampos; Confecção in loco da mistura reforçada com fibras de polipropileno a ser inserida dentro dos furos dos grampos não convencionais; Moldagem dos grampos reforçados com fibras de polipropileno; Confecção da mistura a ser usada na injeção da bainha para os grampos convencionais e na reinjeção para os grampos convencionais e não convencionais; Moldagem dos grampos convencionais; Reinjeção para os grampos convencionais e não convencionais; Ensaios de arrancamento dos grampos convencionais e não convencionais moldados anteriormente; Exumação dos grampos ensaiados. Neste item são tratadas apenas as etapas que antecederam os ensaios de arrancamento propriamente ditos, ou seja, a descrição das atividades até a injeção e reinjeção dos grampos no campo. No Capítulo 5, são descritas as atividades correspondentes ao ensaio de arrancamento e a exumação dos grampos. 49

65 A idéia inicial para a presente pesquisa era a de estudar a viabilidade do emprego de grampos não convencionais reforçados com fibras de aço, de polipropileno e de bambu. A utilização de reforço dos grampos com fibras de bambu foi descartada logo de início devido à fibra confeccionada a partir deste material não se encontrar disponível no mercado. O custo destas fibras não seria, portanto, competitivo se comparado às outras fibras citadas. Antes das duas baterias de ensaios de arrancamento que são analisadas nesta dissertação, procedeu-se uma bateria preliminar de ensaios que foi feita durante a fase inicial dos trabalhos da obra. O objetivo destes ensaios preliminares, realizados em uma elevação mais próxima à crista do talude foi estudar o comportamento de grampos não convencionais quando inseridos em material de natureza mais terrosa, já que as investigações geotécnicas realizadas no local acusaram a presença de camadas de solos residuais jovens (saprolitos) de gnaisse e maduros mais próximos à crista do talude, conforme apresentado no item 3.1. Além disto, esta bateria preliminar de ensaios objetivou avaliar as técnicas de mistura e injeção da calda de cimento com fibras de polipropileno e de aço. Esta bateria preliminar contemplou a execução de ensaios de arrancamento em quatro grampos, sendo 2 reforçados com fibras de polipropileno e 2 com fibras metálicas. Os furos foram feitos de modo que os grampos ficassem dispostos em uma mesma linha, espaçados de 1,0 m. Os grampos foram moldados com inúmeras dificuldades, alternando-se grampos reforçados com fibras de aço e de polipropileno. Infelizmente, os resultados desta bateria preliminar foram limitados. O processo de mistura dos componentes das argamassas com fibras metálicas e com fibras de polipropileno foi difícil. Houve problemas operacionais, com acumulação de ambas as fibras na base do misturador e as injeções dos grampos ficaram comprometidas. Os ensaios de arrancamento dos dois tipos de grampos indicaram uma resistência muito reduzida. Além disto, constatou-se que os equipamentos de injeção disponíveis no canteiro de obras eram inadequados para a mistura com fibras metálicas. Portanto, para resguardar a integridade dos equipamentos, abandonou-se o emprego das fibras de aço, priorizando a utilização das fibras de polipropileno. 50

66 Outras duas baterias de ensaio com grampos com fibras de polipropileno foram então programadas em cotas inferiores, mais próximas ao nível da rua. Para estas duas novas baterias, segue-se a descrição das atividades de campo que possibilitaram a execução dos ensaios. Primeiramente, procurou-se definir os melhores locais para se proceder os ensaios e arrancamento, de maneira a minimizar a heterogeneidade do solo e a interferência da movimentação de trabalhadores e equipamentos na obra. Baseando-se nestas premissas, os locais para a realização dos ensaios nas duas baterias foram escolhidos levando-se em conta a natureza dos materiais que seriam atravessados pelos grampos e o próprio lay-out da obra. O local escolhido para a realização dos ensaios da primeira bateria foi uma face lateral do talude a ser reforçado. Para a segunda bateria de ensaios, o local escolhido foi um talude remanescente da escavação que vinha sendo feita na face frontal do talude e distante do paramento da estrutura em solo grampeado. Com isto, portanto, também não houve qualquer interferência dos ensaios nos trabalhos pertinentes à obra. Optou-se por trabalhar com um comprimento de grampo igual a 4,0 m e diâmetro do furo igual a 75 mm, idêntico aos furos dos grampos convencionais utilizados na obra. O espaçamento entre os furos foi definido de forma a evitar qualquer interferência de um grampo na resposta de outro durante os ensaios de arrancamento. O espaçamento entre as paredes dos furos foi igual a 750 mm. A altura dos furos em relação à base dos taludes nas bancadas onde os grampos seriam inseridos foi escolhida igual a 1 m, de maneira a facilitar a montagem e execução dos ensaios de arrancamento. A perfuração foi feita com perfuratriz elétrica (marca BOSCH e tipo BOSCHHAMMER GBH11DE 220V) até uma profundidade de 4,0 m. O ângulo de inclinação das perfurações foi igual a 10 o. A Figura 3.3 mostra esta etapa de perfuração. 51

67 Figura 3.3: Detalhe da etapa de execução do furo para execução do grampo no talude. Em cada bateria de ensaio, foram executadas seis perfurações ao todo, sendo que todos os furos se encontravam à mesma altura e dispostos em linha. As Figuras 3.4 e 3.5 mostram esquematicamente a disposição de cada um dos grampos para as baterias 1 e 2, respectivamente. A Figura 3.6 ilustra a face do talude preparado para a execução dos grampos da bateria 2. Figura 3.4: Disposição dos furos dos grampos Bateria 1. Figura 3.5: Disposição dos furos dos grampos Bateria 2. 52

68 Figura 3.6: Face do talude com os furos dos grampos Bateria 2. À medida que o furo era executado, o material recolhido na perfuração era analisado a fim de que se pudesse classificar o tipo de solo circunvizinho aos grampos. Após a etapa de perfuração em cada bateria de ensaios, as extremidades dos furos eram vedadas temporariamente, visando apenas a proteção contra a penetração de quaisquer materiais. Seguia-se, então, a etapa de moldagem dos grampos, a qual se dividiu em duas atividades: elaboração das misturas e moldagem propriamente dita. Em primeiro lugar, procedeu-se a mistura utilizada nos grampos não convencionais (cimento, água, areia, aditivo e fibra). Esta mistura foi feita na própria obra utilizandose um misturador manual (Figura 3.7) com capacidade de 0,2 m 3 e observando-se a dosagem (traço) específica dos materiais componentes da mistura e a seqüência específica de lançamento dos materiais no misturador. A mistura do grampo convencional, constituída por cimento, água e aditivo, também foi preparada com o mesmo misturador manual. 53

69 Figura 3.7: Misturador manual utilizado em campo. Os traços adotados para as misturas sem fibras (grampo convencional) e com fibras de polipropileno estão resumidos na Tabela 3.2. Tabela 3.2: Traços adotados para os grampos convencionais e com fibras. Material Traços dos Grampos Com Fibras Convencional Cimento 1 1 Água 0,65 0,65 Areia 0,10 - Fibra 0,005 - Aditivo 0,006 0,006 Além do traço ótimo da mistura com fibras, nesta pesquisa também estudou-se a seqüência mais adequada para lançamento dos materiais no misturador manual. 54

70 Ressalta-se que o lançamento indiscriminado pode resultar em misturas heterogêneas com concentração de fibras no fundo do misturador. Esta seqüência é apresentada na Tabela 3.3, com a porcentagem lançada em relação à quantidade total de cada material do grampo com fibras. A porcentagem apresentada na Tabela 3.3 de cada material para os grampos com e sem fibras de polipropileno refere-se à porcentagem lançada de cada material em determinada etapa de colocação dos materiais dentro do misturador em relação à quantidade total de material utilizada na moldagem. Tabela 3.3: Seqüência específica de lançamento dos materiais dos grampos com e sem fibras. % em Relação ao total de Quantidade Cada Etapa Material Unidade Material Grampos Grampos Polipropileno Convencional Polipropileno Convencional 1 Água m 3 0,045 0,095 34,6 97,4 2 Cimento sacos ,0 100,0 3 Areia kg 7-35,0-4 Água m 3 0,040-30,8-5 Fibra kg 0,400-40,0-6 Areia kg 7-35,0-7 Cimento sacos 1-25,0-8 Água m 3 0,040-30,8-9 Cimento sacos 1-25,0-10 Água c/ aditivo m 3 0,005 0,0025 3,9 2,6 11 Fibra kg 0,300-30,0-12 Areia kg 6-30,0-13 Fibra kg 0,300-30,0 - Após esta etapa, tanto a argamassa reforçada com fibras de polipropileno quanto a calda de cimento eram injetadas nos furos com o auxílio de um sistema contendo uma bomba do tipo Hidrojet e um conjunto de tubos de PVC com diâmetro externo ligeiramente inferior ao diâmetro do furo. Um detalhe da bomba usada na injeção das misturas feitas na obra é apresentado na Figura

71 Figura 3.8: Bomba do tipo Hidrojet utilizada para injeção dos grampos. A injeção dos grampos em campo cumpriu a seguinte ordem: 1. Injeção da mistura reforçada com as fibras de polipropileno nos furos dos grampos não convencionais; 2. Injeção da calda de cimento com aditivo redutor nos furos dos grampos convencionais; 3. Reinjeção dos furos após um período de 1 h decorrente da injeção dos grampos, com a mistura de cimento, água e aditivo. No caso do grampo convencional, após a injeção da nata de cimento no furo, a barra de aço era inserida dentro do mesmo. Esta barra tem o comprimento total de 4,80 m. Para garantir o cobrimento da barra de aço do grampo convencional, evitando assim o contato com a parede do furo, foram colocados dois centralizadores ao longo de seu comprimento, os quais foram fixados à barra por meio de arame. 56

72 Além destes, a barra também contou com a presença de duas luvas para garantir a mesma configuração adotada para o trecho com barra do grampo com fibras. As Figuras 3.9 e 3.10 ilustram o grampo convencional e o detalhe de posicionamento dos espaçadores e luvas no trecho injetado, respectivamente. Figura 3.9: Esquema do grampo convencional. Figura 3.10: Disposição de centralizadores e luvas na barra do grampo convencional. Desta forma, os grampos convencionais podem ser divididos em dois trechos, a saber: 1. Trecho Livre: Caracterizado pela presença de espuma isolante, com comprimento igual a 50 cm e trecho para fixação do macaco com comprimento igual a 80 cm (Figura 3.9); 2. Trecho Injetado: Correspondente ao comprimento de 3,50 m com nata de cimento, em contato com o solo. O ensaio de arrancamento do grampo com fibras exigiu um dispositivo que permitisse a instalação do macaco hidráulico e célula de carga. Este dispositivo consistiu de um trecho de barra de aço de 2,30 m de comprimento, o qual era inserido no furo do grampo com fibras. Esta barra é a responsável pela transmissão das forças de arrancamento para o comprimento injetado com fibras de polipropileno. Para garantir a aderência da barra com a mistura de cimento, foram introduzidos elementos de encunhamento (centralizadores e luvas) espaçados de 20 cm no trecho correspondente ao comprimento ancorado, de forma similar à do grampo convencional. 57

73 As Figuras 3.11 e 3.12 ilustram o esquema do grampo com fibras e o detalhe do comprimento ancorado, respectivamente. Figura 3.11: Esquema do grampo com fibras de polipropileno. Figura 3.12: Disposição de centralizadores e luvas na barra do grampo com fibra. Desta forma, os grampos com fibras podem ser divididos em partes, de acordo com a presença de alguns de seus componentes (espuma e barra de aço). O grampo de polipropileno foi assim dividido: 1. Trecho Livre: Trecho correspondente à presença de espuma, que isola o grampo do solo, com comprimento de 50 cm e trecho para fixação do macaco com 80 cm de comprimento (Figura 3.11); 2. Trecho Injetado com Barra: Parte caracterizada pela presença de barra de aço embutida dentro da matriz de cimento com fibras de polipropileno e sem o isolamento da espuma, com comprimento igual a 1,00 m; 3. Trecho Injetado sem Barra: Trecho do grampo caracterizado pela ausência de barra de aço, consistindo apenas do material compósito fibroso, o qual ocupa toda a seção do furo, com comprimento igual a 2,50 m. Após a moldagem dos grampos, aguardava-se cerca de 1 h e aí então procedia-se uma segunda injeção por meio de um conjunto formado pela bomba de injeção. Alternativamente uma bomba e um misturador duplo acoplado elétrico modelo SBI 60H da marca SONDEQ podem ser usados. Este equipamento é indicado para injeção de natas de cimento em tirantes e grampos e permite pressões de até 10 MPa. A Figura 3.13 ilustra o sistema completo empregado para a reinjeção dos grampos com fibras e convencional. 58

74 Figura 3.13: Sistema e reinjeção dos grampos. Esta reinjeção utiliza apenas nata de cimento, isto é, cimento, água e aditivo nas proporções iguais a 1:0,5:0,003, respectivamente. A reinjeção foi feita com o auxílio de mangueiras de diâmetro igual a 10 mm, as quais eram fixadas às barras de aço. Depois que a mangueira era presa à barra, abriam-se pequenos orifícios, os quais eram vedados com fita crepe, ao longo das mesmas por onde extravazaria a nata de cimento para o interior da perfuração. A Figura 3.14 mostra um detalhe das barras de aço com as mangueiras de reinjeção, prontas para serem instaladas nos furos. O objetivo desta reinjeção é preencher os vazios que possam ter se formado após a primeira fase de injeção e aumentar o contato nata de cimento solo, aumentando conseqüentemente, a resistência ao arrancamento. 59

75 Figura 3.14: Barras de aço com espuma, espaçadores, luvas e mangueiras de reinjeção. 3.4 CORPOS DE PROVA DE LABORATÓRIO A etapa de laboratório consistiu de uma série de ensaios de compressão uniaxial (compressão não confinada) instrumentados e não instrumentados, bem como ensaios de compressão diametral (Ensaio Brasileiro) realizados em corpos de prova moldados com e sem a presença de fibras de polipropileno. Para cumprir tal etapa, as seguintes atividades foram desenvolvidas: Pesagem, separação e acondicionamento dos materiais constituintes das misturas com e sem fibras de polipropileno; Confecção das misturas reforçadas e não reforçadas com fibras de polipropileno; Moldagem e armazenamento dos corpos de prova; Corte dos corpos de prova para a obtenção das amostras para os ensaios de compressão diametral; Preparação das superfícies e colagem da instrumentação para medição das deformações axial e radial dos corpos de prova dos ensaios de compressão uniaxial; Execução dos ensaios de compressão uniaxial e diametral. Neste item serão apresentados apenas os procedimentos que antecederam os ensaios de laboratório propriamente ditos, desde a pesagem dos materiais constituintes das misturas até a sua moldagem e armazenamento. No capítulo seguinte, descrevem-se as 60

76 atividades que compreendem a preparação das superfícies laterais dos corpos de prova para a colagem dos strain gages e os ensaios de compressão uniaxial e diametral. Inicialmente, os corpos de prova foram moldados em campo com o objetivo de que se pudesse trabalhar em laboratório com misturas que tivessem em sua composição os mesmos materiais que foram utilizados para moldar os grampos de arrancamento. Para tal, após a injeção das misturas para o interior das perfurações no canteiro, a mistura remanescente que ainda se encontrava no misturador manual era despejada em moldes de PVC, cortados em dimensões pré-estabelecidas, até preenchê-los por completo. Os moldes de PVC foram cortados com a ajuda de equipamento elétrico de corte tipo serra. Após serem cortados nas alturas especificadas, os moldes eram cortados longitudinalmente, a fim de deixar um rasgo que facilitasse sua abertura durante o desmolde. Em seguida, eram amarrados com o auxílio de arame recozido no sentido de se fechar o rasgo. Por fim eram agrupados e assentados sobre plataformas de madeira que serviam de fundo para os moldes. Os moldes para os ensaios de compressão uniaxial apresentaram dimensões iguais a 50 mm de diâmetro por 100 mm de altura (relação H/D=2), enquanto os moldes para os ensaios de compressão diametral tiveram dimensões de 50 mm de diâmetro por 30 mm de altura (relação D/t=1,67). Um detalhe dos corpos de prova moldados in situ é apresentado na Figura Foram também moldados três corpos de prova (dois reforçados com fibras e um convencional) com 150 mm de diâmetro e 300 mm de altura (relação H/D=2), com o intuito de se verificar a influência das dimensões (efeito de escala) na resistência mecânica do material compósito fibroso e da nata de cimento. 61

77 Figura 3.15: Detalhe dos corpos de prova para ensaios de laboratório moldados em campo. Devido à exposição destes corpos de prova à insolação, a retração foi elevada desde o momento da moldagem no campo até a chegada ao laboratório, fato que inviabilizou sua utilização para os ensaios. Além disso, a superfície destes corpos de prova se mostrou muito irregular, o que exigiria um trabalho de retificação adicional para deixálos em condições de ensaio. Devido a estes problemas, decidiu-se então fazer uma nova moldagem agora em condições controladas em laboratório. Primeiramente, os materiais constituintes das misturas com fibras (cimento, água, areia, aditivo e fibra) e sem fibras (cimento, água e aditivo) foram pesados seguindo-se as mesmas proporções em peso em comparação com os grampos moldados no campo. Os materiais utilizados para a preparação das misturas em laboratório também foram rigorosamente os mesmos utilizados em campo. A seqüência de lançamento dos materiais para o preparo da mistura foi a mesma realizada na etapa de campo. 62

78 A mistura dos materiais foi realizada com o auxílio de um misturador elétrico, por um período de tempo total de 2 minutos no intuito de assegurar que as fibras (no caso das misturas com fibra) se espalhassem por todo o volume da mistura, e assim, pudesse ser garantida a sua homogeneidade. Em seguida, procedeu-se à moldagem dos corpos de prova. Logo após a moldagem, os corpos de prova foram colocados sobre uma mesa vibratória e submetidos à vibração por 1 minuto. Em seguida, foram armazenados em câmara úmida para minimizar os efeitos de retração ao final do período de cura. Ainda assim, como poderá ser visto mais adiante no Capítulo 4, os corpos de prova apresentaram alguma retração. Como esta retração foi observada tanto nos corpos de prova com fibra quanto nos corpos de prova sem a presença do reforço fibroso, ela pode ser atribuída ao tipo e qualidade do cimento utilizado. Foram moldados ao todo dez corpos de prova com a mistura sem fibras (cimento, água e aditivo), sendo que quatro seriam cortados em discos para os ensaios de compressão uniaxial. Para os corpos de prova moldados com a mistura reforçada por fibras (cimento, água, areia, aditivo e fibra), foram moldados ao todo 19 corpos de prova, sendo 14 para os ensaios de compressão uniaxial e o restante a ser cortado em discos para os ensaios diametrais. Após o período de cura de 7 dias, procedeu-se ao corte e à retificação dos corpos de prova moldados com a finalidade de obter os corpos de prova dos ensaios de tração indireta (Ensaio Brasileiro). Estes corpos de prova apresentaram dimensões iguais a 50 mm de diâmetro e 25 mm de altura, satisfazendo portanto, uma relação D/t igual a 2,0 (NUNES, 1989). Foram cortados ao todo dois corpos de prova moldados a partir da mistura sem fibras e cinco corpos de prova para a mistura com fibras. Como a altura era de, no mínimo, 79 mm após a cura, foi possível obter três corpos de prova para os ensaios de compressão diametral (25 mm de altura) de cada amostra de compressão uniaxial, perfazendo um total de seis corpos de prova constituídos com a mistura sem fibras e quinze corpos de prova formados a partir das misturas com fibras de polipropileno. 63

79 CAPÍTULO 4 PROGRAMA EXPERIMENTAL DE LABORATÓRIO Este capítulo apresenta a preparação e a execução dos ensaios de compressão uniaxial e diametral em laboratório. Em seguida, são apresentados e discutidos os resultados dos ensaios de laboratório. A campanha experimental de laboratório teve como objetivo caracterizar o material compósito utilizado na moldagem dos grampos no campo e os resultados obtidos compreendem, de maneira geral, as resistências à compressão uniaxial (s c ) e à tração indireta (s t,b ). Estes valores de resistência são analisados e comparados com àqueles observados para os corpos de prova moldados com nata de cimento. Além das resistências à compressão e à tração, são apresentados também os valores de resistência residual, rigidez nos estados pré e pós-pico de ensaio, bem como o módulo de elasticidade (E) para as misturas com e sem fibras. 4.1 ENSAIOS DE COMPRESSÃO UNIAXIAL EM LABORATÓRIO Neste item, são apresentados os procedimentos que resultaram na campanha de ensaios laboratoriais, desde a preparação das superfícies dos corpos de prova para a colagem dos extensômetros de resistência elétrica (strain gages) até o ensaio propriamente dito. Foram executados 14 ensaios de compressão uniaxial (compressão não confinada) instrumentados e não instrumentados INSTRUMENTAÇÃO DAS AMOSTRAS Um total de 6 corpos de prova com e sem fibras foi instrumentado com strain gages para medição das deformações nas direções axial e radial nos ensaios de compressão uniaxial. 64

80 Primeiramente, era necessário preparar a superfície do corpo de prova antes da colagem do strain gage. Com este objetivo as seguintes atividades foram realizadas: 1. Limpar a superfície com solvente, aplicando o produto em uma região maior que a ocupada pelo extensômetro; 2. Secar a superfície com material adequado (gaze ou algodão). A secagem foi repetida até que a gase ou algodão não apresentasse sinais de impurezas; 3. Lixar a superfície (quando necessário), de modo a obter uma superfície plana, praticamente livre de rugosidade que possa interferir no desempenho do extensômetro; 4. Marcar os eixos de referência para a colagem do strain gage; 5. Retirar o strain gage de sua embalagem com a ajuda de uma pinça, colocando-o sobre um vidro limpo; com o auxílio de uma fita adesiva transparente, transportar e posicionar o strain gage no local de colagem, tomando os cuidados necessários para que o mesmo ficasse alinhado em relação aos eixos de referência marcados anteriormente; 6. Proceder a colagem do strain gage no corpo de prova. Para tal, uma vez que o strain gage já se encontra na posição requerida, descolar a fita adesiva até que o strain gage esteja separado da superfície do corpo de prova. Aplicar a cola do tipo cianoacrilato, pressionando o conjunto até a secagem; 7. Instalar os fios conectores dos strain gages e fazer ligação em ponte completa de Wheatstone externa ao corpo de prova ENSAIOS DE COMPRESSÃO UNIAXIAL Os ensaios de compressão uniaxial foram realizados em prensa do Laboratório de Estruturas da COPPE/UFRJ, munida de sistema próprio para aquisição de dados onde eram registrados os valores da carga aplicada, bem como dos deslocamentos da plataforma de suporte do corpo de prova. A Figura 4.1 mostra o sistema utilizado para a execução dos ensaios de compressão uniaxial. 65

81 Figura 4.1: Sistema utilizado para os ensaios de compressão uniaxial. Os ensaios dos corpos de prova moldados a partir das misturas com e sem fibras foram precedidos por um ensaio de calibração, executado em um corpo de prova de alumínio de dimensões iguais a 38,9mm de diâmetro e 77,8mm de altura (relação H/D=2). Este corpo de prova foi instrumentado com quatro strain gages (dois na direção axial e dois na direção radial). O objetivo deste ensaio era servir de calibração para os demais. Os ensaios de compressão uniaxial foram executados em 6 corpos de prova instrumentados e 8 não instrumentados com mistura de cimento (CC) e cimento e fibra (CF). A Tabela 4.1 apresenta as características dos corpos de prova ensaiados, moldados com diâmetro de 50 mm e altura inicial de 100 mm, exceto para as amostras CF9 e CF10. Estes corpos de prova foram preparados com 150 mm de diâmetro e 300 mm de altura com o objetivo de identificar algum efeito de escala. Devido à retração durante a cura e a posterior retificação das extremidades, os corpos de prova apresentaram relação H/D final variando entre 1,58 a 1,87. 66

82 Tabela 4.1: Características dos corpos de prova para ensaios de compressão uniaxial. CP Altura Final H/D H Retração Observação (mm) (mm) (%) CC1 79 1, ,0 Não Instr. CC2 83 1, ,0 Não Instr. CC3 84 1, ,0 Instr. CC4 83 1, ,0 Instr. CF1 86 1, ,0 Instr. CF2 84 1, ,0 Não Instr. CF3 91 1,82 9 9,0 Instr. CF4 86 1, ,0 Não Instr. CF5 88 1, ,0 Instr. CF6 86 1, ,0 Instr. CF7 86 1, ,0 Não Instr. CF8 87 1, ,0 Não Instr. CF , ,7 Não Instr. CF , ,0 Não Instr. Obs.: CC: nata de cimento Instr.: Instrumentado CF: argamassa com fibras Não Instr.: Não Instrumentado Para os ensaios de compressão instrumentados, além dos resultados obtidos a partir dos arquivos de saída de dados da máquina (força aplicada pela prensa e deslocamento da plataforma de suporte do corpo de prova), contou-se também com a instrumentação dos strain gages instalados nas posições axial e radial para as medidas das deformações respectivas. O monitoramento das deformações axial e radial e a tensão aplicada possibilitaria o cálculo dos parâmetros de elasticidade (módulo de elasticidade E e coeficiente de Poisson ν) para as misturas com e sem fibras. Os ensaios foram realizados com taxa de carregamento de 0,1 mm/min, permitindo o monitoramento do comportamento pré e pós-pico dos corpos de prova. 67

83 4.2 ENSAIOS DE COMPRESSÃO DIAMETRAL EM LABORATÓRIO Os ensaios de compressão diametral (Ensaio Brasileiro) tiveram como objetivo determinar e comparar as cargas de ruptura e as respectivas resistências à tração dos corpos de prova moldados a partir das misturas com e sem fibras de polipropileno. Como já citado no capítulo anterior, os corpos de prova para os ensaios de compressão diametral apresentaram dimensões de 50 mm de diâmetro e 25 mm de altura, satisfazendo portanto, uma relação H/D igual a 0,50. Os ensaios foram realizados utilizando-se a mesma prensa usada nos ensaios de compressão uniaxial. Utilizou-se mordentes curvos de aço, responsáveis pela transferência mais uniformemente distribuída do carregamento ao longo da área lateral do corpo de prova (NUNES, 1989). Foram ensaiados 15 corpos de prova moldados com a mistura com fibras (TF1 ao TF15) e 6 corpos de prova constituídos pela mistura de cimento, água e aditivo sem fibras (TC1 ao TC6). Todos os ensaios foram conduzidos com velocidade carregamento controlada por taxa de deslocamento igual a 0,5 mm/min, exceto para os ensaios TF4 e TF5 (corpos de prova com fibra), onde a velocidade foi igual a 0,2 mm/min. Estes ensaios permitiram a verificação do possível efeito da velocidade sobre a carga de fratura primária do disco. Uma vez comprovada esta influência, todos os ensaios foram executados com taxa de carregamento constante e igual a 0,5 mm/min, conforme sugerido por NUNES (1989). Um detalhe do ensaio de compressão diametral mostrando a prensa utilizada, os mordentes e o corpo de prova pode ser visualizado na Figura

84 Figura 4.2: Sistema do ensaio de compressão diametral. 4.3 RESULTADOS DOS ENSAIOS DE LABORATÓRIO Neste item são apresentados e discutidos os resultados obtidos da campanha experimental que foi realizada no laboratório. São apresentados e comparados os valores obtidos de resistência à compressão a 14 dias para os corpos de prova moldados com nata de cimento e argamassa reforçada com fibras de polipropileno. É feita uma análise do comportamento tensão-deformação das misturas estudadas. Considerações sobre o modo de ruptura são baseadas no cálculo dos valores de rigidez k dos corpos de prova para os estados pré e pós-pico das curvas carga-deslocamento obtidas a partir dos ensaios de compressão uniaxial. Os módulos de elasticidade e as rigidezes dos compósitos reforçados e não reforçados com fibras de polipropileno são apresentados e comparados entre si. 69

85 Também são apresentados e discutidos os resultados de resistência à tração indireta σ t,b obtidos a partir de uma série de ensaios de compressão diametral (Ensaio Brasileiro) realizados para os corpos de prova com e sem fibras ANÁLISES E RESULTADOS DOS ENSAIOS DE COMPRESSÃO UNIAXIAL Os ensaios de compressão uniaxial foram realizados em corpos de prova moldados com e sem fibras de polipropileno. O objetivo desta série de ensaios foi caracterizar as misturas utilizadas na moldagem dos grampos convencionais e com fibras no campo. A determinação das propriedades do material compósito estudado é de suma importância, pois visa esclarecer melhor alguns aspectos relacionados ao comportamento deste material quando submetido a solicitações de interesse para o caso em estudo, dando subsídios para verificar a viabilidade técnica do seu emprego em aplicações de engenharia. Propriedades como resistência à compressão a 14 dias σ cmáx, resistência residual σ cres, rigidez nos estados pré e pós-pico k 1 e k 2 e módulo de elasticidade E foram determinadas. A Tabela 4.2 mostra um resumo dos resultados dos ensaios de compressão uniaxial dos corpos de prova com e sem fibras de polipropileno. A Figura 4.3 apresenta as curvas típicas de carga-deslocamento para amostras com e sem fibras. O Anexo 3 apresenta todas as curvas carga-deslocamento obtidas dos ensaios de compressão uniaxial realizados em corpos de prova não instrumentados (CC1, CF2, CF4, CF7 e CF8), bem como curvas carga-deslocamento obtidas dos ensaios em corpos de prova instrumentados (CC3, CC4, CF1, CF3, CF5 e CF6). 70

86 60 50 Argamassa com Fibras 40 Carga (kn) Nata de Cimento Deslocamento do Pistão (mm) Figura 4.3: Curvas carga-deslocamento típicas dos corpos de prova com e sem fibras de polipropileno. Tabela 4.2: Resultados dos ensaios de compressão uniaxial dos corpos de prova. Material CP σ cmáx σ cres k 1 k 2 E (MPa) (MPa) (MN/m) (MN/m) (GPa) CC1 11,10 7,02 77,91 11,81 3,13 Nata CC2 11,11 ND ND ND ND de Cimento CC3 9,64 7,01 41,42 4,31 1,77 CC4 10,96 8,17 49,56 6,30 2,10 CF1 12,44 9,84 69,44 2,58 3,04 CF2 13,18 9,14 72,46 1,90 3,10 CF3 31,92 15,45 128,33 11,56 5,95 Argamassa CF4 12,89 9,30 49,62 4,97 2,17 c/ fibras CF5 14,10 10,37 64,77 2,73 2,90 CF6 13,03 9,36 70,82 1,39 3,10 CF7 23,96 15,77 96,38 8,28 4,22 CF8 26,39 16,6 108,13 11,12 4,79 CF9 26,99 ND ND ND ND Obs.: ND: Não Disponível CF10 25,30 ND ND ND ND 71

87 Pode-se visualizar através da Tabela 4.2, que a resistência à compressão uniaxial dos corpos de prova é influenciada pela presença das fibras. Os valores de resistência dos corpos de prova moldados com nata de cimento se mostraram muito próximos entre si e variaram entre 9,64 e 11,11 MPa. O valor médio de resistência para este material é igual a 10,70 MPa. Analisando se os corpos de prova moldados com fibras, pode-se constatar valores variando entre 12,44 e 31,92 MPa. Evidencia-se neste caso a presença de 2 grupos de amostras, um com resistências à compressão da ordem de 12 MPa (próxima do valor obtido para as amostras de nata de cimento) e outro com resistências da ordem de 20 MPa. Uma possível explicação para esta dispersão refere-se a um procedimento inadequado de preparação das amostras, que resultou em corpos de prova com reduzido teor de fibras. O valor médio de resistência à compressão uniaxial dos corpos de prova de argamassa com fibras de polipropileno foi adotado igual a 18,70 MPa. Comparando-se este valor com o valor médio obtido através dos ensaios realizados em corpos de prova moldados com nata de cimento, observa-se que houve um ganho de resistência de aproximadamente 75% para os compósitos com fibras. A resistência residual dos corpos de prova foi adotada igual ao valor correspondente a 50% do deslocamento total medido no estado pós-pico. A Tabela 4.2 apresenta os valores calculados. Os valores de resistência residual dos corpos de prova de nata de cimento variaram entre 7,01 a 8,17 MPa, não havendo grande dispersão entre eles. O valor médio de resistência residual é igual a 7,40 MPa, o que representa uma redução de cerca de 31% da resistência à compressão máxima. Os deslocamentos do atuador da prensa de testes nestes ensaios até a condição de pico variaram entre 1,25 e 2,95 mm. Pode-se verificar também que os deslocamentos totais atingidos até a condição residual se situaram entre 1,87 e 4,43 mm (Anexo 3). 72

88 Analisando os corpos de prova com fibras, pode-se observar da Tabela 4.2 que os valores de resistência residual foram superiores aos encontrados para os corpos de prova de nata de cimento. Estes valores variaram entre 9,14 e 16,60 MPa. O valor médio de resistência residual é igual a 9,60 MPa. O cálculo deste valor médio desconsiderou os valores encontrados para os corpos de prova CF3, CF7 e CF8. Comparando-se os corpos de prova com fibras e os corpos de prova de nata de cimento, pode-se concluir que ocorreu um ganho de resistência residual de 29,7% para os compósitos reforçados com fibras. Estes resultados vêm confirmar o efeito das fibras na melhoria das características pós-pico dos materiais compósitos. Em termos de deslocamento do atuador da máquina de testes até o pico, os valores variaram entre 0,58 e 0,85 mm. Os deslocamentos correspondentes à condição residual variaram entre 0,87 e 1,27 mm (Anexo 3). Comparando estes resultados com os apresentados pelos corpos de prova de nata de cimento, pode-se observar que os deslocamentos necessários para mobilizar as cargas de pico e residual foram ambos mais baixos. De maneira geral, os resultados dos ensaios de compressão uniaxial demonstraram que o comportamento tensão-deformação dos corpos de prova com fibras é caracterizado por valores mais elevados de resistências de pico e residual, enquanto são necessários deslocamentos menores para se atingir estas duas condições (pico e residual). Observa-se das curvas carga-deslocamento dos corpos de prova com fibras (Figura 4.3 e Anexo 3), que, de maneira geral, após ter sido atingida a condição de resistência de pico, há uma queda significativa de resistência com a deformação do corpo de prova, sem que um patamar de estabilização da carga/tensão com os deslocamentos/deformações seja atingido. 73

89 Em relação à rigidez do material, a Tabela 4.2 apresenta os valores calculados para os corpos de prova com e sem fibras de polipropileno. Estes valores foram determinados a partir das curvas carga-deslocamento considerando os estados pré-pico (k 1 ) e pós-pico (k 2 ). A rigidez no estado pré-pico para os corpos de prova moldados de nata de cimento variou entre 41,4 e 77,9 MN/m, com valor médio de 45,5 MN/m. O cálculo deste valor médio desconsiderou o valor de rigidez encontrado para o corpo de prova CC1 por este apresentar uma grande diferença em relação aos demais. Analisando se os corpos de prova com fibras, verifica-se que o valor de rigidez variou entre 49,6 x 10 3 e 128,3 MN/m, com valor médio igual a 65,4 MN/m, desconsiderando-se os valores dos corpos de prova CF3, CF7 e CF8. Comparando os resultados obtidos dos corpos de prova com e sem fibras, pode-se concluir que as misturas com fibras de polipropileno são mais rígidas em relação à nata de cimento no estado pré-pico. Isto significa dizer que, nos estágios iniciais de carga antes da ruptura do material, o material compósito fibroso apresenta uma deformação menor em relação à calda de cimento para um mesmo intervalo de tensão aplicado ao corpo de prova. Em média, a rigidez calculada no estado pré-pico para os corpos de prova com fibras é 69,5% maior que a das amostras de nata de cimento. Análises feitas para a condição pós-pico dos materiais ensaiados demonstraram que o valor de rigidez encontrado para a nata de cimento se situou entre 4,3 e 11,8 MN/m, com valor médio de 5,3 MN/m, desconsiderando-se o valor de CC1. A rigidez pós-pico calculada para os corpos de prova com fibras variou entre 1,4 e 11,6 MN/m. A exemplo do que foi observado para o estado pré-pico, também ocorreu grande dispersão nos resultados obtidos para o material compósito fibroso. O valor médio calculado para este material é igual a 2,7 MN/m, desconsiderando-se os corpos de prova CF3, CF7 e CF8. 74

90 Comparando as rigidezes pós-pico calculadas para as duas misturas, pode-se concluir que a argamassa com fibras de polipropileno apresentou valores cerca de 51% inferiores aos dos corpos de prova de nata de cimento. A menor rigidez pós-pico da mistura com fibras novamente confirma o papel das fibras em conferir à matriz reforçada uma maior ductilidade e melhorar as características de comportamento pós-pico do material. Os módulos de elasticidade apresentados na Tabela 4.2 foram calculados a partir dos valores de rigidez pré-pico dos materiais, através da seguinte expressão: E = (k 1 x H)/A (5.1) onde: E: Módulo de elasticidade; k 1 : Rigidez pré-pico; A: Área da seção transversal do corpo de prova; H: Altura do corpo de prova. O módulo de elasticidade e o coeficiente de Poisson poderiam ser determinados através da instrumentação dos corpos de prova. Porém, alguns strain gages foram perdidos durante os ensaios de compressão uniaxial o que impossibilitou a medição das deformações axiais e radiais em todos os corpos de prova pretendidos. Os valores de módulo de elasticidade variaram entre 1,77 e 3,13 GPa para os corpos de prova de nata de cimento e 2,17 e 5,95 GPa para as misturas com fibras de polipropileno. O valor médio para os corpos de prova de nata de cimento é igual a 2,62 GPa. Este valor foi obtido desconsiderando o corpo de prova CC3. O valor médio do módulo de elasticidade da mistura com fibras é igual a 3,53 GPa, desconsiderando os valores dos corpos de prova CF3 e CF4. 75

91 Comparando os valores obtidos, pode-se observar um acréscimo no valor do módulo de elasticidade das misturas com fibras. Em média, o módulo de elasticidade para estes compósitos foi cerca de 35% maior que o dos corpos de prova de nata de cimento ANÁLISES E RESULTADOS DOS ENSAIOS DE COMPRESSÃO DIAMETRAL A Figura 4.4 mostra as curvas carga-deslocamento típicas dos corpos de prova com e sem fibras. O Anexo 3 apresenta todos os resultados obtidos dos ensaios de compressão diametral. A Tabela 4.3 apresenta os resultados de resistência à tração indireta σ t,b obtidos dos ensaios de compressão diametral executados nos corpos de prova com nata de cimento e com argamassa com fibras Argamassa com Fibras Carga (kn) Nata de Cimento Deslocamento do Pistão (mm) Figura 4.4: Curvas carga-deslocamento típicas das amostras com e sem fibras em compressão diametral. 76

92 Tabela 4.3: Resistência à tração indireta da nata de cimento e argamassa com fibras. F máx σ t,b CP (kn) (MPa) TC1 1,113 0,57 TC2 1,916 0,98 TC3 3,186 1,62 TC4 1,384 0,71 TC5 2,005 1,02 TC6 2,345 1,19 TF1 3,319 1,69 TF2 2,309 1,18 TF3 2,538 1,29 TF4 3,198 1,63 TF5 2,600 1,32 TF6 3,353 1,71 TF7 1,066 0,54 TF8 3,120 1,59 TF9 2,359 1,20 TF10 2,777 1,42 TF11 1,753 0,89 TF12 4,864 2,48 TF13 1,731 0,88 TF14 2,736 1,39 TF15 2,994 1,53 Os valores de resistência à tração para os corpos de prova de nata de cimento variaram entre 0,57 e 1,62 MPa com valor médio de 0,89 MPa. Os valores de resistência à tração dos corpos de prova com fibras variaram entre 0,54 e 2,48 MPa, com valor médio de 1,36 MPa. Os cálculos dos valores médios desconsideraram os valores máximo e mínimo obtidos. Comparando os valores obtidos para os dois tipos de amostras, conclui-se que a argamassa com fibras tem resistência à tração cerca de 53% superior à apresentada pela nata de cimento. 77

93 Estes resultados confirmam a eficiência das fibras em conferir maior resistência à tração às matrizes cimentíceas. 78

94 CAPÍTULO 5 PROGRAMA EXPERIMENTAL DE CAMPO Este capítulo apresenta uma descrição pormenorizada dos procedimentos executivos que antecederam os ensaios de arrancamento no campo, bem como apresenta a maneira como foram conduzidos estes ensaios e a etapa posterior que envolveu a exumação dos grampos ensaiados. Em seguida, são analisadas e comparadas as cargas de arrancamento e as resistências por atrito lateral unitário q s, além dos deslocamentos nas cabeças dos grampos para cada bateria de ensaio. O comportamento mecânico dos grampos com fibras é comparado ao apresentado pelo grampo convencional em cada bateria, procurando esclarecer as diferenças entre os dois tipos de grampos estudados. Considerações são feitas em relação à distribuição do carregamento da barra de aço para o sistema solo/compósito ao longo do comprimento do grampo. Estas considerações resultaram na proposição de duas formas de distribuição da carga ao longo do grampo, as quais são comparadas entre si e com os resultados de ensaios de arrancamento instrumentados em grampos convencionais. As características observadas através da exumação dos grampos convencional e com fibras são analisadas considerando os tipos de solo e estruturas geológicas vizinhas aos grampos. Nesta etapa de análise, o padrão de fissuração dos grampos é apresentado, ressaltando-se o número de fissuras observadas em cada um dos trechos em que os grampos foram divididos (trechos livre, injetado com barra e injetado sem barra). Segue-se uma comparação entre os resultados obtidos nas duas baterias de ensaio, com o objetivo de quantificar a influência do material atravessado na resistência ao arrancamento dos grampos ensaiados. 5.1 ENSAIOS DE ARRANCAMENTO DOS GRAMPOS NO CAMPO A etapa de campo consistiu de ensaios de arrancamento que foram realizados em duas baterias, conforme já comentado no capítulo anterior. 79

95 Cada bateria contou com um total de seis grampos, sendo que em cada uma delas, um grampo era do tipo convencional e os demais eram reforçados com as fibras de polipropileno. A Tabela 5.1 resume os grampos ensaiados em cada bateria e a respectiva convenção adotada para denominação dos grampos. Tabela 5.1: Grampos convencionais e com fibras de polipropileno ensaiados Bateria Grampo Bateria Grampo P11 P21 P12 P22 P13 P P14 P24 P15 P25 C11 C22 P: grampo com fibra de polipropileno C: grampo convencional A preparação e o acerto das superfícies dos taludes para se proceder à instalação dos grampos foi feita com o auxílio de ferramentas como picaretas e enxadas. O objetivo desta atividade era o de deixar as superfícies planas e retas o tanto quanto fosse possível, a fim de que elas pudessem servir de apoio para as placas de reação do sistema de arrancamento do grampo. Depois de concluída a etapa de moldagem dos grampos não convencionais e do grampo convencional para cada bateria, e após um período de cura de 7 dias, os grampos já se encontravam prontos para serem ensaiados. Na bateria 1, entretanto, um grampo não convencional (grampo P12) e o grampo convencional da mesma bateria (grampo C11) foram moldados anteriormente aos demais grampos. Estes grampos foram moldados três semanas antes dos demais, completando assim no dia do ensaio, um período de cura de 21 dias ao invés de apenas 7 dias. Tanto os grampos não convencionais P11, P13, P14 e P15 pertencentes à primeira bateria de ensaios, quanto todos os grampos da segunda bateria foram moldados e ensaiados com um período de tempo total de cura de 7 dias. 80

96 Antes do ensaio de arrancamento propriamente dito, procedeu-se à montagem de todo um aparato necessário para a sua realização. A montagem era realizada no trecho inicial das barras de aço com comprimento igual a 80 cm (externo ao talude). Este comprimento foi assim definido, de forma a apoiar todo o sistema de arrancamento composto por uma placa de aço de reação, macaco hidráulico, célula de carga, placas e duas luvas. As Figuras 5.1 e 5.2 ilustram o esquema do sistema de arrancamento adotado e a montagem típica para os ensaios dos grampos, respectivamente. α = 10 o Figura 5.1: Esquema dos componentes para o ensaio de arrancamento dos grampos. O conjunto bomba-macaco utilizado para aplicar carga no grampo era da marca Enerpac, com capacidade de carga do macaco de 600 kn. A célula de carga usada nos ensaios tinha capacidade de carga de 200 kn. Após a montagem do sistema de arrancamento, foi feita uma cava na região do pé do talude de cada grampo para apoiar um suporte para o extensômetro utilizado na medição dos deslocamentos dos grampos. Este extensômetro possui um curso de 20mm e resolução de 0,01 mm. Este suporte do extensômetro era formado por uma haste nervurada de aço embutida em um bloco de concreto e munida de duas luvas para a fixação de uma placa metálica onde o extensômetro se apóia (Figuras 5.2 e 5.3). As luvas se encontram abaixo e acima da placa, e possibilitam subir ou descer com a placa através da haste, permitindo um melhor ajuste do extensômetro na placa de aço de referência para as medidas de deslocamento do grampo. 81

97 Figura 5.2: Montagem típica dos ensaios de arrancamento dos grampos. (a) (b) Figura 5.3: Suporte do extensômetro: (a) Esquema e (b) Detalhe. 82

98 Procurou-se ter o cuidado para que, na montagem de todo o aparato composto por célula de carga, macaco e demais peças acessórias, ele ficasse o mais perpendicular possível em relação ao eixo do grampo e que o extensômetro, depois de posicionado, ficasse o mais paralelo possível em relação a este mesmo eixo. Depois de tudo preparado para o ensaio, a célula de carga era ligada ao sistema de aquisição de dados e o macaco era conectado à bomba. Após a estabilização do sistema de aquisição, o valor da leitura inicial da célula de carga era anotado e começava-se então o ensaio. Aplicava-se a carga ao grampo por meio do macaco hidráulico em estágios com incrementos de tensão de 1 MPa. As medições de carga e deslocamentos eram registradas através de célula de carga e extensômetro, respectivamente. Para cada estágio de carregamento, monitorava-se a carga e deslocamento correspondentes aos tempos de 0, 30, 60,120 e 240 s. Durante os ensaios, observou-se algumas vezes a redução do valor da leitura da célula de carga após ter sido aplicado o carregamento no grampo. Após os 4 min de monitoramento, restabelecia-se o nível de carga com nova tomada de leituras. Uma vez verificada a estabilização das leituras no sistema de aquisição de dados, dava-se início ao novo estágio de carregamento, aumentando-se a tensão no macaco em mais 1 MPa. Com o término do ensaio, todo o esquema era desmontado e abria-se nova cava abaixo do furo onde seria realizado o próximo ensaio. A partir daí, o extensômetro e seu suporte eram posicionados e o macaco e a célula de carga eram novamente ligados à bomba e ao sistema de aquisição de dados, respectivamente. Após a estabilização das leituras no canal correspondente à célula de carga no sistema de aquisição de dados, dava-se início a um novo ensaio. Os resultados dos ensaios de arrancamento das duas baterias são apresentados no item

99 5.2 EXUMAÇÃO DOS GRAMPOS NO CAMPO Na fase de exumação dos grampos, as seguintes atividades foram realizadas: Escavação mecânica junto ao grampo a ser exumado por meio de retro-escavadeira; Escavação manual complementar por meio de ferramentas como picaretas e cavadeiras do tipo bola próxima ao grampo; Inspeção visual e fotografia do grampo exumado; Remoção do grampo exumado do local de ensaio até um local de armazenamento; Levantamento e marcação das fraturas existentes ao longo do comprimento do grampo. Primeiramente, era feita uma escavação mecânica com o auxílio de uma retroescavadeira CATTERPILLAR com capacidade de 320 litros, a fim de se obter mais velocidade nesta atividade de escavação e descoberta dos grampos a serem exumados. Figura 5.4: Escavação mecânica para exumação dos grampos. 84

100 Na primeira bateria de ensaios, só foi possível exumar o grampo P11 (grampo reforçado com fibras de polipropileno c/ cura de 7 dias) em virtude da impossibilidade de se escavar a face lateral do talude reforçado com os grampos definitivos da obra. Já na segunda bateria foi possível exumar todos os seis grampos ensaiados, uma vez que foram executados em talude provisório de escavação, situado em frente à obra. Ressalta-se que a operação de exumação é lenta e delicada. Todas as precauções são tomadas para que os grampos não sejam danificados. Tão logo o grampo ficava totalmente descoberto, eram colocados marcos a cada metro de comprimento do mesmo. Estes marcos tinham por objetivo separar o grampo em seções, possibilitando a contagem do número de fissuras existentes em cada seção e a conseqüente definição do trecho do grampo onde as fibras estariam sendo mais solicitadas. Além disso, esta divisão do grampo em partes de comprimento unitário, também facilitou a identificação da natureza do material que era atravessado pelo grampo. Esta divisão dos grampos em partes de comprimento unitário, mostrando a natureza do material atravessado pelos grampos a cada metro de profundidade pode ser visualizada no item 5.3. Na etapa seguinte, o grampo era retirado e transportado até um local seguro, onde se realizava novo levantamento das fissuras existentes em cada grampo, com a marcação das distâncias entre fissuras ou entre uma determinada fissura e o início do trecho livre do grampo (trecho envolto com a espuma). Este levantamento possibilitou a determinação do padrão de fissuração apresentado pelos grampos após os ensaios. 85

101 5.3 RESULTADOS DOS ENSAIOS DE CAMPO A campanha experimental de campo consistiu de duas baterias de ensaios de arrancamento realizadas em cotas diferentes do talude. A Figura 5.5 apresenta as curvas carga-deslocamento para os grampos ensaiados da bateria Carga (kn) C11 P11 P12 P13 P14 P Deslocamento do Extensômetro (mm) Figura 5.5: Curvas carga-deslocamento dos grampos convencional e com fibras Bateria 1. A Tabela 5.2 resume os valores das cargas das cargas de arrancamento (pico) T m e residual T res obtidos a partir dos ensaios de arrancamento dos grampos. Tabela 5.2: Resultados dos ensaios de arrancamento Bateria 1. Carga Deslocamento Grampo T m T res. δ m δ res (kn) (kn) (mm) (mm) P11 56,5 56,5 53,8 53,8 P12 105,9 70,5 42,2 43,7 P13 46,5 46,1 70,1 81,8 P14 30,8 23,6 8,1 74,1 P15 49,7 49,7 51,1 51,1 C11 101,8 100,0 22,8 33,3 86

102 Na bateria 1, verifica-se que o grampo P12 apresentou a maior carga de arrancamento (105,9 kn), enquanto o grampo P14 atingiu a menor carga (30,8 kn) analisando-se apenas os grampos com fibras de polipropileno. Além disto, observa-se que a curva carga-deslocamento do grampo P12 se assemelha à do grampo convencional, ao contrário dos outros grampos (Figura 5.5). O maior valor de carga de arrancamento verificado para o grampo P12 pode ser explicado pelo contato da sua extremidade com o grampo P11. Este contato pôde ser observado através da exumação do grampo P11. Na realidade, verificou-se que a execução do furo do grampo P12 não obedeceu aos padrões de qualidade exigidos para a realização das perfurações. Usualmente, a execução do furo é realizada com o auxílio de um gabarito de madeira que minimiza as distorções dos ângulos de inclinação e direção do furo. Infelizmente, o gabarito não foi utilizado durante a execução do furo para o grampo P12, resultando em desvio inaceitável que promoveu a sua ancoragem no grampo vizinho (P11). O valor de carga de arrancamento do grampo P12 não deve, portanto, refletir a resistência real do sistema grampo-solo. Por sua vez, o valor de carga de ruptura mais reduzido observado para o grampo P14 pode ser atribuído ao contato da camada de solo residual jovem com o solo residual maduro observado justamente no local onde este grampo foi executado (Figura 5.6). Contato entre os dois materiais Figura 5.6: Vista frontal do grampo P14, no contato solo residual jovem maduro. 87

103 O contato do grampo com materiais mais alterados pode promover uma redução no valor da resistência ao arrancamento por unidade de comprimento do grampo (q s ). Isto explica, portanto, a baixa resistência do grampo P14 em relação aos demais grampos da mesma bateria. Os ensaios realizados para os grampos P13 e P15 acusaram basicamente a mesma carga de arrancamento, cujos valores se situaram entre 46,5 kn (grampo P13) e 49,7 kn (grampo P15). O valor de carga de arrancamento do grampo P11 (56,5 kn) pode refletir o contato com o grampo P12. O valor médio da carga de arrancamento alcançado para os grampos com fibras de polipropileno nesta primeira bateria foi adotado igual a 48,1 kn, considerando os valores dos grampos P13 e P15. A carga de arrancamento atingida para o grampo convencional C11 foi igual a 101,8 kn. Comparando-se os valores dos grampos com fibras com o grampo convencional, conclui-se que a carga de arrancamento média resistida pelos grampos reforçados com fibras de polipropileno é igual a 47,2% da carga de arrancamento do grampo convencional (Figura 5.7) Tpico (kn) % 101, ,5 49,7 0.0 P13 P15 C11 Grampos - Bateria 1 Figura 5.7: Histograma das cargas de arrancamento dos grampos Bateria 1. 88

104 Por sua vez, observa-se da Figura 5.5 e Tabela 5.2 que as cargas residuais variaram entre 23,6 kn (grampo P14) e 70,5 kn (grampo P12). Os valores máximo e mínimo de carga residual dos grampos P12 e P14 são consistentes com seus valores máximo e mínimo de carga de arrancamento. A carga residual média resistida pelos grampos com fibras situou-se entre 40 e 60 kn, enquanto a carga residual do grampo convencional C11 da mesma bateria foi aproximadamente igual à de pico (100 kn). Em termos de deslocamentos, os grampos com fibras apresentaram comportamento muito semelhante entre si, excetuando o grampo P14. Pode-se observar da Figura 5.5 e da Tabela 5.2 que, de maneira geral, os grampos com fibras de polipropileno suportaram grandes deslocamentos sem queda significativa de resistência máxima. Os deslocamentos totais registrados pelo extensômetro para os grampos P11, P12 e P15 foram semelhantes entre si, situando-se na faixa de 50mm. Os grampos P13 e P14 mostraram deslocamentos superiores a 70mm. Isto confirma o efeito das fibras na melhoria das propriedades mecânicas pós-ruptura do material compósito, através do aumento da ductilidade. Também pode ser notado que os grampos com fibras (excetuando o P14) apresentaram em média deslocamentos de pico substancialmente maiores que o do grampo convencional C11. Isto corrobora o comportamento mais frágil da nata de cimento em relação à mistura com fibras de polipropileno. Além disto, sabe-se que a barra de aço utilizada no grampo convencional é mais rígida que a nata de cimento. Como o módulo de elasticidade do aço é mais elevado, resulta que o deslocamento total do grampo convencional é menor que o das matrizes de cimento reforçadas com fibras de polipropileno. A diferença entre a resistência de pico e pós-pico é um parâmetro que pode ser utilizado para medir a ductilidade ou fragilidade de um material. Pode-se visualizar nas curvas carga-deslocamento da Figura 5.5, que os grampos apresentam perdas de resistência pouco significativas, excetuando-se o grampo P12. A perda de resistência 89

105 mais significativa apresentada pelo grampo P12 pode ser atribuída à ruptura da ligação como o grampo P11 durante o ensaio de arrancamento. A Figura 5.8 apresenta as curvas carga-deslocamento dos ensaios de arrancamento dos grampos da bateria 2. A Tabela 5.3 resume os resultados obtidos apresentando as cargas de arrancamento (T m ) e residual (T res ), além dos deslocamentos correspondentes ao pico (δ pico ) e residual (δ res ) Carga (kn) C21 P21 P22 P23 P24 P Deslocamento do Extensômetro (mm) Figura 5.8: Curvas carga-deslocamento dos grampos convencional e com fibras Bateria 2. Tabela 5.3: Resultados dos ensaios de arrancamento Bateria 2. Carga Deslocamento Grampo T m T res. δ m δ res (kn) (kn) (mm) (mm) P21 130,6 117,3 72,8 83,7 P22 151,1 151,1 78,6 78,6 P23 112,5 110,5 15,2 28,4 P24 93,0 93,0 17,1 17,1 P25 112,8 110,3 71,9 71,9 C21 206,5 205,8 22,6 36,5 Observa-se da Figura 5.8 que as curvas carga-deslocamento dos grampos com fibras de polipropileno são semelhantes entre si e mostram comportamento mecânico muito distinto do apresentado pelo grampo convencional. 90

106 Nesta bateria, pode ser observado que os valores máximo e mínimo das cargas de arrancamento foram atingidos para os grampos P22 e P24, respectivamente. A carga de arrancamento do grampo P22 foi igual à 151,1 kn e pode ser atribuída à natureza do material atravessado por este grampo. A exumação dos grampos revelou a ocorrência de pacotes de siltes areno-argilosos derivados de rochas do tipo quartzito e pegmatito no local onde este grampo foi executado (Figura 5.9). O grampo P22 atravessa em grande parte do seu comprimento materiais menos alterados (solo residual jovem), os quais oferecem uma maior oposição ao arrancamento do grampo, aumentando consequentemente a resistência. Figura 5.9: Vista do grampo com fibras P22 após a exumação. A carga de arrancamento do grampo P24 foi igual a 93,0 kn. Este valor também pode ser explicado pela geologia local identificada após a exumação. Ao longo de grande parte do comprimento do grampo encontra-se uma espessa camada de solo de alteração de rocha (gnaisse calcissilicático), conforme ilustrado na Figura Material mais alterado Figura 5.10: Vista do grampo com fibras P24 após a exumação. 91

107 O produto de alteração dessas rochas são solos menos competentes de natureza síltico-arenosa e coloração branca. Este material mais alterado reduz a adesão e o atrito ao redor do grampo, resultando em uma menor resistência ao arrancamento. Os grampos P21, P23 e P25 apresentaram cargas de arrancamento que variaram num intervalo de 112,5 kn (grampo P23) a 130,6 kn (grampo P21). Os materiais identificados a partir da exumação destes grampos mostraram-se muito semelhantes entre si, confirmando a similaridade dos resultados obtidos. O valor médio da carga de arrancamento para os grampos com fibras nesta bateria foi igual a 118,7 kn. O cálculo deste valor desconsiderou os valores máximo e mínimo dos grampos com fibras P22 e P24. A carga de arrancamento do grampo convencional C21 foi igual a 206,5 kn. Analisando e comparando os resultados obtidos para a bateria 2, pode-se verificar que o valor médio da carga de arrancamento para os grampos reforçados com fibras de polipropileno foi igual a 57,5% do valor de carga de arrancamento do grampo convencional (Figura 5.11) Tpico (kn) ,5 130,6 112,5 112, P21 P23 P25 C21 Grampos - Bateria 2 Figura 5.11: Histograma das cargas de arrancamento dos grampos Bateria 2. 92

108 As cargas de arrancamento dos grampos com fibras considerando toda a campanha de ensaios de campo variaram em média entre 47% a 57% da carga resistida pelos grampos convencionais, independente do tipo de solo. Este resultado era esperado, uma vez que a barra de aço é um elemento mais rígido em comparação com a argamassa reforçada com fibras. Através da Figura 5.8 e com o auxílio da Tabela 5.3, pode-se observar que os ensaios realizados nos grampos com fibras foram conduzidos além da condição de pico até que se chegasse a um patamar de estabilização da carga residual. As cargas residuais atingidas por estes grampos variaram em uma faixa de 110,3 kn (grampo P25) a 117,3 kn (grampo P21). As diferenças entre cargas de pico e pós-pico foram respectivamente iguais a 2,1 kn (1,83%) para o grampo P23 e 13,4 kn (10,22%) para o grampo P21. O grampo P21 apresentou a maior carga residual dentre todos os grampos com fibras. Este valor é devido à maior carga de arrancamento apresentada por este grampo em comparação aos grampos P23 e P25, bem como a qualidade dos materiais atravessados por este grampo. A etapa de exumação mostrou a ocorrência de camadas de um material silto-areno-argiloso no local onde este grampo foi executado (Figura 5.12). Este material é muito pouco alterado e preserva ainda as características da rocha mãe. Desta forma, o material ofereceu uma maior oposição à tendência de arrancamento do grampo, justificando o valor de carga de arrancamento atingido. Figura 5.12: Vista do grampo P21 após a exumação. 93

109 De forma análoga às cargas de arrancamento, as cargas residuais dos grampos P21, P23 e P25 se mostraram muito semelhantes devido à similaridade dos tipos de solos encontrados à partir da exumação. Inclusive, as cargas residuais obtidas a partir dos ensaios realizados nos grampos P21 e P25 também foram atingidas para deslocamentos muito próximos e da ordem de 70mm (Figura 5.8). Estes resultados podem atestar a vantagem do emprego de fibras de polipropileno em grampos moldados com matrizes cimentíceas. Pode-se verificar que os grampos sofreram grandes deslocamentos sem apresentar queda significativa da carga de arrancamento, o que corrobora o fato de que as fibras de polipropileno contribuem para a manutenção das cargas resistidas pelo elemento, mesmo após a ruptura da matriz. Além disto, a presença de materiais mais resistentes e menos alterados promove um maior atrito do grampo no solo, o que acaba contribuindo para manter o nível de carregamento próximo da carga de pico. Isto pode explicar as baixas reduções de carga no estado pós-pico dos grampos P23 e P25 (da ordem de 2%). Em termos de deslocamentos de pico, verifica-se através da Tabela 5.3 e Figura 5.8 que os grampos P21, P22 e P25 apresentam valores semelhantes, da ordem de 74 mm, enquanto os grampos P23 e P24 mostram deslocamentos muito inferiores, da ordem de 16 mm. A similaridade dos materiais atravessados pelos grampos com fibras P21, P22 e P25 pode explicar a semelhança nos deslocamentos apresentados por estes grampos no pico. A presença de materiais mais fracos (solos siltosos derivados de gnaisses calcissilicáticos) nos locais onde foram executados os grampos P23 e P24 também confirma os menores valores encontrados para estes reforços. O deslocamento apresentado pelo grampo convencional C21 foi igual a 22,6 mm. Como já observado na bateria 1, o grampo convencional atinge um menor nível de deslocamento em comparação aos grampos reforçados com fibras de polipropileno, devido à maior rigidez da barra de aço inserida dentro do sistema. 94

110 Durante a exumação, verificou-se também em todos os grampos exumados a presença de uma trinca aberta na seção que delimita os trechos injetado com barra e sem barra, distante 1,5 m da boca das perfurações. Esta separação do grampo na junção dos dois trechos pode ser atribuída à diferença de rigidez entre a nata de cimento com barra de aço e a argamassa reforçada com fibras de polipropileno. A Tabela 5.4 mostra os comprimentos das trincas abertas medidos na exumação e compara com os deslocamentos máximos medidos pelo extensômetro durante os ensaios de arrancamento. Tabela 5.4: Comparação entre abertura de trinca e deslocamentos máximos dos grampos Bateria 2. Grampo Exumação Abertura de Arrancamento Deslocamento trinca (cm) total (cm) P21 8,5 8,4 P22 8,0 7,9 P23 6,0 2,8 P24 3,0 1,7 P25 7,0 7,2 É interessante observar que os valores medidos nos ensaios de arrancamento são diferentes dos medidos na exumação para os grampos P23 e P24. Isto dificulta ainda mais a análise do fenômeno que pode ter ocorrido durante a solicitação dos grampos. A dúvida mais inquietante reside na possibilidade do trecho sem barra com fibras não ter sido solicitado. Entretanto, a exumação dos grampos nas duas baterias demonstrou que as seções com argamassa e fibras dos grampos com polipropileno foram solicitadas durante os ensaios de arrancamento de campo. Esta conclusão está baseada na observação das fissuras dos grampos identificadas após a exumação e extração dos grampos ensaiados. 95

111 As fissuras demonstram que durante os ensaios, a carga aplicada ao grampo excedeu a resistência à tração da matriz que, por conseqüência, fissurou. Com a fissuração da matriz, as fibras receberam um incremento de carga e contribuíram para garantir a resistência à tração do grampo compósito no estado pós-pico. Subsequente à exumação dos grampos ensaiados nesta bateria, foi realizado um extenso trabalho de mapeamento das fissuras existentes em cada peça. Este mapeamento permitiu observar em cada um dos grampos com fibras de polipropileno, uma região próxima à extremidade (ponta do grampo) sem fissuras. O comprimento desta região sem fissuras para cada grampo com fibras da bateria 2 foi medido e é apresentado na Tabela 5.5. É interessante ressaltar que, em média, 1 m de ponta dos grampos não é fissurado, sugerindo que não há mobilização de resistência significativa nesta região. A Figura 5.13 ilustra um detalhe típico de grampo mostrando o fissuramento e o comprimento da região sem fissuras L. Tabela 5.5: Comprimento sem fissuras na ponta dos grampos com fibras Bateria 2. Grampo P21 P22 P23 P24 P25 L(m) 1,49 0,92 0,87 1,20 1,25 Figura 5.13: Detalhe típico do grampo ilustrando a região sem fissuras. O padrão de fissuração, contendo o número de fissuras observadas para cada parte em que os grampos foram divididos está apresentado na Tabela 5.6. A Figura 5.14 mostra um esquema do padrão típico de fissuração para os grampos nesta bateria, enquanto a Figura 5.15 ilustra um trecho fissurado do grampo P21. 96

112 Tabela 5.6: Resumo da exumação dos grampos da bateria 2. Trecho Comprimento Quantidade de Fissuras Sub-trecho (m) P21 P22 P23 P24 P25 Livre - 0, Injetado c/ barra - 1, Terço Inicial 0, Injetado s/ barra Terço Médio 0, Terço Final 0, TOTAL 4, Figura 5.14: Esquema do padrão de fissuração típico para os grampos com fibras. Figura 5.15: Detalhe da seção com fissuras do grampo P21. Analisando o padrão de fissuração apresentado pelo grampo P21 e comparando com a natureza do material atravessado a cada metro de comprimento do grampo, levantada a partir das inspeções visuais de campo, nota-se que a maior quantidade de fissuras observadas ao longo do trecho livre do grampo (50 cm iniciais) é devida ao contato com material mais jovem e mais preservado. Nos outros trechos, observa-se a intercalação deste material mais intacto com o material mais alterado e de menor resistência. Pode-se visualizar os diferentes materiais atravessados por todos os grampos com fibras e grampo convencional da bateria 2 através da Figura

113 EXUMAÇÃO DOS GRAMPOS DE POLIPROPILENO Descrição e Ilustração 0,0-1,0 m 1,0-2,0 m 2,0-3,0 m 3,0-4,0 m GRAMPO CONVENCIONAL Silte areno-argiloso, cinza esverdeado Silte areno-argiloso com intercalações de silte argiloso branco Silte areno-argiloso, cinza esverdeado Silte areno-argiloso com intercalações de silte argiloso branco GRAMPO GP21 Silte areno-argiloso, cinza esverdeado com intercalações de silte argiloso branco. Silte areno-argiloso, cinza esverdeado com intercalações de silte argiloso branco. Silte areno-argiloso, cinza esverdeado com intercalações de silte argiloso branco. Silte areno-argiloso, cinza esverdeado com intercalações de silte argiloso branco. GRAMPO GP22 Silte areno-argiloso, cinza esverdeado com intercalações de silte argiloso branco. Silte areno-argiloso, amarelo Silte areno-argiloso, vermelho com intercalações de silte argiloso branco Silte areno-argiloso, vermelho com intercalações de silte argiloso branco GRAMPO GP23 Silte areno-argiloso, amarelo cortado por um veio de 20 cm de silte argiloso branco. Silte areno-argiloso, amarelo Silte areno-argiloso, vermelho com intercalações de silte argiloso branco Silte areno-argiloso, cinza esverdeado com intercalações de silte argiloso branco. GRAMPO GP24 Silte areno-argiloso, cinza esverdeado com intercalações de silte argiloso branco. Silte areno-argiloso, vermelho com intercalações de silte argiloso branco Silte argiloso branco Silte areno-argiloso, amarelo intercalado com silte arenoargiloso, vermelho e com o silte argiloso branco GRAMPO GP25 Silte areno-argiloso, cinza esverdeado Silte areno-argiloso, cinza esverdeado com intercalações de silte argiloso branco Silte areno-argiloso, cinza esverdeado com intercalações de silte argiloso branco Silte areno-argiloso, cinza esverdeado com intercalações de silte argiloso branco Figura 5.16: Perfil dos solos em contato com os grampos Bateria 2. 98