Ensaios de Fissuramento sob Tensão (Stress Cracking) em Geomembrana de PEAD Submetida à Radiação Ultravioleta e ao Envelhecimento Térmico

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1 Ensaios de Fissuramento sob Tensão (Stress Cracking) em Geomembrana de PEAD Submetida à Radiação Ultravioleta e ao Envelhecimento Térmico Fernando Luiz Lavoie e Benedito de Souza Bueno Universidade de São Paulo, São Carlos, São Paulo, Brasil RESUMO: Este artigo apresenta resultados de ensaios de fissuramento sob tensão (Stress Cracking) realizados em uma geomembrana de polietileno de alta densidade (PEAD) virgem e degradada em laboratório por exposição à radiação ultravioleta e ao envelhecimento térmico. Foram realizados, de acordo com a ASTM D 5397, ensaios NCTL (Notched Constant Tensile Load Test) e SP-NCTL (Single Point-Notched Constant Tensile Load Test) na amostra virgem e nas amostras previamente degradadas. Os resultados dos ensaios NCTL demonstram que os processos de degradação a que as amostras foram submetidas podem ser considerados catalisadores do fenômeno de fissuramento sob tensão (FST), pois ocorreram reduções de resistência ao FST da ordem de 50 a 60%. Para os ensaios SP-NCTL, os resultados demonstram que as amostras mantiveram a mesma tendência de comportamento verificado no ensaio NCTL, com a maior redução de resistência evidenciada para a amostra sob degradação ultravioleta. PALAVRAS-CHAVE: Stress Cracking, Fissuramento Sob Tensão, Geomembrana de PEAD, Radiação Ultravioleta, Calor. 1 INTRODUÇÃO Os materiais geossintéticos vem sendo utilizados de forma crescente em obras de proteção ambiental em diversas partes do mundo, especialmente nos países desenvolvidos, para permitir a correta disposição e destinação de resíduos. Os geossintéticos apresentam inúmeras vantagens quando comparados aos outros tipos de materiais utilizados neste tipo de aplicação como a excelente estanqueidade, boa compatibilidade química, leveza, facilidade de aplicação e baixo custo. Apesar destas vantagens, alguns geossintéticos podem apresentar problemas de desempenho, como o fissuramento sob tensão (stress cracking). Fissuramento sob tensão (FST) pode ser definido como um início prematuro de fissuras em um plástico, devido à ação simultânea de tensões e deformações e do contato com fluidos agressivos (WRIGHT, 1996). A ASTM D 5397 define o FST como uma ruptura interna ou externa em um plástico causada por tensões de tração menores que sua resistência mecânica em um certo espaço de tempo. Os polímeros utilizados na fabricação de geossintéticos, como o polietileno (PE), poliéster (PET) e polivinil clorado (PVC) estão sujeitos ao fenômeno de fissuramento sob tensão (FST) (Bright 1993). Dentre os polímeros poliolefínicos, o polipropileno (PP) é menos sensível ao FST quando comparado ao PE, estando o fenômeno associado a ambientes quimicamente muito agressivos. O limite de deformação que ativa o fenômeno no PP ainda não é bem conhecido. Os demais termoplásticos, como o PVC, a poliamida (PA) e o PET, apresentam menor susceptibilidade ao FST que os polímeros poliolefínicos, mas também podem estar sujeitos ao fenômeno. Bright (1993) estabelece que, o PVC, após a perda de plastificante(s) devido à solubilização (leaching) e/ou devido ao ataque microbiológico pode apresentar comportamento frágil com tendência ao fissuramento, que irá iniciar o fenômeno de FST. O polietileno de alta densidade (PEAD) apresenta cristalinidade da ordem de 90% e é

2 classificado como um polímero termoplástico semicristalino. Este polímero, por apresentar cadeias menos ramificadas que o polietileno de média densidade (PEMD) e o polietileno de baixa densidade (PEBD), contém grande proporção de cristais, que resulta em um polímero com elevada densidade e resistência à tração, porém, com susceptibilidade ao fenômeno de FST (stress cracking). 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Introdução As geomembranas podem sofrer degradação e apresentar fissuras quando expostas por longos períodos aos efeitos da intempérie. Ocorre, nestes casos, o início da degradação por radiação térmica e ultravioleta que irá conduzir à formação de radicais livres e, conseqüentemente, à degradação oxidativa. O fissuramento tem início e a geomembrana tornase susceptível ao fenômeno do FST (stress cracking) (HSUAN et al., 1991). 2.2 Comportamento da Microestrutura do PEAD A microestrutura cristalina de uma geomembrana de PEAD é composta por uma série de lamelas com moléculas dobradas e ramificações laterais que oscilam para fora da lamela e, freqüentemente, se entrelaçam na lamela adjacente (Fig. 1a). Quando se aplica uma tensão elevada a esta estrutura (Fig. 1b), as cadeias mantêm-se unidas às lamelas adjacentes e as quebram em fragmentos que causam o escoamento e alongamento característicos de um ensaio de tração uniaxial (Fig. 1c). Entretanto, quando baixas tensões são aplicadas (Fig. 1d), as ligações entre as cadeias há tempo suficiente para lentamente se soltarem, provocando a separação das lamelas e gerando uma ruptura frágil (Fig. 1e) em comparação ao escoamento/alongamento previstos na ruptura dúctil. Figura 1. Estrutura lamelar do PEAD (Adaptado de Hsuan 2000 e Reddy e Butul 1999). Polímeros que apresentam alto peso molecular e baixa cristalinidade geralmente contêm um grande número de moléculas da fase amorfa unidas às moléculas da fase cristalina. Conseqüentemente, estes polímeros apresentam maior resistência ao fenômeno do fissuramento sob tensão (FST) quando comparados aos polímeros que contenham um número menor de moléculas da fase amorfa unidas às moléculas da fase cristalina (Hsuan et al. 1993). 2.3 Ensaio NCTL - Notched Constant Tensile Load Test (Ensaio com Corpo de Prova Ranhurado Sob Carga Constante) Para avaliar o fenômeno de fissuramento sob tensão em geomembranas de poliolefinas, a ASTM D 5397 (1995) introduziu o método de ensaio NCTL. O ensaio consiste em aplicar 10 estágios de carga em corpos de prova padrão, que recebem uma ranhura na região central, e são então imersos em fluido agressivo sob temperatura constante de 50 C. O fluido é composto por 10%, em volume, de Igepal CO 630 e 90% de água. Os estágios de carga devem ser escolhidos de 20 a 65% da carga de escoamento obtida em ensaio de tração. A Figura 2 apresenta ilustração da ranhura feita no corpo de prova. A ranhura deve apresentar

3 espessura de 20% da espessura do corpo de prova. O equipamento utilizado neste ensaio (Fig. 3) permite ensaiar 20 corpos de prova simultaneamente. duas partes das curvas pode apresentar comportamento distinto, como indicado nos três gráficos. A informação importante desta curva é o tempo de início do comportamento frágil do material ou tempo de transição (T t ). Um material que apresenta um alto valor de T t exibe uma resistência maior ao FST do que outro material que apresenta um valor de T t baixo (Hsuan e Koerner 1995). Baseado nos resultados de um estudo do USEPA, Koerner et al. (1993) recomendam um valor de T t aceitável, mínimo, de 100 horas. Caso contrário, a amostra será considerada susceptível ao FST. Figura 2. Esquema da ranhura feita no corpo de prova utilizado no ensaio NCTL: (a) Vista tridimensional do corpo de prova com a ranhura; (b) Vista lateral do corpo de prova com a ranhura (Hsuan e Koerner 1995). Figura 3. Equipamento para ensaio de FST (Wright 1996). Neste ensaio, procura-se obter a curva resultante das tensões aplicadas versus seus respectivos tempos de ruptura. Três diferentes curvas podem ser obtidas neste tipo de ensaio, de acordo com a Figura 4. As curvas são divididas em duas partes, a primeira, de comportamento dúctil, apresenta um suave declive, e a outra, com comportamento frágil mostra declive acentuado. A transição entre as Figura 4. Curvas obtidas a partir de ensaios NCTL: (a) Comportamento Bi-linear ( joelho ); (b) Comportamento não-convencional ( nariz ); e (c) Comportamento Trilinear ( degrau ) (Hsuan e Koerner 1995). O ensaio NCTL pode demandar de 2 a 3 meses para a sua execução, o que invalida o uso deste para o controle de qualidade das geomembranas em obras. 2.4 Ensaio SP-NCTL - Single Point- Notched Constant Tensile Load Test (Ensaio com Corpo de Prova Ranhurado Sob 1 Estágio de Carga Constante)

4 Uma alternativa ao ensaio prescrito pela norma ASTM D 5397 é o ensaio SP-NCTL. Este ensaio tem sido utilizado no controle de qualidade de geomembranas. O ensaio consiste em submeter à amostra a apenas 1 estágio de carga, utilizando 5 corpos de prova e obtendo como resultado a média aritmética dos 5 valores de tempos de ruptura. O ensaio prescreve estágio de carga correspondente a 30% da resistência à tração no escoamento da geomembrana. A norma GM 10 (2003) do GRI (Geosynthetic Research Institute) prescreve que o critério usual para aceitação ou recusa de uma amostra de geomembrana se dá de acordo com a Tabela 1, em que se utiliza primeiramente o ciclo de ensaio A. Se o critério para aceitação não for satisfeito, utiliza-se o ciclo de ensaio B, e, em último caso, utiliza-se o ciclo de ensaio C, que corresponde ao ensaio NCTL. Para o ciclo de ensaio C, é necessário ensaiar 3 corpos de prova para cada estágio de carga e utilizar a média aritmética destes 3 valores como o tempo de ruptura (tempo de ruptura médio). O coeficiente de variação dos 3 valores de tempos de ruptura obtidos para cada estágio de carga deve ser inferior a 15%, para tempos de ruptura médios maiores que 10 horas. Se esta condição não for satisfeita, 3 novos corpos de prova devem ser ensaiados para o estágio de carga específico. Tabela 1. Critério utilizado para aceitação ou recusa de amostras de geomembranas de PEAD (GM ). Ciclo Resistência Critério Se ocorrer de à Tração Nº CPs de descumprimento Ensaio (ASTM D 6693) Aceitação do critério 4 entre 5 cps Valor médio com Tr >300 hrs Reensaiar A 5 (máximo de 1 cp utilizando o ensaio MQC não aprovado com ciclo B 300 hrs>t r >150 hrs) 4 entre 5 cps Rejeitar Valor médio com Tr >300 hrs a amostra B 5 (máximo de 1 cp ou reensaiar ensaio MQC não aprovado com utilizando o 300 hrs>t r >150 hrs) ciclo C C Valor médio ensaio MQC 30 MQC: Controle de Qualidade de Fabricação T r : Tempo de Ruptura T t : Tempo de Transição T t >100 hrs Rejeitar a amostra 3 MATERIAIS E MÉTODOS Para a realização dos ensaios, foi utilizada uma geomembrana de PEAD lisa de 2,0 mm de espessura nominal. A geomembrana foi submetida aos ensaios prévios de degradação, seguidos dos ensaios NCTL e SP-NCTL. 3.1 Ensaios de Degradação Realizados Os ensaios de degradação realizados na geomembrana estão listados a seguir: - Exposição à Radiação Ultravioleta (de acordo com a ASTM G 53 e GM 11), com exposição de ciclos de 20 horas de radiação ultravioleta com temperatura de 75 C, alternadamente com ciclos de 4 horas de condensação com temperatura de 60 C. O tempo de exposição total das amostras foi de 480 horas (20 dias). - Envelhecimento Térmico em Estufa com Circulação de Ar (de acordo com a ASTM D 5721 e GM 13), com temperatura de 85 C por período de 2160 horas (90 dias). 3.2 Ensaios NCTL e SP-NCTL Os ensaios NCTL foram realizados utilizando 10 estágios de carga, de 20 a 65%T ult para amostra virgem e de 25 a 65%T ult para as amostras degradadas. Optou-se por utilizar o 25%T ult como o menor estágio de carga para as amostras degradadas devido ao longo tempo obtido com o estágio de carga de 20%T ult para a amostra virgem. Os ensaios SP NCTL foram conduzidos utilizando 1 estágio de carga (30% T ult ) e 5 corpos de prova por amostra. 3.3 Equipamento Desenvolvido e Utilizado para os Ensaios de Fissuramento Sob Tensão O equipamento utilizado nos ensaios de FST foi especialmente projetado e construído durante a pesquisa e possui capacidade para ensaiar 20 corpos de prova simultaneamente, com aquisição eletrônica dos tempos de ruptura. A

5 força é aplicada ao corpo de prova por meio de uma alavanca com fator de multiplicação de carga igual a 3 e pesos metálicos. A solução de incubação apresenta controle mecânico de temperatura. A Figura 5 apresenta um esquema do equipamento utilizado. 4.2 Ensaios NCTL A Figura 6 apresenta as curvas resultantes das tensões aplicadas versus seus respectivos tempos de ruptura, construídas a partir dos resultados dos ensaios NCTL. 100 % Resistência à Tração 10 0,01 0, Tempo de Ruptura (h) Virgem Degradação UV Degradação Térmica Figura 6. Curvas obtidas dos três ensaios NCTL realizados. Figura 5. Esquema do equipamento desenvolvido e utilizado para ensaios de FST. 4 APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS 4.1 Variações Físicas e Comportamento Mecânico das Amostras Degradadas A amostra sob degradação ultravioleta apresentou uma diminuição relevante na espessura (8%) e pequena diminuição na densidade (0,5%), demonstrando variações físicas no corpo da geomembrana. No comportamento em tração, ocorreu aumento na resistência (13% no escoamento e 12% na ruptura) e na rigidez da amostra (40% no escoamento e 12% na ruptura). Ao contrário da amostra sob degradação ultravioleta, a amostra submetida à degradação térmica mostrou variações irrelevantes na espessura (diminuição de 0,9%) e densidade (diminuição de 0,3%). O comportamento mecânico desta amostra demonstrou diminuição na resistência à tração (9% no escoamento e na ruptura) e na resistência ao início do rasgo (21%). Na Tabela 2 são apresentados os parâmetros obtidos dos resultados dos ensaios NCTL para as amostras ensaiadas. Tabela 2. Parâmetros obtidos dos resultados dos ensaios NCTL (geomembrana 2A). Amostra R. Dúctil R. Frágil T t σ t (%/h) (%/h) (h) (%) Virgem -0,038-0, UV -0,069-0, ,5 Térmica -0,060-0, As três amostras ensaiadas apresentaram curvas com comportamento tri-linear (comportamento previsto pela ASTM D 5397). A amostra sob degradação ultravioleta apresentou comportamento diferenciado das outras duas amostras na região de transição da curva, pois obteve inclinação positiva nesta região. Para os estágios de carregamento mais altos, pode-se perceber que a amostra sob degradação ultravioleta apresentou tempos de ruptura bem inferiores se comparados à amostra virgem, apresentando 7 estágios de carga na região dúctil da curva e apenas 4 estágios de carregamento na amostra virgem. A amostra sob degradação térmica apresentou comportamento semelhante ao da amostra virgem para os estágios de carregamento altos. Os 3 estágios de

6 carregamento mais altos (65, 60 e 55%T ult ) apresentaram tempos de ruptura maiores que a amostra virgem, demonstrando que para estes estágios, a diminuição da resistência à tração influiu no atraso dos tempos de ruptura. A partir do estágio de carregamento de 50%T ult, a amostra sob degradação térmica começou a mostrar susceptibilidade ao fenômeno do FST, apresentando tempo de ruptura inferior ao da amostra virgem. As inclinações das retas dúcteis das amostras degradadas demonstram que ambas amostras apresentaram diminuição na resistência ao FST, pois ocorreu aumento na inclinação destas retas. Os T t obtidos das amostras degradadas demonstram diminuições de 57% (amostra sob degradação ultravioleta) e de 48% (amostra sob degradação térmica) com relação à amostra virgem. As tensões de transição (σ t ) variaram de 32,5 a 35%T ult. A região frágil das curvas para as amostras ensaiadas apresentou 4 estágios de carregamento, com exceção para a amostra sob degradação ultravioleta, que mostrou apenas 3 estágios de carregamento nesta região da curva. A amostra sob degradação ultravioleta apresentou aumento na inclinação da reta frágil em comparação à amostra virgem. Isto evidencia o aumento da susceptibilidade ao FST. Já a amostra sob degradação térmica forneceu inclinação da reta frágil inferior a amostra virgem. Esta inclinação se deve principalmente ao tempo de ruptura do estágio de 25%T ult, que foi alto (próximo ao tempo de ruptura da amostra virgem para o mesmo estágio de carregamento). A Figura 7 mostra os dois diferentes padrões de ruptura ocorridos no ensaio NCTL, demonstrando que para carregamentos altos, a geomembrana apresenta deformação característica de escoamento e alongamento, e para carregamentos baixos, as cadeias do polímero se desprendem caracterizando ruptura sem deformação. (a) (b) Figura 7. Dois diferentes padrões de ruptura da amostra virgem ocorridos no ensaio NCTL: (a) Estágio de carregamento de 65%T ult ; e (b) Estágio de carregamento de 20%T ult. Os resultados dos ensaios de FST mostram que os processos de degradação a que as geomembranas foram submetidas aceleraram o fenômeno de FST, com reduções de resistência da ordem de 50 a 60%. 4.3 Ensaios SP-NCTL A Tabela 3 apresenta os resultados dos ensaios de SP-NCTL para as amostras da geomembrana ensaiada. Tabela 3. Resultados dos ensaios SP-NCTL para as amostras da geomembrana ensaiada. Amostra T r MÉDIO Coefic. Variação (h) (%) Virgem UV Térmica Comparando-se os resultados das amostras degradadas com os resultados da amostra virgem, percebe-se uma diminuição nos tempos médios de ruptura de 69% (amostra sob degradação ultravioleta) e de 45% (amostra sob degradação térmica). As amostras degradadas forneceram resultados mais homogêneos em comparação a amostra virgem, resultando em coeficientes de variação bem inferiores. A Figura 8 apresenta as curvas obtidas para os ensaios NCTL juntamente com os tempos de

7 ruptura obtidos dos ensaios SP-NCTL. Os valores médios dos tempos de ruptura dos ensaios SP-NCTL ficaram próximos aos tempos de ruptura dos estágios de carga de 30% dos ensaios NCTL. % Resistência à Tração ,01 0, Tempo de Ruptura (h) SP-NCTL Virgem SP-NCTL Degrad. UV SP-NCTL Degrad. Térmica Figura 8. Curvas obtidas nos ensaios NCTL juntamente com os tempos de ruptura obtidos nos ensaios SP-NCTL para as amostras da geomembrana ensaiada. Os resultados demonstram que as amostras mantiveram a mesma tendência de comportamento verificado no ensaio NCTL, com a maior redução de resistência evidenciada para a amostra sob degradação ultravioleta. 5 CONCLUSÕES As principais conclusões deste trabalho são: - O equipamento desenvolvido para registrar os tempos de ruptura devido ao FST funcionou muito bem, fornecendo precisamente os tempos de ruptura das amostras ensaiadas. - Nos ensaios NCTL, para as amostras degradadas, os resultados mostram que os processos de degradação a que as geomembranas foram submetidas podem ser considerados catalisadores do fenômeno de FST, pois ocorreram reduções de resistência ao FST da ordem de 50 a 60%. - Os ensaios SP-NCTL para as amostras da geomembrana mostraram que o comportamento observado nos ensaios NCTL foi mantido, com maior diminuição da resistência ao FST para a amostra degradada pela exposição à radiação ultravioleta. REFERÊNCIAS American Society For Testing And Materials (1995). ASTM D 5397: Standard Test Method for Evaluation of Stress Crack Resistance of Polyolefin Geomembranes Using Notched Constant Tensile Load Test. Philadelphia. American Society For Testing And Materials (1995). ASTM D 5721: Standard Practice for Air-Oven Aging of Polyolefin Geomembranes. Philadelphia. American Society For Testing And Materials (1996). ASTM G 53: Standard Practice for Operating Lightand Water-Exposure Apparatus (Fluorescent UV- Condensation Type) for Exposure of Nonmetallic Materials. Philadelphia. Bright, D.G. (1993). The Environmental Stress Cracking of Polymers Used In Geosynthetic Products. In: Geosynthetics, 1993, Vancouver, Canada. pp Geosynthetic Research Institute (2000). GRI Test Method GM11: Accelerated Weathering of Geomembranes Using a Fluorescent UVA-Condensation Exposure Device. Philadelphia. Geosynthetic Research Institute (2003). GRI Specification GM10: The Stress Crack Resistance of HDPE Geomembrane Sheet. Philadelphia. Geosynthetic Research Institute (2003). GRI Test Method GM13: Test Properties, Testing Frequency and Recommended Warranty for High Density Polyethylene (HDPE) Smooth and Textured Geomembranes. Philadelphia. Hsuan, Y.G. (2000). Data Base of Field Incidents Used to Establish HDPE Geomembrane Stress Crack Resistance Specifications. Geotextiles and Geomembranes, Elsevier Science Publishers Ltd, v. 18, pp Hsuan, Y.G.; Koerner, R.M. (1995). The Single Point- Notched Constant Tension Load Test: A Quality Control Test for Assessing Stress Crack Resistance. Geosynthetics International, vol. 2, nº 5, pp Hsuan, Y.G.; Koerner, R.M.; LORD Jr., A.E. (1993). Stress-Cracking of High-density Polyethylene Geomembranes. Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, v. 119, nº 11, pp Hsuan, Y.G.; Lord Jr. A.E.; Koerner, R.M. (1991). Effects of Outdoor Exposure on High Density Polyethylene Geomembrane. In: Geosynthetics, 1991, Atlanta. pp Koerner, R.M.; Hsuan, Y.G.; Lord, A.E., Jr. (1993). Stress Cracking Behavior of HDPE Geomembranes and Its Prevention. Final Report to U.S. EPA Contract CR , Springfield. p.94. Reddy, D.V.; Butul, B. (1999). A Comprehensive Literature Review of Liners Failures and Longevity, submitted to Florida Center for Solid and Hazardous Waste Management. University of Florida, jul., 1999, p Wright, D.C. (1996). Environmental Stress Cracking of Plastics. Shawbury: Rapra Technology Limited.