Estudo Comparativo de Três Geossintéticos no Reforço de Base de Pavimentos com Ensaios de Arrancamento de Pequenas Dimensões

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1 Ferreira, J.A.Z., Bueno, B.S., and Zornberg, J.G. (). Comparative Study of Three Geosynthetics for Pavement Reinforcement using Small-Scale Pullout Tests. Proceedings of the Fifth Brazilian Symposium on Geosynthetics, Geossintéticos, and of the Sixth Brazilian Congress on Environmental Geotechnics, REGEO ` (In Portuguese), Recife, Brazil, - June, pp. - (CD-ROM). Estudo Comparativo Três Geossintéticos no Reforço Pavimentos com Ensaios Arrancamento Pequenas Dimensões Julio A. Zambrano Ferreira e Benedito S. Bueno Escola Engenharia São Carlos, Universida São Paulo, São Carlos, Brasil Jorge G. Zornberg Civil Engineering Department, University of Texas at Austin, Austin, Estados Unidos RESUMO: Este trabalho apresenta um estudo comparativo da eficiência diferentes geossintéticos no reforço base pavimentos obras viárias com ensaios arrancamento pequeno porte. Utilizou-se geogrelhas polipropileno e fibra vidro e geotêxtil tecido polipropileno. Foram empregados um solo com 5% argila (subleito) e um pedregulho areno-siltoso (camada base). Os ensaios arrancamento foram executados com diferentes combinações entre solos e geossintéticos, utilizando um novo sistema sensores óticos a laser para medida direta slocamentos ao longo do reforço. Os resultados mostram que a geogrelha polipropileno é a melhor opção para os solos e geossintéticos estudados, seguida do geotêxtil tecido polipropileno e da geogrelha fibra vidro. PALAVRAS-CHAVE: Reforço Pavimentos, Ensaios Arrancamento, Geogrelha Fibra Vidro, Geogrelha Polipropileno. INTRODUÇÃO O sempenho obras viárias po ser melhorado com o uso geossintéticos para reforçar a camada base e a capa asfáltica pavimentos flexíveis. No reforço base, a inclusão po ser posicionada tanto à meia altura da camada, quanto na interface sta com o subleito. Espera-se que o reforço provoque um aumento da resistência do pavimento e maior distribuição cargas, inpenntemente da posição da inclusão. Para o reforço ser solicitado neste tipo aplicação, é necessário que ele esteja intimamente solidário ao solo adjacente, pois pequenos slocamentos já pom inviabilizar a utilização do pavimento. Esta condição torna-se mais eficiente quanto maior for a rigiz da inclusão. Ensaios arrancamento em laboratório são uma interessante forma avaliar a eficiência geossintéticos no reforço base rodovias é através. Estes ensaios permitem o estudo da interação solo-reforço e a obtenção REGEO ' parâmetros projeto, além serem expeditos e baixo custo execução. Tradicionalmente, ensaios arrancamento empregam equipamentos grans dimensões (ASTM D) que utilizam cerca,5 m solo por ensaio. O uso equipamento pequenas dimensões torna-se uma alternativa ainda mais prática e barata, diminuindo tempo execução, materiais e equipamentos. Assim, no presente trabalho foi realizado um estudo comparativo com ensaios arrancamento em equipamento pequenas dimensões, para terminar o material melhor sempenho no reforço base pavimentos obras viárias. MATERIAIS E MÉTODOS A caixa arrancamento utilizada no programa experimental possui dimensões internas 5 mm comprimento, mm largura e 5 mm altura (Fig. ). É necessário um volume solo apenas,5 m (% do volume

2 empregado em equipamento grans dimensões). A aplicação da sobrecarga é realizada com ar comprimido injetado numa bolsa inflável PVC acoplada à tampa da caixa. Abertura frontal para saída da inclusão Dois tipos solos foram utilizados nesta pesquisa. A Figura exibe as curvas granulométricas e a Tabela a caracterização dos mesmos. O solo, nomeado como base, é um pedregulho areno-siltoso oriundo Navasota no Texas EUA e é utilizado como camada base pavimentos. O solo é um solo argiloso, nomeado como subleito e é proveniente do município Austin no TexasEUA, on é conhecido como fire clay. O uso stes materiais faz parte uma parceria pesquisa entre a Escola Engenharia São Carlos da Universida São Paulo e a Universida do Texas em Austin. Os slocamentos do corpo--prova foram obtidos através um sistema composto por fios aço inoxidável,5 mm diâmetro e dois pesos, g massa, os quais servem mira para um medidor slocamentos a laser. No correr dos ensaios, os sensores acompanham a movimentação da mira previamente terminada e fornecem slocamentos com resolução centésimos milímetros. Na Figura é apresentado o medidor slocamentos a laser. Sensores óticos Braço posicionamento do sensor ótico Figura. Medidor slocamentos a laser. Para aplicação e registro da força arrancamento, foi utilizada uma garra pneumática conectada a célula carga duas toneladas capacida máxima, que por sua vez, conecta-se à máquina universal kn capacida da Emic molo DL. As informações força e slocamento são registradas diretamente em computador. REGEO ' % Passante Figura. Perspectiva da caixa pequenas dimensões para ensaios arrancamento. Nota: Dimensões em mm. 9 5,,, Diâmetro dos grãos (mm) X Corrigida Subleito Figura. Curvas granulométricas dos solos utilizados. Tabela. Propriedas dos solos utilizados na pesquisa. Solos( Propriedas Nome Subleito,, ρs (g/cm) wl (%) 59 wp (%) IP (%),(c), ρd,max (g/cm)( wot (%)( (c) 9 5(d) φ' ( ) c (kp GC (%) Classificação GM CH (SUCS) Nota: ( Valores fornecidos por Gupta (). ( Ensaio Proctor com Energia Normal. (c) Ensaio Proctor realizado segundo Método C da ASTM D 9a. (d) Estimativa segundo Lambe e Whitman (99). Buscando minimizar interferências nas condições contorno dos ensaios

3 arrancamento, foi realizada a correção granulométrica do solo da camada base segundo os critérios da ASTM D. Para a caixa arrancamento utilizada, os valores "D5" e "Dmax" calculados para que o solo atenda estas relações estão ilustrados graficamente na Figura com linhas pontilhadas. Em todos os ensaios, o solo base refere-se ao solo com a curva granulométrica modificada. Na compactação do solo no interior da caixa testes, utilizou-se compactador pneumático Bosch, molo GSH E, com o acoplamento uma sapata quadrada 5 cm largura em sua haste. Os materiais foram compactados na umida ótima e com grau compactação % na energia normal Proctor. Em relação aos materiais reforço, foram utilizados na pesquisa três diferentes geossintéticos e suas características estão na Tabela. Tabela. Características dos geossintéticos utilizados na pesquisa. Tipo geossintético e GG GT GG material fabricação PP PP FV Sentido Proprieda fabricação Resistência à L, 5 tração (kn/m) T 9, 5 L 5,,5 Abertura da malha (mm) T,, Espessura do T,,5 elemento (mm) Nota: Valores nominais resistência à tração. GG Geogrelha; GT Geotêxtil tecido; PP Polipropileno; FV Fibra vidro; L Longitudinal; T transversal.. Procedimento Ensaio Inicialmente, fios aço inoxidável eram fixados em junções das geogrelhas ou elementos do geotêxtil tecido à distâncias 9 mm e 5 mm em relação à pare frontal da caixa arrancamento. Com a finalida diminuir o atrito interface solo-caixa, as pares internas da caixa arrancamento foram revestidas com duas camadas plástico fino e rígido intercaladas com graxa. Em seguida, os solos eram compactados na umida ótima com REGEO ' % grau compactação na energia normal. Tanto a camada inferior quanto a superior foram compactadas em duas etapas. Nos ensaios realizados com pedregulho, posicionava-se um geotêxtil não-tecido baixa gramatura para proteção da bolsa inflável PVC da tampa da caixa testes. Logo pois, a caixa arrancamento era posicionada na máquina universal, os geossintéticos presos à garra e os sensores óticos leitura slocamentos ajustados. A pressão ar comprimido era aplicada no topo da amostra via bolsa PVC. Realizava-se então o ensaio arrancamento à velocida mm/min. A Figura apresenta o layout do ensaio. Célula carga Garra pneumática Caixa arrancamento Aplicação da sobrecarga Pesos amarados ao fio aço inox Figura. Layout do ensaio arrancamento pequenas dimensões. Posicionamento da caixa testes. Posicionamento do transdutor slocamentos a laser. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os ensaios foram realizados variando-se o tipo geossintético. Utilizou-se duas sobrecargas, e kpa, buscando compatibilida com as tensões normais ocorridas em pavimentos rodoviários. A Tabela mostra as configurações dos ensaios. As curvas obtidas em todos os ensaios apresentam comportamento similar aos scritos na literatura. Ou seja, o ponto medida slocamentos mais próximo à aplicação da força arrancamento é mobilizado antes do ponto mais distante.

4 Fmax =, kn/m σ = kpa GG PP T REGEO ' P (9 mm) P (5 Rompimento da geogrelha na garra Fmax =, kn/m GG PP T σ = kpa Figura 5. Curvas Força x Deslocamento. Ensaio. Ensaio. Nota: Fmax Força Arrancamento Máxima; σ - Sobrecarga; Cam Camada; INF Inferior; SUP Superior; GG Geogrelha; PP Polipropileno; T Transversal (sentido fabricação); Números entre parêntesis - distância do ponto em relação à pare frontal da caixa arrancamento. Os resultados dos ensaios e estão apresentados na Figura 5. A Figura exibe os resultados dos ensaios 5 e e a Figura dos ensaios e. A única diferença entre estes ensaios é o geossintético utilizado (Tabela ). Apesar do geotêxtil tecido possuir a maior resistência à tração no sentido fabricação ensaiado ( kn/m) em relação as geogrelhas polipropileno (9, kn/m) e fibra vidro (5 kn/m), ele apresentou a menor resistência ao arrancamento. Isto se ve ao mecanismo interação, que é puramente atritivo, que ocorre entre o geotêxtil tecido eo solo,. No caso das geogrelhas, há também a contribuição do contato solo-solo que existe na abertura da malha do geossintético e o senvolvimento da resistência passiva que ocorre à frente dos elementos transversais. Esta última parcela costuma ser maior contribuição que o atrito solo-superfície da inclusão. P (9 mm) P (5 mm) Tabela. Configurações do ensaios arrrancamento. Geossint / Tensão Camada Ensaio Camada Direção Normal INF SUP Nº Fabricação (kp Subleito GG PP / T Subleito GG PP / T 5 Subleito GT PP / L Subleito GT PP / L Subleito GG FV / L Subleito GG FV / L Nota: INF Inferior; Geossint Geossintético; SUP Superior; GG Geogrelha; GT Geotêxtil tecido; PP Polipropileno; FV Fibra vidro; T Transversal; L Longitudinal. Fmax =, kn/m GT PP L σ = kpa P (9 mm) P (5 mm) Fmax =,9 kn/m GT PP L σ = kpa P (9 mm) P (5 mm) Figura. Curvas Força x Deslocamento. Ensaio 5. Ensaio. Nota: Fmax Força Arrancamento Máxima; σ - Sobrecarga; Cam Camada; INF Inferior; SUP Superior; GT Geotêxtil tecido; PP Polipropileno; L Longitudinal (sentido fabricação); Números entre parêntesis - distância do ponto em relação à pare frontal da caixa arrancamento.

5 P (9 mm) P (5 mm) Fmax =, kn/m σ = kpa Escorregamento do corpo--prova na garra GG FV L Fmax =, kn/m P (9 mm) P (5 mm) σ = kpa GG FV L Figura. Curvas Força x Deslocamento. Ensaio. Ensaio. Nota: Fmax Força Arrancamento Máxima; σ - Sobrecarga; Cam Camada; INF Inferior; SUP Superior; GG Geogrelha; FV Fibra vidro; L Longitudinal (sentido fabricação); Números entre parêntesis - distância do ponto em relação à pare frontal da caixa arrancamento. Analisando as Figuras e, percebe-se que para sobrecarga kpa o pico da força arrancamento foi maior na geogrelha fibra vidro (, kn/m) que no geotêxtil tecido polipropileno (,5 kn/m). Entretanto, para sobrecarga kpa, os valores máximos dos dois sistemas foram semelhantes com, e,9 kn/m força máxima para a geogrelha FV e o geotêxtil PP, respectivamente. Com o aumento da tensão confinamento, seria esperado que o ganho resistência ao arrancamento da geogrelha FV fosse maior que do geotêxtil PP vido à melhora do contato solo-solo entre as áreas vazias da geogrelha. Dessa forma, a ação corte dos membros transversais seria dificultada e a contribuição da resistência passiva aumentada. No entanto, a geogrelha fibra vidro apresentou baixo sempenho para a sobrecarga REGEO ' maior. Isto se ve, provavelmente, à ruptura da inclusão em vários pontos durante o arrancamento, ao baixo coeficiente atrito interface e à baixa resistência das conexões entre membros longitudinais e transversais. Este foi o único geossintético ntre os utilizados que sofreu ruptura elementos. Vale salientar que o ensaio arrancamento é um procedimento bastante agressivo e que condições tão severas quanto estas não ocorrem em campo. Porém, uma das svantagens do uso geogrelhas fibra vidro é que este é um material bastante sensível aos danos instalação provocados pelo pedregulho. Diante disto, foi realizado o ensaio danos instalação da geogrelha. Inicialmente, proceu-se os ensaios tração com a amostra virgem e pois com o material danificado. Os resultados com os corpos--prova virgens mostraram gran variabilida na resistência da geogrelha FV, evinciando a necessida melhoras no seu processo fabricação. A resistência à tração média foi 5, kn/m, com uma variância,%. Após sofrer os danos instalação, a resistência média do material atingiu, kn/m, com variância,%. Portanto, a resistência à tração da geogrelha fibra vidro após os danos instalação é um pouco menor que a meta sua resistência na condição intacta. É importante salientar que o pedregulho utilizado como camada base tem formato angular e, por isso, é muito agressivo ao geossintético. Em reforço base pavimentos, a rigiz inicial do sistema é mais importante que a resistência máxima ao arrancamento. A Figura exibe as curvas do módulo rigiz (J) x formação inicial dos ensaios, e (sobrecarga kp. O módulo rigiz (J) é finido como a razão entre a força arrancamento e a formação do geossintético em terminado instante do ensaio. Como o ensaio arrancamento possui dimensões reduzidas, garante-se a mobilização completa do reforço e, sse modo, é possível obter a formação do corpo--prova durante o ensaio. 5

6 Geogrelha PP T J (kn/m) Geotêxtil PP L Geogrelha FV L,,5,,5,,5, Deformação (%) Figura. Curvas Rigiz x Deformação dos Ensaios, e (sobrecarga kp. Nota: T Transversal (sentido fabricação); L Longitudinal (sentido fabricação); PP Polipropileno; FV Fibra vidro. Analisando a Figura, percebe-se que a curva da geogrelha polipropileno é a que apresenta maior rigiz para todos os valores formação, seguida do geotêxtil tecido polipropileno e da geogrelha fibra vidro. Apesar da geogrelha PP possuir a menor resistência à tração no sentido ensaiado (9, kn/m) em relação à geogrelha FV (5 kn/m) e ao geotêxtil PP ( kn/m), ela mostra ser o reforço que confere a maior rigiz ao sistema. Isto se ve, provavelmente, à maior resistência das conexões entre membros longitudinais e transversais da geogrelha PP em comparação à geogrelha FV. Portanto, ntre os materiais estudados nesta pesquisa, a geogrelha PP é a melhor opção na utilização geossintéticos posicionados na interface da camada base-subleito com a função reforço base pavimentos obras viárias. CONCLUSÕES Neste estudo, foram realizados ensaios arrancamento pequeno porte visando avaliar o sempenho geossintéticos no reforço base pavimentos viários, fabricados com diferentes polímeros e características geométricas distintas. Três geossintéticos foram estudados: uma geogrelha e um geotêxtil tecido polipropileno e uma geogrelha fibra vidro. Dois tipos solo foram utilizados: um argiloso, simulando subleito rodovias, e um pedregulho areno-siltoso como camada base. REGEO ' As principais conclusões sta pesquisa são: - Com o ensaio arrancamento pequenas dimensões, em conjunto com o medidor slocamentos a laser para obtenção dos slocamentos ao longo da inclusão, garante-se a completa mobilização do corpo--prova. Desta forma, é possível obter medidas formações do geossintético. - Os ensaios arrancamento mostraram que, dos materiais testados, a geogrelha polipropileno conferiu a maior rigiz ao sistema, sendo o material mais efetivo no reforço base pavimentos viários posicionados na interface camada basesubleito. O geotêxtil tecido polipropileno é o segundo melhor, seguido da geogrelha fibra vidro. AGRADECIMENTOS Os autores agracem ao Conselho Nacional Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pela bolsa mestrado concedida ao primeiro autor, ao Departamento Geotecnia da Escola Engenharia São Carlos da Universida São Paulo (EESC/USP) pelo suporte técnico e ao Ranjiv Gupta, aluno doutorado da Universida do Texas em Austin, pelo envio materiais utilizados na pesquisa. REFERÊNCIAS ASTM D - (). Standard test method for measuring geosynthetics pullout resistance in soil. ASTM D 9-a (). Standard test methods for laboratory compaction characteristics of soil using standard effort (, ft-lbf / ft ( kn-m/m)). Gupta, R. (). Publicação eletrônica [mensagem pessoal]. Mensagem recebida por <zambrano@sc.usp.br> em ago. Lambe, T. W.; Whitman, R. V. (99). Soil Mechanics: SI Version. John Wiley & Sons, Singapore, p. 9.

7 LISTA DE SÍMBOLOS ρs Massa específica dos sólidos wl Limite liquiz wp Limite plasticida IP Índice plasticida ρd,max Massa específica seca máxima wot Umida ótima φ' Ângulo atrito interno efetivo do solo c Intercepto coesão do solo GC Grau compactação REGEO '