Efeito da Temperatura e Confinamento nos Ensaios de Fluência em Geossintéticos

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1 Efeito da Temperatura e Confinamento nos Ensaios de Fluência em Geossintéticos Francisco Paulo Basile Avesani, MSc. Universidade de São Paulo e Themag Engenharia, São Paulo, Brasil, franpba@yahoo.com.br Orencio Monje Vilar, Ph.D Universidade de São Paulo, São Carlos, Brasil, orencio@sc.usp.br Fagner Alexandre Nunes de França, Ph.D Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, Brasil, fagneranfranca@gmail.com RESUMO: O comportamento em fluência é uma das propriedades mais importantes de geossintéticos utilizados em estruturas de solo reforçado. Este parâmetro geralmente é caracterizado por meio de ensaios padronizados, que utilizam corpos de prova em condição não confinada, com temperatura e umidade controlada. Embora este ensaio seja utilizado na prática atual, o mesmo apresenta duas deficiências: grande tempo demandado para obtenção de uma resposta significativa quanto a esse comportamento (até horas de ensaio) e o fato de não considerar o efeito do confinamento em solo. Para contornar essas deficiências, os ensaios padronizados podem ser realizados em temperaturas elevadas e sob condição de confinamento em solo. Estas abordagens têm sido apresentadas na literatura técnica, a fim de considerar cada um desses aspectos, mas apenas de forma independente. Foi desenvolvido um equipamento capaz de conduzir ensaios de fluência confinado e acelerado em geossintéticos, considerando simultaneamente ambas as preocupações abordadas. Este trabalho apresenta resultados de ensaios de fluência conduzidos em um geotêxtil não tecido e uma geogrelha biaxial empregando este equipamento. Foram realizadas diversas configurações de ensaios, no tocante a temperatura e ao confinamento. Os resultados mostraram que a utilização de temperaturas elevadas permite acelerar a determinação do comportamento em fluência e que o efeito do confinamento se traduz pela diminuição das taxas de deformação por fluência. Além disso, este artigo apresenta algumas melhorias realizadas neste equipamento. PALAVRAS-CHAVE: Fluência em Geossintéticos, Geossintéticos, Solo Reforçado. INTRODUÇÃO O comportamento em fluência dos geossintéticos geralmente é caracterizado a partir dos ensaios padronizados de fluência (NBR e ASTM D 5262), que são realizados em condições controladas de temperatura e umidade relativa do ar. No entanto, esta técnica apresenta duas deficiências: o tempo necessário para obtenção de uma resposta significativa quanto a esse comportamento (podendo alcançar até horas de ensaio), bem como o fato de não considerar o efeito da interação do solo com o geossintético (confinamento em solo). Uma das alternativas para contornar essas limitações é acelerar a resposta da fluência por meio da elevação da temperatura dos ensaios padronizados de fluência. Este procedimento é denominado ensaio acelerado de fluência e trata-se de um método muito bem estabelecido na literatura técnica, contando com uma abordagem descrita pela ASTM D 6992 (Stepped Isothermal Method). Por outro lado, o fato dos ensaios padronizados de fluência não levarem em consideração a interação entre o solo e o geossintético, pode ser contornado com a realização de ensaios em câmaras especiais, onde os corpos de prova são confinados em solo. Essa abordagem foi iniciada por McGown

2 et al. (982) e, posteriormente diversos estudos foram divulgados na literatura técnica, empregando-se diferentes tipos de equipamentos. Embora haja um grande número de publicações disponíveis, ainda não foi estabelecido um procedimento padronizado para execução desse tipo de ensaios. Assim, tanto ensaios com elevação da temperatura, quanto de confinamento em solo são relatados com sucesso na literatura técnica, mas apenas de forma independente. Entretanto, França (202) apresentou um equipamento capaz de conduzir simultaneamente ensaios de fluência confinados e acelerados. Este artigo apresenta um conjunto de resultados de ensaios de fluência realizados em diferentes condições utilizando este equipamento. Nesse sentido, buscaram-se informações sobre o efeito do confinamento e da temperatura em um geotêxtil não-tecido e uma geogrelha biaxial, ambos de poliéster. no mínimo, a mesma largura do corpo de prova e impedir o seu deslizamento. Um conjunto de pesos livres submete a amostra a um esforço de tração constante, ao passo que as deformações são obtidas ao longo do tempo. Medidor de deslocamento Referência Peso livre Célula de carga Garra superior Medidor de deslocamento Corpo de prova Garra inferior 2 FLUÊNCIA EM GEOSSINTÉTICOS 2. Ensaio Convencional Grande parte dos dados existentes sobre a fluência dos geossintéticos provém de ensaios convencionais de laboratório, nos quais, o material é estudado isoladamente. Nestes ensaios, os corpos de prova, geralmente de 200 mm de largura e 200 mm de comprimento, são submetidos a carregamentos constantes que correspondem a uma parcela de sua resistência à tração, procedendo-se o registro do alongamento do corpo de prova em tempos préestabelecidos. Este ensaio é normalizado por diversas entidades (NBR 5.226; ASTM D 5262; ISO 3.43) e deve ser executado em condições controladas de temperatura e umidade relativa do ar. A Figura apresenta um modelo do equipamento utilizado para ensaios convencionais de fluência. Esse método é relativamente simples e, apesar de algumas diferenças, envolvem basicamente três divisões: sistema de ancoragem, sistema para acompanhamento das deformações e sistema de aplicação de carga. A fixação do geossintético é realizada através de garras que devem possuir, Figura. Equipamento de fluência convencional (Avesani, 203). Para caracterização do comportamento em deformação por fluência do geossintético ao longo do tempo, carregamentos entre 0% e 60% da resistência à tração do material são geralmente aplicados, procedendo-se o registro das deformações nos tempos pré-estabelecidos. As normas recomendam que pelo menos quatro níveis de carregamento sejam aplicados em diferentes corpos de prova e que esses ensaios durem entre.000 e horas. A principal deficiência associada a esse tipo de ensaio é o tempo demandado para que se obtenha uma resposta significativa. Além disso, há ausência da caracterização quanto ao comportamento da interação solo-geossintético. Desta forma, outras configurações foram elaboradas a fim de investigar esse efeito sobre o comportamento em fluência dos geossintéticos. Além disso, metodologias foram propostas para acelerar a determinação do comportamento em fluência dos geossintéticos. 2.2 Ensaio Confinado e Acelerado O equipamento utilizado para realização dos ensaios de fluência confinada e acelerada foi

3 desenvolvido por França (202). O principio geral de seu funcionamento assemelha-se ao proposto por McGown et al. (982). O equipamento de fluência confinada e acelerada consiste de um aparato onde o corpo de prova de geossintético é posicionado horizontalmente em uma câmara de ensaios, na qual o material é solicitado em tração por meio de garras conectadas a pesos livres. A câmara de ensaios é provida de um sistema que possibilita a reprodução de tensões de confinamento, por meio de um solo confinante e uma bolsa de ar pressurizado. Além disso, conta com um sistema de resistências instaladas em seu interior, capaz de produzir temperaturas elevadas ao longo dos ensaios. Além da realização de ensaios simultaneamente confinados e acelerados, esse equipamento pode ser empregado para ensaios separadamente confinados ou acelerados, bem como, ensaios convencionais de fluência em geossintéticos. A Figura 2 apresenta um esquema do equipamento, destacando-se seus principais sistemas. Entrada de ar Pressurizado era um procedimento totalmente manual, em que dois operadores, atuando simultaneamente, liberavam a pressão de macacos hidráulicos, nos quais eram dispostos pesos livres. Este procedimento era executado conjuntamente em cada extremidade do equipamento, provocando variações na velocidade de aplicação do carregamento e das deformações iniciais dos corpos de prova. Para superar esse inconveniente, foi desenvolvido um acessório capaz de aplicar a solicitação de tração de maneira uniforme em ambas às extremidades dos corpos de prova, bem como de manter constante a velocidade de aplicação desse carregamento. Esse sistema é composto por um motor que ativa o movimento vertical (para cima ou para baixo) de uma viga metálica, na qual são dispostos pesos livres em suas extremidades. Um controlador é utilizado para o ajuste da velocidade do carregamento da solicitação de tração, atuando também como chave do sistema. Este aparato permite que a solicitação de tração seja aplicada a uma taxa constante e através de apenas um operador. A Figura 3 apresenta uma vista geral deste acessório, bem como o registro de células de carga durante o carregamento e cinco minutos de um ensaio de fluência confinada e acelerada em um geotêxtil não tecido. Observa-se que a solicitação de tração desejada foi atingida em aproximadamente 60 segundos, atendendo as exigências normatizadas (NBR 5.226; ASTM D 5262). Adicionalmente, observa-se que o carregamento foi aplicado de maneira constante em ambas as extremidades. Corpo de prova 2 Parte superior da caixa de ensaio (meio confinante e corpo de prova) 3 Parte inferior da caixa de ensaio (sistema de aquecimento) 4 Bolsa de ar pressurizado 5 Tampa da câmara de ensaio 6 Cobertura em poliestireno expandido 7 Garra do tipo rolete 8 Célula de carga 9 Fio de aço inextensível 0 Transdutor de deslocamento Conjunto de polias 2 Peso livre 3 Macaco hidráulico Figura 2. Equipamento de fluência confinada e acelerada em geossintéticos (França, 202). Algumas alterações foram realizadas ao equipamento desenvolvido por França (202), dentre as quais, destaca-se a implementação de um sistema para a aplicação da solicitação de tração ao corpo de prova de geossintético. Este

4 a) Motor Elétrico Controlador comparação dos seus resultados entre os diferentes tipos de ensaios. No entanto, os itens a seguir apresentam uma breve descrição de ambos os materiais utilizados nos diferentes ensaios realizados. 3. Tipos de Geossintéticos e Solo Confinante b) Carregamento (kg) Viga de aço 50 0 Célula de Load carga cell Célula de Load cell 2 carga Tempo (min) Figura 3. Novo sistema de carregamento do equipamento de fluência confinada e acelerada: (a) Vista geral; (b) Nível de carregamento durante os primeiros cinco minutos de um ensaio de fluência confinada e acelerada realizada com um geotêxtil não tecido. 3 ENSAIOS DE FLUÊNCIA EM GEOSSINTÉTICOS O equipamento de fluência confinada e acelerada foi utilizado para três diferentes tipos de ensaios: confinado; acelerado; confinado e acelerado. Ensaios de fluência confinados referem-se aqueles em que o corpo de prova é inserido em um meio com areia e submetido a um carregamento constante ao longo do ensaio. Os ensaios realizados com amostras em isolamento (sem meio confinante) e sob temperatura elevada são denominados ensaios de fluência acelerada. Finalmente, os ensaios em que ambas as condições foram aplicadas simultaneamente, são descritos nesse artigo como ensaios de fluência confinada e acelerada. Além disso, os ensaios de fluência realizados de acordo com a ASTM D 5262 são referidos como ensaios de fluência convencionais. Estes testes foram realizados através de dispositivos padronizados (conforme Figura ), a fim de caracterizar o comportamento de fluência do geossintéticos, bem como permitir uma Dois diferentes tipos de geossintéticos foram empregados nos ensaios de fluência apresentados neste artigo: um geotêxtil não tecido e uma geogrelha biaxial. Ambos os materiais foram fabricados com fibras de poliéster. A Tabela resume as principais características de cada geossintético. Os ensaios de fluência confinados e confinados e acelerados foram realizados com a câmara de ensaio preenchido com amostra de areia seca mal graduada, classificada como SP de acordo com o sistema USCS. Este material apresenta índice de vazios máximo e mínimo de 0,75 e 0,57, respectivamente, enquanto que o peso específico seco máximo e mínimo foi de 7,0 kn/m³ e 5,3 kn/m³, respectivamente. A areia foi usada com uma densidade relativa igual a 45%, padronizada em função do lançamento da mesma na caixa de ensaios. Ensaios de cisalhamento direto nesta condição resultaram em ângulo de atrito de pico de 34,5 e ângulo de atrito residual de 27,5. Tabela. Caracrteristicas dos Geossintéticos ensaiados. Geotêxtil não Características Geogrelha biaxial tecido Processo de Fabricação Agulhado Tecido Polímero Predominante Poliéster Poliéster Gramatura (g/m²) (ASTM D 526) 263 (6,%) N/A 2 Abertura (mm) N/A Espessura nominal (mm) (ASTM D 599) 2,8 (5,6%) N/A 2 Direção de Ensaio Transversal Longitudinal Resistência à tração (kn/m) (ASTM D 4595) Deformação na Ruptura (%) (ASTM D 4595) 4, 9,72 (2,4%) (,9%) 68,2 9,6 (9,34%) (4,4%) O número em parênteses corresponde ao coeficiente de variação; 2 Não aplicável.

5 3.2 Ensaios Realizados Inicialmente, o comportamento em fluência de ambos os geossintéticos foram avaliados por meio de ensaios convencionais de fluência (ASTM D 5262). Além disso, ambos os materiais foram submetidos a ensaios de fluência confinados, acelerados e confinadosacelerados. Nos ensaios realizados em meio confinante, os corpos de prova foram submetidos a tensão normal de 50 kpa, por meio de uma bolsa de ar comprimido. Ensaios de fluência acelerada e confinado-acelerados foram realizados sob diferentes temperaturas. A Tabela 2 resume as características dos diferentes tipos de ensaios de fluência apresentados neste artigo. Tabela 2. Ensaios de fluência realizados. Tipo de Ensaio Covencional Acelerado Geotêxtil não tecido 20 a 60% da RTU 000 h; Temperatura ambiente 50% da RTU 2 h; 36 C Confinado 50% da RTU (50 kpa) 2 60 h; 24 C Confinadoacelerado 50% da RTU (50 kpa) 2 45 h; 36 C Resistência à tração última; 2 Pressão de confinamento aplicada no ensaio. Geogrelha biaxial 20 a 50% da RTU 000 h; Temperatura 50% da RTU 5 h; 36 C 50% da RTU 6 h; 24 C 50% da RTU 20 h; 36 C 4 RESULTADO E ANÁLISE DOS ENSAIOS DE FLUÊNCIA Os resultados dos ensaios de fluência são apresentados e analisados neste item. As curvas de fluência dos geossintéticas são geralmente representadas pela deformação do corpo de prova em função do tempo de ensaio, em escala logarítmica. Assim, os efeitos da temperatura e da interação solo-geossintético podem não ser facilmente identificados, uma vez que esta representação reflete tanto as deformações iniciais, quanto a própria fluência. Desta forma, Zornberg, Byler e Knudsen (2004) propuseram uma representação da curva de fluência em que apenas a deformação por fluência dos corpos de prova são utilizados. Assim, as deformações por fluência são representadas graficamente em função do logaritmo da razão entre o tempo de ensaio e o tempo no final da aplicação do cargamento. A inclinação da linha resultante indica a taxa de deformação por fluência durante os ensaios, e é designada como o índice de fluência (T α ), calculada pela equação. ε = T. log t t () Onde ɛ f é a deformação por fluência (em %); T α o índice de deformação por fluência; t é o tempo de ensaios e t 0 é o tempo no final de aplicação do carregamento. 4. Geotêxtil não tecido Diferentes tipos de ensaio de fluência foram realizados com o geotêxtil não tecido. Inicialmente, foram conduzidos ensaios convencionais de 20 a 60 % da resistência à tração última (RTU). Para os ensaios realizados em condições não convencionais, foi empregado nível de carregamento de 50% da RTU. As Figuras 4a e 4b apresentam os resultados obtidos nos ensaios de fluência convencionais com corpos de prova submetidos a carregamentos entre 20 e 60% de RTU e nos ensaios de fluência não convencionais com amostras submetidas a 50% de RTU, respectivamente. Conforme esperado, os valores do índice deformação por fluência do geotêxtil não tecido são proporcionais ao carregamento aplicado à amostra durante o ensaio. No que diz respeito aos corpos de prova submetidas a 50% de RTU, o comportamento em fluência mostrou-se altamente influenciado pelo confinamento do solo nas condições testadas. Uma tensão normal de 50 kpa foi capaz de reduzir o índice de fluência em cerca de % do valor obtido na condição convencional. Nota-se que ambos os ensaios foram realizados à temperatura ambiente de 24±0, C. Uma tendência

6 semelhante foi encontrada em temperaturas elevadas. No entanto, a variação do índice de fluência foi menos significativa. O valor do índice de deformação por fluência do ensaio de fluência confinado-acelerado (temperatura de 36 C) foi aproximadamente igual a 3% do obtido no ensaio de fluência acelerada (36 C). A redução do índice de deformação por fluência atingiu níveis significativos à temperatura ambiente. Observa-se que o índice de fluência obtido no ensaio confinado com o espécime carregado para 50 % de RTU é menor do que o obtido no ensaio convencional de 20% de RTU. Isto indica a alta influência do confinamento do solo no comportamento em fluência do geotêxtil não tecido. No entanto, vale mencionar que esta condição não pode ser extrapolada para todos os tipos geotêxteis não tecidos. a) Deformação por fluência, Ɛ f (%) b) Deformação por fluência, Ɛ f (%) 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0,0 0,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0,0 0,0 20% 30% 40% 50% 60% T α =,80 T α = 0,963 T α = 0,70 T α = 0,623 T α = 0,378 0,0,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 Log (t/t0) Conventional Convencional Confined-accelerated Confinado-acelerado (36 C) T α =,363 T α = 0,48 T α = 0,07 T α = 0,963 0,0,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 Log (t/t0) Acelerado Accelerated (36 C) Confined Confinado (24 C) Figura 4. Ensaio realizados com geotêxtil não tecido: a) Ensaios de fluência convencionais; b) Ensaios de fluência não convencionais. 4.2 Geogrelha biaxial Os ensaios de fluência convencionais foram realizados com níveis de carregamento entre 20 e 50% de RTU. Da mesma forma que o geotêxtil não tecido, os corpos de prova da geogrelha biaxial foram avaliados segundo o carregamento de 50% da RTU para os diferentes tipos de ensaios de fluência. A Figura 5a apresenta os resultados do ensaio de fluência de geogrelha convencional com as amostras com menos de 20, 30, 40 e 50 % de UTS. Figura 5b reúne os resultados dos ensaios convencionais e não convencionais (confinados ; confinados-acelerado; acelerado) com 50% RTU, respectivamente. O índice de deformação por fluência (Tα) foi empregado para avaliar a influência do confinamento e/ou temperatura nos corpos de prova submetidos aos ensaios de fluência. O confinamento do solo revelou ser extremamente eficaz na redução das deformações por fluência desse material, uma vez que houve uma redução de cerca de 80% devido ao confinamento em solo. Uma tendência semelhante foi encontrada em temperaturas elevadas. No entanto, a variação do índice de fluência foi ligeiramente menos significativo. O valor do índice de fluência no ensaio de fluência confinada-acelerada (T = 36 C) foi, aproximadamente, igual a 58% do obtido no ensaio de fluência acelerada (T=36 C). Em relação à temperatura de ensaio, o aumento desse parâmetro provocou um aumento na taxa do índice de fluência. Este comportamento era esperado, porque a elevação da temperatura do ensaio é empregada para acelerar a avaliação da fluência em geossintéticos fluência. Além disso, a literatura técnica sugere que o confinamento do solo tem pequena ou nenhuma influência sobre o comportamento em deformação por fluência de geogrelhas. No entanto, os resultados obtidos até agora indicam um comportamento diferente. O índice de deformação por fluência (Tα) dos corpos de prova em isolamento (ensaios convencionais) foram expressivamente maiores do que os obtidos com a amostra de geogrelhas confinadas, à mesma temperatura.

7 Assim, é evidente que as deformações por fluência de geogrelha sob confinamento de solo são muito menores do que aquelas obtidas em ensaios convencionais. Isso enfatiza a sugestão de FHWA (998), em que cada geossintético deve ser caracterizada quanto ao seu comportamento de fluência em condição confinada no solo. a) Deformação por fluência, Ɛ f (%) b) Deformação por fluência, Ɛ f (%),0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 2,0,8,6,4,2,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 20% 30% 40% 50% Figura 5. Ensaios realizados com geogrelha biaxial: a) Ensaios de fluência convencionais; b ) Ensaios de fluência não convencionais. 5 CONCLUSÕES T α = 0,62 T α = 0,9 T α = 0,4 T α = 0,099 0,0,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 Log (t/t0) Conventional Convencional Confined-accelerated Confinado-acelerado (36 C) (36 C) T α = 0,298 T α = 0,033 Confined Acelerado (24 C) Accelerated Confinado (36 C) (36 C) T α = 0,52 T α = 0,62 0,0,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 Log (t/t0) Este artigo apresentou uma breve descrição do equipamento de teste de fluência desenvolvido por França (202), para realizar ensaios de fluência simultaneamente confinados e acelerados em geossintéticos. Também foi apresentada uma melhoria ao equipamento, implementado um sistema de carregamento. Um geotêxtil não tecido e uma geogrelha biaxial foram submetidos a diferentes tipos de ensaios de fluência. Assim, as seguintes conclusões são tiradas a partir do presente estudo: A influência do confinamento em solo nas deformações por fluência do geotêxtil não tecido foram muito significativas, em ambas as temperaturas (ambiente e elevada). Os valores de índice de deformação por fluência foram reduzidos a e 3% dos encontrados em condição não confinada, à temperatura ambiente e a 36 C, respectivamente; Em relação a geogrelha biaxial, a redução da deformação por fluência devido ao confinamento em solo não é mencionada na literatura técnica. No entanto, verificou-se que essa influência pode ser muito significativa, tanto em temperatura ambiente, quanto elevada. Os valores de índice de deformação por fluência foram reduzidos para 20 e 58% dos encontrados em condição não confinada à temperatura ambiente e a 36 C, respectivamente; O efeito da temperatura sobre o comportamento em fluência de ambos geossintéticos foi apresentado no presente artigo. Como esperado, o aumento da temperatura de ensaio provoca um aumento nos valores dos índices de fluência; O desempenho do equipamento de ensaio de fluência foi melhorada com a adição do novo sistema de carregamento. Desta forma, é capaz de aplicar o carregamento a uma velocidade constante em ambos os lados do corpo de provas. AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de expressar seus agradeciementos ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pelo financiamento da pesquisa, bem como a todos os técnicos do Laboratoório de Geossintéticos da Escola de Engenharia de São Carlos EESC/USP. REFERÊNCIAS AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS (2007). ASTM D 5262: Standard test method for evaluating the unconfined tension creep

8 behavior of geosynthetics. Avesani, F.P.B. (203). Fluência Confinada e Acelerada em Geossintéticos. Dissertação de Mestrado, Universidade de São Paulo, São Carlos, Brasil, 34p. Elias, V., Yuan, Z., Swan Jr., R. W. and Bachus (998). Development of Protocols for Confined Extension/Creep Testing of Geosynthetics for Highway Applications. FHWA-RD-97-43, McLean, VA, USA. França, F.A.N. (202). Novo equipamento para realização de ensaios confinados e acelerados de fluência em geossintéticos. Tese de Doutorado. Universidade de São Paulo, São Carlos, Brasil, 259p. Koerner, R.M. (2005). Designing with Geosynthetics, Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, USA. Mcgown, A., Andrawes, K. Z. and Kabir, M. H. (982). Load-Extension Testing of Geotextiles Confined in Soil, 2nd International Conference on Geosynthetics, IFAI, Las Vegas, Nevada, USA, 3: Zornberg, J. G., Byler, B. R. and Knudsen, J. W. (2004). Creep of Geotextiles Using Time-Temperature Superposition Methods, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 30: