Análise do Comportamento de Solo Reforçado com Poliestireno Expandido (EPS) para Aplicação em Obras Geotécnicas

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1 Análise do Comportamento de Solo Reforçado com Poliestireno Expandido (EPS) para Aplicação em Obras Geotécnicas Alena Vitková Calheiros Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Michéle Dal Toé Casagrande Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, RESUMO: Este trabalho apresenta o comportamento de um solo argilo-arenoso reforçado e não reforçado com pérolas de poliestireno expandido (EPS) através de ensaios de caracterização (análise granulométrica, limites de liquidez e de plasticidade e peso específico dos grãos), ensaios de compactação e ensaios triaxiais isotropicamente drenados. A pérola de EPS pode ser obtida através do trituramento de placas de EPS, como as que são utilizadas como embalagens para equipamentos eletroeletrônicos, e o solo é de origem coluvionar, retirado do campo experimental da PUC-Rio. Através dos ensaios, almeja-se estabelecer padrões de comportamento que possam explicar a influência da adição de pérolas de EPS, relacionando-a com os parâmetros de resistência ao cisalhamento e deformação do solo. Os ensaios foram realizados em amostras compactadas na densidade máxima e umidade ótima, com teores de pérolas de EPS de 0,25, 0,50, 0,75 e 1,0%, em relação ao peso seco do solo. Observa-se uma influência na resistência ao cisalhamento das misturas solo-eps, que se reflete no aumento dos parâmetros de resistência do solo (coesão e ângulo de atrito) das misturas reforçadas, em comparação ao solo puro. Os resultados se mostraram satisfatórios para aplicação do solo reforçado com pérolas de EPS em camadas de aterros sanitários e aterros sobre solos moles, dando um fim ecologicamente correto para o mesmo. PALAVRAS-CHAVE: Pérolas de EPS, estudo experimental, ensaios triaxiais, obras geotécnicas. 1 INTRODUÇÃO A adequada destinação final dos resíduos sólidos urbanos, entre eles o poliestireno expandido (EPS), constitui um dos maiores problemas da sociedade moderna, já que a composição desses resíduos se modificou muito ao longo dos últimos anos e a geração de lixo tem crescido consideravelmente. A tecnologia e o crescimento populacional apresentam um intenso avanço que, associado ao atual modelo econômico, faz ampliar o consumo de recursos naturais acarretando um aumento, na mesma proporção, do volume de resíduos. Assuntos relacionados à gestão de resíduos vêm assumindo destaque na organização da sociedade e em vários setores são observadas mudanças ou adaptações nos padrões comportamentais. Na esfera pública, prefeituras são obrigadas a elaborar planos de gerenciamento integrado de resíduos bem como legislações e políticas relacionadas a essa temática são implementadas; e a iniciativa privada é obrigada a recolher os resíduos provenientes de seus produtos. Quando manipulados de forma inadequada, os resíduos podem causar uma série de impactos ambientais, desde o local onde são gerados até sua disposição final. Fica evidente que a maneira como se trata o lixo em uma sociedade não é a causa de um problema ambiental, e, sim, o reflexo de um modelo comportamental indevido. Dessa maneira, a presente pesquisa visa conhecer a viabilidade do emprego de pérolas de EPS como material de reforço em obras de terra, através de ensaios experimentais de laboratório. O uso deste resíduo como material alternativo pode contribuir para a minimização de passivos ambientais, agregar valor ao resíduo e evitar problemas ambientais, tais como poluição do ar e o assoreamento de rios e lagos, eliminando problemas atuais de disposição de resíduos

2 em lixões e aterros sanitários. Uma vez que ele é considerado com um dos vilões do lixo por ocupar muito espaço nos aterros sanitários, dificultar a compactação do aterro e prejudicar a degradação dos materiais presentes. 2 PROGRAMA EXPERIMENTAL O solo utilizado na pesquisa é proveniente do campo experimental da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Este é classificado como uma argila arenosa de média plasticidade (CH) e possui peso específico real dos grãos igual a 26,5 kn/m 3. Durante a pesquisa, utilizou-se como resíduo pérolas de poliestireno expandido (EPS), que no Brasil é conhecido como isopor. As pérolas de EPS utilizadas possuem uma aparência esférica e diâmetro médio de 1,0 mm. A Figura 1 ilustra o material utilizado como reforço no solo. Figura 1: Pérolas de Poliestireno Expandido (EPS). 2.1 Preparação das Amostras A preparação do solo para o ensaio de compactação foi realizada segundo a ABNT NBR 7182 (1984). Para preparar as misturas, a porcentagem de pérolas de EPS foi calculada em relação à massa de solo seco. Para o ensaio triaxial, a moldagem dos corpos de prova do solo e misturas deste com os diversos teores de pérolas de EPS, foi inicialmente compactado um corpo de prova cilíndrico, com a umidade ótima e massa específica seca máxima, obtida nos ensaios de compactação para o solo puro e para cada mistura. O ensaio de compactação foi feito utilizando-se a energia de compactação Proctor Normal e com reuso de material. Com o material compactado, moldaram-se os corpos de prova através de um equipamento obtendo moldes cilíndricos para o ensaio triaxial. Na Tabela 1 são apresentadas as siglas utilizadas neste estudo, que descrevem o solo e misturas. Tabela 1: Símbolos referentes a cada material/mistura. Material / Pérolas de Solo (%) Mistura EPS (%) Símbolo Solo Argiloso S100 Mistura 1 99,75 0,25 S99,75/EPS0,25 Mistura 2 99,50 0,50 S99,50/EPS0,50 Mistura 3 99,25 0,75 S99,25/EPS0,75 Mistura 4 99,00 1 S99/EPS1 2.2 Ensaios de Compactação Os ensaios de compactação realizados foram do tipo Proctor Normal, segundo a ABNT NBR 7182 (1984), para o solo puro e em mistura com 0,25%, 0,50%, 0,75% e 1,0 % de pérolas de EPS. O objetivo desse ensaio é determinar a umidade ótima de compactação (wótm) e o peso específico aparente seco máximo (γdmáx). Com as misturas preparadas, colocou-se o material dentro do molde cilíndrico pequeno (cilindro Proctor), de dimensões 10 cm x 12,7 cm (diâmetro x altura). Aplicou-se 26 golpes com um soquete pequeno, de peso igual a 2,5 kg, o qual se deixa cair na camada de solo a uma altura de 30,5 cm aproximadamente. As camadas de solo compactadas devem ocupar cerca de 1/3 da altura total do molde (compactação em três camadas). A fim de se obter uma boa aderência entre as camadas compactadas, escarificou-se bem cada uma delas antes de se compactar a camada sobrejacente. Em geral, depois de completar as três camadas, atingese uma altura maior do que a do molde, o que ocorre devido à utilização de um anel complementar, que garante a altura total necessária. Este excesso é removido no final do ensaio, acertando-se o volume de solo em relação à altura do molde. 2.3 Ensaios Triaxiais Os ensaios triaxiais foram realizados para o solo puro e em mistura com 0,25%, 0,50%,

3 0,75% e 1,0 % de pérolas de EPS, aplicandose tensões confinantes iguais a 50 kpa, 150 kpa e 300 kpa. Os ensaios triaxiais realizados neste trabalho são do tipo Consolidado Isotropicamente Drenado (CID). O objetivo desse ensaio é determinar os parâmetros de resistência ao cisalhamento (coesão e ângulo de atrito) do solo puro e misturas. Para realização deste ensaio, os corpos de prova foram moldados na condição de umidade ótima e peso específico aparente seco máximo determinados através do ensaio de compactação. Para realização do ensaio triaxial, o corpo de prova obtido no ensaio de compactação foi moldado utilizando um aparelho de fabricação própria do laboratório. De cada corpo compactado, retiram-se três pequenos corpos-de-prova, sendo assim obtém-se as mesmas condições para cada ensaio. As dimensões dos corpos de prova foram 7,82 cm de altura e 3,80 cm de diâmetro (Figura 2). de 1000 kpa (Ramírez, 2012). A célula de carga utilizada é do fabricante ELE International Ltd., com capacidade máxima de 5000 kn e exatidão de 0,1 kn. Para a obtenção dos deslocamentos foram utilizados LVDT s da marca Wykeham Farrance, com cursos de 25 mm e resolução de precisão de 0,01 mm. O transdutor usado na medida das pressões na câmara, no medidor de variação de volume e das poropressões são da marca Schaevitz, com variações de ± 2,0 kpa e capacidade máxima de 1700 kpa (Ramírez, 2012). As variações de volume são obtidas através de medidores de variação volumétrica (MVV), fabricados na PUC-Rio, segundo o modelo do Imperial College. Figura 3: Prensa triaxial da marca Wykeham-Ferrance. 3 RESULTADOS E ANÁLISES 3.1 Limites de Atterberg Figura 2: Corpo de prova após moldagem. A prensa utilizada é da marca Wykeham- Farrance, de velocidade de deslocamento controlada, com capacidade de 10 toneladas (Figura 3). O ajuste das velocidades de deslocamento do pistão é determinado mediante a seleção adequada de pares de engrenagens e a respectiva marcha (Ramírez, 2012). A câmara triaxial empregada é própria para corpos de prova com diâmetro de 1,5. Essa câmara é feita de um material acrílico que suporta uma pressão confinante máxima Os Limites de Plasticidade e Liquidez foram 39% e 53% respectivamente, resultando em um Índice de Plasticidade de 14%. De acordo com o Sistema Unificado de Classificação dos Solos (SUCS), o solo em estudo é classificado como CH, correspondendo a uma argila arenosa de média plasticidade. Na Figura 4 é apresentada a curva granulométrica obtida para o solo puro.

4 A partir dos resultados, observa-se que a inserção das pérolas de EPS diminui a massa específica seca máxima do material, e que este valor decresce à medida que o teor de EPS aumenta. A umidade ótima possui o mesmo comportamento. 3.3 Ensaios Triaxiais Figura 4: Curva granulométrica obtida para o solo puro. 3.2 Ensaios de Compactação Na Figura 5 apresentam-se as curvas de compactação para o solo puro e em misturas de 0,25%, 0,50%, 0,75% e 1,0 % de pérolas de EPS. Os resultados dos ensaios triaxiais CID, em compressão axial, foram realizados em amostras de solo argiloso e misturas solo-eps com teores de 0,25% 0,50%, 0,75% e 1%, em relação ao peso do solo seco e as tensões efetivas que foram aplicadas em todos os casos são 50, 150 e 300 kpa. Nas Figuras 6, 7, 8 e 9 apresentam-se as curvas da tensão desviadora versus deformação axial para as amostras de solo argiloso (S100) em comparação com cada mistura. Figura 5: Curvas de Compactação do Solo Puro e Misturas solo-eps. Na tabela 2 é apresentado um resumo dos valores de umidade ótima e massa específica seca máxima para o solo argiloso e misturas, determinados através da análise do gráfico. Figura 6: Curvas da tensão desviadora versus deformação axial das amostras S100 e S99,75/EPS0,25 em ensaios triaxiais. Tabela 2: Resultados dos ensaios de compactação. Massa Específica Umidade Material/Mistura Seca Máxima ótima (%) (g/cm 3 ) S100 26,2 1,58 S99,75/EPS0,25 26,0 1,49 S99,50/EPS0,50 26,0 1,47 S99,25/EPS0,75 24,5 1,44 S99/EPS1 24,5 1,40 Figura 7: Curvas da tensão desviadora versus deformação axial das amostras S100 e S99,50/EPS0,50 em ensaios triaxiais.

5 Tabela 3: Resumo do ângulo de atrito e coesão do solo argiloso e de cada mistura solo-eps. Material/Mistura Coesão (kpa) Ângulo de atrito ( ) S ,1 S99,75/EPS0, ,5 S99,50/EPS0, ,0 S99,25/EPS0, ,6 Figura 8: Curvas da tensão desviadora versus deformação axial das amostras S100 e S99,25/EPS0,75 em ensaios triaxiais. Figura 9: Curvas da tensão desviadora versus deformação axial das amostras S100 e S99/EPS1 em ensaios triaxiais. Na Figura 10 estão ilustradas as envoltórias de resistência ao cisalhamento do solo argiloso e das misturas S99,75/EPS0,25, S99,50/EPS0,50, S99,25/EPS0,75 e S99/EPS1. As envoltórias estão plotadas no espaço p :q. Figura 10: Envoltória e parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo puro e mistura. A Tabela 3 apresenta os parâmetros de resistência do solo argiloso e de cada mistura solo-eps no ponto correspondente a deformação axial de 18%. S99/EPS ,9 A partir dos resultados obtidos, observa-se que a inserção das pérolas de EPS ao solo argiloso gera um aumento na coesão até uma porcentagem de 0,50% de EPS enquanto que o valor do ângulo de atrito diminui até essa porcentagem. Em teores maiores de pérolas de EPS, como nas misturas com 0,75% e 1%, nota-se que o valor da coesão decresce, uma vez que o valor do ângulo de atrito aumenta. Assim, pode-se concluir a partir da tabela 3 que a adição das pérolas de EPS ao solo argiloso acarretou em melhora no comportamento do solo nas 4 misturas realizadas, uma vez que um dos parâmetros de resistência sempre aumenta com a adição do EPS 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS A adição de pérolas de EPS ao solo argiloarenoso, mostrou que o resíduo inserido ao solo influência nos parâmetros de resistência do solo. Assim, o desenvolvimento de um novo material geotécnico com a utilização deste resíduo tem seu início nesta pesquisa, já que foi observada uma melhoria das propriedades mecânicas deste novo material. A seguir estão apresentadas as principais conclusões relacionadas à adição de EPS ao solo utilizado neste trabalho: Os parâmetros de compactação das misturas solo argiloso-eps são influenciados pelo teor de pérola de EPS. O peso específico seco e a umidade ótima decrescem para maiores teores de EPS;

6 O comportamento mecânico dos compósitos depende do teor de pérolas de EPS inserido no solo. Ao adicionar pérolas de EPS ao solo, existe uma tendência de sempre aumentar um dos parâmetros de resistência, enquanto o outro diminui. Assim, pode-se concluir que quando a coesão aumenta, o ângulo de atrito diminui, e vice-versa; O teor de pérolas de EPS e a tensão de confinamento influenciam o comportamento mecânico dos compósitos, sendo que não se tem uma tendência de comportamento bem definida ao analisar cada fator independentemente; Para os compósitos de solo argiloso, a inserção de pérolas de EPS é mais efetiva para tensões de confinamento baixa, de aproximadamente 50 kpa. Isso indica que a mistura solo argiloso- EPS pode ser usada em obras superficiais com baixas tensões, fundações superficiais, aterros sobre solos moles e camadas superiores de taludes. Para altas tensões de confinamento, apesar do resultado para o solo puro ter sido melhor, existe um certo paralelismo nas curvas com EPS, que não apresentam pico, e sim um aumento progressivo de resistência. Assim, como o equipamento triaxial atingiu somente 17% de deformação, não ficou evidente o comportamento da mistura solo-eps para grandes deformações, então há possibilidade da resistência da mistura ultrapassar a do solo puro; Nesse trabalho, foi possível concluir que os compósitos possuem características de resistência que poderiam cumprir as exigências de determinadas obras geotécnicas. O fato de materiais de aterramento convencionais estarem se tornando mais escassos e caros, uma solução viável é o uso de pérolas de EPS adicionada ao solo. REFERÊNCIAS ABNT NBR (1984). Solo - Análise granulométrica. Associação Brasileira de Normas Técnicas, Rio de Janeiro/RJ. Ramirez, G. G. D. (2012). Estudo Experimental de Solos Reforçados com Borracha Moída de Pneus Inservíveis. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil/Geotecnia), Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro PUC-Rio, Rio de Janeiro/RJ.