Análise laboratorial da interação entre solo-pneu utilizada em estruturas de contenção de encostas

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1 Análise laboratorial da interação entre solo-pneu utilizada em estruturas de contenção de encostas Sidney Fernandes de Andrade Moura Escola Politécnica de Pernambuco, Recife, Brasil, Jonas da Silva Bezerra Escola Politécnica de Pernambuco, Recife, Brasil, Stela Paulino Fucale Escola Politécnica de Pernambuco, Recife, Brasil, Silvio Romero de Melo Ferreira UFPE, UPE/POLI e UNICAP, Recife, Brasil, sr.mf@hotmail.com RESUMO: O pneu é o componente de um carro que evoluiu mais rapidamente. Isso se deve principalmente ao advento dos veículos automotores. No início, os automóveis primitivos usavam aros de ferro ou madeira até que, após a descoberta do processo de vulcanização, em 1843, começaram a ganhar aros revestidos de borracha. Segundo a Agencia Nacional da Indústria do Petróleo (ANIP), no ano de 2009, o volume de vendas de pneus (produção + importação) no Brasil totalizou 58,5 milhões de unidades. Em alguns anos, eles serão descartados e se juntarão aos cerca de 100 milhões de pneus inservíveis, jogados em aterros, terrenos, rios e lagos. Logo, a busca por novas formas de reaproveitamento desse resíduo torna-se essencial para mitigar os impactos gerados. Uma das soluções possíveis, que apresenta um baixo custo e fácil elaboração, é a estrutura de contenção de encostas em solo-pneu, que tem tanto o potencial de reutilizar os pneus inservíveis como solucionar o problema de instabilidade em encostas. O objetivo deste trabalho é analisar em laboratório a interação solo-pneu para fins de utilização em estrutura de contenção de encosta como material de contenção e como camada impermeabilizante. As amostras do solo investigado foram coletadas em Nova Descoberta, Recife, Pernambuco e as amostras de pneus foram obtidas a partir de doação de algumas borracharias da região. A investigação de laboratório consta de ensaios de caracterização física do solo, análise da rugosidade dos pneus em diferentes estágios de utilização, resistência ao cisalhamento do solo natural, do solo-pneu e da mistura com solo e pneu triturado. Com esses ensaios, é possível analisar a interação entre solo e pneu em algumas situações. Usando amostras de pneu em diferentes estágios de utilização e também misturas de solo e pneu em três concentrações de pneu na mistura. Através dos ensaios verifica-se que o ângulo de atrito entre o solo-pneu de acordo com a superfície de contato varia de 93% (Amostra usado ) a 110% (Amostra seminovo ) em relação ao ângulo de atrito do solo. Os resultados encontrados com essa análise são compatíveis com o que mostra a literatura, apresentando-se na faixa de valores usuais utilizados no dimensionamento de estruturas de contenção. PALAVRAS-CHAVE: Estrutura de Contenção, Pneu, Reaproveitamento 1 INTRODUÇÃO Com a descoberta do processo de vulcanização da borracha, os carros passaram a ter rodas revestidas de uma capa de borracha, o pneu. Esse avanço trouxe maior conforto, mas também consigo criou um problema: um material resistente à degradação natural que produzido em grande quantidade acabou por gerar um passivo ambiental que tanto permanece muito tempo para se degradar, como não para de aumentar sua quantidade. No Brasil, é crescente o número de pneus lançados em terrenos, aterros e corpos d água,

2 gerando inúmeros problemas, como o assoreamento dos corpos d água, risco de incendiarem e lançar gases nocivos na atmosfera, ou mesmo podem se tornar um ambiente de proliferação de mosquitos vetores, criando assim um problema de saúde pública. Para mitigar esses problemas, algumas alternativas como reduzir a geração desse resíduo ou mesmo a sua reutilização devem ser investigadas. Dentre essas alternativas, pode-se citar o uso dos pneus em obras de engenharia civil, como estruturas de contenção de encostas. Desse modo, o problema da disposição final dos pneus é amenizado e, além disso, torna-se uma solução viável para o problema de deslizamento de encostas, por ser uma técnica de fácil execução e baixo custo. 2 MÉTODOS 2.1 Coleta das Amostras A amostra amolgada de solo foi obtida na encosta do Alto do Reservatório em Nova Descoberta, Recife PE, zona norte da cidade. O solo foi coletado próximo da superfície do terreno com o auxílio de enxada e pá. Durante a coleta, numa análise táctil visual, percebeu-se que o solo se apresentava bastante arenoso. Foram coletados aproximadamente 210 kg de solo, acondicionados em sacos plásticos para preservar o material mais fino e, posteriormente, foram colocados em sacos de ráfia para o transporte. As amostras de pneus inservíveis foram obtidas em borracharias. Como não era conhecido o tempo de utilização dos mesmos, foi feita uma análise visual para a escolha de três tipos, sendo em estágios diferentes de utilização: seminovo, mediano e usado. No momento da coleta dos pneus foram anotadas as referências quanto ao tamanho e fabricante, para futuras análises. 2.2 Preparação das Amostras A preparação da amostra de solo foi executada segundo a norma de solos, ABNT NBR 6457 (1986a) e, posteriormente, o material foi novamente acondicionado nos sacos plásticos e de ráfia para evitar perda de material e umidade. No que se refere à preparação dos pneus, os mesmos inicialmente foram limpos com uma escova de cerdas de Nylon e água. Depois de limpos, eles foram cortados manualmente com uma serra de arco, própria para metal, devido à malha de aço presente no interior dos pneumáticos. Os corpos de prova foram cortados da banda de rodagem em testemunhos de 50 mm x 50 mm e 100 mm x 100 mm. Quanto à amostra de pneu triturado, elas foram tiradas do talão, parte lateral que não possui aço em seu interior, já que o corte foi feito manualmente com o auxílio de tesouras. Primeiramente o talão foi separado do pneu e cortado em tiras pequenas. Por sua vez, essas tiras foram cortadas em pedaços (cubos) menores. Depois da trituração da amostra, com o intuito tanto de padronizar a dimensão do pneu triturado quanto obedecer a uma limitação do tamanho de agregado utilizado na prensa de cisalhamento (10% da dimensão da amostra), foi utilizado no ensaio o material passante na peneira de 4,8 mm e retido na peneira 2,0 mm. 2.3 Caracterização dos Materiais Solo Na amostra de solo coletada, foram realizados os seguintes ensaios de caracterização: Análise granulométrica, ABNT NBR 7181 (1984d); Massa Específica dos Grãos do Solo, ABNT NBR 6508 (1984b); Limite de Liquidez, ABNT NBR 6459 (1984a); Limite de Plasticidade, ABNT NBR 7180 (1984c); Compactação, ABNT NBR 7182 (1986b). Para o ensaio de cisalhamento direto foi utilizado um corpo de prova de solo com 50,8 mm de lado e 20 mm de altura, compactado com energia Proctor Normal na umidade ótima. Foram adotadas quatro tensões normais 50, 100, 150 e 200 kpa, um tempo de adensamento de 30 minutos, uma velocidade de 0,00167 mm/s e deslocamento de 10 mm.

3 Os procedimentos para o adensamento e cisalhamento foram baseados nas normas ABNT NBR (1990) e ASTM D-3080 (1998), respectivamente. Na preparação dos corpos de prova, durante a compactação, foi determinada a umidade do material, a fim de se ter um valor mais preciso da real umidade das amostras no inicio do cisalhamento. Ao fim do ensaio, a amostra foi colocada na estufa para o cálculo da umidade pós-ensaio Pneu Para a caracterização dos pneus foi feita uma análise da rugosidade superficial. Antes da medição, foram traçadas linhas com 10 mm de espaçamento de modo a formar uma malha quadriculada sobre a superfície dos pedaços, a fim de que as medições fossem feitas na interseção de cada linha, e os pontos identificados segundo um plano cartesiano. Nos pedaços de 50 mm de lado, foram medidos 36 pontos e para 100 mm de lado foram medidos 121. Para a medição, foram identificadas duas possíveis fontes de erro, a diferença de espessura dos pedaços de pneu e a curvatura da superfície. A variação de espessura e curvatura do pneu impossibilitava que a linha de referência para as medições fosse fixada na base do pedaço a ser analisado, pois essas variações se refletiriam nas medidas. Sendo assim, a medição foi executada com um relógio comparador, com precisão de 0,01 mm, dotado deum pequeno tubo plástico, acoplado envolta de sua haste de medição. A borda do tubo plástico tornava-se o plano de referência para as medições. Para a medição de cada ponto bastava encostar a extremidade do tubo plástico na superfície do pneu e fazer a leitura. Devido ao diâmetro do tubo, nem tão pequeno (para ser influenciado pela rugosidade), nem tão grande (para ser influenciado pela curvatura do corpo de prova), foram minimizados os erros nas medições. As medições foram feitas por linhas, e ao final de uma linha recomeçava do inicio da próxima. Os dados foram organizados numa planilha identificando cada ponto com suas coordenadas no plano e depois foram lançados no software MS EXCEL, para a análise dos índices Ra (desvio médio dos valores) e Ry (diferença entre o maior e o menor valor) Solo-Pneu Para a avaliação do ângulo de atrito solopneu, foi utilizado o ensaio de cisalhamento direto num corpo de prova composto de uma amostra de pneu e uma camada de solo. Foram tomados seis pedaços de pneu, dois para cada nível de utilização do pneumático, sendo um com dimensões de 50 mm x 50 mm e o outro com 100 mm x 100 mm. A velocidade do ensaio foi de 0,00167mm/s e as tensões verticais de 50, 100, 150 e 200 kpa. Para garantir que a interface entre solo e pneu fosse posicionada exatamente no plano de cisalhamento imposto pelo ensaio, foram utilizados pedaços de madeira embaixo da amostra de pneu. E para reduzir ao máximo o deslocamento vertical devido à curvatura da superfície do pneu, o conjunto caixa-pneu recebeu um acréscimo de carga na prensa de compactação estática antes de ser posicionada a amostra de solo sobre o conjunto Mistura Solo e Pneu Foram moldados corpos de prova na energia Proctor Normal na umidade ótima do solo com as proporções de 5, 10 e 15% em peso de pneu na mistura. Foi tentada uma mistura com 20% de pneu, mas ela apresentou problemas durante a cravação, tanto pelo fato do corpo de prova se fragmentar facilmente pela perda de coesão como a grande quantidade de pneus interferir na moldagem. Os ensaios foram realizados em prensa de cisalhamento direto, utilizando corpos de prova com mistura de solo e pneu, compactados com energia dos Proctor Normal, e moldados com dimensões: 50 mm x 50 mm e altura de 20 mm. A velocidade do ensaio foi de 0,00167mm/s e as tensões verticais de 50, 100, 150 e 200 kpa. 3 RESULTADOS 3.1 Caracterização Física dos Materiais

4 3.1.1 Solo A caracterização física do solo iniciou com o ensaio de granulometria, e como resultado desse ensaio foi traçada a distribuição granulométrica, e com isso, puderam ser calculados os parâmetros, diâmetro efetivo (D10), os parâmetros D30 e D60, necessários para o cálculo dos coeficientes de uniformidade (Cu), e de curvatura (Cc). A distribuição granulométrica do solo estudado é composta de 4% de pedregulho, 71% de areia, 6% de silte e 19% de argila e os valores encontrados para os diâmetros característicos e parâmetros da curva foram, D 10 = 0,0013 mm, D 30 = 0,055 mm, D 60 = 0,304 mm, Cu = 5,52 e Cc = 7,8. A distribuição granulométrica é apresentada na Figura 1. Porcentagem passante Arg. Silte Areia Fina Média Grossa Pedregulho ,001 0,01 0, Diâmetro dos grãos (mm) Figura 1: Curva Granulométrica De posse da granulometria, foi feito o ensaio de compactação do solo, obtendo como valores para a umidade ótima (W ótima ) 17,23% e para o peso específico aparente seco máximo (ρ dmáx ) 17,83 KN/m³. A curva de compactação do solo é apresentada na Figura 2. Figura 2: Curva de Compactação Os ensaios de limites de consistência feitos foram o de Liquidez e o de Plasticidade, sendo seus resultados, W L = 28,77%, W P = 20,39%, obtendo com isso um IP igual a 8,38%, sendo classificado como um solo medianamente plástico. Com a distribuição granulométrica e os limites de Atterberg verifica-se que o solo analisado trata-se de uma Areia argilosa (SC) segundo a Classificação Unificada dos Solos (SUCS) e na classificação da Transportation Reseach Board (TRB), é um solo do tipo A-2-4. O índice de atividade do solo (IA) é 0,45, sendo assim considerado um solo inativo Pneu Os índices de Rugosidade Média (Ra), Rugosidade Máxima (Rmáx) e Desvio Médio Quadrático (Rq), são mostrados na Tabela 1 e classificados nas seguintes faixas de valores, baseados nos limites utilizados por SÁ (2006): Lisa 0,1 mm < R 0,5 mm Rugosa 0,5 mm < R 2 mm Muito Rugosa R > 2,0 mm Dimensões dos corpos de prova 50 mm x 50 mm 100 mm x 100 mm Tabela 1: Índices de Rugosidade Medidos Rugosidade Classificação Estado de (mm) utilização Ra Ry Ra Ry 0,45 2,7 L MR Usado 0,16 0,91 L R Usado 1,43 6,2 R R Mediano 1,51 9,02 R R Mediano 2,27 8,8 MR MR Seminovo 2,62 12,38 MR MR Seminovo 0,17 1,77 L R Usado 1,28 10,41 R MR Mediano 2,45 14,28 MR MR Seminovo Comparando com os valores dos índices de rugosidade encontrados na pesquisa de Sá (2006), tem-se que as amostras Usado apresentam uma rugosidade média semelhante à do concreto, que varia entre 0,134 e 0,439 mm, enquanto as demais amostras tem uma rugosidade muito superior, chegando a 265% de variação entre os maiores valores encontrados. Essa variação se deve às ranhuras e imperfeições da superfície do pneu, principalmente quando ele apresenta um menor

5 grau de utilização, explicando a menor variação para a amostra Usado. A rugosidade Ry, que apresenta a maior distância pico-vale da superfície, para as amostras Usado, podem ser comparadas aos valores obtidos por Sá (2006) tanto para concreto (0,433 a 2,68 mm), como para rocha (1,083 a 2,336 mm) Mistura de Solo e Pneu Para a amostra de mistura solo e pneu, são apresentados os resultados da densidade das misturas na umidade ótima do solo, bem como a distribuição granulométrica resultante para as diferentes concentrações de pneu, apresentadas nas Figuras de 3 a 5. Porcentagem passante Argila Silte Areia Pedregulho Fina Média Grossa 0 0,001 0,01 0, Diâmetro dos grãos (mm) Figura 3: Distribuição granulométrica para mistura com 5% de pneu Porcentagem passante Argila Silte Areia Pedregulho Fina Média Grossa 0 0,001 0,01 0, Diâmetro dos grãos (mm) Figura 4: Distribuição granulométrica para mistura com 10% de pneu Porcentagem passante Argila Silte Areia Pedregulho Fina Média Grossa 0 0,001 0,01 0, Diâmetro dos grãos (mm) Figura 5: Distribuição granulométrica para mistura com 15% de pneu Os valores do Peso Específico Aparente Seco para as misturas de 5, 10 e 15% de pneu na mistura, são apresentados na Tabela 2. Tabela 2: Valores do peso específico das misturas Amostra Umidade (%) ρdmáx (KN/m³) Mistura 5% 17,17 17,19 Mistura 10% 17,21 16,65 Mistura 15% 17,2 16,16 Como se pode observar, há uma redução no Peso Específico Aparente Seco à medida que se acrescenta mais pneu na mistura, isso se deve tanto à menor densidade do pneu em relação ao solo, como ao fato do pneu apresentar uma baixa compressibilidade, não compactando tão bem como o solo. 3.2 Resistência ao Cisalhamento Solo Resultados dos ensaios de cisalhamento direto realizados para as amostras de 50 mm x 50 mm e 100 mm x 100 mm são apresentados na Tabela 3. Tabela 3: Coesão e Ângulo de Atrito do Solo Dimensão do corpo Ângulo de Coesão (kpa) de prova atrito φ sm ( ) 50 mm x 50 mm mm x 100 mm Como se pode observar nos resultados, há variações dos parâmetros, coesão e ângulo de atrito para diferentes tamanhos de amostras. Para uma amostra maior, tanto a coesão como o

6 ângulo de atrito são incrementados, mas em termos práticos, essa variação não é significativa. x 100 mm Solo-Pneu Os resultados dos ensaios de cisalhamento direto, realizados em corpos de prova compostos de solo e pneu são apresentados da Tabela 4 e nas Figuras de 6 a 9. Foram ensaiadas 6 amostras de pneu, sendo as amostras S1 e S7 na classificação usado, S4 e S8, mediano e S6 e S9, seminovo Tabela 4: Coesão e Ângulo de Atrito Para o Solo-Pneu Amostra Superfície Dimensão Coesão Ângulo de (kpa) atrito φ sm ( ) S1 2" 0 26 S4 2" 0 27 Solo-Pneu S6 2" 0 32 S7 4" 0 26 S8 4" 0 27 S9 4" 0 31 Figura 8: Curva Tensão x Deslocamento para amostra de solo-pneu S1 (50x50mm) Figura 9: Curva Tensão x Deslocamento para amostra de solo-pneu S9 (100x100mm) Figura 6: Envoltória Comparativa Amostras de 50 mm x 50 mm Figura 7: Envoltória Comparativa Amostras de 100 mm Comparando-se os ensaios para as duas dimensões de corpos de prova, observa-se que não há mudanças significativas nos parâmetros coesão e ângulo de atrito. Da mesma forma, o comportamento do solo ao romper apresenta-se semelhante para os dois casos, há um intervalo para mobilização da resistência ao cisalhamento e depois há um patamar com valores praticamente constantes da tensão cisalhante. Comparando ao ensaio com o solo, observamos que há uma redução do ângulo de atrito em 7% para as amostras Usado e de 4% para as amostras Mediano. Já para as amostras Seminovo, houve um incremento de até 10% em relação ao valor obtido para o solo. Apesar desse resultado positivo para a amostra Seminovo, não seria viável numa situação prática, já que não é econômico o uso de pneus em bom estado para uma solução de contenção de encostas.

7 3.2.3 Mistura Solo e Pneu Resultados dos ensaios de cisalhamento direto, realizados em corpos de prova compostos de solo e pneu triturado são apresentados na Tabela 5 e na Figura 10. Tabela 5: Coesão e Ângulo de atrito para mistura Amostra Dimensão Coesão (kpa) Ângulo de atrito φ sm ( ) Mistura 5% 2" 8 30 Mistura 10% 2" Mistura 15% 2" Figura 10: Envoltoria Comparartiva Misturas Percebe-se uma variação nos parâmetros coesão e ângulo de atrito com a variação do percentual de pneu na amostra, havendo um ponto de máximo para a coesão e mínimo para o ângulo de atrito em 10% de concentração. A variação do ângulo de atrito para os diferentes percentuais de pneu na amostra tem como menor valor 26 graus, o mesmo valor encontrado para a amostra de solo-pneu Usado. Para todos os percentuais, as amostras mostraram um comportamento plástico ao romper. Segundo valores de CARVALHO (1991 apud. SÁ, 2006), o ângulo de atrito encontrado para o solo pode ser enquadrado como o de uma areia siltosa e CAPUTO (1997 apud. SÁ, 2006) mostra que o para esse tipo de solo o ângulo entre o muro e a encosta contida deve ser 25 graus, valor esse compatível com os encontrados tanto para os ensaios com solopneu, como para as misturas com o pneu triturado. 4 CONSIDERAÇÕES Na análise física do solo, há variações da coesão e do ângulo de atrito para diferentes tamanhos de amostras ensaiados. Para as amostras de 4 ambos os parâmetros são incrementados em relação aos encontrados nas amostras de 2, mas em termos práticos, essa variação não é significativa. Pode-se observar uma alteração no comportamento do solo ao romper. Na amostra de solo de 2, o material se apresenta mais rígido, rompendo com pouco deslocamento horizontal enquanto a amostra de 4 apresenta um comportamento plástico, rompendo com um maior deslocamento. Os valores obtidos para o índice de rugosidade Ra, assim como os demais índices apresentam um decréscimo de acordo com o aumento do uso do pneu, denotando uma redução no desvio da dimensão das irregularidades da superfície em relação ao valor médio, devido ao desgaste pneumático ao longo de sua vida útil. Esse decréscimo de rugosidade com a utilização reduz o ângulo de atrito entre o solo e a superfície do pneu, diminuindo assim a sua resistência ao cisalhamento. Comparando com os valores dos índices de rugosidade encontrados na pesquisa de Sá (2006), nota-se que o pneu apresenta mais irregularidades na superfície que outros materiais, como o concreto ou a rocha, analisados na sua pesquisa. Isso proporciona ao pneu uma vantagem sobre esses materiais, já que o ângulo de atrito nessa interface aumenta. O ângulo de atrito solo-pneu teve uma redução de 4 a 7% em relação ao ângulo de atrito do solo para as amostras usado e mediano. Para a amostra seminovo, esse ângulo apresentou um valor 10% superior ao do ângulo de atrito do solo. Desse modo observase um incremento do ângulo de atrito entre o solo e pneu com o aumento da rugosidade do pneu, mas na prática esse aumento significaria a utilização de pneus novos em uma estrutura de contenção, algo economicamente inviável. Comparando os resultados da interação do

8 solo-pneu com os materiais estudados por Sá (2006) para um solo de granulometria semelhante, tem-se que o ângulo de atrito para concreto e rocha apresenta alguns valores de mesma ordem, variando em cerca de 4 a 26%, reforçando a vantagem do pneu sobre os demais materiais no tocante ao ganho de resistência ao cisalhamento. Para as amostras de solo e pneu triturado, verifica-se uma variação na coesão e ângulo de atrito com a alteração do percentual de pneu na amostra, havendo um ponto de máximo para a coesão e mínimo para o ângulo de atrito em 10% de concentração de pneu na mistura. Dentre os percentuais ensaiados para a mistura de pneu, o menor valor encontrado para o ângulo de atrito foi 26 graus, valor semelhante foi encontrado para a amostra de solo-pneu Usado e para todos os percentuais, as amostras mostraram um comportamento plástico ao romper. REFERÊNCIAS NBR 12007, Solo - Ensaio de adensamento unidimensional - Método de ensaio. Rio de Janeiro, NBR 6405 Especificação de parâmetro para medida de rugosidade superficial. Rio de Janeiro, ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 6457, Amostras de solo: Preparação para ensaios de compactação e ensaios de caracterização. Rio de Janeiro, 1986a. NBR 6459, Solo Determinação do Limite de Liquidez Procedimento. Rio de Janeiro, 1984a. NBR 6508: Grãos de solo que passam na peneira de 4,8 mm: Determinação da massa especifica. Rio de Janeiro, 1984b. NBR 7180, Solo Determinação do Limite de Plasticidade Procedimento. Rio de Janeiro, 1984c. NBR 7181, Solo Análise Granulométrica Procedimento. Rio de Janeiro, 1984d. NBR 7182, Solo Ensaio de Compactação Procedimento. Rio de Janeiro, 1986b. ANIP. Produção Disponível em < area=32&titulo_pagina=produ%e7%e3o>. Acesso em 19 de março de ASTM AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM D-3080 Standard test method for direct shear test of soils under consolidated drained conditions LAFAYETTE, K. P. V. (2000). Comportamento Geomecânico de Solos de uma Topossequência na Formação Barreiras em uma Encosta na área Urbana do Recife-PE. 122f. Dissertação de Mestrado. UFPE - Universidade Federal de Pernambuco, Recife, LIMA, Analice França. Análise da estabilidade da encosta do Alto do Reservatório: Variação da frente de umedecimento. 204f. Dissertação (Mestrado em ciências em engenharia). UFPE Universidade Federal de Pernambuco. Recife, PALMA, Ernani Sales. Metrologia. 240f. Apostila (Graduação em engenharia mecânica e mecatrônica). PUC Minas Pontifícia Universidade Católica de Minas RODRIGUES, Mara Regina Pagliuso. Caracterização e utilização do resíduo da borracha de pneus inservíveis em compósitos aplicáveis na construção civil. 290f. Tese (Doutorado em Ciências da Engenharia Ambiental). EESC Escola de Engenharia de São Carlos. USP, São Carlos, SÁ, Wallace Borges de. Estudo da interação solo-muro em concreto convencional, com resíduo de construção e demolição (RCD) e alvenaria de pedra. 130f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil). UNICAP Universidade Católica de Pernambuco. Recife, 2006.