Figura 1 reciclagem de PET no Brasil

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1 Aplicabilidade de Novos Materiais Geotécnicos Visando o Reforço de Solos Estudo experimental de bentonita reforçada com resíduo de PET triturado Aluna: Yasmine Ghazi Orientadora: Michéle Dal Toé Casagrande Co-orientadora: Nathalia dos Santos Lopes Louzada Introdução O consumo de garrafas PET na sociedade atual é algo extremo. A destinação final das mesmas vem se tornando um problema difícil a ser solucionado, uma vez que ocupam um espaço muito grande de armazenamento e levam em torno de 500 anos para se decomporem. Pelo fato das garrafas recicladas não poderem ser reutilizadas em contato com bebidas, alimento, remédios, brinquedos e materiais hospitalares, seu reuso fica ainda mais restrito, aumentando o descarte final do produto. Sendo assim, uma alternativa para utilização desse resíduo é um benefício a toda sociedade. Na figura 1 abaixo podemos ver um gráfico da reciclagem da PET no Brasil. A preocupação com as questões ambientais, mais precisamente com a destinação final dos resíduos sólidos urbanos, vem impondo às autoridades e empresas maneiras de se reduzir esse impacto. Tais medidas se retratam em leis, políticas públicas e desenvolvimento de novas tecnologias que solucionem a questão. Nesse sentido que temos a inserção dos resíduos, como material alternativo, nos trabalhos geotécnicos, contribuindo para redução do consumo de recursos naturais, queda dos custos e investimentos em pesquisa e infraestrutura. Para garantir uma nova possibilidade de destino a PET, faz-se necessário que o comportamento mecânico da mistura, assim como suas características físicas, químicas e ambientais sejam estudadas. Dentro desse contexto, o presente trabalho procurou verificar a viabilidade dos resíduos de PET como material de reforço de solos para aplicação em obras geotécnicas, como em estabilização de encostas, taludes e aterros sobre solos moles. Figura 1 reciclagem de PET no Brasil

2 Objetivo O objetivo principal desta pesquisa consiste em avaliar a influência da inserção dos resíduos de PET como reforço de solo (Bentonita). Para isso, foi feito caracterização física e química do solo e das misturas, através de ensaios de laboratório padronizados, além de análises dos seus respectivos comportamentos mecânicos. Este se resumiu em ensaios de cisalhamento direto da bentonita pura e das misturas com diferentes proporções de PET triturado. Através da análise desses resultados se pretende obter os melhores parâmetros para se conseguir o reforço do solo e ainda, propor novas pesquisas na área para aumentar o conhecimento do uso da PET para melhoria do comportamento dos solos. Programa Experimental Foram utilizados dois tipos de materiais distintos, sendo estes: Bentonita (Figura 2) e PET triturado (Figura 3). A bentonita sódica usada nesse estudo pode ser classificada como argila, foi comprada no Rio de Janeiro. O PET triturado é resultado do processo de moagem realizado no laboratório de estruturas e materiais da PUC-Rio. Seu processo de moagem pode ser dividido em 4 etapas: 1- As garrafas PET foram higienizadas e cortaram-se as partes superior e inferior da garrafa, sobrando apenas a casca lateral. As garrafas foram introduzidas na maquina de moagem ate se atingir o tamanho adequado. 2- O material foi novamente moído ate um tamanho inferior a 10mm de diâmetro. 3- Agora a moagem exigia um diâmetro máximo de 2mm. 4- Chegando no tamanho final de 1mm de diâmetro. Em cada etapa as moagens foram repetidas a fim de conferir homogeneidade ao material Figura 2- bentonita Figura 3 PET triturado

3 Trabalhou-se com o solo puro e com misturas destes nas seguintes proporções: 3 e 5% de PET triturado. As porcentagens são em relação ao peso do solo seco. O principal propósito desse programa experimental era obter as caracterizações física, química e mecânica do solo usado para saber seus parâmetros e analisar a influência da PET para melhoria do mesmo. Os ensaios de caracterização física foram feitos no laboratório de geotecnia e meio ambiente da PUC-Rio, seguindo as normas da ABNT. Para a bentonita os ensaios seguiram as seguintes normas: NBR 6457/1986, NBR 7181/1984, NBR 6508/1984, NBR 6459/1984, NBR 7180/1984. Para o PET triturado não houve ensaio, pois este foi considerado um material inerte. O ensaio de caracterização mecânica citado acima foi o de cisalhamento direto. Tanto para a bentonita pura quanto para a mistura bentonita-pet, a compactação foi feita manualmente dentro da caixa de cisalhamento. As amostras de bentonita foram feitas com 170% de umidade, correspondente a um volume de vazios de 4,93. Para manter a proporções corretas, se calculou a quantidade de material seco que seria colocada na caixa de cisalhamento. Em seguida realizando-se com a mistura, com as quantidades de água e PET adequadas. O equipamento utilizado para o ensaio de cisalhamento direto segue mostrado na figura 4 abaixo. A resistência do solo é medida através dos parâmetros: coesão (c) e ângulo de atrito (ᶲ). Os testes seguiram os métodos descritos pelo padrão ASTM D 3080/2004. O solo puro e as misturas foram testadas sob dois valores de tensão normal: 50MPa e 100MPa. Figura 4 teste de cisalhamento direto Para avaliar a interação das partículas foi realizado um teste com um microscópio eletrônico de varredura, de magnitude de vezes modelo TM-3000 from Hitachi, no departamento de engenharia de materiais da PUC-RIO. Esse teste produz imagens de amostras através do feixe de elétrons. Os elétrons interagem com os átomos na amostra, produzindo sinais que podem ser detectados e que contem informações sobre as superfícies topográfica e composição da amostra.

4 Testes de caracterização fisica a) Para bentonita : NBR 6457/1986 preparação para ensaio de compactação e caracterização do solo. NBR 7181/1986 analise do tamanho de grão NBR 6508/1986 determinação da massa especifica do solo. NBR 6459/1986 limite de liquidez NBR 7180/1986 limite de plasticidade - Limites de Atterberg Os ensaios de limites de liquidez (LL) e de plasticidade (LP), que nos permite caracterizar a interação solo-água, foram realizados segundo os procedimentos descritos pelas normas brasileiras NBR 6459 e NBR 7180 (ABNT, 1984), respectivamente. Através dos dados obtidos por meio destes ensaios, pode-se determinar o Índice de Plasticidade (IP) dos materiais segundo a equação a seguir: IP(%) = LL(%) LP(%) O Limite de Liquidez é obtido através do fechamento de uma ranhura padrão feita em uma massa deste, colocada na concha de um aparelho normalizado (aparelho de Casagrande - Figura 5), sob a ação de 25 golps.o Limite de Liquidez (LL) marca a transição do estado plástico. O Limite de Plasticidade (LP) é definido como o teor de umidade em que o solo se rompe quando moldado na forma de um cilindro ao atingir 3 mm de diâmetro (Figura 5). O ensaio é realizado manualmente por rolamentos repetidos da massa de solo sobre uma placa de vidro despolida. O Limite de Plasticidade marca a transição do estado plástico para o estado semi-sólido do solo. Figura 5 - Aparelho Casagrande - Massa Específica Real dos Grãos Para determinação da massa específica dos grãos, seriam adotados os procedimentos descritos segundo a NBR 6508 (ABNT, 1984), porem como a bentonita apresenta um tamanho de grão muito fino, a água adicionada ao picnometro não conseguiu penetrar e umedecer os 25g de solo, alem do fato de ser um solo expansivo que ficou preso na parede do picnometro formando caroços. Por tanto usou-se um método alternativo desenvolvido por Calheiros -2013, descrito abaixo:

5 1) Usar massa de 10g de solo. 2) Para evitar os problemas listados acima, colocar o solo no picnometro já com água incorporada. 3) Misturar por 30 minutos com auxilio de aparelho de ultrassom. 4) Remover ar aplicando vácuo. - Análise Granulométrica Os ensaios de análise granulométrica, para todos os materiais envolvidos (bentonita e bentonita com PET triturada ), foram realizados segundo procedimentos da norma brasileira NBR 7181 (ABNT, 1984). Podemos ver na figura 6 abaixo uma imagem ilustrativa do conjunto de peneiras utilizado nesse ensaio. Houve problemas pois muito material ficou retido na parede, causando perda de material. Na etapa de sedimentação, o hexametafosfato de sódio que deveria agir como defloculante, não agiu, gerando mais um problema. Para solução 125 ml de hexametafosfato de sódio foram misturados a 200 ml de água e 50 g de bentonita. A mistura descansou por 24h e o teste foi realizado. Todo o material passou da peneira #200. Figura 6 conjunto de peneiras Resultados e Discussões Neste capítulo serão apresentados os resultados e análises dos ensaios descritos anteriormente, para as amostras de bentonita pura e mistura da mesma com 3 e 5% de PET triturado. a) Bentonita -massa especifica: o valor da massa especifica da bentonita foi obtido através de media aritmética das determinações, a variação máxima foi de 1,1%. Seu valor encontrado foi de 2,90. - curva granulométrica: A curva granulométrica da bentonita foi feita através do teste de sedimentação e se apresenta na figura 7 a seguir.

6 Figura 7 distribuição granulométrica da bentonita -limite de atterberg Para a bentonita, os resultados de laboratório indicaram um limite de liquidez de 368,4% e limite de plasticidade de 53,7%. O que resulta em um índice de plasticidade IP=LL-PL igual a 314,7% b) Bentonita e PET triturado Tensão de cisalhamento e deslocamento vertical x deslocamento axial Para mistura com 3% de PET triturado: Na figura 8 as curvas de tensão de cisalhamento e deslocamento vertical versus deslocamento axial são apresentadas, o que corresponde ao ensaio de cisalhamento direto com a mistura de bentonita e 3% de PET triturado, sob tensão de 50 e 100kPa.

7 Figura 8- ensaio de cisalhamento direto: bentonita e mistura a 3% Para a mistura a 5% de PET triturado: Na figura 9 as curvas de tensão de cisalhamento e deslocamento vertical versus deslocamento axial são apresentadas, o que corresponde ao ensaio de cisalhamento direto com a mistura de bentonita e 5% de PET triturado, sob tensão de 50 e 100KPa.

8 Figura 9 ensaio de cisalhamento direto : bentonita e mistura a5% Influencia da quantidade de PET triturado na bentonita: O comportamento da tensão desviadora e deslocamento vertical versus deslocamento axial, que corresponde ao ensaio de cisalhamento direto realizado com a bentonita e as misturas esta apresentado da imagem a seguir(figura 10) :

9 Figura 10 ensaio de cisalhamento direto :bentonita, 3%, 5% Observa-se que na tensão vertical de 50 kpa, o solo puro apresenta menores picos de forca do que as misturas, e o pico ocorre um pouco antes. A mistura a 5% apresenta para ambos as tensões verticais uma maior melhora da capacidade do solo, atingindo valores de tensão de cisalhamento maiores do que a bentonita pura e a mistura a 3%. Após o pico, a mistura a 3% atingiu o mesmo valor que a bentonita pura para tensão residual em aproximadamente 4 mm de deslocamento, e a tensão residual de mistura a 3% começou a ficar menor do que do solo puro. A mistura a 5% atingiu valores maiores que o solo puro para tensão máxima e tensão residual durante todo o ensaio, destacando a melhora dos parâmetros do solo para essa composição. Para a tensão de 100 kpa, a tensão máxima para a mistura de 3% foi maior do que para o solo puro, e para a mistura de 5% a tensão foi significativa mais alta. A tensão residual de ambas as misturas se manteve alta durante todo o teste.

10 O gráfico de deslocamento vertical versus deslocamento horizontal para a mistura a 3%, para 50 e 100 kpa de tensão vertical, foram superiores aos valores da bentonita pura. Para a mistura a 5%, houve um inchaço no espécime para a tensão de 100 kpa. Envoltórias e Parâmetros de Resistência As Figuras 11, 12 e 13 abaixo mostram os parâmetros de resistência ao cisalhamento de a força máxima e residual e também as envoltorias de resistência, da bentonite e as misturas com flocos de PET. Figura 11- parâmetro de resistência ao corte e força envoltoria da bentonite Figura 12-O parâmetro de resistência ao corte e força envoltoria da mistura a 3%

11 Figura 13 - O parâmetro de resistência ao corte e força envoltoria da mistura a 5% A tabela 1 a seguir, resume os valores de coesão e de ângulo de atrito do solo puro e das misturas para tensao maxima e tensao residual. Material/mistura Tensão máxima Tensão residual Coesão (kpa) Ângulo de fricção (º) Coesão (kpa) Bentonita 2,5 4,0 4,4 0,7 Mistura a 3% 5,0 2,5 3,8 1,0 Mistura a 5% 12,7 0,5 7,9 1,3 Tabela 1 relação Ângulo de fricção (º) Pode ser inferida a partir da analise dos graficos e tabela acima que, conforme a quantidade de PET e adicionada, o mesmo comportamento que ocorreu com a mistura a 3% se repete. uma melhoria da coesão relacionado com a força de pico é observada em ambas as misturas, porem, os ângulos de atrito se reduzem. Este fenômeno pode ser explicado como referido anteriormente: a interacção entre as partículas de bentonita e flocos de PET são mais elevados do que a interacção das partículas da bentonita pura, assim a coesão aumenta. Em contraste, o ângulo de atrito diminui porque o diferença entre a tensao maxima de 50 e 100 kpa permanece menor que o diferença verificada entre a bentonita pura. No caso de a força residual para a mistura a 3%, a coesão diminui, enquanto que com a mistura a 5% tem uma melhora. Para ambas as misturas, aumenta-se o ângulo de atrito com a adição do PET.Este fenômeno também destaca que a insercao do PET muda o comportamento mecânico do material em relação a tensao de pico e resistencia final.

12 A mistura a 5% de PET causou uma grande melhora no parâmetro de resistência, onde, para a força de pico a coesão tornou-se cinco vezes mais elevadas do que o solo puro e para a resistência residual do ângulo de atrito cresceu 70 % e a coesão cresceu 79%, em comparação com a bentonita pura. Os flocos de PET funcionaram como tamanho de partícula para melhoria do comportamento do solo. o aumento de partículas maiores entre a bentonite causou a melhoria dos parâmetros de resistência. Conclusões As principais conclusões em relação à adição do resíduo PET no solo estudado nesta pesquisa estao especificadas abaixo. O peso específico da bentonita foi obtido através da media aritmética igual a 2.9, com variação máxima de 1.1%. Obteve-se um limite de liquidez de 368,4% e limite de plasticidade de 53,7%, resultando em um índice de plasticidade de 314,7%. Com base nos gráficos de tensão de cisalhamento e deslocamento vertical x deslocamento axial, pode-se concluir que ambas as misturas de bentonita com PET triturado apresentaram valores mais altos do que o solo puro para 50MPa e 100MPa. Porém, na segunda mistura, com inserção de 5% de PET triturado, quando submetida a 100MPa, podese notar uma significativa na resistência do solo. Com relação a resistência residual tem-se que para a mistura de 3% a coesão diminui e para 5% há uma melhoria. Em ambas as misturas o ângulo de atrito aumenta com a adição de PET triturado. Esse fenômeno evidencia que o PET triturado provoca mudanças no comportamento mecânico do solo em relação à resistência de pico e à resistência residual. A mistura com 5% é, por tanto, a mais eficiente, aumentando a capacidade de carga do solo e os parâmetros de resistência. Ou seja, Com base na intensidade maxima para os ensaios de corte direto, a adição de PET levantou os valores de coesão para todas as misturas e uma diminuição no ângulo de atrito ; Pela força residual, percebe-se que, como o teor de PET aumenta o valor da diminuição da coesão e do ângulo de atrito aumenta, enfatizando que o PET altera o comportamento mecânico do bentonita em termos de pico e pós- pico de força. A única exceção é a mistura a 5% de PET, a quantidade de flocos de PET atingiu um teor de onde a interacção entre as partículas de bentonita e flocos de PET eram maior do que a interacção das partículas da bentonita pura, levantando os valores dos parâmetros de resistência relacionados com forca maxima e tensao residual. Conclusão geral O descarte adequado de resíduos urbanos, incluindo PET, é um dos maiores problemas da sociedade moderna, uma vez que a composição do presente resíduo mudou muito ao longo dos últimos anos e a geração de resíduo tem crescido consideravelmente. A fim de dar um destino final a um resíduo que leva mais de 400 anos para degradam, este estudo avaliou a utilização deste material como um melhoramento do solo e concluiu que, estes compósitos podem ter características que poderiam cumprir os requisitos de um determinado uso geotécnico como, por exemplo, camadas de aterros sobre solos moles e aterros temporários. Assim, permitindo um menor consumo de materiais naturais e reduzindo assim os custos de transporte e volume de material mobilizado. A utilização deste material em obras geotécnica para reforço de solos pode reduzir a disposição do resíduo na natureza, sendo de baixo custo e opção ambientalmente sustentável.

13 Referências ABIPET. Indústria do PET no Brasil. Associação Brasileira da Indústria do PET, São Paulo, ABIPET. Nono Censo da Reciclagem do PET no Brasil. Associação Brasileira da Indústria do PET, São Paulo, BENEVELI, R. M. Estudo dos efeitos de umedecimento e secagem na resistência ao cisalhamento de um solo compactado em laboratório. Master Dissertation, DEC, PUC-Rio, Rio de Janeiro, 2002 CASAGRANDE, M. D. T.; COOP, M. R. CONSOLI, N. C. Behavior of a FiberReinforced Bentonite at Large Shear Displacements. Journal of Geotechnical and Environmental Engineering, v.132, p , 2006 SPINACÉ, M. A. S.; DE PAOLI, M. A. A tecnologia de reciclagem de polímeros. Revista Quim. Nova, v.28, n.1, p.65-72, SZELIGA, L. Avaliação do comportamento de solos reforçados com borracha moída de pneus inservíveis para aplicação em obras, Final Project for the Environmental Engineering title, DCE, PUC-Rio, Rio de Janerio, SONCIM, S.P.; JUNIOR, G. B.A. ; ALMEIDA M.O.; JUNIOR, M.J.F.; ALMEIDA, S.G.; VIDAL, F. X. R. Resíduo da reciclagem de PET (Polietileno Tereftalato) como material alternativo na construção de reforço de subleitos de rodovias. Congresso Brasileiro de Ciência e Tecnologia e Resíduos e Desenvolvimento Sustentável 2004, Florianópolis, Book of Abstract, São Paulo. ROMÃO, W.; SPINACÉ, M. A. S.; DE PAOLI, M. A. Poli(Tereftalato de Etileno), PET: Uma revisão sobre os processos de síntese, mecanismo de degradação e sua reciclagem. Polímeros: Ciência e Tecnologia, v.19, n.2, p , CALHEIROS, A. V. Análise o comportamento de solos reforçados com poliestireno expandido. Master Dissertation, DEC, PUC Rio, Rio de Janeiro, CASAGRANDE, M. D. T. Comportamento de solos reforçados com fibras submetidos a grandes deformações. PhD Thesis. Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Porto Alegre, 2005.