Figura 1 reciclagem de PET no Brasil

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

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

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 30.000 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.

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:

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.

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.

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.

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) :

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.

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%

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.

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.

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