i TAYANE WESTERMANN LOPES CASTILHO RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DE SOLOS COM FIBRAS DE POLITEREFTALATO DE ETILENO RECICLADO Bauru 2017 ii TAYANE WESTERMANN LOPES CASTILHO RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DE SOLOS COM FIBRAS DE POLITEREFTALATO DE ETILENO RECICLADO Dissertação apresentada como requisito para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil e Ambiental da Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”, Área de Concentração: Geotecnia. Orientador: Prof. Dr. Roger Augusto Rodrigues Bauru 2017 Castilho, Tayane Westermann Lopes. Resistência ao cisalhamento de solos com fibras de politereftalato de etileno reciclado / Tayane Westermann Lopes Castilho, 2017 100 f. Orientador: Roger Augusto Rodrigues Dissertação (Mestrado)–Universidade Estadual Paulista. Faculdade de Engenharia, Bauru, 2017 1. Solos com fibras. 2. Resistência ao cisalhamento. 3. Politereftalato de etileno. I. Universidade Estadual Paulista. Faculdade de Engenharia. II. Título. DEDICATÓRIA Aos meus pais Elvira e Sérgio Ao meu noivo João Vitor Ao meu irmão Felipe AGRADECIMENTOS Ao Prof. Dr. Roger Augusto Rodrigues pela oportunidade concedida, constante incentivo e dedicação dispensada durante sua orientação. Aos professores da pós-graduação, em especial ao Prof. Dr. Paulo César Lodi e Prof. Dr. Heraldo Luiz Giacheti pelas sugestões feitas no Exame de Qualificação. Ao Prof. Dr. Fernando Henrique Martins Portelinha da Universidade Federal de São Carlos pelas sugestões feitas na Defesa. Ao Prof. Dr. Caio Gorla Nogueira e orientandos Higor Biondo de Assis e Admir José Giacon Junior pela colaboração nos cálculos de estabilidade de talude. As colegas Naiara Pradela, Maitê Rocha e Laís Maciel pelo auxílio na realização dos ensaios de compressão simples. Ao técnico Gustavo Pinheiro, do Laboratório de Mecânica dos Solos da UNESP- Bauru, pelo auxílio na realização de ensaios, coleta de amostras e incentivo às boas práticas na pesquisa. A CAPES, Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior, pela concessão da bolsa de mestrado. E a todos aqueles, que direta ou indiretamente, colaboraram para a concretização deste trabalho, meus sinceros agradecimentos. i RESUMO CASTILHO, T.W.L. (2017) Resistência ao Cisalhamento de Solos com Fibras de Politereftalato de Etileno Reciclado. Bauru, 100 p. Dissertação (Mestrado) - Faculdade de Engenharia de Bauru, Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”. Este trabalho avaliou a influência da inclusão de fibras recicladas extraídas de garrafas constituídas de politereftalato de etileno (PET) na resistência ao cisalhamento de solos arenoso e argiloso. Por meio de ensaios de compressão simples das amostras dos solos e misturas desses com diferentes teores e comprimentos de fibras, obteve-se que a combinação de 1,5% de fibras, em relação à massa de solo seco, com comprimento de 20 mm levou a um aumento de 92,8% na resistência não confinada para a amostra de solo arenoso, e de 10,5% para a de solo argiloso. Ensaios de cisalhamento direto foram realizados com essa dosagem, em duas diferentes condições de compactação, e revelam o ganho de 66,4% no intercepto de coesão para o solo arenoso com grau de compactação de 100%, e de 55,5% com grau de compactação de 95%, em relação ao solo sem fibra. Enquanto os ângulos de atrito interno praticamente não se alteraram. A mesma dosagem para o solo argiloso promoveu reduções de coesão de 7,6% e 5,4%, respectivamente, para os graus de compactação de 100% e de 95% e aumentos relativos de 2,9% e 7,3% no ângulo de atrito interno. Esses resultados aplicados em dois casos hipotéticos, capacidade de carga de fundações em sapatas e estabilidade de taludes de aterros, demonstram o efeito da inclusão de fibras na melhoria da estimativa da capacidade de carga para ambos os solos e o aumento do fator de segurança para o solo arenoso. O trabalho oferece uma alternativa tecnicamente viável para a melhoria dos solos e que prioriza o reuso de garrafas PET, colaborando para preservação ambiental, mas não só, pois a atividade promove ainda benefícios sociais e econômicos. Palavras-chave: Solos com Fibras, Resistência ao Cisalhamento, Politereftalato De Etileno. ii ABSTRACT CASTILHO, T.W.L. (2017) Shear Strength of Soils with Polyethylene Terephthalate Recycled Fibers. Bauru, 100 p. Dissertation (Master Degree) - Faculdade de Engenharia de Bauru, Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”. This study presents an analysis of the influence of the inclusion of polyethylene terephthalate (PET) fibers, extracted from waste plastic bottles, in the shear strength of sandy and clayey soils. Simple compression tests were performed with soil samples and mixtures of these with different fiber contents and lengths. The combination of 1,5% of fibers in relation to the dry soil mass with a length of 20 mm led to a 92.8% increase in the unconfined resistance for the sandy soil sample and 10.5% for the clayey soil sample. Direct shear tests were carried out with this dosage, with two different compaction conditions, showing the gain of 66.4% in the cohesion intercept for sandy soil with 100% compaction degree, and 55.5% with the degree of 95%, in relation to the soil without fiber. While the angles of internal friction remained almost constant. The same dosage for clayey soil promoted cohesion reductions of 7.6% and 5.4%, respectively, for compaction degrees of 100% and 95% and relative increases of 2.9% and 7.3% in the angle of internal friction. These results, applied in two hypothetical cases, load capacity of an isolated footing foundation and slope stability of landfills, demonstrate the effect of the inclusion of fibers in improving the estimation of the load capacity for both soils and the increase of the safety factor for the sandy soil. The study offers a technically feasible alternative for the improvement of soils, and that prioritizes the reuse of PET bottles, collaborating for environmental preservation, but not only, since the activity also promotes social and economic benefits. Keywords: Soil with Fibers, Shear Strength, Polyethylene Terephthalate. iii LISTA DE FIGURAS Capítulo 3 Figura 3.1 - Elementos de solo com e sem reforço. .............................................................. 7 Figura 3.2 - Posicionamento de fibra em ensaio de cisalhamento direto e modelo de reforço: (a) Orientação perpendicular e (b) Fibra orientada no ângulo (i) em relação ao plano de cisalhamento (Modificado de Gray & Ohashi, 1983). ......................... 10 Figura 3.3 - Comparação das envoltórias de resistência ao cisalhamento de areias de duna seca e densa reforçadas com fibras perpendiculares e alatórias (Modificado de Gray & Ohashi, 1983). ...................................................................................................... 11 Figura 3.4 - Ensaios de cisalhamento direto de Gray & Ohashi (1KSF = 47,9 kPa e 10 -3 IN=25,4mm). ........................................................................................................... 12 Figura 3.5 - Efeito da inclusão de fibras na envoltótia de ruptura da areia (Modificado de Maher & Gray, 1990). ............................................................................................. 14 Figura 3.6 - Formação polímero PET a partir dos monômeros TPA ou DMT, e EG. ........ 24 Figura 3.7 - Histórico do consumo aparente de embalagens PET no Brasil entre 2000 a 2011, e previsões para 2014 e 2016 (em Ktons) (Modificado de ABIPET, 2013). . 25 Capítulo 4 Figura 4.1 - Imagem de satélite do ponto de coletas de amostras em Bauru, SP. ............... 28 Figura 4.2 - Imagem de satélite do ponto de coletas de amostras em Pederneiras, SP. ...... 29 Figura 4.3 - Etapas da preparação das fibras PET. .............................................................. 30 Figura 4.4 – Processos de mistura e homogeneização solo fibra. ....................................... 32 Figura 4.5 – Processos de moldagem dos corpos de prova de compressão simples por compactação estática. .............................................................................................. 32 Figura 4.6 - Prensa do ensaio de compressão simples. ........................................................ 33 Figura 4.7 - Esquema do Ensaio de cisalhamento direto. .................................................... 34 Figura 4.8 – Moldagem dos corpos de prova de cisalhamento direto por compactação estática. .................................................................................................................... 36 Figura 4.9 - Célula do ensaio de cisalhamento direto. ........................................................ 37 Figura 4.10 – Equipamento do ensaio de cisalhamento direto. ........................................... 38 Figura 4.11 - Sapata de concreto armado embutida no solo. ............................................... 40 Figura 4.12 - Modos de ruptura para solos com c e ϕ (Modificado de Cintra, 2011). ........ 41 iv Figura 4.13 - Discretização de um talude em lamelas. ........................................................ 43 Capítulo 5 Figura 5.1 - Curvas granulométricas das amostras de solo arenoso (Bauru, SP) e argiloso (Pederneiras, SP). ..................................................................................................... 45 Figura 5.2 - Determinação do limite de liquidez das amostras de solo arenoso (Bauru, SP) e argiloso (Pederneiras, SP). ....................................................................................... 46 Figura 5.3 - Curvas de compactação na energia Proctor normal das amostras de solo arenoso (Bauru, SP) e argiloso (Pederneiras, SP). ................................................... 46 Figura 5.4 - Curva de calibração do anel dinamométrico do ensaio de cisalhamento direto. ................................................................................................................................. 48 Figura 5.5 - Tensões de ruptura médias a compressão simples (kPa) do solo arenoso sem e com fibras constituídas de PET com diferentes combinações teor (%) e comprimento de fibra (mm). .................................................................................... 49 Figura 5.6 - Tensão (ζ1) em kPa x deformação (ε) em % médias dos ensaios de compressão do solo arenoso sem fibras e com fibras de comprimento 10 mm. ...... 50 Figura 5.7 - Tensão (ζ1) em kPa x deformação (ε) em % médias dos ensaios de compressão do solo arenoso sem fibras e com fibras de comprimento 15 mm. ...... 50 Figura 5.8 - Tensão (ζ1) em kPa x deformação (ε) em % médias dos ensaios de compressão do solo arenoso sem fibras e com fibras de comprimento 20 mm. ...... 51 Figura 5.9 - Tensão (ζ1) em kPa x deformação (ε) em % médias dos ensaios de compressão do solo arenoso sem fibras e com fibras de comprimento 30 mm. ...... 51 Figura 5.10 - Tensões de ruptura médias a compressão simples (kPa) do solo argiloso sem e com reforço de fibras constituídas de PET com diferentes combinações teor (%) e comprimento de fibra (mm). .................................................................................... 52 Figura 5.11 - Curvas médias tensão (ζ1) em kPa x deformação (ε) em % médias dos ensaios de compressão do solo argiloso sem fibras e com fibras de comprimento 10 mm. .......................................................................................................................... 52 Figura 5.12 - Curvas médias tensão (ζ1) em kPa x deformação (ε) em % médias dos ensaios de compressão do solo argiloso sem fibras e com fibras de comprimento 15 mm. .......................................................................................................................... 53 Figura 5.13 - Curvas médias tensão (ζ1) em kPa x deformação (ε) em % médias dos ensaios de compressão do solo argiloso sem fibras e com fibras de comprimento 20 mm. .......................................................................................................................... 53 v Figura 5.14 - Curvas médias tensão (ζ1) em kPa x deformação (ε) em % médias dos ensaios de compressão do solo argiloso sem fibras e com fibras de comprimento 30 mm. .......................................................................................................................... 53 Figura 5.15 – Curva de calibração do anel dinamométrico do ensaio de cisalhamento direto. ....................................................................................................................... 54 Figura 5.16 - Envoltória de Mohr-Coulomb. ....................................................................... 56 Figura 5.17 - Tensão Cisalhante X Deslocamento Horizontal dos ensaios de cisalhamento direto do solo arenoso sem fibras com GC = 100% e GC = 95%. .......................... 57 Figura 5.18 - Variação Volumétrica X Deslocamento Horizontal dos ensaios de cisalhamento direto do solo arenoso sem fibras com GC = 100% e GC = 95%. .... 57 Figura 5.19 - Tensão Cisalhante X Tensão Normal dos ensaios de cisalhamento direto do solo arenoso sem fibras (S) com GC = 95% e GC = 100%. .................................... 57 Figura 5.20 - Tensão Cisalhante X Deslocamento Horizontal dos ensaios de cisalhamento direto do solo argiloso sem fibras com GC = 100% e GC = 95%. .......................... 58 Figura 5.21 - Variação Volumétrica X Deslocamento Horizontal dos ensaios de cisalhamento direto do solo argiloso sem fibras com GC = 100% e GC = 95%. .... 58 Figura 5.22 - Tensão Cisalhante X Tensão Normal dos ensaios de cisalhamento direto do solo argiloso sem fibras (S) com GC = 95% e GC = 100%. ................................... 58 Figura 5.23 - Tensão Cisalhante X Deslocamento Horizontal dos ensaios de cisalhamento direto do solo arenoso com o teor de 1,5% de fibras PET de 20 mm (S+F) e sem fibras (S) com GC = 100%. ..................................................................................... 59 Figura 5.24 - Variação Volumétrica X Deslocamento Horizontal dos ensaios de cisalhamento direto do solo arenoso com o teor de 1,5% de fibras PET de 20 mm (S+F) e sem fibras (S) com GC = 100%. ................................................................. 59 Figura 5.25 - Tensão Cisalhante X Tensão Normal dos ensaios de cisalhamento direto do solo arenoso com o teor de 1,5% de fibras PET de 20 mm (S+F) e sem fibras (S) com GC = 100%. ..................................................................................................... 59 Figura 5.26 - Tensão Cisalhante X Deslocamento Horizontal dos ensaios de cisalhamento direto do solo arenoso com o teor de 1,5% de fibras PET de 20 mm (S+F) e sem fibras (S) com GC = 95%. ....................................................................................... 60 Figura 5.27 - Variação Volumétrica X Deslocamento Horizontal dos ensaios de cisalhamento direto do solo arenoso com o teor de 1,5% de fibras PET de 20 mm (S+F) e sem fibras (S) com GC = 95%. ................................................................... 60 vi Figura 5.28 - Tensão Cisalhante X Tensão Normal dos ensaios de cisalhamento direto do solo arenoso com o teor de 1,5% de fibras PET de 20 mm (S+F) e sem fibras (S) com GC = 95%. ....................................................................................................... 60 Figura 5.29 - Envoltórias dos ensaios de cisalhamento direto do solo arenoso sem fibras e com teor de 1,5% de fibras PET 20 mm (GC = 100% e GC = 95%). ..................... 62 Figura 5.30 - Tensão Cisalhante X Deslocamento Horizontal dos ensaios de cisalhamento direto do solo argiloso com o teor de 1,5% de fibras PET de 20 mm (S+F) e sem fibras (S) com GC = 100%. ..................................................................................... 63 Figura 5.31 - Variação Volumétrica X Deslocamento Horizontal dos ensaios de cisalhamento direto do solo argiloso com o teor de 1,5% de fibras PET de 20 mm (S+F) e sem fibras (S) com GC = 100% .................................................................. 63 Figura 5.32 - Tensão Cisalhante X Tensão Normal dos ensaios de cisalhamento direto do solo argiloso com o teor de 1,5% de fibras PET de 20 mm (S+F) e sem fibras (S) com GC = 100%. ..................................................................................................... 63 Figura 5.33 - Tensão Cisalhante X Deslocamento Horizontal dos ensaios de cisalhamento direto do solo argiloso com o teor de 1,5% de fibras PET de 20 mm (S+F) e sem fibras (S) com GC = 95%. ....................................................................................... 64 Figura 5.34 - Variação Volumétrica X Deslocamento Horizontal dos ensaios de cisalhamento direto do solo argiloso com o teor de 1,5% de fibras PET de 20 mm (S+F) e sem fibras (S) com GC = 95%. ................................................................... 64 Figura 5.35 - Tensão Cisalhante X Tensão Normal dos ensaios de cisalhamento direto do solo argiloso com o teor de 1,5% de fibras PET de 20 mm (S+F) e sem fibras (S) com GC = 95%. ....................................................................................................... 64 Figura 5.36 - Envoltórias dos ensaios de cisalhamento direto do solo argiloso sem fibras e com teor de 1,5% de fibras PET 20 mm (GC = 100% e GC = 95%). ..................... 66 Figura 5.37 - Envoltórias dos ensaios de cisalhamento direto do solo argiloso e arenoso sem fibras (S) e com 1.5% de fibras PET 20 mm (S+F) com GC = 100% e GC = 95%. ......................................................................................................................... 67 Figura 5.38 – Corpos de prova de solo arenoso argiloso com fibras após ensaio de cisalhamento direto. ................................................................................................. 68 Figura 5.39 – Capacidade de carga de Vésic para os solos arenoso e argiloso, sem fibras (S), e com 1,5% de fibras PET 20 mm (S+F) , com graus de compactação GC = 100% e GC = 95%. .................................................................................................. 71 Figura 5.40 – Esquema do talude considerado na simulação. ............................................. 72 vii Figura 5.41 - Malha de centros adotada para o cálculo do FS através do programa RASS.72 Figura 5.42 - Fatores de segurança dos taludes de aterro de solo arenoso, sem fibra (S) e com 1,5% de fibras PET 20 mm (S+F), com graus de compactação GC = 100% e GC = 95%. ............................................................................................................... 74 Figura 5.43 - Fatores de segurança dos taludes de aterro de solo argiloso, sem fibra (S) e com 1,5% de fibras PET 20 mm (S+F), com graus de compactação GC = 100% e GC =95%. ................................................................................................................ 74 viii LISTA DE TABELAS Capítulo 3 Tabela 3.1 - Características Mecânicas do PET. ................................................................. 23 Tabela 3.2 - Descrição do consumo de embalagens PET no Brasil entre 2008 e 2011 (em Ktons). ..................................................................................................................... 25 Capítulo 4 Tabela 4.1 - Síntese dos ensaios de compressão simples. ................................................... 31 Tabela 4.2 - Síntese dos ensaios de cisalhamento direto. .................................................... 36 Tabela 4.3 - Fatores de forma (De Beer, 1967 apud Vésic, 1975). ..................................... 41 Capítulo 5 Tabela 5.1 - Escala ABNT NBR 6502/1995 ....................................................................... 45 Tabela 5.2 – Índices físicos das amostras de solo estudadas. .............................................. 47 Tabela 5.3 - Resistência não confinada média (kPa) para cada combinação comprimento/ teor de fibra constituída de PET para o solo arenoso (Modificado de Pradela, 2016). ................................................................................................................................. 49 Tabela 5.4 - Resistência não confinada média (em kPa) para cada combinação comprimento/ teor de fibra constituídas de PET para o solo argiloso (Modificado de Pradela, 2016). ......................................................................................................... 51 Tabela 5.5 - Tensões totais (ζ) e cisalhantes (η) dos ensaios de cisalhamento direto do solo arenoso sem fibras e com o teor de 1,5% de fibras PET com 20 mm (GC = 100%). ................................................................................................................................. 61 Tabela 5.6 – Parâmetros de resistência dos ensaios de cisalhamento direto do solo arenoso sem fibras e com o teor de 1,5% de fibras PET com 20 mm (GC = 100%). ........... 61 Tabela 5.7 - Tensões totais (ζ) e cisalhantes (η) dos ensaios de cisalhamento direto do solo arenoso sem fibras e com o teor de 1,5% de fibras PET com 20 mm (GC = 95%). 61 Tabela 5.8 – Parâmetros de resistência dos ensaios de cisalhamento direto do solo arenoso sem fibras e com o teor de 1,5% de fibras PET com 20 mm (GC = 95%). ............. 61 Tabela 5.9 - Tensões totais (ζ) e cisalhantes (η) dos ensaios de cisalhamento direto do solo argiloso sem fibras e com o teor de 1,5% de fibras PET com 20 mm (GC = 100%). ................................................................................................................................. 65 ix Tabela 5.10 – Parâmetros de resistência dos ensaios de cisalhamento direto do solo argiloso sem fibras e com o teor de 1,5% de fibras PET com 20 mm (GC = 100%). ................................................................................................................................. 65 Tabela 5.11 - Tensões totais (ζ) e cisalhantes (η) dos ensaios de cisalhamento direto do solo argiloso sem fibras e com o teor de 1,5% de fibras PET com 20 mm (GC = 95%). 65 Tabela 5.12 – Parâmetros de resistência dos ensaios de cisalhamento direto do solo argiloso sem fibras e com o teor de 1,5% de fibras PET com 20 mm (GC = 95%). 65 Tabela 5.13 – Síntese dos parâmetros de resistência obtidos dos ensaios de cisalhamento direto dos solos arenoso e argiloso com e sem fibras com GC = 100% e GC = 95% e suas variações. ....................................................................................................... 68 Tabela 5.14 –Dados de entrada e saída dos cálculos de capacidade de carga de Vésic realizados. ................................................................................................................ 71 Tabela 5.15 - Fatores de segurança obtidos pelos métodos de Bishop Simplificado (FS) através do programa RASS para cada uma das combinações estudadas. ................ 73 x LISTA DE ABREVIATURAS ABIPET Associação Brasileira de indústria de PET ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ASTM American Society For Testing And Materials CBR Califórnia Bearing Ratio NBR Norma Brasileira DMT Tereftalato de Dimetila EG Etilenoglicol PE Polietileno PET Politereftalato de Etileno PETG Politereftalato de Etileno Glicol PNRS Política Nacional de Resíduos Sólidos PP Polipropileno PPGEC Programa de Pós Graduação Engenharia Civil PVC Policloreto de Vinila RASS Risk Analysis applied to Slope Stability TPA Ácido Tereftálico UNESP Universidade Estadual Paulista xi LISTA DE SÍMBOLOS Símbolos do Alfabeto Latino A Área da superfície de ruptura AA Área da seção transversal da amostra AA’ Área corrigida da amostra AR Área total de reforço B Menor dimensão da fundação c Coesão do solo D Diâmetro das fibras den Denier de fibra e Índice de vazios ER Módulo de rigidez da fibra f * Coeficiente de fricção superficial f Coeficiente de fricção do solo Faxial Força axial de compressão Ft Força tangencial ou de cisalhamento FS Fator de Segurança GC Grau de Compactação i Ângulo de orientação inicial da fibra IP Índice de Plasticidade k1 Razão entre deslocamento (x) e espessura da zona de cisalhamento (z) K Constante da mola L Comprimento da fibra LA Largura da amostra Lm Leitura da mola LL Limite de liquidez LP Limite de Plasticidade L/D Razão de forma da fibra n Porosidade N Carga vertical aplicada na amostra Nc Fator de capacidade de carga xii Nq Fator de capacidade de carga Ns Número médio de fibras atravessando uma unidade de área Nγ Fator de capacidade de carga P Pressão q Tensão efetiva na cota de apoio s Sucção total sR Resistência ao cisalhamento do solo permeado pela fibra Sc Fator de forma Sq Fator de Forma SR Grau de Saturação Sγ Fator de forma SR Superfície de ruptura tR Resistência à tração mobilizada pelas fibras por unidade de área do solo wf Porcentagem de fibras em função do peso seco de solo w Teor de Umidade wopt Teor de Umidade Ótimo x Deslocamento da fibra z Espessura da zona de cisalhamento Símbolos do Alfabeto Grego γ Peso específico γdmáx Peso específico aparente seco máximo δ Ângulo de atrito entre solo e fibra (em graus) δv Deslocamento vertical da amostra δH Deslocamento horizontal da amostra ε Deformação axial específica da amostra ζ Coeficiente empírico que leva em conta a granulometria da areia e as propriedades das fibras, entre elas a relação L/D θ Ângulo de distorção para fibras inicialmente perpendiculares ao plano de ruptura μ Coeficiente de atrito superficial ρ Massa específica ρd Massa específica seca ρdmax Massa específica seca máxima xiii ρs Massa específica dos sólidos ζN Tensão normal ζ3 Tensão confinante principal na câmara triaxial ζconf Tensão de confinante médio na câmara triaxial ζ crit Tensão de confinamento crítica ζ 1f Tensão principal maior na ruptura do solo reforçado com fibra ζ1 Tensão axial de compressão ζR Tensão de tração desenvolvida na fibra no plano de cisalhamento ζr Capacidade de carga do solo ζV Tensão vertical ϕ Ângulo de atrito interno do solo η Tensão de cisalhamento ηRES Tensão de cisalhamento residual ηmáx Tensão de cisalhamento máxima ηR Tensão de atrito de superfície ao longo da fibra ψ Ângulo de distorção para fibra inicialmente inclinada em relação ao plano de ruptura ∆ Calor ∆sR Aumento da resistência ao cisalhamento devido ao reforço da raiz ΔFS Variação do fator de segurança ∆V Variação da altura da amostra xiv SUMÁRIO RESUMO ............................................................................................................................... i ABSTRACT ......................................................................................................................... II LISTA DE FIGURAS ......................................................................................................... III LISTA DE TABELAS ..................................................................................................... VIII LISTA DE ABREVIATURAS ............................................................................................. X LISTA DE SÍMBOLOS ...................................................................................................... XI SUMÁRIO ........................................................................................................................ XIV 1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................. 1 2 OBJETIVO .................................................................................................................... 3 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...................................................................................... 4 3.1 REFORÇO DE SOLOS .................................................................................................... 4 3.1.1 Definição ........................................................................................................... 4 3.1.2 Materiais Compósitos ........................................................................................ 4 3.1.3 Classificação dos Compósitos ........................................................................... 5 3.1.4 Classificação das Fibras ................................................................................... 6 3.1.5 Interação Solo-Fibra ......................................................................................... 7 3.1.6 Estudos Experimentais e Modelos ..................................................................... 8 3.2 POLÍMEROS ............................................................................................................... 21 3.2.1 Definição ......................................................................................................... 21 3.2.2 Matérias-primas .............................................................................................. 22 3.2.3 Termoplásticos e Plásticos Termofixos (Termorrígidos) ................................ 22 3.2.4 Politereftalato de Etileno (PET) ...................................................................... 23 3.2.5 Resíduo de PET no Meio Ambiente ................................................................. 25 3.2.6 Reciclagem de PET .......................................................................................... 26 4 MATERIAIS E MÉTODOS ........................................................................................ 28 4.1 COLETA DE AMOSTRAS ............................................................................................ 28 4.2 CARACTERIZAÇÃO .................................................................................................... 29 xv 4.3 PREPARAÇÃO DAS FIBRAS ........................................................................................ 30 4.4 ENSAIO DE COMPRESSÃO SIMPLES ........................................................................... 30 4.4.1 Preparação dos Corpos de Prova ................................................................... 31 4.4.2 Execução do Ensaio......................................................................................... 33 4.5 ENSAIOS DE CISALHAMENTO DIRETO ....................................................................... 34 4.5.1 Preparação dos Corpos de Prova ................................................................... 35 4.5.2 Célula e Montagem .......................................................................................... 37 4.5.3 Preparação do Aparelho ................................................................................. 38 4.5.4 Execução do Ensaio......................................................................................... 39 4.6 APLICAÇÃO DOS RESULTADOS ................................................................................. 39 4.6.1 Capacidade de Carga de Fundações em Sapatas ........................................... 40 4.6.2 Estabilidade de Taludes de Aterro .................................................................. 42 5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................................ 44 5.1 CARACTERIZAÇÃO .................................................................................................... 44 5.1.1 Curva Granulométrica .................................................................................... 44 5.1.2 Limites de Consistência ................................................................................... 45 5.1.3 Curva de Compactação ................................................................................... 46 5.1.4 Resumo dos Índices Físicos dos Solos ............................................................. 47 5.2 COMPRESSÃO SIMPLES ............................................................................................. 47 5.2.1 Curvas Tensão de Compressão x Deformação Específica .............................. 47 5.3 CISALHAMENTO DIRETO ........................................................................................... 54 5.3.1 Curvas Tensão de Cisalhamento e Variação de Volume por Deslocamento Horizontal .................................................................................................................... 54 5.3.2 Envoltória de Mohr-Coulomb ......................................................................... 56 5.3.3 Comparação entre os Resultados do Solo Arenoso sem Fibras ...................... 57 5.3.4 Comparação entre os Resultados do Solo Argiloso sem Fibras ..................... 58 5.3.5 Resultados para o Solo Arenoso com e sem Fibras com GC = 100% ............ 59 5.3.6 Resultados para o Solo Arenoso com e sem Fibras com GC = 95% .............. 60 5.3.7 Síntese dos Resultados para o Solo Arenoso ................................................... 61 5.3.8 Resultados para o Solo Argiloso com e sem Fibras com GC=100% .............. 63 5.3.9 Resultados para o Solo Argiloso com e sem Fibras com GC=95 ................... 64 5.3.10 Síntese dos Resultados para o Solo Argiloso .............................................. 65 xvi 5.3.11 Envoltórias do Solo Arenoso e Argiloso com e sem Fibras com GC = 100% e GC = 95%. ................................................................................................................ 67 5.4 APLICAÇÃO DOS RESULTADOS ................................................................................. 70 5.4.1 Capacidade de Carga de Fundações em Sapatas ........................................... 70 5.4.2 Estabilidade de Taludes de Aterro .................................................................. 72 6 CONCLUSÃO ............................................................................................................. 75 7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................ 76 1 1 INTRODUÇÃO O solo natural é um material complexo e variável, sendo comum que este não preencha total ou parcialmente as exigências de projeto. Dentre as principais técnicas para a melhoria de suas propriedades têm-se a compactação, a consolidação por pré- carregamento e/ou drenos verticais, a injeção de materiais estabilizantes, estabilização por processos físico-químicos e a inclusão de elementos resistentes, tais como geotêxteis, grelhas, tiras e fibras. Na Geotecnia moderna, a utilização do reforço planar vem crescendo e ganhando espaço, como o uso de tiras de metal e geossintéticos. Acontecimento devido muito provavelmente ao avanço das indústrias químicas, consagração da utilização de materiais poliméricos em obras de reforços e diversas vantagens como economia, segurança, praticidade e menores volumes de solo. No entanto, segundo Festugato et al. (2016), o uso de fibras poliméricas discretas é uma técnica relativamente nova em projetos geotécnicos, tais como em estabilização de solos sob fundações e pavimentos, reforço de aterros, estruturas de contenção e revestimentos de canais. Independentemente das numerosas aplicações potenciais, as metodologias de dosagem para solos melhorados com fibras poliméricas são escassas, não existindo padrões científicos ou técnicas especializadas para projetos de campo real. Desse modo, pesquisas adicionais são necessárias para entender melhor os benefícios e limitações potenciais e permitir a aplicação dessas em estruturas geotécnicas mais complexas. Simultaneamente, tem-se a reciclagem de materiais de difícil degradação como uma das maiores preocupações da atualidade. Destinos alternativos destes resíduos têm sido apresentados com embasamento técnico-científico por centros de pesquisas e de forma criativa e artesanal pela sociedade. Dentre os produtos de difícil degradação, as garrafas PET têm sido a grande preocupação dos ambientalistas. Projeções indicam que o consumo de PET continua crescendo, por outro lado, de forma positiva, a reciclagem tem avançado devido a sua alta resistência à tração e elevada durabilidade (SANTOS, 2005). 2 O uso de fibras recicladas, menos comum que o de fibras industrializadas, extrapola a questão ambiental, apesar de esta estar atualmente entre as principais contribuições no desenvolvimento das pesquisas, deve-se salientar a questão social, energética, cultural e tecnológica, em atendimento ao artigo 6º, que estabelece os princípios da Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS), especialmente aqueles prescritos nos incisos I, III, IV, VIII, ao artigo 7º, que estabelece os seus objetivos, prescritos nos incisos de I a V, IX, XI (alíneas a e b), XIII e XIV da Lei nº 12.305. As primeiras tentativas de descrever o papel das fibras no aumento da resistência do solo focaram a contribuição de uma única fibra para a resistência ao cisalhamento ao longo de uma superfície predeterminada (WU, 1976; WALDRON, 1977). Evidências experimentais foram reunidas mais tarde por Gray & Ohashi (1983) e Maher & Gray (1990) para justificar esta abordagem. Diversos trabalhos internacionais têm utilizado ensaios uniaxiais, de cisalhamento direto e triaxiais, e muitos dos resultados demonstraram a eficácia do reforço de fibras (AL-REFEAI, 1986; RANJAN et al. 1996; SANTONI et al. 2001). As inclusões polímericas distribuídas aleatoriamente, tais como as fibras de politereftalato de etileno (PET) e polipropileno (PP), incorporadas nos solos, melhoram o seu comportamento mecânico conforme Consoli et al (2002, 2003, 2005, 2009a, 2009b), Casagrande (2001, 2005), Trindade et al. (2006), Botero (2015), Festugato (2016). As fibras captam e redistribuem as cargas através de sua resistência à tração, mobilizando uma massa maior de solo e, em seguida, melhorando a resposta mecânica do material. Alta resistência física e mecânica, e boa resposta a ataques químicos e/ou biológicos são basais na escolha do tipo de fibra para reforço. Sendo o conhecimento do mecanismo de interação solo-fibra, fundamental na compreensão do comportamento mecânico da mistura. Segundo Casagrande (2005), diversos fatores influem neste mecanismo, a saber, em relação ao solo: granulometria, índice de vazios e grau de cimentação; e em relação às fibras: comprimento, espessura, rugosidade, módulo de elasticidade, capacidade de alongamento, entre outros fatores. Contudo, este trabalho visa avaliar a influência da inclusão de fibras recicladas extraídas de garrafas constituídas de politereftalato de etileno (PET) na resistência ao cisalhamento de solos arenoso e argiloso, amostrados em municípios do centro-oeste do Estado de São Paulo, Brasil, por meio de ensaios de compressão simples e de cisalhamento direto em amostras de solos sem fibras e misturas dessas com diferentes teores e comprimentos de fibras, em diferentes graus de compactação. 3 2 OBJETIVO Avaliar comparativamente a influência da inclusão de fibras recicladas de garrafas de politereftalato de etileno (PET) na resistência ao cisalhamento de solo arenoso e argiloso. 4 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1 Reforço de Solos 3.1.1 Definição A utilização de processos físicos, químicos ou mecânicos que visem o melhoramento das propriedades dos solos, a fim de desenvolver os parâmetros tais como a resistência ao cisalhamento, compressão, densidade e condutividade hidráulica é chamada de reforço ou melhoria de solo. McGown et al. (1978) classificaram o reforço de solos em duas categorias principais, inclusões idealmente não extensíveis e inclusões idealmente extensíveis. As primeiras incluem tiras de metal de alto módulo que fortalecem o solo e inibem as deformações e ruptura do solo. Inclusões idealmente extensíveis incluem fibras de módulo relativamente baixo, naturais ou sintéticas, as raízes das plantas; e geossintéticos, estes fornecem algum reforço, mas o mais importante é que apresentam maior capacidade de extensão (ductilidade); e menor perda de força pós-pico de resistência ao cisalhamento em comparação com o solo sem reforço. O solo melhorado com fibras é definido como uma massa de solo, que contém elementos discretos distribuídos aleatoriamente, isto é, fibras, que proporcionam uma melhoria no comportamento mecânico do compósito (CHUNLING LI, 2005). 3.1.2 Materiais Compósitos O significado do substantivo compósito em material compósito indica que este apresenta ou é formado por dois ou mais componentes, o que poderia levar à conclusão que todo material tendo dois ou mais materiais distintos ou fases poderia ser considerado como material compósito. Mas na realidade, segundo Marinucci (2011), para ser representativo da definição atual de compósito ou material compósito, envolvendo 5 aplicações aeroespaciais, náuticas, automotivas e outras áreas técnicas, admite-se que as fases constituintes apresentem nítida diferença nas propriedades físicas e químicas, mostrando uma fase descontínua e uma fase contínua. A fase descontínua comumente são os reforços, enquanto que a fase contínua é denominada matriz. Esse material que apresenta dois os mais constituintes quimicamente diferentes que em escala macroscópica apresenta uma interface bem definida os separando, apresenta quase sempre melhores propriedades que a de seus elementos separadamente. Segundo Agarwal et al. (1980), as propriedades dos compósitos estão associadas às propriedades dos elementos constituintes e suas fases, concentração ou frações volumétricas, interface e adesão reforço-matriz, disposição das camadas e orientação, bem como à geometria do filamento, tais como forma e tamanho. Nos materiais compósitos, a resistência é bastante influenciada pela geometria e orientação do reforço, de modo que é conveniente fazer a classificação baseada nesses aspectos. 3.1.3 Classificação dos Compósitos Os compósitos podem ser formados por elementos de reforço particulados, fibrados ou fibra/metal. Compósitos particulados têm os elementos esféricos, cúbicos, tetragonais ou de qualquer outra forma regular ou irregular, mas quase sempre equiaxiais. Já os fibrados têm fibras, cujos comprimentos são muito maiores que as dimensões das seções transversais, sendo formados por lâminas ou camadas, que representam de fato o elemento básico de um material reforçado com fibra. Requisitos de camadas isotrópicas levaram à construção de laminados de fibra-metal, que associa as vantagens dos materiais metálicos e dos compósitos (MARINUCCI, 2011). A orientação do reforço no compósito afeta a isotropia do sistema. Quando o reforço está na forma de partículas, com todas as dimensões aproximadamente iguais, o compósito comporta-se como um material isotrópico, cujas propriedades são independentes da direção. No caso de processos que empregam fibras curtas, é possível que esses reforços não apresentem dimensões iguais uns em relação a outros, contudo, devido à distribuição aleatória que essas fibras apresentam no material, pode-se considerar tal compósito como tento um comportamento quase isotrópico (MARINUCCI, 2011). 6 As fibras podem ser inclusas direta e aleatoriamente na matriz massa de solo, ou de forma orientada, como por exemplo, os geossintéticos. Enfatiza-se que o primeiro conceito não é tão bem conhecido como o segundo, não só em aperfeiçoar as propriedades da fibra, diâmetro, comprimento, textura, mas também no mecanismo de reforço. Existem alguns livros que abordam a utilização de materiais compósitos fibrosos, dentre tais publicações pode-se citar, Hannant (1994), Taylor (1994), Hollaway (1994), Illston (1994), Johnston (1994), Ashby & Jones (1996) e Budinski (1996). 3.1.4 Classificação das Fibras As fibras utilizadas no reforço de solos podem ser classificadas em quatro grandes classes: naturais, minerais, metálicas e poliméricas. Pioneiras, as fibras vegetais foram as primeiras a serem empregadas pelo homem para reforço de solo. Utilizava-se bambu, capim, malva, coco, sisal, linho e cana-de-açúcar (HANNANT, 1994). Segundo Ferreira (2010), estas fibras podem atingir altas resistências, como por exemplo, as fibras do bambu que atingem normalmente resistências acima de 100 MPa, com módulo de elasticidade entre 10 e 25 GPa, porém a durabilidade dos compostos formados representa um problema que deve ser criteriosamente avaliado, devido ao tempo de degradação desses materiais em ambientes alcalinos, por fungos e microrganismos. Dentre as fibras minerais destacam-se: (1) Fibras de carbono, por apresentarem alta resistência e módulo de elasticidade (em torno de 420 GPa), além, de forte aderência à matriz; (2) Fibras de amianto, por também possuírem boa aderência, resistência à tração (em torno de 1000 Mpa) e módulo de elasticidade (em torno de 160 GPa); (3) Fibras de vidro, manufaturadas na forma de fios compostos de centenas de filamentos individuais justapostos, que não são suscetíveis ao ataque de álcalis (TAYLOR, 1994). As fibras metálicas mais comuns são as de aço, essas possuem resistência à tração aproximadamente igual a 200 GPa, e dependendo do meio onde estão inseridas, apresentam problemas relacionados à corrosão. Uma técnica utilizada para minimizar tal problema é o banho de níquel (TAYLOR, 1994). Seu formato pode ser bastante variável, de forma a aumentar sua aderência com a matriz (HANNANT, 1994). Com o advento do grande avanço das indústrias químicas, materiais sintéticos passaram a ter prioridade de aplicação, haja vista suas maiores facilidades de obtenção em larga escala e sua resistência a agentes externos. 7 Casagrande (2005) apresenta um breve resumo sobre as características das fibras poliméricas, entre elas polipropileno (PP), polietileno (PE) e politereftalato de etileno (PET). Ressalta-se que as fibras de PP possuem uma grande flexibilidade e tenacidade em função de sua constituição além de possuírem elevada resistência ao ataque de várias substâncias químicas e aos álcalis. Tais características conferem aos materiais a que estas fibras são incorporadas uma substancial resistência ao impacto. As fibras de PE apesar da alta durabilidade apresentam maiores deformações de fluência conduzindo a consideráveis elongações e deflexões ao longo do tempo. As fibras de poliéster apresentam alta densidade, rigidez e resistência e possuem um aspecto bastante similar às de polipropileno podendo ser utilizadas para as mesmas aplicações. O poliéster atualmente mais conhecido é o PET. 3.1.5 Interação Solo-Fibra Os solos possuem em geral resistência elevada a esforços de compressão, porém baixa resistência a esforços de tração. Quando uma massa de solo é carregada verticalmente, ela sofre deformações verticais de compressão e deformações laterais de extensão (tração). Contudo, se a massa de solo estiver reforçada, os movimentos laterais são limitados pela reduzida deformabilidade do reforço. Esta restrição de deformações é obtida graças ao desenvolvimento de esforços de tração no elemento de reforço. Neste caso, o solo tende a mover-se em relação ao reforço gerando tensões cisalhantes na interface solo/reforço (WHEELER, 1996). A Figura 3.1 ilustra o princípio básico do comportamento do solo reforçado. Figura 3.1 - Elementos de solo com e sem reforço. As tensões cisalhantes na interface são absorvidas pelo reforço, que é tracionado, causando uma redistribuição das tensões no solo. Essa redistribuição de tensões gera uma parcela de confinamento interno, adicional ao confinamento externo já existente. 𝑆𝑜𝑙𝑜 𝑅𝑒𝑓𝑜𝑟ç𝑜 𝐼𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝐼𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎çã𝑜 𝑠𝑒𝑚 𝑟𝑒𝑓𝑜𝑟ç𝑜 𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎çã𝑜 𝑐𝑜𝑚 𝑟𝑒𝑓𝑜𝑟ç𝑜 𝜎1 𝜎1 𝜎3 𝜎3 𝑆𝑜𝑙𝑜 휀 휀 8 A introdução de elementos de reforço exerce uma influência similar a um aumento de confinamento. O aumento da tensão lateral faz com que seja necessária uma tensão axial mais elevada para conduzir à ruptura do corpo de prova por cisalhamento. As características e propriedades dos materiais relacionados é que irão definir o comportamento do material compósito. Dessa forma a interação matriz–reforço está relacionada com as características do tipo de reforço e da matriz agindo em conjunto (FERREIRA, 2010 ). Segundo Casagrande (2005), diversos fatores influem neste mecanismo, a saber, em relação ao solo: granulometria, índice de vazios e grau de cimentação; e em relação às fibras: comprimento, espessura, rugosidade, módulo de elasticidade, capacidade de alongamento, entre outros fatores. Vendruscolo (2003) acrescenta em relação às fibras, o teor, resistência, e orientação. E também, que o melhoramento das propriedades dos solos reforçados depende da tensão de confinamento e do modo de carregamento. 3.1.6 Estudos Experimentais e Modelos Durante as últimas décadas nota-se um crescente número de estudos experimentais utilizando fibras na área geotécnica e modelos, a maior parte realizada utilizando solos granulares. Como exemplos de trabalhos desenvolvidos, pode-se citar: Gray & Ohashi (1983), com o estudo experimental dos mecanismos de fibras de reforço naturais e sintéticas, utilizando ensaios de cisalhamento direto em uma areia seca reforçada densa e fofa. As fibras foram colocadas em diferentes orientações específicas no que diz respeito ao plano de cisalhamento. O módulo de elasticidade, o teor e o ângulo de orientação das fibras mostraram influenciar a contribuição para a resistência ao cisalhamento. O modelo apresentado por Gray & Ohashi (1983) é adaptado, conforme autores, das propostas de Woodhouse & Hanes (1967), Wu (1976) e Waldron (1977). O modelo de equilíbrio de força simples proposto por Waldron (1977) descreve as características carga-deformação de solos reforçados com raízes de plantas, sendo baseado somente na mobilização parcial da resistência da fibra, diferente do modelo de Wu (1976) que implicitamente admitia a mobilização completa da resistência à tração do reforço. 9 Tal modelo usa a equação original de Mohr-Coulomb de resistência ao cisalhamento (η = c + ζ tanϕ) em forma modificada, para o solo permeado com raízes, expressa na Equação 1. (1) Em que, sR: resistência ao cisalhamento do solo permeado pela raíz; c: coesão da areia; ϕ: ângulo de atrito interno da areia; ∆sR: aumento da resistência ao cisalhamento devido ao reforço da raíz. No entanto, nenhum modelo até então considerava a distribuição ou posicionamento das fibras em relação ao plano de cisalhamento, diferenciando o aumento da resistência ao cisalhamento do solo reforçado caso as fibras estivessem perpendiculares, situação (a), ou inclinadas ao plano, situação (b), Figura 3.2, sendo estimado respectivamente pelas Equações 2 e 3, respectivamente. ( ) (2) [ ( ) ( ) ] (3) 1 [ 1 ( 1 ) 1 ] (4) 1 (5) Em que, ∆sR: aumento da resistência ao cisalhamento do solo reforçado; tR: resistência à tração mobilizada pelas fibras por unidade de área do solo; θ: ângulo de distorção para fibras inicialmente perpendiculares ao plano de ruptura; ψ: ângulo de distorção para fibra inicialmente inclinada em relação ao plano de ruptura; i: ângulo de orientação inicial da fibra; k1: razão entre deslocamento (x) e espessura da zona de cisalhamento (z). 10 Figura 3.2 - Posicionamento de fibra em ensaio de cisalhamento direto e modelo de reforço: (a) Orientação perpendicular e (b) Fibra orientada no ângulo (i) em relação ao plano de cisalhamento (Modificado de Gray & Ohashi, 1983). A resistência à tração mobilizada por unidade de área do solo (tR), segundo Gray & Ohashi (1983), é o produto da tensão de tração na fibra no plano de cisalhamento pela relação de área ou concentração das fibras no plano de cisalhamento, coforme Equação 6. ( ) (6) Em que, ζR: tensão de tração desenvolvida na fibra no plano de cisalhamento; AR: área total de reforço; A: área da superfície de ruptura. Para tensão de tração que se desenvolve na fibra no plano de cisalhamento (ζR) são admitidas duas possibilidades, distribuição linear ou parabólica, dado pelas Equações 7 e 8 respectivamente. ( ) 1 [ ( )] 1 (7) 𝐹𝑖𝑏𝑟𝑎 𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑎 𝐹𝑖𝑏𝑟𝑎 𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑎 𝑍𝑜𝑛𝑎 𝑑𝑒 𝐶𝑖𝑠𝑎𝑙ℎ𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑍𝑜𝑛𝑎 𝑑𝑒 𝐶𝑖𝑠𝑎𝑙ℎ𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐹𝑖𝑏𝑟𝑎 𝐼𝑛𝑡𝑎𝑐𝑡𝑎 𝑥 𝑥 𝑧 𝑇𝑅 𝑇𝑅 𝑇𝑅 𝑇𝑅 𝜃 𝑧 𝜏𝑅 𝜏𝑅 𝑖 𝜓 𝐹𝑖𝑏𝑟𝑎 𝐼𝑛𝑡𝑎𝑐𝑡𝑎 (𝑎) (𝑏) 11 ( ) 1 [ ( )] 1 (8) Em que, ER: módulo de elasticidade (rigidez longitudinal) da fibra; ηR: tensão de atrito de superfície ao longo da fibra; D: diâmetro das fibras; z: espessura da zona de cisalhamento; θ: ângulo de distorção de cisalhamento. Na Figura 3.4 são apresentados alguns resultados de ensaios de cisalhamento direto realizados por Gray & Ohashi (1983). Observa-se que o papel principal das fibras é aumentar a resistência máxima ao cisalhamento e limitar a quantidade de redução pós- pico na resistência ao cisalhamento em uma areia densa, conforme Figura 3.4 (a) e (b). E que os aumentos de resistência ao cisalhamento são: diretamente proporcionais às relações de área total de reforço pela de superfície de ruptura (AR/A), pelo menos até 1,7%, Figura 3.4 (c) e (d); aproximadamente iguais para areia solta e densa, no entanto, foram necessárias tensões maiores para atingir a resistência máxima ao cisalhamento no caso solto, Figura 3.4 (e) e (f); e maiores para orientações de fibras iniciais de 60° em relação à superfície de cisalhamento, Figura 3.4 (g) e (h), orientação que coincide com a direção da tensão máxima de tração principal em um teste de cisalhamento direto. Gray & Ohashi (1983) ainda compararam envoltórias de resistência ao cisalhamento de areias reforçadas com fibras perpendiculares e aleatórias, sendo ambas quase coincidentes, conforme Figura 3.3. Figura 3.3 - Comparação das envoltórias de resistência ao cisalhamento de areias de duna seca e densa reforçadas com fibras perpendiculares e alatórias (Modificado de Gray & Ohashi, 1983). Areia de duna reforçada com Fibra de Junco L = 4.9 cm D=1.75mm 6 fibras (A R /A=0.456%) Te n sã o C is al h an te , τ ( K SF ) Tensão Normal (KSF) Legenda: Perpendicular (i=90°) Distribuição Aleatória 12 Figura 3.4 - Ensaios de cisalhamento direto de Gray & Ohashi (1KSF = 47,9 kPa e 10 -3 IN=25,4mm). Areia de duna reforçada com diferentes Fibras σN = 1.577 KSF L = 4.9 cm Fio de Cobre Fibra de Palmeira Fibra de Junco AR/A (%) 0.25 0.23 0.228 ER (x106psi) 8.5 2.4 0.22 Te n sã o C is al h an te , τ ( K SF ) Deslocamento horizontal (10-3IN) Te n sã o C is al h an te , τ ( K SF ) Tensão Normal (KSF) Fio de Cobre Fibra de Palmeira Plástico Fibra de Junco Sem reforço E R (x10 6 psi) 8.5 2.4 0.30 0.22 - A R /A (%) 0.23 0.22 0.23 0.228 - Legenda: Legenda: Areia de duna reforçada com diferentes Fibras Es=2890psi L = 4.9 cm Te n sã o C is al h an te , τ ( K SF ) Te n sã o C is al h an te , τ ( K SF ) Te n sã o C is al h an te , τ ( K SF ) D (mm) 1.0 1.2 1.75 D (mm) 1.0 1.2 1.0 1.75 - Areia de duna reforçada com Fibra de Junco σ N = 1.577 KSF L = 4.9 cm D=1.75mm Deslocamento horizontal (10 -3 IN) Deslocamento horizontal (10 -3 IN) Deslocamento horizontal (10 -3 IN) Legenda: 22 fibras 12 6 3 - Solo sem reforço 3 (A R /A=0.228%) 6 (A R /A=0.456%) 12 (A R /A=0.911%) 22 (A R /A=1.671%) - Tensão Normal (KSF) Tensão Normal (KSF) Tensão Normal (KSF) Areia de duna reforçada com Fibra de Junco L = 4.9 cm D=1.75mm Te n sã o C is al h an te , τ ( K SF ) Te n sã o C is al h an te , τ ( K SF ) Te n sã o C is al h an te , τ ( K SF ) Areia de duna reforçada com Fibra de Junco σ N = 1.577 KSF L = 4.9 cm D=1.75mm Areia de duna reforçada com Fibra de Junco L = 4.9 cm D=1.75mm Legenda: AREIA DENSA, e=0.50 Legenda: AREIA DENSA, e=0.50 AREIA FOFA, e=0.73 Legenda: Sem reforço 6 fibras Sem reforço 6 fibras Sem reforço 6 fibras Sem reforço 6 fibras Legenda: AREIA DENSA, e=0.73 Areia de duna reforçada com Fibra de Junco σ N = 1.577 KSF L = 4.9 cm D=1.75mm 6 fibras (A R /A=0.456%) i 60° 90° 30° 120° Sem reforço Sem reforço i=90° i=30° i=60° i=120° i=150° Areia de duna reforçada com Fibra de Junco L = 4.9 cm D=1.75mm 6 fibras (A R /A=0.456%) (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) 13 As principais conclusões do estudo de Gray & Ohashi (1983) foram: (1) fibras com baixo módulo de elasticidade comportam-se como elementos idealmente extensíveis e não rompem durante o ensaio; (2) há uma tensão de confinamento crítica ζ crit , abaixo da qual as fibras parecem ser arrancadas, acima da ζ crit as fibras são esticadas, mas nenhuma delas rompeu durante o ensaio; (3) as fibras não alteram o ângulo de atrito interno das areias; (4) o aumento do comprimento das fibras aumenta a resistência ao cisalhamento das areias, mas só até certo ponto, a partir do qual não é mais observado este efeito; (5) quanto maior o teor de fibra adicionado, maior é a resistência ao cisalhamento. Entretanto, a ruptura por deslizamento entre solo e fibra não é contemplada por esse modelo, portanto o comprimento e a rugosidade da fibra ou as tensões efetivas normais atuantes devem ser tais que garantam a adesão necessária entre a matriz e o reforço (FEUERHARMEL, 2000). Maher & Gray (1990) aplicaram o modelo anterior, inclusões com orientação definida em relação ao plano de cisalhamento, para o caso de inclusões aleatoriamente distribuídas em areias submetidas a ensaios triaxiais. Os autores empregaram uma análise estatística para prever a posição e quantidade de fibras em relação ao plano de cisalhamento. Como pressupostos do modelo estatístico têm-se, segundo os autores: (1) As fibras de reforço têm um comprimento constante (L), e diâmetro (D), podendo ser estendido para lidar com alternativas possíveis onde L e D são dados por funções de distribuição, e oferecem resistência à flexão; (2) As fibras têm uma probabilidade igual de fazer todos os ângulos possíveis com qualquer eixo fixo arbitrariamente escolhido (isto é, o plano de ruptura de Coulomb em ensaios de compressão triaxial em solo granular); (3) As fibras na massa do solo e, de forma equivalente, seus pontos de intersecção com qualquer plano de ruptura, são distribuídas aleatoriamente seguindo um processo de Poisson; (4) Os compósitos areia-fibra apresentam envoltória com ruptura bilinear, com a ruptura da bilinearidade ocorrendo em um limite de tensão de confinamento, denominado tensão confinante crítica. Em tensões de confinamento menores do que o crítico, as fibras deslizam durante a deformação, e em tensões de confinamento mais altas do que o crítico, esticam ou rompem. Assumindo um critério de rendimento de Mohr-Coulomb, a envoltória de solo reforçado é paralela ao de solo não reforçado acima da tensão crítica de confinamento, conforme Figura 3.5. 14 Figura 3.5 - Efeito da inclusão de fibras na envoltótia de ruptura da areia (Modificado de Maher & Gray, 1990). Para tensões confinantes baixas, a inclusão de fibras afeta a parcela atritiva da resistência. Para tensões maiores existe um ponto que define uma clara mudança no mecanismo de interação solo-fibra a partir da qual a parcela atritiva atinge o mesmo patamar do solo sem reforço, correspondendo à alteração de comportamento somente à parcela coesiva. A tensão de confinamento correspondente à mudança no mecanismo de interação solo-fibra é então definida como a tensão de confinamento crítica, caracterizando o ponto onde a resistência ao cisalhamento, desenvolvida na interface solo-fibra, se iguala ou supera a resistência à tração da fibra. Abaixo da tensão crítica, a resistência última à tração da fibra é maior e a forma de ruptura nas zonas de cisalhamento do material compósito se dá por deslizamento entre solo e fibra (Maher & Gray, 1990). Assim sendo, tendo em vista a Equação 6 da resistência à tração mobilizada por unidade de área do solo (tR), no modelo Maher & Gray (1990), a concentração das fibras no plano de cisalhamento é dada pela Equação 9. ( ) (9) Em que, AR: área total de reforço; A: área da superfície de ruptura; Ns: número médio de fibras atravessando uma unidade de área; D: diâmetro da fibra. 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝐶𝑜𝑛𝑓𝑖𝑛𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑇 𝑒𝑛 𝑠ã 𝑜 𝑃 𝑟𝑖 𝑛 𝑐𝑖 𝑝 𝑎 𝑙 𝑀 𝑎 𝑖𝑜 𝑟 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑒 𝐶𝑜𝑛𝑓𝑖𝑛𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐶𝑟í𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑆𝑜𝑙𝑜 𝐴𝑟𝑒𝑛𝑜𝑠𝑜 𝑅𝑒𝑓𝑜𝑟ç𝑎𝑑𝑜 𝑆𝑜𝑙𝑜 𝐴𝑟𝑒𝑛𝑜𝑠𝑜 𝑠𝑒𝑚 𝑅𝑒𝑓𝑜𝑟ç𝑜 𝐸𝑛𝑣𝑜𝑙𝑡ó𝑟𝑖𝑎 𝑃𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑎 𝑅𝑒𝑓𝑜𝑟ç𝑜𝑠 𝑒𝑠𝑡𝑖𝑐𝑎𝑚 𝑜𝑢 𝑟𝑜𝑚𝑝𝑒𝑚 𝐸𝑛𝑣𝑜𝑙𝑡ó𝑟𝑖𝑎 𝑁ã𝑜 𝑃𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑎 𝑅𝑒𝑓𝑜𝑟ç𝑜𝑠 𝑑𝑒𝑠𝑙𝑖𝑧𝑎𝑚 15 No caso do deslizamento de fibras, Waldron (1977) assumiu uma distribuição de tensão triangular para as tensões de tensão desenvolvidas na fibra, demostrando a Equação 10. (10) Em que, ζR: tensão de tração desenvolvida na fibra no plano de cisalhamento; ηR: tensão de cisalhamento na superfície da fibra (= ζconf tan δ); δ: ângulo de atrito entre solo e fibra (em graus); L: comprimento das fibras; D: diâmetro das fibras. Substituindo as Equações 9 e 10 em 6, obtem-se a 11. No modelo, o cálculo da contribuição das fibras para a resistência ao cisalhamento são dados pelas Equações 12 e 13. ( ) [ ( )] ( ) (11) Para : ( ) [ ( )]( )( ) (12) Para : ( ) [ ( )]( )( ) (13) Em que, Ns: número médio de fibras atravessando uma unidade de área; D: diâmetro das fibras; ζcrit: tensão confinante crítica (ver Figura 3.5); δ: ângulo de atrito entre solo e fibra (em graus); θ: ângulo de distorção de cisalhamento; ϕ: ângulo de atrito interno da areia; ζ: coeficiente empírico que leva em conta a granulometria da areia e as propriedades das fibras, entre elas a relação L/D. 16 Al-Refeai (1986) com o estudo do efeito de fibra de reforço, utilizando diferentes tipos de solos granulares e fibras, observou que o resultado mais significativo em areia fina com partículas subarredondados do que em meio de areia com grãos médios e partículas subangulares, e que a tensão crítica diminui com o aumento da razão de forma da fibra (L/D). Maher & Gray (1990) previram razoavelmente bem o aumento da resistência do solo reforçado com fibras, distribuído aleatoriamente. No entanto, a largura da zona de cisalhamento (z), que afeta significativamente o aumento de força não foi determinada para o solo reforçado. Shewbridge & Sitar (1990) aferiram esse mecanismo de desenvolvimento da zona de cisalhamento de um solo granular reforçado com vários tipos de fibras. Foram realizados ensaios em equipamento de cisalhamento direto com dimensões maiores que as convencionais. Para o solo reforçado, a zona de cisalhamento era mais larga e aumentava com a concentração, rigidez e aderência entre o solo e o reforço. Fatani et al. (1991) realizaram ensaios de cisalhamento direto para avaliar o comportamento de uma areia siltosa reforçada com fibras metálicas flexíveis, semi- rígidas e rígidas. A influência da orientação das fibras segundo o plano de cisalhamento foi investigada. Reforços posicionados a 90° em relação ao plano de cisalhamento e distribuídos aleatoriamente foram mais efetivos no aumento da resistência. Maher & Ho (1993) estudaram o comportamento de uma areia artificialmente cimentada reforçada com fibras de vidro distribuídas aleatoriamente. Ensaios triaxiais foram executados sob carregamento estático e cíclico. A inclusão das fibras aumentou significativamente a resistência de pico da areia cimentada. O aumento do comprimento e do teor de fibras aumentou a resistência a baixas tensões de confinamento e o índice de fragilidade, porém, houve uma redução com o acréscimo da tensão de confinamento. Houve aumento na capacidade de absorção de energia, no intercepto coesivo e no ângulo de atrito interno, e de forma significativa na resistência à tração da areia cimentada. Com a adição das fibras também houve um aumento do número de ciclos e da magnitude das deformações necessárias para causar a ruptura da areia cimentada. Esperava-se que a orientação das fibras fosse, em média, perpendicular ao plano de ruptura de cisalhamento nos ensaios de compressão triaxial. Mas, observou-se que o plano de ruptura era o mesmo dado pelo critério de ruptura de Mohr-Coulomb, i.e., num ângulo de (45º+ϕ/2) (RANJAN et al., 1996). 17 Além disso, a orientação média esperada das fibras foi estatisticamente predita para ser perpendicular ao plano de ruptura de cisalhamento. E, no caso de solos reforçados com fibras distribuídos aleatoriamente, a posição, a direção e o número de fibras em qualquer plano são difíceis de determinar (RANJAN et al., 1996). Ranjan et al. (1996) propuseram um modelo empírico para a resistência de areias reforçadas com fibras discretas de Gray & Ohashi (1983), baseado em uma análise de regressão múltipla de inúmeros resultados de ensaios triaxiais. Segundo os autores, a resistência ao cisalhamento do solo reforçado é dada em função da porcentagem de fibras em função do peso seco de solo, razão de forma da fibra, coeficiente de atrito superficial e ângulo de atrito interno do solo, dada pela Equação 14. 1 ( 3) (14) Em que, wf: porcentagem de fibras em função do peso seco de solo; L/D: razão de forma da fibra; μ: coeficiente de atrito superficial; ϕ: ângulo de atrito interno do solo; ζ3: tensão confinante na câmara triaxial. Esta pode ser transformada na Equação 15: 1 ( 3) (15) Com coeficientes e determinados pelas Equações 16 e 17 respectivamente. (16) (17) Em que, f *: coeficiente de fricção superficial; f: coeficiente de fricção do solo; ζN: tensão vertical; 18 c: coesão do solo; δ: ângulo de atrito entre solo e fibra (em graus); ϕ: ângulo de atrito interno do solo. As Equações 18 e 19 foram encontradas pelos autores: Para : 1 ( ) ( ) ( ) ( )1 1 ( 3) (18) Para : 1 ( ) 3 ( ) ( ) ( ) ( 3) 3 (19) Em que, wf: porcentagem de fibras em função do peso seco de solo; L/D: razão de forma da fibra; f *: coeficiente de fricção superficial; f: coeficiente de fricção do solo; ζ3: tensão de confinanto médio na câmara triaxial. Bueno et al. (1997) destacou que há, notadamente, ganho significativo de coesão de intercepto que nem sempre é acompanhado por melhoria no ângulo de atrito interno do solo. Destacou, ainda, que a incorporação de fibras também afeta, levemente, a permeabilidade dos solos, reduz o coeficiente de permeabilidade dos solos mais permeáveis e provoca efeito inverso nos menos permeáveis. Teodoro (1999) com o estudo envolvendo reforço de uma areia siltosa com fibras de polipropileno observou um aumento da resistência com o aumento do comprimento das fibras, sendo o comprimento máximo igual a 30 mm. Enquanto para um solo argiloso, o máximo de resistência foi alcançado para um comprimento de 15 mm. Specht (2000) avaliou os efeitos da inclusão de fibras poliméricas de diferentes propriedades mecânicas, uma delas em forma de filamentos e a outra fibrilada – tipo malha formada por pequenos filamentos unidos, em condições de carregamento estático e dinâmico, sobre as propriedades de resistência e deformação de um solo residual artificialmente cimentado. Ambas as fibras aumentaram a ductilidade e tenacidade do compósito, as fibras de caráter extensivo (em forma de filamentos), se mostraram mais 19 efetivas na melhoria das características de pós-ruptura do compósito, aumentando de forma expressiva a tenacidade, a ductilidade e a vida de fadiga dos compósitos, e as fibras do tipo fibriladas, que apresentam caráter inextensível, foram mais efetivas na redução da deformação e no aumento de resistência de pico. Já o efeito da inclusão de fibras foi mais evidente para comprimentos maiores. Foram dimensionadas estruturas de pavimento semi-rígido onde se observou uma significativa redução na espessura da camada cimentada quando se utilizaram reforços fibrosos em forma de filamentos (SPECHT, 2000). Santoni et al. (2001), com o objetivo de identificar e quantificar o efeito de inúmeras variáveis sobre o desempenho de amostras de areia estabilizada por fibras discretas orientadas aleatoriamente, realizaram testes laboratoriais isolando seus efeitos, entre elas, tipo de areia, tipo de fibra, comprimento da fibra, denier de fibra (den) que corresponde ao peso em gramas de 9.000 metros do fio, e taxa de dosagem de fibras. Cinco principais achados foram obtidos: (1) A inclusão das fibras melhorou a resistência à compressão não confinada das areias; (2) Foi identificado um comprimento ótimo de fibra de 51 mm (2") para o reforço de amostras de areia; (3) O desempenho máximo foi alcançado a uma taxa de dosagem de fibra entre 0,6% e 1,0% em peso seco; (4) O desempenho do material foi aprimorado em condições ótimas úmidas e secas. (5) Finalmente, a inclusão de até 8% de silte não afeta o desempenho do reforço de fibra. Algumas pesquisas envolvem o uso de fibras aleatórias para melhorar a ductilidade de solos estabilizados por cimento. Conforme Montardo et al. (2002) e Consoli et al. (2002, 2003, 2005, 2009a, 2009b), o reforço de fibras aumenta o pico e a resistência ao cisalhamento residual do solo tratado com cimento e reduz sua fragilidade. Casagrande (2005) realizou ensaios de prova de carga em placa com o objetivo de investigar a contribuição de fibras de polipropileno na mobilização de resistência de um solo arenoso fino, para diferentes níveis de densidade de compactação. Os resultados mostraram que as camadas compactadas com maior densidade apresentaram características relacionadas ao mecanismo de ruptura generalizada e para as menores densidades foi observada ruptura localizada, constituída por superfícies de deslizamento em forma de cunha, que se iniciaram junto às bordas da placa, com um levantamento expressivo do solo ao redor desta após grandes deslocamentos. Foi verificado que a inclusão do reforço fibroso melhorou significativamente a resposta do solo e a variação da densidade relativa das camadas teve um forte efeito sobre a resistência do material reforçado com fibras, onde o ganho de resistência era mais 20 pronunciado, quanto mais densa fosse a mistura. Segundo o autor, as fibras inibem a propagação de fissuras, distribuindo as tensões em uma área maior, conseqüentemente, o acréscimo de resistência pela adição das fibras ao solo se deve à inibição da formação e propagação de possíveis bandas de cisalhamento (CASAGRANDE, 2005). Trindade et al. (2006) ao analisarem o comportamento mecânico da mistura de um solo residual jovem de textura predominantemente arenosa reforçada com fibras de polipropileno, com vistas à aplicação em estradas florestais, determinou, mediante os resultados de ensaios de compressão não confinada, realizados em corpos-de-prova compactados na energia do ensaio Proctor normal, que o quantitativo de 0,75% de fibras com 20 mm de comprimento foi a combinação responsável pelo maior ganho de resistência, entre comprimentos de 10, 15, 20 e 30 mm, com largura de 1,2 mm e espessura de 0,016 mm (massa linear de 0,1168 g/m). Com a mistura solo–fibra composta por esta combinação, foram realizados ensaios triaxiais do tipo CID saturados (concolidado drenado com trajetória de tensões durante a fase de consolidação isotrópica), em corpos-de-prova compactados na energia anteriormente referida. Através desta pesquisa, foi possível avaliar: a influência da variação da umidade nos parâmetros de resistência mecânica do solo e das misturas solo– fibra e a influência das fibras nos parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo em estudo. Analisando os resultados, pôde-se concluir que o uso de fibras de polipropileno promoveu um ganho da ordem de 110% na resistência à compressão não confinada e de 560% na coesão de intercepto do solo estudado. Uma constatação que surge de estudos experimentais de laboratório é a de que a presença das fibras modifica o comportamento dos solos, gerando um material mais dúctil, mais coesivo e levemente mais compressível (TRINDADE et al., 2006). Diambra et al. (2010) através de testes triaxiais convencionais em areia reforçada com fibras de polipropileno curtas (35 mm de comprimento, 0,1 mm de diâmetro e peso 50 den) observaram contribuição notável na resistência a compressão, embora limitadas na extensão, confirmando a dependencia principal da sua orientação em relação às tensões de tensão. Os autores ainda propuseram uma abordagem de modelagem para acoplar os efeitos das fibras com o comportamento tensão-deformação do solo não reforçado. Sendo necessário definir uma matriz de rigidez de fibra, assumiram na investigação que as fibras trabalham em seu domínio elástico, considerando qualquer distribuição das orientações. A matriz de rigidez da areia basiou-se no modelo de Mohr- Coulomb, embora pudessem ser utilizados modelos mais elaborados. 21 Botero et al. (2015) propuzeram um método de reutilização alternativo para certos tipos de resíduos plásticos. Fibras discretas de PET processadas de garrafas e recipientes usados para armazenamento de líquidos por uma empresa de reciclagem, com 15μm de diâmetro e 50mm de comprimento, foram misturadas aleatoriamente com solo siltoso. Em seguida, foram realizados testes triaxiais não consolidados e não drenados em amostras de solo com conteúdo de fibra de 0,0; 0,1; 0,3; 0,6 e 1,0% em relação à massa seca do solo. As amostras reforçadas apresentaram um aumento da resistência ao cisalhamento associado às quantidades crescentes da fibra. Além disso, o solo reforçado teve maior capacidade de deformação, o que pode ser uma característica positiva em alguns casos já que poderia reduzir o risco de formação de fissuras em determinadas camadas do solo para problemas geotécnicos específicos. 3.2 Polímeros 3.2.1 Definição Os polímeros são materiais orgânicos ou inorgânicos, naturais ou sintéticos, formados essencialmente por macromoléculas constituídas por unidades que se repetem de dezenas a milhares de vezes, ao longo de uma sequência em cadeia. Em grego, poli significa muitas e, mero, partes (unidades repetitivas). O monômero é uma molécula simples, pelo menos bifuncional, que em condições adequadas dá origem à unidade de repetição (mero) das muitas cadeias poliméricas que formam o polímero. Dessa forma, a união por covalência desses meros, forma as macromoléculas. Polímeros, portanto, são substâncias formadas por moléculas gigantes (macromoléculas), formadas por unidades simples que se repetem por todo o comprimento da molécula. E suas características são definidas a partir do tipo de macromoléculas, seus pesos moleculares e suas formas de interação. As condições adequadas para que os monômeros formem polímeros são fornecidas pelas reações do processo químico denominado polimerização (LODI, 2003). A polimerização, reação de um ou mais monômeros visando obtenção ou síntese de um polímero, que forma um polímero com uma única unidade de repetição é chamada homopolimerização e o polímero sintetizado é denominado de homopolímero. E copolimerização é aquela envolvendo dois ou mais monômeros, desde que resulte em cadeias poliméricas formadas por dois ou mais meros (duas ou mais unidades de repetição), sendo o polímero obtido chamado copolímero (LODI, 2003). 22 3.2.2 Matérias-primas As principais fontes de matéria-prima, para os polímeros podem ser divididas em três grupos: produtos naturais, hulha e, petróleo; conforme Lodi (2003), descritas a seguir. Dentro do grupo dos produtos naturais, encontra-se a celulose que através de reações de adição resulta no nitrato de celulose, acetato de celulose e o acetato butirato de celulose. Outro exemplo é a borracha natural donde se obtém o látex que consiste numa emulsão da borracha em água. Outros produtos naturais que podem produzir polímeros são o óleo de mamona na produção de nylon 11 e o óleo de soja na produção de nylon 9. A hulha (carvão mineral) após destilação seca produz gás de hulha de onde é possível separar o etileno (para a produção dos polietilenos) e metano (que servirá para produzir formaldeído e consequentemente, resinas fenol-formaldeído, uréia-formaldeído e melamina-formaldeído). Do coque do alcatrão de hulha obtém-se acetileno (via reação CaO) que com água, por hidrogenação, produz etileno, ou por reação com ácido clorídrico (HCl), produz cloreto de vinila (para a produção do Poli cloreto de vinila – PVC). Enfim, o petróleo aparece como a fonte mais importante de todos os produtos naturais. Após a destilação, a que interessa é a nafta. Essa fração irá gerar várias outras contendo moléculas saturadas e insaturadas após sofrer um processo de craqueamento térmico apropriado. As moléculas insaturadas (etileno, propileno, butadieno, buteno, isobutileno, aromáticos, etc.) são separadas e aproveitadas para a síntese de polímeros. 3.2.3 Termoplásticos e Plásticos Termofixos (Termorrígidos) Os plásticos e elastômeros são os materiais poliméricos mais importantes na indústria. Plásticos consistem de um grande e variado grupo de materiais sintéticos que são processados por conformação ou moldagem em formas. Esses podem ser divididos em duas classes, termoplásticos e termofixos, dependendo de como são ligados quimicamente e estruturalmente. E elastômeros ou borrachas podem ser elasticamente deformados em grandes quantidades quando uma força lhes é aplicada, podendo retornar a sua forma original (ou quase) quando a força é liberada. Termoplásticos requerem calor para fazê-los moldáveis e, após o resfriamento, retêm a forma na qual foram moldados, podendo ser reaquecidos e moldados novamente em novas formas, em um número sucessivo de vezes, sem troca significante nas suas 23 propriedades mecânicas, diferente dos plásticos termofixos (termorrígidos), desenvolvidos em formas permanentes e curados ou “unidos” por reações químicas, não podendo ser refundidos e remoldados em outras formas por se degradarem ou se decomporem quando aquecidos a temperaturas muito altas (SMITH & HASHEMI, 2009). 3.2.4 Politereftalato de Etileno (PET) O PET é um termoplástico da família do poliéster, quimicamente inerte e semicristalino, desenvolvido em 1941 pelos químicos ingleses J. R. Whinfield e J. T. Dickson. Atualmente, o PET é usado principalmente na indústria de embalagens. A Tabela 3.1 mostra alguns valores das características mecânicas do PET em contraposição ao PVC e ao aço, materiais consagrados na engenharia. Tabela 3.1 - Características Mecânicas do PET. Materiais Resistência Impacto (Kgf.mm/mm) Resistência Tração (MPa) Resistência Compressão (MPa) Módulo de Elasticidade (GPa) Along. Ruptura (%) PET 3,00-6,00 166-906,3 109,3-110,7 4,1-14,0 6,1-52,3 PVC 3,75-4,55 31,2-40,7 53,0-68,2 2,77-8,6 4,6-41,6 AÇO 545,30 140,1-1000 1002-1167 20,0 21,5-24,6 Fonte: Callister (1994); Mano (1991); ABIPET (2013). Segundo Mancini & Zanin (1999), a produção de PET foi inicialmente introduzida como uma fibra sintética e cresceu rapidamente após o desenvolvimento da pós-polimerização em estado sólido, uma técnica que aumenta a viscosidade do PET, tornando-a mais adequada para moldagem por sopro de garrafas de refrigerante descartáveis nº 1-2. A espessura das embalagens é usualmente definida pela indústria “utilizadora”. Como regra geral para as garrafas sem retorno é exigida uma espessura mínima de 0,25 mm (ABIPET, 2013). A coloração é atribuída através de pigmentos líquidos ou sólidos com a entrada da resina na garganta da injetora. A mesma não influencia na resistência da garrafa PET e tem apenas caráter estético (SANTOS, 2005). A indústria de fabricação de garrafas comumente usa três tipos de PET. O primeiro homopolímero PET é polimerizado numa proporção 1:1 de ácido tereftálico (TPA) e etilenoglicol (EG) ou tereftalato de dimetila (DMT) e etilenoglicol (EG), 24 ilustrada na Figura 3.6. O segundo, conhecido como copolímero PET, é polimerizado com excesso de TPA (não mais de 3% mol) ou 1,4-ciclo-hexanodimetanol (até 5% mol), sendo o material mais adequado para a moldagem por sopro em alta velocidade. O terceiro tipo, PETG (politereftalato de etileno glicol), é um copoliéster obtido da polimerização de DMT com 15-34% mol de 1,4-ciclo hexanodimetanol, usado principalmente para cartões de crédito e monitores (MANCINI & ZANIN, 1999). Antes da garrafa pronta, como a conhecemos nos mercados, é necessário produzir uma pré-forma (pre-form). Trata-se de uma peça em forma de tubo, com rosca, que será, posteriormente, soprada para chegar ao formato final do produto, um frasco, um pote, uma garrafa e a absoluta maioria das embalagens de PET existentes. A produção das Preformas de PET é normalizada pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) através da NBR 15588/2008. Figura 3.6 - Formação polímero PET a partir dos monômeros TPA ou DMT, e EG. 25 3.2.5 Resíduo de PET no Meio Ambiente O sistema econômico atual é baseado na produção e consumo em massa, e um dos grandes problemas relacionado a este consumo é a administração dos resíduos gerados. Alguns compostos representam um desafio maior ao serem descartados. Historicamente, 90% do consumo de PET no Brasil é utilizado para a produção de embalagens para bebidas e alimentos (refrigerantes, água, óleo comestível etc.). E ainda segundo o último panorama da Associação Brasileira de indústria de PET, divulgado em 2013, este montante alcançou 515 Ktons (1 Kton = 1000 toneladas) de um consumo total aparente de 572 Ktons. O consumo de embalagens PET entre 2008 e 2009, e a evolução desde o ano 2000 com previsão para 2014 e 2016, anos da Copa do Mundo e Olímpiadas respectivamente, estão discriminados na Tabela 3.2 e Figura 3.7. Tabela 3.2 - Descrição do consumo de embalagens PET no Brasil entre 2008 e 2011 (em Ktons). Resina PET para Embalagens (Ktons) 2008 2009 2010 2011 Vendas Domésticas + Importação 410,4 422 456 268 Exportação Pre-forms (PET) 75,4 99,8 105 104 Importação Pre-forms (PET) 4,9 1,7 2,0 2,0 Consumo Aparente Brasil = Produção interna + Importação - Exportação 485,8 521,8 561 572 Fonte: Modificado de ABIPET (2013). Figura 3.7 - Histórico do consumo aparente de embalagens PET no Brasil entre 2000 a 2011, e previsões para 2014 e 2016 (em Ktons) (Modificado de ABIPET, 2013). y = 1E-62e0.074x R² = 0.992 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016C o n su m o a p ar en te d e em b al ag en s P E T ( K to n s) Ano (*) Valores estimados * * 26 A relação volume/ peso de resíduos PET é maior do que a maioria dos resíduos sólidos em aterros, o que resulta em um aumento da taxa de enchimento. Os plásticos ainda dificultam a compactação e prejudicam a decomposição dos materiais biodegradáveis. Logo se gera a necessidade de construir mais aterros sanitários. Consequentemente, a falta de espaço disponível para aterros é um problema. Pelo fato das garrafas recicladas não poderem ser reutilizadas em contato com bebidas, alimento, remédios, brinquedos e materiais hospitalares, seu reuso fica restrito, aumentando o descarte final do produto. Diante da constante busca pelo desenvolvimento sustentável, no setor da engenharia civil, a reciclagem se torna uma grande aliada para a diminuição dos impactos ambientais gerados pela exploração desordenada dos recursos naturais e pelo constante descarte dos resíduos em aterros sanitários municipais. O uso dos plásticos “pós-consumo” não tem apenas como proposta a diminuição dos resíduos sólidos dispostos nos aterros, mas a aplicação deste material em substituição a outros materiais tradicionais de engenharia, desde que possua viabilidade técnica e econômica. Do ponto de vista ambiental, a aplicação dos materiais recicláveis reduz a exploração das jazidas de materiais de construção. Este procedimento minimiza os problemas ambientais causados por esta exploração. 3.2.6 Reciclagem de PET A reciclagem não é somente uma questão de recuperar o material reciclável, mas a possibilidade de gerar ganhos econômicos (BIDLLE, 1993). A Reciclagem das embalagens de PET “pós-consumo” criou, em menos de 20 anos, todo um setor industrial. Essa indústria baseou-se, desde seu princípio, nas regras determinadas pelo próprio mercado: oferta e procura. Assim, ao criar e desenvolver aplicações para a matéria-prima resultante do processo de reciclagem das garrafas usadas, a Indústria do PET determinou uma forte demanda pela sucata. No Brasil e em qualquer lugar do mundo onde a reciclagem do PET aconteça, a indústria têxtil é a maior usuária do insumo. Mas somente no Brasil, entretanto, a diversidade de usos permite que o valor pago pela sucata seja altamente atrativo o ano todo, o que mantém em atividade muitas empresas que comercializam o material, bem como inúmeras Cooperativas e seus catadores, permitindo que a rentabilidade destas 27 permaneça em patamares aceitáveis, garantindo remuneração justa aos trabalhadores e a despeito da ausência de sistemas de coleta seletiva (ABIPET, 2013). A Indústria Recicladora do PET no Brasil é economicamente viável, sustentável e funcional. Cerca de um terço do faturamento de toda a Indústria Brasileira do PET provém da reciclagem. Geram-se impostos, empregos, renda e todos os demais benefícios de uma indústria de base sólida. Seu crescimento anual constante, em média superior a 11% desde 2000, permite planejar novos investimentos, incrementados e incentivados pela criação de novos usos para o PET reciclado (ABIPET, 2013). O Décimo Censo da Reciclagem de PET no Brasil revelou que 274 mil toneladas de embalagens PET são destinadas à reciclagem, ou seja, 51% do total (ABIPET, 2016). A produção e uso das garrafas em si já trazem vários benefícios para o meio ambiente. Sua reciclagem potencializa esses benefícios, pois a matéria-prima reciclada substitui material virgem em muitos outros produtos, economiza recursos naturais, água e energia. 28 4 MATERIAIS E MÉTODOS Neste Capítulo estão descritas as etapas subsequentes realizadas. Primeiramente são apresentados os locais de coleta das amostras. Na sequência, estão os ensaios de caracterização e respectivas normas. Em seguida, está descrita a preparação das fibras. Depois, têm-se a descrição dos ensaios de compressão simples e cisalhamento direto. E por fim, dois casos hipotéticos de aplicação dos resultados. 4.1 Coleta de Amostras O campo experimental da UNESP de Bauru, SP, onde foram retiradas as amostras de solo arenoso e realizados os ensaios, está situado entre a Avenida Engenheiro Edmundo Carrijo Coube e a Rodovia Estadual Comandante João Ribeiro de Barros km 223, com coordenadas 22º21'6.03''S; 49º01'57.68''O, destacado na Figura 4.1. Figura 4.1 - Imagem de satélite do ponto de coletas de amostras em Bauru, SP. 29 A coleta seguiu as recomendações estabelecidas pela NBR 9604/1986, sendo o local composto por um depósito de solo arenoso de origem coluvionar coberto de vegetação arbórea, amplamente estudado em campo e laboratório através de sondagens, abertura de poços exploratórios para a retirada de amostras de solo e caracterização em diferentes profundidades, ensaios de condutividade hidráulica, edométricos, compressão uniaxial, compressão triaxial convencionais e com sucção controlada, entre outros, conforme experiência acumulada em pesquisa realizada por Fagundes (2014), Fernandes (2016), Castro (2016) e Saab (2016) pelo Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil da UNESP. Já as amostras de solo argiloso foram retiradas de uma jazida superficial no trevo antes do pedágio do município de Pederneiras, SP, Figura 4.2, na Rodovia Comandante João Ribeiro de Barros km 202, sentido Bauru-Jaú, coordenadas 22º19'52.5''S; 48º45'32.26''O. Figura 4.2 - Imagem de satélite do ponto de coletas de amostras em Pederneiras, SP. 4.2 Caracterização A caracterização das amostras de solos foi realiza através dos ensaios de granulometria seguindo as recomendações da ABNT NBR 7181/1984, limites de consistência conforme a NBR 6459/1984 (limite de liquidez) e NBR 7180/1984 (limite de plasticidade), compactação de acordo com as NBR 6457/2016 e NBR 7182/2016 e massa específica dos sólidos segundo a NBR 6508/1984. 30 4.3 Preparação das Fibras As fibras provêm de garrafas de dois litros de PET da marca Coca-Cola® com espessuras médias de 0,25 mm. Antes serem cortadas nos comprimentos de interesse 10, 15, 20 e 30 mm, as garrafas de PET foram higienizadas em água corrente, secas e passadas por um filetador, facilitando sua transformação em fios de largura 1,5 mm, conforme Figura 4.3. As tampas, fundos e rótulos dos materiais foram adequadamente dispostos para a coleta e reciclagem. Figura 4.3 - Etapas da preparação das fibras PET. 4.4 Ensaio de Compressão Simples O ensaio de compressão simples visa à determinação da resistência a compressão simples (não confinada), i.e., valor da pressão correspondente à carga que rompe um corpo de prova cilíndrico de solo ou compósito submetido a um carregamento axial. Esse ensaio é normatizado pela ABNT NBR 12770/1992. Quando não se atinge uma carga máxima de ruptura, essa é dada pelo valor da pressão correspondente a carga na qual ocorre deformação específica do corpo de prova de 20%, relação entre o decréscimo de altura que sofre o corpo de prova pela aplicação de carga e sua altura inicial. 31 4.4.1 Preparação dos Corpos de Prova Para a avaliação da resistência não confinada dos compósitos solo arenoso-fibra e solo argiloso-fibra com diferentes dosagens e comprimentos de fibra, bem como dos solos sem reforço, foram ensaiados corpos de prova moldados por compactação estática em molde cilíndrico com diâmetro de 5 cm e altura de 10 cm, com os parâmetros ótimos obtidos dos ensaios de compactação Proctor normal (GC = 100%) dos solos sem reforço. Em geral, os ensaios de laboratório podem ser realizados com amostras de tipo indeformado e com amostras reconstituídas em laboratório, segundo diferentes técnicas, das quais a compactação estática e a dinâmica se constituem em duas das opções mais utilizadas. Afim de comparação do comportamento mecânico entre solos sem reforço e compósitos solo-fibra manteve-se o uso de amostras indeformadas na confecção de corpos de prova, no caso, por compactação estática, após ensaios preliminares com compactação dinâmica dificultarem o entalhe e impossibilitarem a constância do valor do teor de fibras em cada camada dos corpos de prova. A quantidade de fibra adicionada aos solos foi determinada em relação à massa de solo seco, dada em porcentagens: 0; 0,25; 0,5; 0,75; 1,0; 1,5 e 2%. E o peso de água calculado em relação ao peso total da matéria prima seca (solo + fibra). Sendo ensaiados três corpos de prova para cada combinação comprimento - teor de fibra, bem como para os solos sem reforço. Retira-se um valor médio para cada, totalizando 150 ensaios, conforme síntese apresentada na Tabela 4.1. Tabela 4.1 - Síntese dos ensaios de compressão simples. Solo Teor de Fibra (%) Comprimento de Fibra (mm) Combinações Nº de ensaios Total Arenoso 0; 0,25; 0,5; 0,75; 1,0; 1,5 e 2 10; 15; 20; 30 25 75 150 Argiloso 25 75 Os componentes (solo, fibra e água) foram pesados na balança com resolução de 0,01 gf e adicionados em um recipiente na sequência: Massa de solo necessária para atingir a massa específica seca máxima no cilindro mais 50 g devido às cápsulas para medição de umidade, previamente passado na peneira nº 10, abertura 2 mm; Fibras; e Água necessária para atingir a umidade ótima. A sequência permite a homogeneização dos componentes secos da mistura, antes de ser acrescentada a água. 32 A homogeneização da mistura (Figura 4.4) foi feita com uma espátula de aço triangular, sendo verificada visualmente. Em seguida a mesma é passada pela peneira com abertura 4,75 mm. Processo ágil para evitar perdas de umidade por evaporação. Figura 4.4 – Processos de mistura e homogeneização solo fibra. Na etapa de moldagem, a amostra foi compactada em três camadas no interior do molde cilíndrico metálico. O controle da densidade foi feito monitorando-se a altura de cada camada e o de umidade pelo método da estufa. Colocou-se esse molde na base do soquete compactador com um papel filtro no fundo, passando-se vaselina em seu interior, encaixando-se a camisa cilíndrica; e em seguida, adicionando-se a primeira camada de solo ou mistura solo fibra previamente calculada para a camada. Golpeia-se 5 a 7 vezes conforme necessidade, e escarifica-se o topo da camada (Figura 4.5). Repete-se o processo para as outras camadas. Finalmente, retira-se o corpo de prova do molde com auxílio de um macaco hidráulico. Figura 4.5 – Processos de moldagem dos corpos de prova de compressão simples por compactação estática. 33 4.4.2 Execução do Ensaio O ensaio de compressão simples consiste na solicitação de corpos de provas sem confinamento por meio de aplicação de carga axial, podendo ser executado de duas maneiras, controlando-se a velocidade de deformação do corpo de prova e medindo-se a deformação correspondente (deformação controlada), ou controlando-se a carga aplicada ao corpo de prova e medindo-se a deformação correspondente (carga controlada). Os ensaios mais usuais são efetuados em prensas de deformação controlada. Em sua preparação, coloca-se o corpo de prova sobre o prato inferior do aparelho, Figura 4.6, centrando-o devidamente; ajusta-se o prato até que a superfície superior do corpo de prova estabeleça contato com o equipamento e zera-se o extensômetro que mede as deformações do corpo de prova e o que mede as cargas aplicadas a este. Figura 4.6 - Prensa do ensaio de compressão simples. 34 A compressão do corpo de prova é iniciada controlando-se a velocidade de deformação de modo que esta esteja compreendida no intervalo de 0,5 a 2,0% de deformação específica por minuto, devendo ser ajustada para não ultrapassar 10 minutos. As deformações do corpo de prova (leituras verticais) são lidas e anotadas a cada 20 segundos, simultaneamente, às leituras da mola. Prossegue-se o ensaio até que seja ultrapassado o ponto máximo da curva Tensão- Deformação, isto é, até que seja bem definida a ruptura do corpo de prova. E no caso de não existir uma carga máxima de ruptura, continua-se o ensaio até se atingir uma deformação específica de 20%. 4.5 Ensaios de Cisalhamento Direto A obtenção da envoltória de resistência de um solo passa pela preparação de vários corpos de prova moldados em condições idênticas. Cada corpo de prova é solicitado segundo uma determinada taxa de deformação controlada (medem-se as tensões provocadas) ou segundo tensões controladas (medem-se as deformações produzidas pelas cargas). Obtém-se uma curva tensão-deformação, a qual convenientemente interpretada fornece tensões que permitirão, num plano de tensões adequado, a definição da envoltória de resistência. A resistência ao cisalhamento é basicamente um fenômeno de atrito e, portanto, a mesma depende predominantemente da tensão normal ao plano de cisalhamento. Durante o ensaio, esquematizado na Figura 4.7, faz-se variar a tensão normal ζ, medindo-se a respectiva tensão cisalhante η na ruptura. Transdutor de força Força cisalhante Força normal Pedras porosas Rolamentos Plano de ruptura  v Figura 4.7 - Esquema do Ensaio de cisalhamento direto. 𝐹𝑜𝑟ç𝑎 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙 𝑃𝑒𝑑𝑟𝑎𝑠 𝑃𝑜𝑟𝑜𝑠𝑎𝑠 𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑑𝑢𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝐹𝑜𝑟ç𝑎 𝐹𝑜𝑟ç𝑎 𝐶𝑖𝑠𝑎𝑙ℎ𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑃𝑙𝑎𝑛𝑜 𝑑𝑒 𝑅𝑢𝑝𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑅𝑜𝑙𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝑠 𝛿𝐻 𝛿𝑉 𝐴𝑚𝑜𝑠𝑡𝑟𝑎 35 O ensaio de cisalhamento direto é normatizado pela American Society For Testing And Materials ASTM D3080/ 2004. O corpo de prova é colocado num recipiente (célula) formado de dois moldes, circulares ou quadrados, iguais e superpostos. Uma das partes permanece fixa na prensa e a outra é livre para mover-se e aplicar tensões cisalhantes ao solo. Sobre o corpo de prova são aplicadas tensões normais que permanecem constantes até o final do ensaio, a partir de cargas de massa 1, 2, 4 e 8 kg. Essas tensões variam para cada corpo de prova, com o intuito de poder definir pares de tensões dife