Ensaios de Palheta (“Vane Test”)

Equipamentos

A parte essencial do aparelho é uma palheta que consiste em um eixo de aço no qual estão soldadas quatro aletas finas e retangulares. As palhetas usuais têm uma altura igual a 130mm e um diâmetro de 65mm (altura igual ao dobro do diâmetro). No entanto, admite-se também palhetas com diâmetros de 55mm e 88mm. A palheta é ligada a uma haste de aço, capaz de suportar os torques aplicados. A haste conduz a palheta até a profundidade de realização do ensaio.

O equipamento é composto de uma “mesa” fixada à boca do revestimento, onde estão os dispositivos para a aplicação de um momento de torção à extremidade da haste. O equipamento de aplicação e medição do torque, projetado para imprimir uma rotação ao conjunto de 6º/min, deve possuir um mecanismo de coroa e pinhão acionado por manivela (Figura 2.73).

A medida do momento é feita através de anéis dinamométricos e de vários tipos de instrumentos com molas, capazes de registrar o momento máximo aplicado. Alguns instrumentos registram o momento num diagrama onde a máxima leitura é obtida por calibração do aparelho.

Figura 2.73 – Equipamento para Ensaio de Palheta “in situ” (Ortigão e Collet, 1987).

Procedimento

Apresentação dos Resultados

A idéia básica do ensaio consiste em cravar no maciço de solo uma palheta cruciforme, que é submetida ao torque necessário para que ocorra o cisalhamento do solo por rotação, em condições não drenadas.

Com o valor da força obtido, calcula-se a resistência unitária ao cisalhamento, desenvolvida pela superfície lateral do cilindro e pelas superfícies circulares correspondentes ao seu topo e base.

A instalação da palheta até a profundidade do ensaio pode ser feita por cravação estática, ou no interior de um furo aberto a trado ou, ainda, por circulação de água.

Para a primeira hipótese é necessário que não haja camadas resistentes sobrejacentes à argila a ensaiar e que a palheta esteja munida de uma sapata de proteção durante a cravação.

O ensaio propriamente dito é feito girando-se a manivela com uma velocidade tal que a velocidade transmitida à palheta seja constante e igual a 6º/min. A deformação da mola ou anel dinamométrico é lida de ½ em ½ minuto (3º em 3º). No momento em que as leituras atingem um máximo, o ensaio é suspenso.

Para a medição da resistência amolgada da argila, imediatamente após a aplicação do torque máximo, são realizadas 10 revoluções completas na palheta e o ensaio é refeito.

A Figura 2.74 apresenta curvas típicas, rotação da palheta versus momento, de ensaios em argila sensível natural e amolgada.

A relação entre o momento máximo da curva natural e o correspondente à curva amolgada define a sensibilidade da argila.

Figura 2.74 – Curvas típicas torque x ângulo de rotação em ensaios de palheta.

Com base no torque medido, é possível determinar a resistência ao cisalhamento não drenada do solo (S_u), conforme a expressão:

Onde: M = torque máximo medido;

D = diâmetro da palheta

A equação apresentada acima é adotada pela Norma Brasileira ABNT: MB 3122, e representa um caso particular, onde se assume que:

• o solo apresenta comportamento isotrópico em relação à resistência não drenada;

• a distribuição de tensões é uniforme (retangular) nas superfícies horizontais superior e inferior do cilindro resultante do cisalhamento;

• a altura da palheta é o dobro do diâmetro, H = 2D.

Para o caso de não haver interesse em utilizar a Norma Brasileira é possível seguir algumas interpretações possíveis para o ensaio de palheta, para diferentes hipóteses discutidas anteriormente. A tabela 2.11 apresenta a importância em determinar a razão de anisotropia

“b” na resistência ao cisalhamento não drenada do solo, bem como estimar o valor de “n”, que

(2.8) (2.123)

S_uD

define a distribuição de tensões nas superfícies horizontais extremas do cilindro, para dar à interpretação dos resultados maior confiabilidade.

Tabela 2.11- Interpretação do ensaio de palheta para diversas hipóteses (schanaid, 2000)

H = D

H = 2D

Dimensão da

palheta H/D Isotropia /

Anisotropia

O valor da resistência não drenada amolgada (S_ur) é obtido pela mesma equação apresentada anteriormente, porém, com o valor do torque correspondente à condição amolgada.

Com os valores de S_u e S_ur, determina-se o valor da sensibilidade da argila (S_t):

A Tabela 2.12 apresenta a classificação das argilas, proposta por Skempton e Northey (1952), de acordo com a sensibilidade.

O ensaio de Palheta é tradicionalmente utilizado para a determinação da resistência não drenada e da sensibilidade de depósitos de argilas moles.

(2.8) (2.124)

S_uS /S_{u ur}

Sensibilidade

Baixa Média

Alta Muito alta

St

2 – 4 4 – 8 8 –16

> 16

3.1 - HISTÓRICO E EVOLUÇÃO DOS GEOSSINTÉTICOS.

De acordo com o projeto de revisão da Norma Brasileira (NBR 12553/1999), geossintético é a denominação genérica de um produto polimérico, sintético ou natural, industrializado, cujas propriedades contribuem para a melhoria de obras geotécnicas, desempenhando uma ou mais das seguintes funções: reforço, filtração, drenagem, proteção, separação, impermeabilização e controle de erosão superficial.

A utilização de materiais como elemento de reforço de solos é prática comum desde antes de Cristo. Há três mil anos, os babilônios já inseriam materiais fibrosos na construção de habitações. A muralha da China, construída em 2.000a.C., possui seções de argila e cascalho reforçados com fibras naturais. Diversos materiais vegetais, constituídos de fibras resistentes, foram utilizados em obras do Império Romano. Dentre estes materiais, pode-se citar: estivas de junco, bambu, troncos de árvores, palha, etc.

No século XX, mantas de algodão foram utilizadas pelo Departamento de Estradas da Carolina do Sul (EUA) como elementos de reforço de pavimentos. Na década de 60, o engenheiro francês Henri Vidal desenvolveu o sistema “Terra Armada”, que consiste na utilização de tiras de aço galvanizado como reforço (Vidal, 1969). A partir daí, o conceito de solo reforçado difundiu-se rapidamente.

O uso de inclusões sintéticas no solo começou nos anos 50, com o desenvolvimento dos geotêxteis tecidos. No Brasil, materiais geossintéticos passaram a ser utilizados em 1971, com a fabricação do primeiro geotêxtil não-tecido. Desde então, as aplicações destes materiais em obras de reforço de aterros, taludes e fundações vêm aumentando gradativamente.

No início dos anos 70, foram construídas as primeiras contenções utilizando geotêxteis (Mitchell e Villet, 1987). Na mesma época, apareceram as primeiras aplicações de geogrelhas para a estabilização de aterros no Japão (Jones, 1996).

Nos últimos anos, vêm se destacando os sistemas híbridos, que combinam materiais distintos de forma a aumentar a estabilidade interna e externa das estruturas.

Um exemplo é o sistema Terramesh, que associa os gabiões, que formam a face externa de um muro de contenção, com malhas metálicas inseridas no retroaterro de solo (Maccaferri, 1997).

3.2 - POLÍMEROS CONSTITUINTES E PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DOS GEOSSINTÉTICOS.

As fibras naturais (lã, algodão, etc.) são raramente usadas na fabricação de geossintéticos por serem biodegradáveis e por não possuírem propriedades mecânicas adequadas a um grande número das aplicações usuais em obras civis.

A maioria dos geossintéticos é formada essencialmente por polímeros e, em menor escala, por aditivos. Os polímeros são substâncias macromoleculares de natureza orgânica, com peso molecular elevado, e são obtidos pela combinação de monômeros, que são moléculas de baixo peso molecular.

O monômero base é uma molécula constituída por átomos de carbono e hidrogênio. Através de mecanismos químicos, os monômeros podem juntar-se formando longas cadeias moleculares.

Este processo é denominado polimerização. A partir de um mesmo monômero, é possível obter-se polímeros com propriedades distintas, caso obter-sejam utilizados diferentes tipos de aditivos químicos no processo de polimerização. Os aditivos são introduzidos com o objetivo de melhorar os processos de fabricação ou modificar aspectos do comportamento de engenharia do polímero básico (Bueno, 2004).

O comportamento dos polímeros é significativamente afetado pelo peso molecular, que se define como o produto entre o peso molecular do monômero base e o grau de polimerização (número de vezes que o monômero se repete na cadeia molecular). O aumento do peso molecular ocasiona um aumento das resistências à tração, ao impacto e ao calor, conduzindo à redução da deformabilidade do material e dos efeitos da fluência.

Na fabricação dos geossintéticos, podem ser utilizados diversos tipos de polímeros. Dentre os polímeros mais empregados estão o polietileno (PE), o polipropileno (PP), o poliéster (PET), e a poliamida (PA). Os monômeros que dão origem a estes polímeros estão apresentados na Tabela 3.1.

As propriedades finais do geossintético estão diretamente relacionadas com a composição química e a estrutura do polímero. As poliefinas, que englobam os polímeros polietileno e polipropileno, são facilmente inflamáveis, apresentando grande deformação na ruptura e baixa resistência à fluência. O polipropileno é altamente resistente, podendo ser empregado em ambientes agressivos, como aterros sanitários.

Os poliésteres possuem elevado módulo de elasticidade e apresentam baixa susceptibilidade à fluência. Os poliésteres, no entanto, são sensíveis à hidrólise em ambientes com pH elevado.

As poliamidas são também sensíveis à hidrólise, e, quando submersas, podem ter a resistência à tração reduzida em até 30%.

Tabela 3.1- Monômeros dos principais polímeros em geossintéticos.

n= grau de polimerização.

Polímero Monômero Tipos de

Geossintéticos

A melhoria das propriedades de um geossintético pode ser obtida por introdução de diversos aditivos durante o processo de fabricação. Os aditivos mais vulgarmente utilizados são os estabilizantes térmicos, os anti-UV e os antioxidantes.

As propriedades físicas dos polietilenos podem ser melhoradas através da introdução de aditivos que aumentem a estabilidade térmica, a resistência à oxidação e a resistência às radiações ultravioletas.

Os polipropilenos são muito susceptíveis à oxidação, sendo aconselhável a introdução de aditivos para proteção contra o envelhecimento. Freqüentemente, são também adicionados aditivos ao polímero base, com o objetivo de aumentar a estabilidade térmica, a resistência às radiações ultravioletas e a durabilidade em meios aquosos.

Os poliésteres são os polímeros que apresentam maior resistência e menor susceptibilidade à fluência. No entanto, são mais sensíveis à ação de soluções alcalinas, quando comparados aos demais.

Na Tabela 3.2 estão listadas as vantagens e desvantagens dos principais polímeros utilizados na fabricação dos geossintéticos. A Figura 3.1 apresenta faixas típicas para a curva tensão vs deformação dos diferentes polímeros, obtidas em ensaios de tração simples.

Polímero Base Vantagens Desvantagens

Polipropileno Polietileno

Atividade química nula em soluções ácidas e básicas característi-cas mecânicaracterísti-cas em soluções fortemente alcalinas

Perda das características mecânicas por permanência prolongada em água

Custo elevado

Tabela 3.2 – Principais Polímeros Utilizados na Fabricação dos Geossintéticos.

3.3 - GEOTÊXTEIS.

Geotêxteis Tecidos.

Os geotêxteis são produtos têxteis de fibras sintéticas, identificados como mantas permeáveis, flexíveis e pouco espessas. Possuem uma vasta área de aplicação por se adequarem à maioria das funções dos geossintéticos, tais como reforço, drenagem, filtragem e separação.

Em função do arranjo estrutural de suas fibras ou filamentos, os geotêxteis podem ser classificados como tecidos, não tecidos ou tricotados.

Os geotêxteis tecidos são fabricados por processos convencionais de tecelagem, que tramam os fios ou laminetes em duas direções perpendiculares entre si: a trama, perpendicular à direção de fabricação e o urdume, que é a própria direção de fabricação. Os geotêxteis tecidos formam uma estrutura planar, que apresenta uma distribuição de poros relativamente regular.

O entrelaçamento das fibras apresenta forma variada. De acordo com o tipo de tecelagem (Figura 3.2), os geotêxteis podem ser subdivididos em:

• geotêxtil tecido através de filamentos únicos (monofilamentos);

• geotêxtil tecido através de filamentos múltiplos;

• laminetes.

Figura 3.1 – Comportamento Tensão vs Deformação de Diferentes Polímeros

1,0mm e 2,0mm. Esta espessura é superior à dos geotêxteis tecidos obtidos a partir de laminetes, geralmente inferior a 0,5mm. Atualmente os laminetes têm sido os elementos de constituição mais comuns na fabricação dos geotêxteis tecidos.

(a) Geotêxtil Tecido Monofilamento. (b) Geotêxtil Tecido Multifilamento.

(c) Laminetes.

Figura 3.2 – Geotêxteis Tecidos

Geotêxteis Não Tecidos.

Os geotêxteis do tipo não tecido são constituídos por monofilamentos contínuos ou cortados, com um arranjo aleatório dos fios da manta (Figura 3.3).

Os geotêxteis não-tecidos são fabricados dispondo os componentes aleatoriamente, em uma trama solta, ligeiramente mais espessa que o produto final. Na fabricação, os filamentos são espalhados aleatoriamente sobre uma esteira rolante, ficando a espessura do produto condicionada à velocidade de avanço da esteira. Os componentes são posteriormente ligados, obtendo-se uma estrutura planar, formada pela ligação dos fios ou filamentos, por meio de um dos seguintes processos:

Processo mecânico: utiliza a agulhagem para o entrelaçamento dos filamentos produzindo uma manta com espessura de 2,0mm a 5,0mm. Os geotêxteis ligados por esse processo são conhecidos como geotêxteis não tecidos agulhados.

Processo térmico: a aplicação de calor fornece coesão ao conjunto com a fusão dos elementos nos seus pontos de contato, obtendo os chamados geotêxteis não tecidos termoligados ou termo-soldados. Estes geotêxteis são relativamente finos, variando a sua espessura entre 0,5mm e 1,0mm.

Processo químico: fornece uma ligação adicional pela aplicação de uma resina acrílica. Neste caso, os produtos obtidos são denominados geotêxteis não tecidos resinados. Usualmente, o processo químico sucede a agulhagem. A espessura dos geotêxteis não tecidos resinados varia entre 0,5mm e 3,0mm.

(a) Geotêxtil não tecido agulhado (b) Geotêxtil não tecido termo-soldado Figura 3.3 – Geotêxteis não tecidos.

Geotêxteis Tricotados.

São materiais usualmente produzidos pela associação das técnicas de tricotagem e tecelagem com o objetivo de aumentar a resistência do produto final. A estrutura destes geotêxteis é constituída de feixes de multifilamentos de alta resistência aplicados sobre uma base tricotada deformável, que desempenha o papel de substrato.

Segundo a ASTM D 4439, Standard Terminology for Geosynthetics, as geogrelhas são geossintéticos formados por uma rede regular de elementos integralmente conectados com abertura superior a 6,35mm (1/4 de polegada) a fim de permitir o imbricamento com o solo envolvente (Figura 3.4). Em geral, as geogrelhas são mais resistentes que os geotêxteis, sendo utilizadas quase exclusivamente como elementos de reforço.

As principais aplicações das geogrelhas são as seguintes:

• reforço de taludes e muros de contenção;

• separação / reforço em rodovias não pavimentadas e ferrovias;

• em conjunto com gabiões para construção de muros reforçados com controle de erosão e encontros de ponte;

• reforço para execução de aterros sobre solos moles;

3.4 - GEOGRELHAS.

Figura 3.4 – Elementos que compõem uma geogrelha

• reforço de pavimento asfáltico;

• em conjunto com geotêxteis ou geomembranas (formando geocompostos).

Existe uma tendência mundial em se padronizar uma terminologia para se classificar os geossintéticos, e por conseqüência as geogrelhas. A terminologia apresentada a seguir, e sua respectiva definição, leva em conta as recentes recomendações feitas pela IGS e aquelas especificadas na NBR 12553.

GG - Geogrelhas (geogrid - genérica): estrutura sintética, fabricada em forma de manta consistindo de uma rede de elementos integralmente conectados que podem ser unidos por extrusão, colagem ou entrelaçamento. Suas aberturas são maiores que seus elementos constituintes e são empregadas em aplicações de engenharia geotécnica, ambiental, hidráulica e viária.

GGE - Geogrelha Extrudada (extruded geogrid): produzida pelo estiramento uniaxial ou biaxial de uma estrutura extrudada integralmente.

GGB - Geogrelha Ligada (bounded geogrid): produzida através da união, usualmente em ângulos retos, de dois ou mais conjuntos de fios ou outros elementos.

GGW - Geogrelha Tecida (woven geogrid): produzida pela tecelagem, geralmente em ângulos retos, de dois ou mais conjuntos de fibras, fios, filamentos ou outros elementos.

Os polímeros geralmente empregados na produção de geogrelhas são o polietileno de alta densidade (PEAD), o poliéster (PET) e o polipropileno (PP), apresentados na Figura 3.1.

Outro aspecto importante dos polímeros relaciona-se ao seu grau de cristalinidade. As porções em que as macromoléculas dos polímeros se alinham em pequenas regiões são denominadas cristalinas enquanto as não alinhadas denominam-se amorfas. Os polímeros utilizados em geogrelhas possuem sempre parte de sua estrutura amorfa e parte cristalina e, por isso, são denominados de semi-cristalinos.

O tipo de polímero afeta as diversas características de comportamento dos geossintéticos, principalmente aquelas de longo prazo. Dentre as propriedades influenciadas pelo tipo de polímero destacam-se a resistência à degradação química, por ação dos raios ultravioleta, resistência à temperatura, à hidrólise, bem como os comportamentos mecânicos. A Tabela 3.3 apresenta um resumo do comportamento de longo prazo dos materiais em função do polímero utilizado.

Propriedade Polímero

Tabela 3.3 – Propriedades de degradação dos principais polímeros que constituem as geogrelhas (adaptado de Jonh, 1987 e den Hoedt, 1988).

* com tratamento (por exemplo, negro de fumo); ** sem tratamento Legenda: resistência elevada (3); média (2) e baixa (1)

Nas primeiras aplicações das grelhas como elementos de reforço de solo, foram empregas as grelhas metálicas que eram susceptíveis à corrosão. Essa limitação motivou a indústria ao desenvolvimento de grelhas a partir de materiais poliméricos que, sendo relativamente inertes, podem ser usados em ambientes agressivos. Alem disso, as geogrelhas poliméricas também oferecem uma boa interação com o solo, que é resultante de um efeito conjugado de atrito entre solo e superfície da geogrelha e resistência passiva oferecida pelo solo aos seus elementos transversais.

As propriedades físicas dos geossintéticos são determinadas a partir de ensaios de caracterização e independem das condições de utilização. As principais propriedades físicas dos geossintéticos são a gramatura, a espessura e a densidade relativa dos polímeros que os compõem.

A gramatura é a relação entre a massa e a área de um corpo de prova de geometria regular, sendo um indicador da uniformidade e da qualidade de um geossintético. Os valores usuais desta grandeza situam-se entre 100g/m² e 300g/m² para os geotêxteis tecidos, 100g/m² e 400g/

m² para os geotêxteis não tecidos e entre 200g/m² e 1000g/m² para as geogrelhas (ISO 9864/88, NBR 12568/92).

3.4.1 - ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO FÍSICA.

Gramatura, M_A (g/m²).

Espessura Nominal , t_GT (mm).

Densidade Relativa dos Polímeros ou Porosidade [n_GT] (%).

Ensaios de resistência à tração não confinada.

A espessura nominal é definida como a distância entre as superfícies inferior e superior do geossintético, medida para uma pressão confinante de 2kPa, aplicada em uma área de 2500mm², por placas rígidas paralelas (ISO 9863/88, NBR 12569/92).

É usualmente determinada em função da gramatura (M_A) e da espessura (t_GT) do geossintético, da densidade do filamento (r_f) e da massa específica da água a 4ºC (r_w), segundo a expressão

Em praticamente todos os tipos de aplicações geotécnicas, os geossintéticos estão sujeitos a solicitações mecânicas, seja na fase de instalação e construção, seja durante a vida útil da obra.

Durante a fase de instalação, as principais propriedades associadas às solicitações mecânicas são: resistência à tração, resistência à penetração e à perfuração, e resistência a danos de instalação.

Durante a vida útil da obra, as principais propriedades associadas às solicitações mecânicas são: resistência à tração, resistência à penetração e à perfuração, resistência ao deslizamento na interface, resistência ao arrancamento e resistência à fluência.

O comportamento de um geossintético em solicitações de tração depende de vários fatores, tais como: tipo de polímero constituinte, estrutura, processo de fabricação, etc.

A resistência à tração não confinada de geotêxteis e produtos correlatos é determinada a partir de ensaios de faixa larga. Segundo a norma brasileira (NBR 12824/93) e a norma americana (ASTM D-4595), estes ensaios são executados com corpos de prova de 200mm de largura e 100mm de comprimento, submetidos a um esforço de tração sob velocidade de 200mm/

min. A dimensão de comprimento refere-se à distância entre as duas garras, localizadas nas extremidades da amostra de geossintético.

Deve-se observar que a norma francesa (CFGG-NF G38-014) adota uma altura de 100mm e uma largura de 500mm. Os ensaios assim executados fornecem valores de resistência à tração em geral 10% superiores aos obtidos segundo as normas brasileira e americana.

Durante o ensaio de tração, aplica-se uma força de tração contínua e crescente ao geossintético (Figura 3.5), até sua ruptura. A resposta dos geossintéticos quando sujeitos à tração é caracterizada pela relação entre a força por unidade de largura (expressa em kN/m) e a deformação longitudinal (expressas em %).

3.4.1.1 - ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA.

Cabe ressaltar que os dados obtidos em ensaios de tração, e expressos nas especificações técnicas dos geossintéticos, são valores nominais, e quando utilizados em projetos, devem ser ajustados por fatores de segurança, referentes a possíveis danos de instalação, fluência, ataques químicos e biológicos, etc., de acordo com as solicitações da obra em questão.

Todo ensaio com materiais geossintéticos é realizado seguindo metodologia científica, com controle de velocidade, temperatura e umidade do ambiente. Além disso, para este ensaio devem ser tomados cuidados especiais na fixação dos corpos de prova ao equipamento, para que os geossintéticos não sofram nenhum dano em sua região de contato com as garras.

McGown et al (1982) apresentou este tipo de ensaio, que consiste no estudo do comportamento tensão vs deformação de reforços sob condição de confinamento. Este tipo de teste pode ser executado em um equipamento similar ao de ensaios de arrancamento (apresentado no item 3.4.2), desde que a extremidade final da amostra de geossintético seja fixada em uma estrutura indeslocável na parte posterior da caixa de ensaios. A Figura 3.6 ilustra esquematicamente o ensaio.

Os resultados dos ensaios têm aplicação principalmente quando se deseja estudar o comportamento força vs deformação de alguns geossintéticos, em especial geogrelhas em meio a um solo arenoso ou pedregulhoso, onde ocorre o imbricamento de partículas em meio às aberturas da grelha. O comportamento força vs deformação do conjunto solo–geogrelha é bastante influenciado pelo imbricamento das particulas de solo e diferente sensivelmente do comportamento não confinado.

Ensaios de resistência à tração confinada.

Figura 3.5 - Esquema do Ensaio de Tração Simples

Resistência à penetração por puncionamento.

Resistência à penetração por puncionamento.

No documento Reforço de solos. Manual Técnico. Distribuição Gratuita. Maccaferri do Brasil MM /2013 (páginas 115-0)