Ensaios triaxiais não saturados com sucção controlada

Na realização desta etapa experimental algumas alterações de procedimento tiveram que ser implementadas, em relação aos ensaios triaxiais com os corpos de prova saturados. A primeira delas diz respeito à eliminação da fase de saturação por contrapressão, ou seja, os corpos de prova, após passarem pelo processo de imposição da sucção desejada, foram imediatamente transferidos para a câmara triaxial, de forma a manter as condições de umidade inalteradas, e lá mantido com a sucção matricial aplicada por 48 horas.

A segunda alteração foi relacionada à forma de medição da variação de volume dos CPs nas fases de consolidação e cisalhamento. Nos ensaios com as amostras saturadas toda a variação de volume dos CPs implica a entrada e saída de água das amostras e, por isto, a medição de variação de volume pôde ser feita diretamente na linha de aplicação da pressão neutra. No caso dos ensaios com amostras não saturadas as variações de volume estão relacionadas a variações de conteúdos de água e ar, por isto, a medição desse parâmetro foi realizada externamente aos CPs pelo controle de entrada e saída de água da célula triaxial, com o auxílio da linha de aplicação da tensão de confinamento. Para garantir a precisão desse método, foi elaborada uma calibração da expansão do material constituinte da câmara triaxial, em acrílico, e a pressão externa aplicada. O coeficiente desse ajuste serviu para corrigir a variação de volume medida por essa técnica.

A terceira, e não menos importante alteração, foi a inserção de uma pedra porosa de alto valor de entrada de ar (5 bar) na base da câmara triaxial, de forma a possibilitar a aplicação da sucção matricial prevista para cada ensaio. Por fim, como estes ensaios foram

125 realizados na prensa de tensão controlada, a taxa de carregamento na fase de cisalhamento variou entre 5 e 20 kPa/min, de forma a garantir a duração mínima dessa fase em 120 minutos. A sucção dos corpos de prova, previamente à sua instalação nas câmaras triaxiais, foi inicialmente imposta com o uso da técnica do controle de sucção por imposição da umidade relativa através do dessecador de vácuo. Esta técnica foi desenvolvida por cientistas do solo e introduzida na Geotecnia por Esteban e Sáez (1988).

De acordo com Soto (2004), a técnica consiste em colocar os corpos de prova saturados com água em um dessecador contendo, em sua base, uma solução aquosa de um determinado composto químico solúvel, do qual já se conheça previamente a sua curva de sucção osmóptica. De acordo com as propriedades físico-químicas dessa solução (sucção osmóptica para uma determinada concentração), após atingido o equilíbrio dentro do dessecador, uma determinada umidade relativa é imposta ao ar do ambiente hermético, o qual transmite a sucção osmóptica aos corpos de prova. A Figura 62 ilustra o arranjo experimental utilizado para imposição da sucção às amostras por esse método.

Figura 62 – Controle de sucção por imposição da umidade relativa através do dessecador de vácuo.

126 Nesse trabalho foi utilizada a solução de cloreto de sódio (NaCl) a 25ºC. As concentrações de NaCl foram definidas em função dos níveis estabelecidos de sucção a serem impostos nos corpos de prova, que foram incialmente definidos em 100 kPa, 200 kPa e 300 kPa, conforme a Tabela 14.

Tabela 14 – Características das soluções de NaCl utilizadas para aplicação de sucção com o uso da técnica do dessecador de vácuo.

Molalidade

(mols/kg) Massa de NaCl/kg de água (g)

Sucção (kPa)

0,041 2,3899 100

0,061 3,5834 200

0,082 4,7769 300

Na Figura 63 o experimento montado para imposição de sucções de 100, 200 e 300 kPa é apresentado.

127 De acordo com dados da literatura previu-se a obtenção do equilíbrio de vapor em 120 dias, aproximadamente. Contudo, após vários acompanhamentos semanais da massa dos corpos de prova, concluiu-se que não estava havendo redução significativa da massa das amostras e, consequentemente, o método não estava sendo eficaz para aplicação das sucções previstas.

Esse insucesso pode estar vinculado à manutenção da umidade relativa necessária no interior do dessecador para baixos valores de sucção, pois pôde-se verificar que, como a umidade relativa dentro do dessecador se encontrava muito próxima de 100%, era comum a ocorrência de condensações de água que acabavam por alterar as condições de equilíbrio do sistema. A alternativa encontrada para imposição dos níveis de sucção pretendidos foi utilizar a técnica da translação de eixos, com o uso da câmara de Richards. Nessa técnica, os corpos de prova compactados foram levados à câmara de Richards para aplicação da sucção desejada. Para os três fluidos (água, etanol e diesel), ao mesmo tempo que se aplicou os níveis desejados de sucção para o ensaio triaxial, aproveitou-se para definir pontos da curva de retenção de cada fluido no solo. O planejamento dos ensaios triaxiais não saturados, com sucção controlada, está apresentado na Tabela 15. Da mesma forma que nos ensaios saturados, as siglas (SS) e (CS), destacadas na Tabela 15, referem-se aos corpos de prova ensaiados sem secagem prévia e com secagem prévia, respectivamente.

Tabela 15 – Planejamento de ensaios triaxiais em corpos de prova não saturados para água e com sucção controlada.

Fluido Sucção (kPa)

Envoltória 01 Envoltória 02 Envoltória 03 Confinante (kPa) Confinante (kPa) Confinante (kPa)

Água (SS) 100 50 100 200 50 100 200 50 100 200 200 50 100 200 50 100 200 50 100 200 300 50 100 200 50 100 200 50 100 200 Etanol (CS) 100 50 100 200 50 100 200 50 100 200 200 50 100 200 50 100 200 50 100 200 300 50 100 200 50 100 200 50 100 200 Diesel (CS) 100 50 100 200 50 100 200 50 100 200 200 50 100 200 50 100 200 50 100 200 300 50 100 200 50 100 200 50 100 200

128 Para cada tipo de fluido e níveis de sucção planejados, foram levados para a câmara doze corpos de prova, em que nove estavam previstos para serem ensaiados na prensa triaxial para a definição da envoltória em triplicata, sendo três para cada tensão de confinamento. Os outros três CPs ficaram de reserva. Quando quaisquer dos três CPs reservas não eram utilizados, automaticamente estes eram aproveitados no próximo nível de sucção planejado. Por questões operacionais, e por haver apenas uma câmara de Richards para a execução dos ensaios, definiu-se que seriam realizados primeiramente os ensaios com água, em seguida com etanol e, por último, com diesel. Para a saturação com água, os doze corpos de prova, já na câmara de Richards, foram cobertos por água destilada por três horas para que fossem atingidos valores de umidades próximos da saturação. Vale ressaltar que todos os corpos de prova foram compactados com água, na umidade ótima e, portanto, já apresentavam graus de saturação bastante elevados. Após decorrido esse tempo de saturação a água excedente foi drenada e a câmara foi hermeticamente lacrada para aplicação da pressão de ar correspondente à sucção desejada.

Para garantir a estabilização da sucção imposta, a pressão de ar aplicada foi mantida por quinze dias até que cessasse a saída de água da câmara e, consequentemente, ocorresse a estabilização de peso dos corpos de prova. Após esse período os CPs foram levados, um a um, para serem ensaiados na prensa triaxial, nas pressões de confinamento planejadas e apresentadas na Tabela 15 (50 kPa, 100 kPa e 200 kPa). Esse procedimento foi adotado para a aplicação dos três níveis propostos de sucção (100 kPa, 200 kPa e 300 kPa).

O detalhamento desse procedimento está apresentado na Figura 64, com destaque para: (a) amostras após compactação; (b), (c) e (d) processo de imersão dos CPs; (e) amostras imersas por três horas; (f) excesso de água removido e câmara devidamente lacrada para aplicação da pressão de ar.

129 Figura 64 – Processo de saturação com água e aplicação de sucção na câmara de Richards.

A saturação com o diesel seguiu, após a secagem prévia dos CPs, o mesmo procedimento adotado para a água, diferindo apenas pelo fato dos CPs terem ficado submersos por 24h. Para o etanol, contudo, em função de sua elevada volatilidade, após a secagem prévia das amostras, houve a necessidade da utilização de um recipiente auxiliar de forma a garantir que, após decorrido o tempo de imersão dos CPs, que durou em média quatro horas, estes fossem imediatamente transferidos para a Câmara de Richards e esta, por sua vez, fosse imediatamente lacrada, minimizando o risco de perda de umidade dos CPs durante o processo de esvaziamento da câmara, caso a saturação tivesse sido realizada

(a) (b)

(c) (d)

130 diretamente nela. Esse processo está ilustrado na Figura 65, onde: (a), (b) e (c) são os recipientes auxiliares utilizados para a saturação das amostras com etanol; (d), (e) e (f) transferência dos CPs para a câmara de Richards.

A sucção imposta no etanol foi mantida por quinze dias, enquanto no diesel, em função da sua elevada capacidade de reagir e danificar a borracha acoplada à pedra porosa da câmara de Richards, esse período foi encurtado para sete dias, em média. Essa redução no tempo de estabilização da sucção foi adotada após a ocorrência de alguns vazamentos.

Em decorrência dessas características do diesel, o tempo de equalização da sucção imposta na câmara triaxial, após a montagem do ensaio, foi reduzido de 48 para 24 horas, com o mesmo objetivo de evitar vazamentos decorrentes da interação do diesel com diversas partes da câmara triaxial.

Figura 65 – Procedimento para saturação dos CPs com etanol e diesel.

Um fato que vale ser registrado é o efeito do tempo decorrido entre o final da secagem dos CPs (após estufa a 70ºC) e o início do processo de saturação. Ao deixar os CPs desprotegidos e em contato com a umidade relativa do ar por um período que variou entre cinco e quinze dias, verificou-se, no processo de saturação com etanol, a ocorrência de trincas nas amostras. Esse fenômeno pode estar relacionado à presença de água nos CPs em decorrência do equilíbrio mantido entre os corpos de prova secos e a umidade relativa do ar.

(a) (b) (c)

131 Sendo assim, os CPs, logo após saírem da estufa, foram colocados para esfriar por aproximadamente 15 min e, em seguida, foram imediatamente levados para a saturação com etanol. Desta forma, minimizou-se o efeito da umidade relativa e, consequentemente, não se observou o surgimento de fissuras e trincas perceptíveis à olho nu. Esse mesmo procedimento foi adotado para a saturação com o diesel e não se observou o surgimento de trincas nas amostras. Na Figura 66 é possível constatar as diferentes trincas observadas no processo de saturação com etanol, com destaque: (a) e (b) trincas no topo; (c) trincas em toda a amostra.

Figura 66 – Ocorrência de trincas no processo de saturação com etanol.

Após esta fase preparatória, para cada nível de sucção aplicado, os corpos de prova foram montados em uma câmara triaxial devidamente preparada, levados para prensa triaxial, um a um, e ensaiados com as pressões de confinamento definidas no planejamento apresentado na Tabela 15. A primeira providência, tomada logo no início de cada ensaio triaxial, foi aplicar a diferença de pressão de ar e água (ua – uw), correspondente ao nível de sucção aplicado anteriormente, e mantê-lo por dois dias (48h) para que fosse atingido o equilíbrio da sucção aplicada no corpo de prova. Após esta fase, deu-se sequência ao ensaio triaxial do tipo consolidado e drenado (CD), com controle de sucção.

Outro detalhe, não menos importante, diz respeito ao procedimento de retirada dos CPs com etanol da câmara de Richards, após a imposição da sucção, para serem preparados na câmara triaxial. Por ser o etanol muito volátil, houve necessidade de envolver os CPs na membrana látex ainda dentro da câmara de Richards para evitar perda de umidade (de etanol) no deslocamento entre as duas câmaras. A necessidade de utilização desse procedimento com o etanol foi observada após a execução dos ensaios com sucção de 100 kPa.

132 O artifício de utilização das interfaces para aplicação de pressão adotado para os ensaios saturados com etanol e diesel foi também adotado para os ensaios não saturados para esses dois fluidos.