SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO
3 MATERIAIS E MÉTODOS 1 Coleta do solo
O solo desta pesquisa foi coletado no dia 14 de setembro de 2016, em uma obra de construção de um condomínio habitacional no município Fazenda Rio Grande. Sua localização geográfica é representada na Figura 3-1.
Figura 3-1 - Localização do ponto da coleta do solo Fonte: Google Earth, 2014
Esse solo é representativo da terceira camada da formação Guabirotuba, sendo um solo argiloso siltoso de cor vermelha, típico da região metropolitana de Curitiba (Figura 3-2 e Figura 3-3).
Figura 3-3 - Local de coleta do solo
Após a coleta, foi retirada a umidade higroscópica do material. O solo foi transportado para o laboratório de geotecnia da UTFPR em tonéis (Figura 3-2) no estado em que foi coletado (amostra deformada).
3.2 Coleta do RCD
Em Almirante Tamandaré, na Região Metropolitana de Curitiba (PR), foi inaugurada uma usina de reciclagem de materiais de construção, em maio de 2011. A fábrica recolhe resíduos do tipo A, segundo classificação descrita na resolução nº 307 (CONAMA, 2002), que inclui a caliça das obras de construção (restos de material cerâmico, concreto, argamassa), e tritura esse material transformando-o em materiais com granulometria similar à areia, brita, pedrisco e rachão, que serão comercializados para uma nova utilização na construção civil, e com um valor agregado de cerca de 25% menos do que os agregados naturais. Além disso, o processo evita a extração desses materiais do meio ambiente (GERAÇÃO SUSTENTÁVEL, 2011). O RCD foi coletado em uma usina de reciclagem localizada no município de Almirante Tamandaré, região Metropolitana de Curitiba. Sua localização geográfica é representada na Figura 3-4
Figura 3-4 - Localização geográfica da Usina de reciclagem
Na usina, o RCD é britado e gera 5 produtos diferentes: Brita 1; Pedrisco; Areia; Rachão; Saibro Bica. Optou-se por utilizar areia e pedrisco, para a estabilização granulométrica com o solo (Figuras 3-5).
O material foi coletado em tonéis e transportado para o laboratório de geotecnia da UTFPR no estado em que foram coletados.
3.3 Estabilização Granulométrica
O solo da Formação Geológica Guabirotuba é constituído por solos finos (argilosos e/ou siltosos) e para adequação da curva granulométrica deste às especificações de serviço ES 141 (DNIT, 2010), faixa “D”, demonstrado pela Figura 3-6, foi necessária a mistura do solo com RCD.
Figura 3-6 - Granulometria do material para cada faixa de projeto Fonte: DNIT ES - 141 (2010)
Pode-se observar que há 6 faixas de projeto para o número de solicitações do eixo padrão (número “N”) menor que 5 x 106 e 4 para maior que 5 x 106. A presente pesquisa adotou
a faixa D em função das granulometrias de RCD disponibilizadas.
Para determinar as misturas a serem realizadas foi utilizado um sistema algébrico para encontrar a quantidade mínima de RCD para enquadrar a granulometria do solo misturado com RCD na faixa D da Figura 3-6. O sistema foi montado de acordo com as seguintes expressões:
a.X + b.Y + c.Z = A (3.1)
d.X + e.Y + f.Z = B (3.2)
g.X + h.Y + i.Z = C (3.3)
X + Y + Z = 1 (3.4)
Onde:
a = porcentagem do material retido de solo na peneira 4; b = porcentagem do material retido de areia na peneira 4; c = porcentagem do material retido de pedrisco na peneira 4;
d = porcentagem de solo que passa na peneira 4 e é retido na peneira 200; e = porcentagem de areia que passa na peneira 4 e é retido na peneira 200; f = porcentagem de pedrisco que passa na peneira 4 e é retido na peneira 200; g = porcentagem de solo que passa na peneira 200;
h = porcentagem de areia que passa na peneira 200; i = porcentagem de pedrisco que passa na peneira 200; X = proporção da mistura de solo;
Y = proporção da mistura de areia; Z = proporção da mistura de pedrisco;
A = porcentagem da mistura retido de solo na peneira 4;
B = porcentagem mistura que passa na peneira 4 e é retido na peneira 200; C = porcentagem da mistura que passa na peneira 200;
Tabela 3-1 - Variáveis do sistema de equações para cálculo de estabilização granulométrica
Material 1 (%) Material 2 (%) Material 3 (%) Mistura (%) Material retido na
peneira 4 a b c A
Material que passa na peneira 4 e retido na peneira 200
d e f B
Material que passa na
peneira 200 g h i C
Totais 100 100 100 100
Proporções das
Misturas X Y Z 1
Com o sistema de equações se pode calcular o teor ideal de RCD para encaixar na Faixa “D”. No entanto, como os grãos do RCD quebram no processo de compactação, tornando- o, assim, mais fino que o encontrado na faixa, houve a necessidade de se aumentar o valor do teor de RCD nas misturas afim de que no final do processo de compactação essas estivessem o mais próximo possível da faixa D.
3.4 Caracterização
A caracterização do solo, da areia, do pedrisco e das misturas foram compostas pelos ensaios de granulometria, sedimentação, densidade real dos grãos, Limites de Atterberg, compactação e determinação da umidade ótima.
3.4.1 Granulometria por Peneiramento
Os ensaios de granulometria por peneiramento foram realizados segundo a norma NBR 7181 (ABNT, 1984), com equipamento demonstrado na Figura 3-7.
Figura 3-7 – Peneiras e peneirador para ensaio de Granulometria por peneiramento
O ensaio de granulometria por peneiramento foi realizado de duas formas, sem lavagem e com lavagem do material, desta forma foi possível observar as concreções argilosas desta formação, de maneira que houve um deslocamento da curva granulométrica.
3.4.2 Granulometria por Sedimentação
O ensaio de granulometria por sedimentação foi realizado conforme a norma NBR 7181 (ABNT, 1984) (Figura 3-8).
O ensaio de granulometria por sedimentação foi realizado para o solo e todas as misturas de solo com RCD, afim de classifica-los segundo a Transportation Research Board (TRB) e o Sistema Unificado de Classificação de Solos (SUCS).
3.4.3 Limites de Atterberg
Os Limites de Atterberg são compostos por dois ensaios, a partir dos quais é possível conhecer quando o solo apresenta um comportamento plástico ou líquido em função do acréscimo de umidade. Os ensaios que compõe os Limites de Atterberg são Limite de Liquidez (LL) e Limite de Plasticidade (LP). A partir dos resultados destes ensaios é possível conhecer o índice de plasticidade (IP) do solo pela fórmula:
IP = LL - LP (3.5)
É importante o conhecimento do IP do solo, haja vista que a plasticidade do solo é característica das argilas, logo, quanto maior o IP, maior será a atividade coloidal do solo. 3.4.3.1 Limite de Liquidez
A preparação da amostra foi realizada conforme a metodologia da norma NBR 6457 (ABNT, 1986). O ensaio de Limite de Liquidez (Figura 3-9) foi realizado seguindo as instruções da norma NBR 7180 (ABNT, 1984).
O ensaio de LL foi realizado tanto para o solo, quanto para as misturas de solo com RCD afim de classificá-los segundo a TRB e SUCS.
3.4.3.2 Limite de Plasticidade
A preparação da amostra foi realizada conforme a metodologia da norma NBR 6457 (ABNT, 1986). O ensaio de Limite de Plasticidade (Figura 3-10) foi realizado seguindo as instruções da norma NBR 6459 (ABNT, 1984).
Figura 3-10 - Limite de Plasticidade
O ensaio de LP foi realizado tanto para o solo, quanto para as misturas de solo com RCD afim de classifica-los segundo a HRB e SUCS.
3.4.4 Densidade Real dos Grãos
A preparação das amostras foi realizada conforme a metodologia da norma ME 041 (DNER, 1994). O ensaio de densidade real dos grãos (Figura 3-11) foi realizado seguindo as instruções da norma ME 093 (DNER, 1994).
Figura 3-11 - Densidade Real dos Grãos
Houve uma adaptação na realização do ensaio, haja vista que o mesmo não foi realizado com o aumento da temperatura, mas pela utilização de uma bamba à vácuo ligada a uma dessecadora, logo, a fervura foi obtida pela diminuição da pressão.
3.5 Ensaios de pH
O ensaio químico realizado foi o de determinação de pH. O potencial hidrogeniônico (pH) do solo refere-se ao grau de acidez ou basicidade do mesmo. O pH foi determinado por meio da utilização de um potenciômetro imerso em água destilada ou KCl, conforme a norma EMBRAPA (1997), na proporção de 10 g de amostra (solo e misturas de solo e RCD) e 25 ml do líquido (água destilada ou KCl), conforme Figura 3-12.
Figura 3-12 - PHmetro Digital DESSECADOR
BOMBA À VÁVUO
O equipamento utilizado foi um PH-MV-TEMP com compensação automática de temperatura, escala de 0º C à 100º C, e precisão de 0,01 pH. O pHmetro possuí dois pontos de calibração e reconhece automaticamente a solução padrão que está sendo utilizada. A partir dos resultados calcula-se o pH pela fórmula:
ΔpH = PhH2O - pHKCl (3.6)
O valor do ΔpH indica, por meio do sinal e magnitude, a carga existente na superfície das partículas.
3.6 Ensaios de Caracterização Mecânica 3.6.1 Compactação
O ensaio de compactação foi realizado conforme a norma NBR 7182 (ABNT, 2016). Foram utilizadas as três energias de compactação (Energia Proctor Normal - EN, Energia Proctor Intermediário - EI e Energia Proctor Modificado - EM) com o cilindro metálico pequeno, com diâmetro de 100 mm e altura de 127 mm, conforme a Figura 3-13.
O ensaio de compactação foi utilizado para determinar os pesos específicos aparente seco máximo (γdmáx.) e os teores de umidade ótimos (ω) tanto do solo quanto das misturas com
RCD, e assim verificar a influência da umidade, das energias e do teor de RCD sobre o solo. 3.6.2 Índice de Suporte Califórnia (ISC)
O ensaio foi realizado conforme a norma ME 172 (DNIT, 2016) (Figura 3-14). Para esta etapa, foram moldados três corpos de prova com os pesos específicos aparente seco máximo (γdmáx.) e os teores de umidade ótimos (w), para cada mistura e para cada energia de
compactação e foram deixados imersos em água por 96 horas, durante o qual foram medidas as expansões dos corpos de prova
Figura 3-14 – Passos do ensaio de Índice de Suporte Califórnia
Após o período de 96 horas, os corpos de provas foram levados para rompimento, conforme preconiza a norma ME 172 (DNIT, 2016).Para o ensaio, foi utilizada uma prensa universal (EMIC, modelo DL 30.000N) com célula de carga (TRD-29) calibrada, velocidade de deformação de 1,27 mm por minuto, e capacidade máxima de 30.000 Kgf.
Após o ensaio, foi analisado o gráfico pressão x penetração, caso houvesse uma inflexão no gráfico, em função de alguma irregularidade da superfície do corpo de prova, a curva era corrigida da seguinte forma: traçava-se uma tangente do ponto de inflexão até o eixo das abcissas. A curva corrigida era a tangente traçada mais a curva convexa original. Observava-se os valores de pressão obtidos nos pontos de 0,1’ e 0,2’, e o ISC foi calculado pela seguinte expressão:
ISC = P’/PPADRÃO (3.7)
Onde:
P’ = pressão corrigida obtida da leitura do anel no gráfico de aferição
PPADRÃO = Pressão padrão, que é a correspondente a um determinado tipo de pedra
britada que apresenta Índice de Suporte Califórnia de 100%.
O valor de ISC foi o maior obtido para estas duas penetrações padrão. 3.6.3 Solos não saturados
Nesta pesquisa os ensaios de compressão não-confinada e tração por compressão diametral foram realizados sem a imersão dos corpos de provas durante 24h, pois os corpos de prova do solo sem mistura se desfaziam durante o período de saturação. No entanto os mesmos foram moldados com a umidade ótima, que representa cerca de 82% do grau de saturação, onde acima de 80% de saturação a sucção praticamente não tem relevância nos resultados (CONSOLI et al., 2017, 2009, 2007).
3.6.4 Resistência à Compressão não Confinada
O ensaio de resistência não confinada também é chamado de ensaios de resistência simples (RCS), e é um tipo especial de ensaio não adensado e não drenado com a pressão de confinamento igual a zero (𝜎3=0). Este ensaio foi realizado conforme a NBR 12770 (ABNT, 1992) tanto para os solos quanto para as misturas solo-RCD.
Os corpos de provas foram moldados em moldes de aço inox com 50 mm de diâmetro e 100 mm de altura (volume interno do molde = 62,5 π mm³). As amostras foram moldadas em duas camadas e com auxílio de uma haste metálica (Figura 3.15 a).
Com a determinação dos pesos específicos aparente seco máximo (γdmáx.) e os teores
de umidade ótimos (w), e de posse do volume interno do molde, pôde-se calcular a massa de material (solo ou mistura) necessária para que as mesmas condições de pesos específicos aparente seco máximo (γdmáx.) e teor de umidade ótima (ωót) fossem atingidas por estes corpos
Após a etapa de moldagem das amostras, as mesmas foram extraídas com o auxílio de um extrator (Figura 3.15 b), envelopadas em papel filme (PVC) e acondicionada em câmara úmida para garantir que o teor de umidade, no dia de ruptura, fosse o mesmo do dia da moldagem. As amostras ficaram acondicionadas neste ambiente por 30, 60 ou 90 dias (tempo de cura).
Para a ruptura dos corpos de provas, foi utilizada uma prensa automática (WILLE GEOTECHNIK UL60) com capacidade máxima de 10 kN, e anéis calibrados para carga axial com capacidades de 7,5 kN e 5 kN. Durante o ensaio, foram registradas a força e a deformação, com sensibilidade de 0,001 mm à uma velocidade de 1 mm/s (Figura 3-15 c).
Figura 3-15 – (a) Processo de Moldagem, (b) extração e (c)ruptura do corpo de prova à compressão simples
A resistência à compressão não confinada, ou simples, (qu) foi calculada de acordo
com a seguinte expressão:
qu = PR / AT (3.8)
Onde:
PR = carga de ruptura máxima na curva tensão-deformação axial;
AT = Área transversal do corpo de prova.
Após a ruptura dos corpos de prova, foram imediatamente colhidas amostras do material para a obtenção da umidade (ω) do mesmo, e, assim, ter a umidade (ω) da amostra no momento de ruptura.
3.6.5 Resistência à Tração por Compressão Diametral
Para este ensaio, foram utilizados os mesmos equipamentos e os mesmos procedimentos do ensaio de resistência à compressão simples, com exceção no que tange a ruptura, visto que as amostras foram posicionadas na horizontal (Figura 3-16). Os ensaios de resistência à tração por compressão diametral foram realizados conforme a norma NBR 7222 (ABNT, 2016) tanto para o solo quanto para as misturas solo-RCD.
Figura 3-16 - Ruptura do corpo de prova à tração por compressão diametral
Para o ensaio, foi utilizada uma prensa universal (EMIC, modelo DL 30.000N), com célula de carga (modelo TRD-29) calibrada, velocidade de deformação de 1 mm/min, e capacidade máxima de 30.000 Kgf. A resistência à tração por compressão diametral (qt) foi calculada de acordo com a seguinte expressão:
Onde:
PR = carga de ruptura máxima na curva tensão-deformação axial;
D = diâmetro do corpo de prova; H = altura do corpo de prova. 3.6.6 Módulo Resiliente
O ensaio para determinação do módulo de resiliência foi realizado conforme as normas ME 134 (DNIT, 2010) e conforme o Manual de Pavimentação do DNIT (2006), onde os corpos de provas são submetidos à um condicionamento inicial composto por três ciclo de 500 repetições para 3 tensões. A Tabela 3-2, apresenta os pares de tensões exigidas pela norma ME 134 (DNIT, 2010).
Tabela 3-2 - Tensões de condicionamento dos corpos de prova.
σ3 (kPa) σd (kPa) σ1/σ3
68,9 68,9 2
68,9 206,8 4
102,9 309,0 4
A finalidade desse condicionamento inicial é eliminar as grandes deformações permanentes que ocorrem nas primeiras aplicações de cargas e reduzir o efeito da história de tensões no valor do módulo de resiliência. Na sequência do ensaio, após a aplicação das tensões de confinamento, são aplicados 18 pares de tensões, conforme Tabela 3-3, (norma ME 134) (DNIT, 2010).
Houve uma adaptação na realização do ensaio, haja vista que o mesmo foi realizado em equipamento triaxial convencional após alguns ajustes: o pórtico de reação foi adaptado um pistão pneumático de 100 mm de curso e 50 mm de diâmetro efetivo com 1000 kPa pressão máxima de trabalho.
Tabela 3-3 - Pares de tensões aplicadas nos corpos de prova do ensaio de Módulo de Resiliência. σ3 (kPa) σd (kPa) σ1/σ3 20,7 20,7 41,4 2 3 62,1 4 34,5 34,5 68,9 2 3 102,9 4 50,4 50,4 2 102,9 3 155,2 4 68,9 68,9 2 137,9 3 206,8 4 102,9 102,9 206,8 2 3 309,0 4 137,9 137,9 274,7 2 3 412,0 4
O pistão foi ligado ao painel de pressão por um tubo de 3 mm de diâmetro interno, para controle das tensões σ3 (confinante), σ1 e Δσ (normal e incremento de tensão,
respectivamente), que atuavam no pistão. Para determinar a tensão desvio foi utilizada a seguinte expressão:
Δσ = σ1 - σ3 (3.10)
Onde Δσ é a tensão desvio, σ1 é a tensão normal vertical e σ3 é a tensão confiante
horizontal.
Foi instalado uma válvula solenoide, entre o compressor e o painel de pressão, para que a mesma pudesse alternar as tensões, e à válvula foi instalado um temporizador para que a alternância das tensões se dessem no tempo requisitado (Figura 3-17).
Figura 3-17 - Ensaio do Módulo Resiliente: Painel de pressão (a); Estrutura da prensa montada com pistão, LVDT de deslocamento e célula triaxial (b); Detalhe do corpo de prova dentro da célula triaxial (c)
Com o acionamento do compressor, o ar comprimido passava pela válvula solenoide, através do painel de pressão, no qual havia um manômetro de acionamento e regulagem da mesma. Após liberar a pressão através do painel, o ar chegava até o pistão pneumático que aplicava uma pressão σ1, determinado pelos manômetros instalados no painel de pressão. Há uma tubulação paralela, que ia do painel até a célula triaxial, e que era conectada na parte inferior da célula, que aplicava uma pressão confinante σ3 com o mesmo valor de σ1. Com a
válvula solenoide ligada ao temporizador, a cada 1,5 s, onde Δσ é zero, ou seja, σ1 é igual a σ3,
houve um incremento de tensão vertical Δσ, sendo esse incremento determinado pela norma ME 134 (DNIT, 2010). O momento zero foi determinando quando 1 e 3 eram de igual valor. Foram instalados dois medidores de deslocamento externa à célula triaxial, e estes foram conectados à ponta da haste do pistão.
Há uma recomendação na norma ME 134 (DNIT, 2010) para que a frequência de ciclos seja de 1 Hz, ou seja, 60 ciclos por minuto com duração de cerca de 0,10s cada. No entanto segundo o Manual de Pavimentação do DNIT (2006), não se tem notado influência significativa para aplicação de ciclos entre 20 e 60 por min, ou seja, entre 0,33 Hz à 1,0 Hz, com duração de carga entre 0,86 s e 2,86 s e umidades dos corpos-de-prova próxima à ótima para solos finos e coesivos.
Em virtude do programa de aquisição de dados ter uma resolução mínima de leitura de 1,0 s, não computava a aplicação de carga de 0,1 s, conforme a norma, logo, optou-se por utilizar
um ciclo de 3,0 s, ou seja, 0,33 Hz, com duração de carga de 1,5 s, ficando dentro de uma faixa aceitável, conforme o Manual de Pavimentação do DNIT (2006).
3.7 Expansão
O ensaio de expansão foi realizado junto com o ensaio do ISC, durante o período de imersão (Figura 3-18). O ensaio foi realizado conforme a norma ME 172 (DNIT, 2016).
Figura 3-18 - Extensômetros acoplados aos moldes de ISC
Cada camada do pavimento tem uma tolerância para a expansão (Tabela 3-4) que é calculada pela seguinte expressão:
Expansão = (Lf – Li) / H (3.11)
Onde:
Lf = leitura final, após 96 horas, do extensômetro; Li = leitura inicial;
Tabela 3-4 - Expansão máxima permitida para cada camada do pavimento
Camada do Pavimento Expansão Máxima
Subleito 2%
Reforço de Subleito 1%
Sub-base 1%
Base 0,50%
Fonte: Adaptado do Manual de Pavimentação do DNIT (2006)
A medida de expansão do solo é um parâmetro fundamental para projetos de pavimentação, pois apresenta um indicativo do comportamento dos materiais passantes na peneira de 0,075 mm.
3.8 Absorção de Água
O ensaio de absorção foi realizado conforme a norma ME 81 (DNER, 1998) para a areia e o pedrisco (Figura 3-19).
Figura 3-19 - Ensaio de Absorção: Areia e Pedrisco submerso durante 24 h (a); Pedrisco Saturado Superfície Seca (b); Areia Saturado Superfície Seca (c)
Os agregados foram submersos durante 24 h para que ficassem completamente saturados com água. Após esse período os mesmos foram colocados em bandejas para secagem superficial ao ar livre. A absorção de água foi calculada pela fórmula:
Onde a é a absorção de água, em porcentagem, Msss é a massa saturada superfície seca e Ms é a massa seca.
3.9 Quebra de grãos
O método empregado foi o método preconizado pelo Departamento Nacional de Estrada de Rodagem DNER - ME 398, (DNER, 1999).
Esse método fornece o índice de degradação IDp que tem como objetivo analisar o comportamento do material em função do desgaste sofrido durante o processo de compactação. Ensaios de granulometria foram feitos sobre as misturas antes e após os ensaios de compactação.