Moldagem dos corpos de prova

O equipamento TGE/UFSC segue os procedimentos de execução de ensaios disponíveis na literatura convencional, porém, em virtude das

Sensor de vazão saída U Filtro Filtro Sensor de vazão entrada Reservatório de agua Vá cu o Transdutor confinante U to p o U b as e Transdutor poropressões σc σc

dimensões acentuadas do equipamento, novos métodos tornaram-se necessários, face à necessidade de se privar pela confiabilidade e fidelidade dos resultados obtidos.

3.6.4.1 Membranas de látex

Hummes e Maccarini (2009) descrevem a obtenção das membranas de látex como uma das principais dificuldades no desenvolvimento de triaxiais de grande escala, visto que a comercialização deste produto em sua versão final de aplicação não é conhecida. Doravante, os procedimentos de densificação de corpos de prova necessariamente são realizados com inserção prévia da membrana de borracha, para posterior aplicação de pressões de estabilização. E, como os enrocamentos da UHE Machadinho possuem partículas angulares, foi comum a necessidade da correção de furos. Propuseram, portanto, a aquisição de bobinas de la_{́tex, com largura de 1100mm,} comprimento de 20m e espessura de 3.2mm, com confecção da sua forma final realizada pela própria equipe de laboratoristas. Foi calculada a rigidez (J), conforme Figura 89, igual à 5261 N/m, valor este que Hummes e Maccarini (2009) consideraram pouco significativo para acarretar em quaisquer processos de confinamento ou enrijecimento do corpo de prova. Figura 89 – Deformabilidade das membranas de látex.

Fonte: Hummes e Maccarini (2009).

É importante ressaltar que a utilização de membrana de látex de rigidez pouco significativa foi fator diferenciador dos ensaios obtidos

0 100 200 300 400 500 0% 1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% F o rç a [ N/m ] Deformação específica [%]

nesta pesquisa, visto que é comum a realização de ensaios de grande escala com materiais de vedação mais rígidos e resistentes, ou grande número de membranas sobrepostas. Como o equipamento triaxial de grande escala da UFSC possui dimensões muito elevadas para o mercado padrão, foram confeccionadas membranas de vedação com as dimensões desejadas (diâmetro igual a 660mm e altura mínima de 1900mm).

O modelo adotado no desenvolvimento das membranas consistiu na confecção de dois cilindros com juntas verticais, diâmetro interno de 660mm e altura de 1000mm, unidos em juntas horizontais, mantendo-se o cuidado de posicioná-los com ângulo de 90º entre juntas verticais, conforme exemplificado na Figura 90.

Figura 90 – Desenho esquemático das membranas de látex.

Fonte: Elaboração do autor.

Verifica-se na Figura 90 que se cogitou ainda a possibilidade da confecção de uma membrana com duas juntas verticais, o que seria mais produtivo e simples de se executar. Contudo, como a união é um ponto crítico de vedação, em virtude das irregularidades decorrentes do processo manual de fabricação, e a configuração resultaria em quatro

660mm 180º 660mm 80mm 80mm 19 00 mm 90º Juntas críticas Juntas críticas

juntas críticas no topo e base do corpo de prova, ou seja, o dobro da configuração adotada, esta possibilidade foi então descartada. As juntas das membranas foram unidas com execução manual de taludes com 2.3º de inclinação, sobreposição de 80mm, em uma espessura total de 3.2mm, conforme exemplificado na Figura 91. Em ensaios de resistência a compressão triaxial convencionais, com dimensões padronizadas, é comum realizar a vedação do topo e da base dos corpos de prova, apoiando-se simples anéis de borracha de seção circular sobre as membranas de látex, que também possuem dimensões padronizadas, e são confeccionadas por fusão, não havendo emendas e irregularidades que possam resultar em vazamentos.

Figura 91 – Detalhe do talude proposto na junta das membranas.

Fonte: Elaboração do autor.

A Figura 92 apresenta imagens em detalhes da confecção das membranas de látex, na qual foi utilizado o cimento extraforte Vipafix da fabricante Vipal, com adição de catalizador Vipafix 60.

2.3º

3.2mm 80mm

Figura 92 – Imagens em detalhe da confecção das membranas de látex.

3.6.4.2 Cilindro com 32 janelas metálicas

Por conter partículas angulares, os enrocamentos

predominantemente ocasionaram em furos nas membranas, comprimidas entre o material de estudo e 32 janelas metálicas unidas em forma de cilindro vazado, ou seja, com dimensões internas iguais à própria dimensão do corpo de prova (Figura 93).

Figura 93 – Sistema de janelas desenvolvido para o TGE/UFSC.

Fonte: Elaboração do autor.

Estas janelas foram projetadas e desenvolvidas por Hummes e Maccarini (2009), e tiveram por finalidade possibilitar o acesso dos laboratoristas em pontos específicos dos corpos de prova, densificados dinamicamente em 11 camadas de 150mm. Após a moldagem, iniciaram- se os procedimentos de aplicações de pressões de estabilização e verificação pontual de furos e vazios perimetrais. Isto só foi possível, pois em decorrência da sucção de ar que ocorre de fora para o interior do corpo

de prova, nos furos maiores os sons são audíveis pelo ouvido humano. Os detalhes acerca da pressão aplicada são apresentados no item 3.6.4.6. 3.6.4.3 Vedação dos corpos de prova

O sistema de vedação foi basicamente configurado por duas membranas, uma principal de 3.2mm de espessura que permaneceu em contato com o material de estudo, e uma segunda com 1.0mm, que foi sobreposta a esta primeira. A segunda membrana, por sua vez, teve estanqueidade verificada por meio de pressão de ar e imersão em tanque com água. A Figura 94 apresenta um corpo de prova sem o molde metálico, com pressão de estabilização aplicada, e já com a segunda membrana instalada.

Figura 94 – Corpo de prova sob aplicação de vácuo e sem sistema de placas.

Fonte: Elaboração do autor.

A insistência em se manter o sistema de vedação com somente duas membranas se deu em prol da necessidade de se eliminar novas variáveis

Corpo de prova com uma membrana

Corpo de prova com duas membranas

que poderiam surgir com a inserção de materiais mais rígidos de vedação, ou até mesmo com um número elevado de membranas sobrepostas. A Figura 95 apresenta um desenho esquemático do procedimento padrão de vedação das duas membranas em látex, utilizando-se cintas metálicas e cimento extraforte no topo e base do corpo de prova.

Figura 95 – Representação esquemática do padrão de vedação de topo e base.

Fonte: Elaboração do autor.

Top cap

Enrocamento

Cimento extraforte Vipafix 1º conjunto de abraçadeiras

Membrana de látex principal (3.2mm)

CORTE AA’ S/E 2º conjunto de abraçadeiras

Membrana de látex secundária (1.0mm) 660mm

A A’

VISTA SUPERIOR COM UMA MEMBRANA

VISTA SUPERIOR COM DUAS MEMBRANAS 1 x membrana

5 x abraçadeiras

2 x membranas 10 x abraçadeiras

A exemplo das dificuldades que surgem quando se propõe a realização de ensaios de grande escala, foi necessário desenvolver o padrão descrito na Figura 95, para vedação do topo e base do corpo de prova, utilizando-se cintas metálicas dispostas de 5 abraçadeiras em aço inox (Suprens abraçadeiras, Kit Suprens aço inox série 300-W4), solicitadas em sua máxima capacidade, de forma homogênea, ou seja, distribuindo-se gradativamente os torques ao longo dos cinco possíveis pontos de solicitação. O padrão desenvolvido para vedação dispôs de dois conjuntos de cintas metálicas, uma primeira somente sobre a membrana de 3.2mm de espessura, e um segundo sobre as duas membranas (3.2mm e 1.0mm).

É possível observar na Figura 96 que as membranas de látex também foram unidas com adesivo colante no topo e base metálicos. Este procedimento foi adotado como medida de segurança, tendo em vista que a função principal de vedação foi atribuída ao conjunto de cintas metálicas.

Figura 96 – Vedação de segurança com cimento extraforte.

Fonte: Elaboração do autor.

Abraçadeiras em aço inox ►vedação principal

Cimento extraforte Vipafix ►vedação secundária

3.6.4.4 Técnica de redução de vazios perimetrais

Maia (2001) verificou que durante a fase de consolidação em ensaios triaxiais, ocorria a perfuração das membranas de revestimento dos corpos de prova, e destacou que este tipo de patologia é mais comum em enrocamentos de basalto, cujas partículas são angulosas e com bordas pontiagudas. Descreve que na execução dos ensaios triaxiais de sua pesquisa foram utilizadas membranas de látex e de PVC, cujo objetivo foi garantir a estabilidade do corpo de prova durante a retirada do molde metálico. Foram adicionadas de três a cinco membranas, e a quantidade foi definida em função da pressão de confinamento de cada ensaio. O autor cita que, embora tenham utilizado diversas membranas, o efeito da resistência oferecida foi considerado na análise dos resultados, seguindo as recomendações de Veiga Pinto (1982).

Os furos gerados nas membranas de látex, predominantemente durante os processos de densificação dinâmica e consolidação, e eventualmente nos estágios de cisalhamento, foram problemas recorrentes, e principais responsáveis por perdas de corpos de prova e atrasos no projeto de pesquisa. É possível observar na Figura 97 que os furos oriundos dos procedimentos de densificação são dispostos alinhadamente, onde se concluiu ser o contato entre camadas, local de impacto com a aresta metálica da placa vibratória.

Figura 97 – Alinhamento de furos na membrana de látex.

Fonte: Maccarini et al. (2014). Furo aleatório

Ainda que tenham ocorridos furos nas membranas de Látex durante a densificação do material, foi possível corrigir os mesmos em procedimento anterior ao estágio de consolidação e cisalhamento do corpo de prova, ou seja, durante a aplicação de pressões de estabilização. Posteriormente, verificou-se ser comum a formação de espaços vazios nas extremidades perimetrais das amostras, que propiciavam a ruptura da membrana de Látex por punção. Esta patologia ocasionou a perda de sucessivos corpos de prova, limitando os ensaios à pressões confinantes efetivas de até 500kPa, o que, em se tratando de grandes barragens de enrocamento, seria pouco representativo. Logo, tendo em vista a necessidade do alcance de tensões confinantes mais elevadas, bem como a redução na perda de corpos de prova, de forma que se pudesse cumprir com o cronograma proposto, foi desenvolvida e aprimorada uma técnica de preenchimento dos vazios perimetrais com finos de riodacito e basalto vesicular brechoso, tal como demonstrado na Figura 98. Após a otimização deste procedimento, e dos devidos cuidados necessários com as membranas de látex, foram executados ensaios triaxiais em múltiplos estágios, com sucesso na obtenção dos dados, e alcançando-se pressões efetivas confinantes de até 1100kPa.

Figura 98 – Ilustração do procedimento de correção de vazios.

Fonte: Elaboração do autor.

O material utilizado no preenchimento de espaços vazios consistiu de partículas retidas nas peneiras 0.3mm para furos de até 30mm de diâmetro, e retidas 0.6mm para espaços vazios maiores. A correção de furos foi realizada sempre após os procedimentos de moldagem dos

C.P.

1: Identifica-se potencial para ocorrência de furo por punção na membrana de látex.

σc'

2: Com uma agulha biselada, diâmetro interno de 3mm a 4mm, perfura-se o ponto, aguardando até que o vácuo aplicado no corpo de prova absorva os finos, e os vazios sejam preenchidos. 3: A perfuração causada pela agulha é corrigida com mesmo material de látex, utilizando-se agente colante apropriado.

corpos de prova triaxiais, e da conexão das tubulações de pressões, por meio das quais foram aplicadas as pressões de estabilização, visando a identificação e correção de furos gerados durante o procedimento de densificação (Figura 99).

Figura 99 – Potenciais furos em membrana de Látex.

Fonte: Elaboração do autor.

3.6.4.5 Preparação dos corpos de prova

Os corpos de prova para os ensaios triaxiais, diferentemente dos corpos de prova de ensaios de densificação, possuem dimensões distintas entre diâmetro e altura. Para o equipamento triaxial de grandes dimensões do LMS/UFSC, a relação entre diâmetro e altura é de 2.5 (1650mm/660mm). Os ensaios de densificação desta pesquisa foram realizados utilizando-se molde metálico com diâmetro igual ao do equipamento triaxial (660mm) e altura de 700mm, ou seja, relação aproximada de 1.0 (700mm/660mm), atingindo 15 centímetros entre camadas. Desta forma, sabendo que os corpos de prova do equipamento triaxial deveriam atingir altura de 1650mm, foram adotados procedimentos de densificação de 11 camadas de 150 milímetros (Figura 100).

Nos ensaios elaborados por Pacheco (2005), a densificação dos corpos de prova foi realizada com a mistura sendo executada no interior do próprio equipamento de compressão unidimensional. O autor questiona o método, dissertando sobre a possibilidade de um possível carreamento dos finos, durante o lançamento da agua de molhagem da amostra, o que pode ter mobilizado grandes tensões de resistência nos

contatos, dificultando a densificação. Na presente pesquisa, a adição de água para os ensaios de resistência foi realizada em dia anterior ao procedimento de moldagem, por etapas de adição e intensa homogeneização, em baia separada, mantendo-se o material isolado do meio externo. O teor de umidade foi controlado no dia da moldagem, levando-se uma fração do material ao fogo, e posteriormente aferindo os resultados pelo método tradicional da estufa.

Figura 100 – Procedimento de densificação do corpo de prova triaxial.

Fonte: Maccarini et al. (2014).

A Figura 101 ilustra o material para ensaio no interior do sistema de placas antes e após a densificação. Os procedimentos adotados no processo de moldagem do corpo de prova triaxial foram similares aqueles citados no ensaio de densificação, tal como a inclusão controlada das partículas maiores que 76mm de diâmetro. É importante citar que, como o objetivo deste ensaio foi a determinação dos parâmetros de resistência dos enrocamentos, tornou-se necessário escarificar o contato entre camadas, de forma que o corpo de prova tivesse um comportamento de bloco único.

Figura 101 – Imagem do interior do corpo de prova antes e após a densificação.

Fonte: Maccarini et al. (2014).

Durante os primeiros ensaios de resistência a compressão triaxial foi verificada a necessidade de se desenvolver um sistema de suavização das extremidades de contato entre o top-cap e a face superior do corpo de prova de enrocamento, sendo que isso se deu pois na aplicação de pressões confinantes, a membrana de látex foi deslocada inicialmente para uma posição compreendida entre o top-cap e o material de estudo, ocasionando então em furos e vazamentos na mesma (Figura 102). Figura 102 – Sistema de prevenção de furos no top-cap.

S/E Fonte: Elaboração do autor.

Foi então proposto que, ao final da moldagem das 11 camadas, as bordas da face superior fossem preenchidas com um material retido na peneira #1.2mm, conforme ilustram as imagens da Figura 103.

Top-cap Enrocamento com vácuo aplicado. Com preenchimento, membrana alinhada Sem preenchimento, membrana flexionada

Figura 103 – Preenchimento das bordas de topo do corpo de prova.

Fonte: Elaboração do autor.

3.6.4.6 Aplicação de pressões efetivas de estabilização

Bishop e Henkel (1962) descrevem que, para materiais pouco coesos, o procedimento de moldagem do corpo de prova deverá prever a utilização prévia de uma membrana, de forma que seja possível a aplicação de pressões efetivas de magnitudes mínimas o suficiente para autopreservação da estrutura do material. Cita ainda que para amostras de diâmetro igual à 38.1mm seriam necessários 2.09kPa de pressão confinante efetiva, e para 101.6mm seriam necessários 5.58kPa. Hummes e Maccarini (2009) verificaram que em triaxiais com dimensões próximas de 660mm de diâmetro e 1650mm de altura, 60kPa é uma pressão suficiente para autopreservação da estrutura do corpo de prova, esta conclusão foi obtida medindo-se os deslocamentos horizontais para diferentes valores de pressões de estabilização.

As aplicações de pressões efetivas de estabilização foram necessárias durante todo o período que compreendeu a retirada dos 32 moldes metálicos que sustentavam os corpos de prova, até um momento final, no qual a câmara triaxial foi acoplada sobre o corpo de prova, preenchida com água da rede predial, e a pressão de ar negativa interna (-60kPa) do corpo de prova foi gradualmente substituída por uma pressão externa de água, igual a 150kPa. Ressalta-se que foi adotado o valor de 150kPa, pois convenientemente esta era a pressão disponível na rede predial, ou seja, manteve-se o corpo de prova estável pela rede pluvial no interior da câmara triaxial, nos dias que sucederam a sua moldagem, uma vez que utilizar o sistema hidráulico por um longo período de tempo colocaria em risco não somente o ensaio, mas também todos os usuários do Laboratório de Mecânica dos Solos.

3.6.4.7 Movimentações finais na câmara triaxial

Após a inserção da segunda membrana de Látex, foi realizada a montagem da câmara triaxial para aplicação de pressões confinantes no corpo de prova, utilizando-se água como fluido. Contundo, dadas as magnitudes do equipamento, toda a movimentação da câmara triaxial teve de ser realizada com sistema e ponte rolante disponível na estrutura física do Laboratório de Mecânica dos Solos da UFSC (Figura 104).

Figura 104 – Movimentação vertical da câmara triaxial.

Fonte: Elaboração do autor.

A necessidade de se utilizar um sistema de ponte rolante fez com que todos os procedimentos que antecederam a realização dos ensaios triaxiais, fossem realizados fora do pórtico de reação. Desta forma, foi desenvolvido um sistema que permitiu o deslocamento horizontal de todo o conjunto da câmara triaxial, sem a utilização da ponte rolante. Na Figura 105 é possível verificar por meio da sequência de fotos “a, b e c” o deslocamento horizontal da câmara triaxial, que foi realizado nos trilhos apresentados na foto “d”, sobre as rodas da foto “e”, que apoiam a base da câmara em quatro pontos, e que possuem um dispositivo de elevação próprio.

Figura 105 – Reposicionamento horizontal da câmara triaxial.

Fonte: Elaboração do autor.