Propriedades mecânicas

Durante o seu tempo de vida, um geossintético está sujeito a solicitações mecânicas, que podem ser de três tipos: esforços de tração ou compressão (esforços distribuídos), puncionamento (esforços concentrados) e de rasgamento (esforços concentrados e distribuídos). Estas solicitações podem ser provocadas de forma dinâmica, por uma rápida transmissão de energia ao geossintético, ou podem ser provocadas por cargas constantes ao longo do tempo (Lopes & Lopes, 2010).

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Comportamento à tração

Conforme Lopes & Lopes (2010) o comportamento à tração dos geossintéticos depende de vários fatores, tais como: polímero constituinte, estrutura, processo de fabricação, tipo de ligação, velocidade de deformação, temperatura do ensaio, direção da força aplicada, tensão de confinamento, entre outros.

A resposta dos geossintéticos quando estão sujeitos à tração é geralmente caracterizada pela curva que relaciona a força por unidade de largura (em unidades de kN/m) versus alongamento (em %) (Figura 2.1). A partir da curva referida é possível obter: resistência à tração (que é a força máxima por unidade de largura na ruptura), o alongamento na ruptura e a rigidez secante, que é definida como a razão entre a força por unidade de largura e a deformação correspondente.

Figura 2.1 Curva força - deformação típica em ensaio de resistência à tração em geossintéticos (modificado de Lopes & Lopes, 2010).

Valores típicos de deformação na ruptura, para vários tipos de geossintéticos, podem variar na seguinte faixa de valores: geotêxteis não tecidos: 10% - 35%, geotêxteis não tecidos de poliéster mecanicamente ligados: 50% - 100%, geotêxteis não tecidos de polipropileno ou polietileno ligados térmica ou mecanicamente: 20% - 70% e nos geotêxteis tricotados é maior que 100% (Shukla, 2002).

Os valores de resistência à tração geralmente variam entre 5 kN/m e 1000 kN/m. Já os valores de rigidez secante, avaliada ao 5% de deformação, para geogrelhas de poliéster, podem variar entre: 150 kN/m e valores superiores à 900 kN/m, e para geogrelhas de fibra de vidro a rigidez avaliada a 1% de deformação pode ser da ordem de 2000 kN/m (Shukla, 2002).

12 No Brasil, a norma que estabelece as condições do ensaio de tração é a ABNT NBR ISO 10319:2013. Este ensaio tem a particularidade de ser realizado em corpos de prova com largura superior à sua altura, pelo que é nomeado de ensaio de tração não confinada em faixa larga. O uso de corpos de prova de maior largura deve-se ao fato que geralmente geotêxteis sofrem contração lateral. Assim, amostras com maior largura reduzem este efeito, e conduzem a um comportamento mais próximo do comportamento real em serviço (Lopes & Lopes, 2010).

Efeito da velocidade de ensaio nas propriedades mecânicas dos geossintéticos

Para o projeto de uma estrutura civil é preciso determinar as propriedades dos materiais envolvidos, dentro de condições similares às quais eles estarão submetidos durante a vida de serviço. Estruturas reforçadas com geossintéticos não são diferentes. Os ensaios convencionais para determinar as propriedades mecânicas dos geossintéticos (ensaio de resistência à tração), são realizados por meio da aplicação de um carregamento monotônico, a uma taxa constante de velocidade e em temperatura ambiente, sendo estas duas condições, na maioria dos casos, não representativas das condições reais às quais vai estar submetido o material de reforço (Cuelho

et al., 2005).

Tradicionalmente, o ensaio de resistência à tração em faixa larga (ABNT NBR ISO 10319:2013), é empregado para determinar as propriedades mecânicas dos geossintéticos. O ensaio é realizado aplicando um carregamento monotônico, a uma velocidade relativamente alta (20% de deformação axial por minuto) para a maioria das situações em obras civis. Não obstante, quando os geossintéticos são empregados no reforço de estruturas de pavimentos, eles experimentam carregamentos cíclicos do tráfego em velocidades superiores às estabelecidas no ensaio tradicional.

Diferentes pesquisas realizadas com amostras de geossintéticos apresentam mudanças significativas nas propriedades mecânicas, ao submeter os corpos de prova a velocidades de deformação superiores às especificadas nas normas tradicionais de ensaio. Raumann (1979) realizou ensaios com amostras de geotêxtil tecido de polipropileno e poliéster a velocidades de deformação maiores que 100%/min. Dos resultados apresentados é possível concluir que à medida que se aumenta a velocidade, a deformação na ruptura diminui, especialmente para o polipropileno. Bathurst & Cai (1994) avaliaram amostras de geomembranas de polietileno de alta densidade e geogrelhas de poliéster sob velocidades superiores 1050%/min, concluindo que a rigidez não apresentou mudanças significativas para as amostras de poliéster, mas foram significativas para as de polietileno.

13 Kelkar et al. (2000) avaliou amostras de geotêxtil de alta resistência, fabricadas em poliéster. Todas as amostras foram preparadas com uma largura constante de 0,508 m. Para estudar o efeito do espaço livre entre as garras, cinco diferentes comprimentos foram avaliados: 0,102 m, 0,203 m, 0,305 m, 0,406 m e 0,508 m. Visando verificar o efeito da velocidade de deformação, quatro diferentes velocidades foram estudadas: 2%/min, 5%/min, 10%/min e 20%/min. Dos resultados obtidos na pesquisa é possível concluir que a velocidade de deformação nos ensaios de resistência à tração gera um aumento na rigidez à tração à medida que taxa de deformação é aumentada. O efeito foi menos significativo para as amostras com comprimentos superiores a 0,406 m, onde a partir deste valor a rigidez ficou constante.

Segundo Cuelho et al. (2005) a velocidade de deformação em ensaios normalizados de resistência à tração é relativamente baixa em comparação com as velocidades a que os materiais estão submetidos em situações reais de serviço. Por exemplo, considere-se uma estrutura de pavimento reforçada com geossintético, onde o material polimérico desenvolve uma deformação dinâmica de 0,2%, e onde a distância da bacia de deflexão requerida, para desenvolver completamente a deformação dinâmica é de 0,333 m. Se na situação anterior um veículo transita a uma velocidade de 100 km/h, a velocidade de deformação que estará submetido o reforço será de 1000%/min, taxa que é 50 vezes maior que o valor estabelecido nas normas de ensaio. Muitas pesquisas que avaliaram o efeito da taxa de deformação na rigidez e resistência à tração, sob condições de velocidades de ensaio inferiores a 10%/min já foram realizadas. Extrapolação dos resultados para velocidades de deformações maiores pode induzir em erros, devido ao fato de que os polímeros apresentam um comportamento não-linear.

Efeito da emulsão asfáltica nas propriedades mecânicas dos geossintéticos

As pesquisas desenvolvidas por Correia (2010), Correia & Bueno (2011), Correia et al. (2014) e Correia & Zornberg (2014) avaliaram nove diferentes tipos de geotêxteis não tecidos, classificados de acordo com o polímero, gramatura e tipo de fibras. Nas pesquisas realizadas foram estudadas as mudanças nas propriedades mecânicas, por meio da realização de ensaios de resistência à tração em faixa larga e permeabilidade na direção normal ao plano. Nesse sentido, foram ensaiados um total de 270 corpos de prova impregnados, 9 ensaios de permissividade e 9 ensaios de transmissão de vapor de água, este último com 27 corpos de prova impregnados. Os teores de asfalto residual estudados variaram entre 0,60 l/m2 e 1,40 l/m2. Para efeito de comparação, foram realizados os mesmos ensaios em amostras no estado original. Dos resultados obtidos em laboratório (Figura 2.2), é possível concluir que existe uma taxa

14 ótima de ligante residual para que se alcance os melhores incrementos no ganho de rigidez inicial para alguns geotêxteis não tecidos e, na maioria dos casos, esta taxa correspondeu à obtida nos ensaios de retenção de asfalto. O estudo revelou incrementos na rigidez secante com a adição do ligante em todos os materiais, para os níveis de deformações considerados. Os resultados evidenciaram uma possível taxa ótima de emulsão RR-1C, para o máximo o alcance de incremento de rigidez inicial nos geotêxteis não tecidos analisados, e na maioria dos casos (73% das amostras) esta taxa correspondeu à obtida nos ensaios de retenção de asfalto. Em 39% dos materiais, este valor foi superior a 0,90 l/m² e inferior a 1,10 l/m². Para 55% dos geotêxteis, a taxa ótima revelou-se entre 1,10 l/m² e 1,15 l/m² de emulsão asfáltica (Correia, 2010).

(a) (b)

Figura 2.2 Resultados ensaios resistência à tração em faixa larga: (a) força versus deformação; (b) rigidez secante versus taxa de ligante (Correia, 2010).

2.1.4 Mecanismos de atuação