Reparação estrutural de construções em terra através da injeção de caldas compatíveis

Júlio César da Costa Machado

Reparação estrutural de construções em terra

através da injeção de caldas compatíveis

Júlio César da Cos

ta Mac hado novembro de 2013 UMinho | 2013 R eparação es tr utural de cons tr uções em ter ra atra

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novembro de 2013

Tese de Mestrado

Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao

Grau de Mestre em Engenharia Civil

Trabalho efetuado sob a orientação do

Professor Daniel Vitorino de Castro Oliveira

Professor Tiago Filipe da Silva Miranda

Júlio César da Costa Machado

Reparação estrutural de construções em terra

através da injeção de caldas compatíveis

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AGRADECIMENTOS

Não poderia terminar este trabalho sem prestar o meu agradecimento às pessoas que de uma forma direta ou indireta contribuíram para a execução do mesmo.

Assim agradeço:

Ao meu orientador Professor Doutor Daniel Oliveira, pelo apoio que sempre disponibilizou na orientação deste trabalho, partilha de conhecimento, bem como o incentivo na fase final do trabalho.

Ao meu co-orientador Professor Doutor Tiago Miranda pela colaboração e disponibilidade demonstrada ao longo deste trabalho, nomeadamente na análise dos solos.

Ao Engenheiro Rui Silva, pelo espírito de entre ajuda que manifestou, pela sua disponibilidade, partilha de informação, companheirismo e amizade que demonstrou ao longo de todo este trabalho, é um amigo pelo qual tenho enorme consideração.

A toda a equipa técnica do Laboratório de Engenharia Civil da Universidade do Minho: José Gonçalves, Marco Jorge, António Matos, Carlos Jesus, Fernando Pokee, Carlos Palha e Hélder Torres, pela disponibilidade, apoio e colaboração nos ensaios, além da amizade e companheirismo que também demonstraram para comigo.

Às pessoas que encontrei no Laboratório durante o meu trabalho experimental: Catarina Silva, Eduarda Luso, Elisa Poletti, Helena Faria, Ricardo Barros, Susana Moreira pelo companheirismo, amizade e apoio.

A toda a minha família, em particular aos meus pais e à minha irmã pelo apoio incondicional que me deram durante este trabalho, principalmente nos momentos mais difíceis.

Finalmente, e não menos importante, a todos os meus amigos e colegas que sempre me incentivaram e apoiaram na realização deste trabalho.

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RESUMO

A existência de um vasto património de construção em terra por todo o Mundo no qual é necessário conservar e reparar levou ao desenvolvimento de algumas técnicas com esse propósito. A técnica de injeção de caldas tem demonstrado ser uma técnica promissora na reparação de fendas em construções de alvenaria, cuja presença prejudica o desempenho estrutural e acelera a sua degradação. Porém as caldas utilizadas na consolidação de paredes de alvenaria não são compatíveis física e mecanicamente com o material terra, visto que apresentam uma maior resistência em relação às construções em terra. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo aprofundar e consolidar conhecimentos sobre caldas de injeção, tendo em vista a reparação e conservação do património construído em terra.

O trabalho experimental foi realizado no laboratório de Engenharia Civil da Universidade do Minho e iniciou-se com a caraterização física de um solo proveniente de Odemira (Alentejo), nomeadamente em termos de textura, plasticidade e compactação, tendo em vista a sua adequabilidade para construção em taipa.

O solo do Alentejo foi corrigido e posteriormente foram reavaliadas as características físicas do novo solo. Além disso, provetes em taipa foram testados: à compressão em provetes cilíndricos; à flexão em três pontos em vigas de médio porte; e compressão diagonal em paredes de grande porte.

Por fim, foram formuladas três caldas (uma artificial e duas naturais) usadas na reparação de fendas em vigas de médio porte e paredes de grande porte. Várias propriedades das caldas foram avaliadas, nomeadamente a fluidez, retração por secagem, resistência à flexão e resistência à compressão. As vigas e paredes foram reparadas através da injeção de caldas, e no final foram reavaliadas as suas propriedades mecânica que permitiram determinar a eficiência da reparação

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ABSTRACT

The existence of a large worldwide spread earthen built heritage requiring maintenance and repair led to the development of some intervention techniques with this purpose. The grout injection has been shown to be a very promising technique for repairing cracks in masonry constructions, whose presence affects negatively their structural performance and accelerates their decay. However, the grouts used in the consolidation of masonry walls are not physically and mechanically compatible with earthen materials, since they are much stronger. In this context, this thesis aims at developing and consolidating the knowledge on grouts for repairing and preserving the earthen built heritage.

The experimental work was carried out at the laboratory of Civil Engineering from the University of Minho and was initiated with the physical characterization of a soil collected from Odemira (Alentejo), namely in terms of texture, consistency and compaction, which aimed at assessing its suitability for rammed earth construction.

The particle size distribution of the soil was corrected and subsequently its physical properties were reassessed. In addition, rammed earth specimens were tested: cylindrical specimens were tested under compression; medium-scale beam-specimens were tested under three-point bending; and large-scale wallets were tested under diagonal-compression.

Finally, three grout compositions were formulated (one artificial and two natural grouts) and were used in the repair of the cracks resulting from the test of the beam-specimens and wallets. Several properties of the grouts were assessed, namely the fluidity, the drying shrinkage, and the flexural and the compressive strengths. The beams and wallets were repaired by injecting these grouts, and then these specimens were retested in order to assess the repair effectiveness.

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Índice Geral

ÍNDICE DE TABELAS ... xix

1 INTRODUÇÃO... 1

1.1 Contexto ... 1

1.2 Objetivos ... 1

1.3 Descrição sumária do trabalho... 2

2 CONSTRUÇÃO EM TERRA ... 3

2.1 Evolução histórica da construção em terra... 3

2.2 Construções em Taipa... 5

2.3 Composição e caraterização do solo para construção em taipa ... 6

2.3.1 Propriedades físicas e mecânicas dos solos ... 7

2.4 Patologias da construção em taipa e técnicas de reabilitação ... 8

2.4.1 Patologia estrutural ... 8

2.4.2 Água ... 9

2.4.3 Sismos ... 9

2.4.4 Técnicas de reforço ...13

2.4.5 Injeção de caldas ...14

3 CARATERIZAÇÃO DE UM SOLO DO ALENTEJO ... 19

3.1 Introdução ... 19

xii 3.2.1 Ensaio do charuto ... 20 3.2.2 Ensaio da bola ... 21 3.2.3 Ensaio da Sedimentação ... 23 3.2.4 Densidade seca ... 24 3.3 Ensaios Laboratoriais ... 25

3.3.1 Ensaio de Proctor Modificado ... 26

3.3.2 Densidade das partículas ... 27

3.3.3 Limites de Atterberg ... 28

3.3.4 Análise Granulométrica... 34

3.4 Considerações finais ... 38

4 CARATERIZAÇÃO DO SOLO CORRIGIDO ... 41

4.1 Introdução... 41

4.2 Correção da curva Granulométrica ... 41

4.3 Ensaios Expeditos ... 46

4.4 Ensaios laboratoriais ... 47

4.4.1 Ensaio da durabilidade ... 47

4.4.2 Limites de consistência ... 48

4.4.3 Ensaio de Proctor Normal ... 49

4.5 Caraterização mecânica da Mistura ... 51

4.5.1 Descrição dos provetes e metodologia do ensaio à compressão ... 51

4.5.2 Descrição dos provetes e metodologia do ensaio de flexão ... 56

4.5.3 Descrição dos provetes e metodologia do ensaio de compressão diagonal ... 60

4.6 Considerações finais ... 66

5 CARATERIZAÇÃO DAS CALDAS E APLICAÇÕES ... 69

5.1 Introdução... 69

5.2 Caraterização dos materiais ... 69

5.2.1 Caraterização do caulino Mibal – A ... 70

xiii

5.2.3 Caraterização do solo do Alentejo #80 ...72

5.3 Ensaio de Adesão e reparação viga ... 74

5.3.1 Composição e caraterização das caldas na reparação de vigas ...74

5.3.2 Resultados do ensaio da aderência das caldas em vigas ...80

5.4 Ensaio da adesão e reparação de paredes ... 86

5.4.1 Composição e caraterização das caldas na reparação de paredes ...87

5.4.2 Resultados do ensaio da aderência das caldas em paredes...89

6 CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS ... 95

6.1 Trabalhos futuros ... 96

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Índice de figuras

CAPÍTULO 2 – CONSTRUÇÕES EM TERRA

Figura 2.1 – Secção em taipa da Grande Muralha da China na província de Ningxia (Jaquin, 2008) ... 3 Figura 2.2 – Distribuição mundial de construção em terra (Houben e Guillaud, 2008) ... 4 Figura 2.3 – Muralhas do Castelo de Paderne (Braga et al, 2010) ... 4 Figura 2.4 – Construção em taipa: a) utensílios de compactação manual, b) compactador mecânico, c) compactador pneumático ... 5 Figura 2.5 - Estrutura molecular dos minerais de argila ... 7 Figura 2.6 – Minerais de argila: (a) Caulinite; (b) Ilite; (c) Montmorilonite ... 7 Figura 2.7 – Distribuição geográfica de construção em terra (a) e da perigosidade sísmica (b), (De Sensi, 2003) ... 10 Figura 2.8 – Cidadela de Bam antes (a) e após o sismo de 2003 (b) (Langenbach, 2005) ... 10 Figura 2.9 – Danos provocados por térmitas em paredes da cidadela de Bam (Langenbach, 2005) ... 11 Figura 2.10 – Reforço das juntas de parede em taipa (Lacouture et al (2007) ... 13 Figura 2.11 – Reforço de parede de madeira através da fixação de elementos de madeira (Lacouture et al (2007)) ... 14

CAPÍTULO 3 – CARATERIZAÇÃO DE UM SOLO DO ALENTEJO

Figura 3.1 – Preparação do provete ... 20 Figura 3.2 – Processo de execução do ensaio de charuto: a) achatamento) flexão da fita; c) medição. ... 21 Figura 3.3 - Processo de execução do ensaio da bola: (a) preparação da mistura; (b) execução do ensaio ... 22 Figura 3.4 – Conjunto de possíveis resultados do ensaio da bola ... 22 Figura 3.5 – Processo do ensaio de sedimentação: a) frasco de vidro com a mistura; b) Agitação ... 23 Figura 3.6 – Resultados obtidos ensaio de sedimentação em função dos tempos: a) 45min; b) 60min;c) 24h ... 24 Figura 3.7 – Preparação dos provetes para ensaio da densidade seca: a) preparação da mistura; b)colocação da mistura em moldes ... 24 Figura 3.8 - Ensaio da resistência seca ... 25 Figura 3.9 – Curva de compactação do solo Alentejo ... 27

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Figura 3.10 – Ensaio densidade das partículas: a) Picnómetros; b) Processo de ebulição em

forno ... 28

Figura 3.11 – Estados de comportamento de um solo em função do teor em água (adaptado de Correia,1980) ... 29

Figura 3.12 – Carta de Plasticidade ... 29

Figura 3.13 - Concha de Casagrande ... 30

Figura 3.14 - Processo de execução do ensaio limite de plasticidade: a) 4 esferas; b) pormenor do filamento obtido; c) filamentos depois de seco em estufa ... 31

Figura 3.15 – Fase de preparação dos provetes para obter o limite de retração ... 32

Figura 3.16 - Processo de execução do ensaio para obter o volume do provete ... 32

Figura 3.17 – Classificação da plasticidade do solo do Alentejo ... 33

Figura 3.18 - Ensaio de sedimentação: a) Medição com o densímetro; b) Pormenor do processo de sedimentação das partículas de argila ... 36

Figura 3.19 – Resultado da curva granulométrica do “solo Alentejo” relacionada com os fusos: a) H&G; b) MOPT; c)LNEC ... 37

CAPÍTULO 4 – CARATERIZAÇÃO DO SOLO CORRIGIDO Figura 4.1 – Relação da curva granulométrica do “solo do Alentejo” com a curva de Fuller . 42 Figura 4.2 – Curvas granulométricas: a) areia do rio; b) brita 6/12... 43

Figura 4.3 – Diferentes constituintes da Mistura ... 44

Figura 4.4 – Relação da curva granulométrica da mistura com a curva Martins (2011) e a Curva de Fuller ... 44

Figura 4.5 – Resultado da curva granulométrica da mistura relacionando com vários fusos: a) Fuso H&G; b) Fuso MOPT; c) Fuso LNEC ... 46

Figura 4.6 – Processo de ensaio da gota: a) calibração do ensaio; b) esquema de execução do ensaio... 47

Figura 4.7 – Ensaio da durabilidade: a) resultado do ensaio; b) e c) medição da profundidade de erosão; d) e e) medição da profundidade de penetração. ... 48

Figura 4.8 - Classificação da plasticidade para a Mistura ... 49

Figura 4.9 – Procedimento de ensaio compactação da Mistura: a) preparação da mistura; b) pilão de compactação leve; c) processo de compactação ... 50

Figura 4.10 - Curva de compactação da Mistura ... 51

Figura 4.11 – Preparação dos provetes: (a) molde cilíndrico, (b) compactador mecânico, (c) provete cilíndrico; (d) provete cilíndrico retificado com gesso. ... 52 Figura 4.12 – Relação entre o teor água dos cilindros com as curvas de Proctor e saturação . 53

xvii Figura 4.13 – Pormenor da instrumentação utilizada no ensaio à compressão ... 53 Figura 4.14 - Curvas tensão-extensão ensaio à compressão em cilindros não confinados ... 54 Figura 4.15 – Modos de rotura do ensaio à compressão em provetes cilíndricos ... 56 Figura 4.16 – Relação entre o método da estufa e o método micro-ondas para os 3 materiais que compõe a mistura ... 57 Figura 4.17 – Relação entre o método da estufa e o método do micro-ondas para a mistura .. 57 Figura 4.18 – Relação entre o teor em água das vigas com a curva de Proctor e saturação .... 58 Figura 4.19 - Instrumentação para preparação das vigas: a)molde, b) compactador mecânico, c)viga ... 58 Figura 4.20 - Ensaio à flexão: a) configuração do ensaio; b) rotura da viga ... 59 Figura 4.21 – Curvas tensão-extensão do ensaio de flexão ... 60 Figura 4.22 - Procedimento de preparação das paredes: a) Preparação da mistura; b) molde; c) compactação; d) Parede ... 61 Figura 4.23 - Relação entre o teor em água das paredes com a curva de proctor e saturação . 62 Figura 4.24 – Pormenor do posicionamento dos LVDT’s: a) superfície da frente da parede; b) superfície de trás da parede ... 63 Figura 4.25 – Curva tensão de corte – extensão de corte da parede WURE_1 ... 65 Figura 4.26 – Modos de roturas obtidos do ensaio compressão diagonal; a) padrão de fendilhação típico das paredes; b) Padrão de fendilhação; c) rotura pela brita da WURE_11 65 Figura 4.27 – Curva tensão de corte – extensão de corte da parede WURE_11 ... 66

CAPÍTULO 5 – CARATERIZAÇÃO DAS CALDAS E APLICAÇÕES

Figura 5.1 - Caulino Mibal-A ... 71 Figura 5.2 – Pó de Calcário Micro 200 - OU ... 72 Figura 5.3 – Curvas granulométricas dos vários materiais que compõe as caldas ... 73 Figura 5.4 – Preparação das vigas: a) pulverização da superfície); b) colocação de vaselina; c) Fenda de 2mm; d)Fenda de 8mm ... 74 Figura 5.5 – Relação entre a curva granulométrica da mistura K/L_0.25 e a mistura S/L_0.67 ... 75 Figura 5.6 – Procedimento das caldas: a) mistura dos materiais em fase seca; b) colocação do hexametafosfato; c) mistura dos materiais em fase húmida; d) mistura dos materiais na Hobart N50. ... 76 Figura 5.7 – Técnica de injeção: a)injeção calda 55KL_0.25; b) injeção da calda 55SL_0.67 77 Figura 5.8 – Teste cone de Marsh ... 78 Figura 5.9 – Ensaio de retração: a) antes da secagem; b) após secagem ... 79

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Figura 5.10 – Ensaio da resistência das caldas: (a) ensaio à flexão; (b) ensaio à compressão 80 Figura 5.11 – Ensaio à flexão após a reparação... 81 Figura 5.12 – Curvas de flexão das vigas: a) não reparadas e b) reparadas com calda 55KL_0.25 e espessura 2mm; c) não reparadas e d) reparadas com calda 55KL_0.25 e espessura 8mm. ... 82 Figura 5.13 - Curvas de flexão das vigas: a) não reparadas e b) reparadas com calda 55SL_0.67 em fendas de 2mm; c) não reparadas e d) reparadas com calda 55SL_0.67 em fendas de 8mm. ... 83 Figura 5.14 – Metodologia de injeção de paredes ... 87 Figura 5.15 - Ensaio de compressão diagonal após a reparação da parede ... 89 Figura 5.16 – Curvas do ensaio de compressão diagonal em paredes não reparadas (a) e reparadas com a calda 55SL_0.67 (b) e em paredes não reparadas (c) e reparadas com a calda 55SL_1.0 (d). ... 90

xix

Índice de Tabelas

CAPÍTULO 2 – CONSTRUÇÃO EM TERRA

Tabela 2.1 – Classificação das partículas do solo (Minke, 2006) ... 6

Tabela 2.2 – Modos rotura e danos associados à ação sísmica (Lacouture et al (2007) ... 12

Tabela 2.3 - Requisitos das caldas ... 15

CAPÍTULO 3 – CARATERIZAÇÃO DE UM SOLO DO ALENTEJO Tabela 3.1 – Classificação da adequabilidade do solo para taipa e adobe de acordo com a norma HB 195-2002 The Australian Earth Building Handbook” ... 20

Tabela 3.2 – Resultados do ensaio do “charuto” ... 21

Tabela 3.3 – Classificação da resistência seca de um solo (Houben & Guillaud, 1989) ... 25

Tabela 3.4 – Teor água ótimo (ωotm.) e peso volúmico seco máximo (γdmáx) do solo Alentejo 27 Tabela 3.5 – Quadro resumos dos limites de consistência para o Solo do Alentejo ... 33

Tabela 3.6 – Classificação da retração do solo (Houben et al ,2008) ... 34

Tabela 3.7 – Classificação da coesão (Houben e Guillaud, 1989) ... 34

Tabela 3.8 – Comparação das várias frações do solo para o solo do Alentejo ... 38

Tabela 3.9 – Classificação da atividade de uma argila (Avrami et al, 2008) ... 38

Tabela 3.10 – Resumo das características geofísicas do solo do Alentejo ... 39

CAPÍTULO 4 – CARATERIZAÇÃO DO SOLO CORRIGIDO Tabela 4.1- Comparação entre as proporções das várias frações de solo da Mistura com o solo S4 Martins (2011) e a curva de Fuller ... 45

Tabela 4.2 – Resultados obtidos dos ensaios expeditos para a Mistura e Solo do Alentejo .... 46

Tabela 4.3 – Classificação da erosão norma australiana HB 195-2002 (Anexo A3.5) ... 48

Tabela 4.4 – Limites de consistência Mistura e “Solo do Alentejo ... 49

Tabela 4.5 - Resultado do ensaio de Proctor para a mistura ... 51

Tabela 4.6 - Conjunto de valores obtidos pelos provetes para o peso volúmico seco e teor em água ... 52

Tabela 4.7 – Resultados do ensaio à compressão nos provetes cilíndricos ... 54

Tabela 4.8 – Características mecânicas à flexão ... 59

Tabela 4.9 - Conjunto de valores obtidos na preparação das paredes para o peso volúmico seco e teor em água ... 61

Tabela 4.10 – Características mecânicas à compressão diagonal ... 64

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CAPÍTULO 5 – CARATERIZAÇÃO DAS CALDAS E APLICAÇÕES

Tabela 5.1 - Composição química do caulino Mibal-A ... 71

Tabela 5.2 - Propriedades físicas do Caulino Mibal-A ... 71

Tabela 5.3 - Composição química do pó de calcário ... 72

Tabela 5.4 – Propriedades físicas do pó de calcário ... 72

Tabela 5.5 – Propriedades físicas dos materiais constituintes das caldas ... 73

Tabela 5.6 - Proporção das várias frações de solo de acordo com Minke (2006) para os materiais que constituem as caldas ... 73

Tabela 5.7 - Proporção das várias frações de solo de acordo com Minke (2006) para as caldas 55KL_0.25 e 55SL_0.67 ... 75

Tabela 5.8 – Programa de injeções na reparação das vigas ... 77

Tabela 5.9 – Resultados do ensaio de cone de Marsh ... 78

Tabela 5.10 – Caraterísticas das caldas 55KL_0.25 e 55SL_0.67 ... 80

Tabela 5.11 - Características mecânicas à flexão das vigas reparadas e não reparadas com a calda 55KL_0.25 e 55SL_0.67 ... 81

Tabela 5.12 – Modos de rotura das vigas reparadas com a calda 55KL_0.25 ... 84

Tabela 5.13 – Resultados do ensaio de adesão da calda 55Sl_0.67... 85

Tabela 5.14 – Composição das caldas 55SL_0.67 e 55SL_1.0 ... 87

Tabela 5.15 - Propriedades físicas e mecânicas das caldas 55SL_0.67 e 55SL_1.0 ... 88

Tabela 5.16 – Consumo médio de calda de injeção por volume de parede ... 88

Tabela 5.17 - Caraterísticas mecânicas das paredes reparadas e não reparadas com a calda 55SL_0.67 ... 89

Tabela 5.18 - Caraterísticas mecânicas das paredes reparadas e não reparadas com a calda 55SL_1.0 ... 90

Tabela 5.19 – Modos de rotura da parede reparada com a calda 55SL_0.67 ... 91

1

1 INTRODUÇÃO

1.1 Contexto

A terra é um material de construção natural existente em todo o mundo. Estima-se que cerca de 30% da população mundial vive em casas de terra crua (Houben e Guillaud, 1989). Existe um conjunto de técnicas de construção em terra, de entre os quais o adobe e taipa são os mais visíveis (Houben e Guillaud, 1989).

Em Portugal existe um grande património de construções em terra, desde edifícios rurais de pequenas dimensões, até edifícios urbanos de maior porte, passando por muros, poços de água, igrejas e muralhas (Peña e Lourenço, 2006). No entanto, as ações de preservação do património construído em terra têm sido muito pontuais, dada a escassez de técnicas compatíveis com a estrutura a reparar. A falta de reparação destas construções conduz a problemas de fissuração, fragmentação e durabilidade.

As construções em terra são vulneráveis a ações dinâmicas, nomeadamente a ação de sismos, e ações da água (Peña e Lourenço, 2006). Este tipo de ações causa fissurações que caso não sejam reparadas podem causar danos estruturais (Silva, 2004). Neste sentido, é fundamental proceder à reparação das fissuras de forma a obter um melhor comportamento estrutural, principalmente se a construção em terra se situar em zonas de elevado risco sísmico.

Nos últimos anos têm-se desenvolvido algumas técnicas para reabilitar o património, entre as quais a injeção de caldas que demonstrou ser bastante viável e económica. Esta técnica é irreversível, por isso, e devido a algumas especificidades dos edifícios antigos, é necessário desenvolver um produto capaz de garantir a compatibilidade com o material original, assim como a durabilidade e a manutenção das suas propriedades mecânicas (Avrami et al, 2008). Para além da compatibilidade, é fundamental garantir boa injetabilidade, boa fluidez, esperando deste modo melhorar as qualidades de aderência (Silva, 2009).

1.2 Objetivos

O objetivo principal é o do estudo e desenvolvimento de caldas de reparação de construções em terra. Para isso estudou-se um solo normalmente utilizado para esse fim e testaram-se

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caldas para análise da sua compatibilidade, características e capacidade de repor as resistências mecânicas originais.

1.3 Descrição sumária do trabalho

O presente trabalho encontra-se divido em seis capítulos.

No capítulo 1 é apresentada uma breve contextualização do tema, bem como os objetivos e descrição sumária dos conteúdos de cada capítulo.

No capítulo 2 faz-se uma breve contextualização sobre a construção em terra, através de uma descrição histórica a nível Mundial e num caso particular em Portugal. É abordada a técnica de construção em taipa. São descritas algumas patologias das construções em terra, em particular na construção em taipa, assim como o desenvolvimento das técnicas de reforço e reparação, com maior incidência na técnica de injeção.

No capítulo 3 é apresentada a caraterização física do solo do Alentejo através de ensaios expeditos e laboratoriais e avaliada a sua aptidão para construção em taipa. Neste capítulo são descritos os procedimentos de ensaio, assim como apresentação e análise dos resultados obtidos.

No capítulo 4 é efetuada a correção do solo do Alentejo para adequar à construção em taipa e reavaliada as suas propriedades físicas através de ensaios expeditos e ensaios laboratoriais. Apresenta-se também a caraterização mecânica, que envolveu os ensaios à compressão e cilindros, ensaio à flexão em três pontos em vigas e ensaio de compressão diagonal em paredes.

O capítulo 5 aborda o estudo das caldas, iniciando com a caracterização dos materiais utilizados no desenvolvimento de três caldas, incluindo uma descrição do processo de desenvolvimento e composição das caldas e dos ensaios que permitam fazer uma avaliação das mesmas. É abordada a técnica de injeção de caldas na reparação de vigas e paredes ensaiadas no capítulo 4, e reensaiadas, tendo em vista a avaliação da eficiência das caldas. Finalmente no capítulo 6 apresenta-se as conclusões finais do trabalho, e adicionalmente são apresentados algumas propostas para trabalhos futuros dentro do contexto da injeções de caldas na reparação de paredes em terra.

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2 CONSTRUÇÃO EM TERRA

2.1 Evolução histórica da construção em terra

Segundo Minke (2006), foram encontrados no Oriente indícios de construção em terra com mais de 10000 mil anos. Com o desenvolvimento das técnicas de construção espalharam-se por vários continentes, como Ásia (7000 a.C.), Europa (4500 a.C.), África (3000 a.C.) e América (1000 a.C.). A construção mais antiga em adobe foi descoberta no Turquestão entre os anos 8000-6000 a.C. A construção mais antiga em taipa foi descoberta na Assíria no ano 5000 a.C. A terra não foi só utilizada para construir residências como também edifícios religiosos como o Templo de Ramsés II no Egito, construído em adobe há 3200 anos (Minke, 2006).

Uma das mais conhecidas construções em terra é a Grande Muralha da China (Figura 2.1), construída há 4000 anos, inicialmente em taipa e mais tarde coberto com pedras e tijolos. (Minke, 2006).

Figura 2.1 – Secção em taipa da Grande Muralha da China na província de Ningxia (Jaquin, 2008)

Na Europa a técnica da taipa foi introduzida por François Cointeraux no século XVIII, designando a técnica por “pisé”. Esta técnica foi utilizada mais tarde, em 1826, em Weilburg Alemanha, num edifício de seis andares, considerada a construção mais alta em terra (Houben e Guillaud 1989).

Atualmente estima-se que mais de um terço da população mundial vive em casas construídas em terra (ver Figura 2.2). A maioria das construções em terra situa-se nos países em

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desenvolvimento (ver Figura 2.2). No entanto existem também alguns edifícios em terra em países desenvolvidos como Alemanha, França e Reino Unido. (Houben e Guilaud, 2008). Ultimamente tem havido um enorme crescimento de construções de edifícios em terra na Austrália, Brasil e Estados Unidos da América, devido à evolução do fenómeno de construção sustentável onde a terra assume um papel principal (Torgal et al, 2010).

Figura 2.2 – Distribuição mundial de construção em terra (Houben e Guillaud, 2008)

Em Portugal é visível alguns monumentos construídos em taipa militarem como por exemplo o castelo de Paderne (Figura 2.3). A taipa militar consiste na adição de grande percentagem de cal à terra utilizada que depois é compactada com pilões. A espessura dos muros é de aproximadamente 1.80 metros e a altura dos taipais de 90 centímetros (Braga et al, 2010).

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2.2 Construções em Taipa

A terra é o material construtivo que está ao alcance de todos, sendo uma fonte inesgotável que pode ser utilizada em diversas técnicas construtivas. Contudo deve ter-se um bom conhecimento da terra e da técnica a aplicar, de modo a obter o resultado pretendido.

A técnica de construção em taipa consiste na compactação de terra húmida entre dois taipais dispostos horizontalmente, em camadas de 0,10 m de espessura até produzir fiadas que variam entre os 0,40 e os 0,50 m de altura. As fiadas com cerca de 0,45 m altura devem ser assentes sobre uma camada de 6 a 8cm de cal e calhaus. A espessura das paredes em taipa varia de 0,50 m a 0,90 m para casas com 1 ou dois pisos respetivamente.

Os principais utensílios utilizados na construção de paredes são: os taipais e os compactadores. Tradicionalmente a compactação era feita com recurso a pilões ou maços como representados na Figura 2.4a. Atualmente, a compactação é realizada através de compactadores pneumáticos ou vibratórios (Figura 2.4b) permitindo uma redução do tempo de obra.

(a) (b) (c)

Figura 2.4 – Construção em taipa: a) utensílios de compactação manual, b) compactador mecânico, c) compactador pneumático

Relativamente aos taipais, estes são uma ferramenta importante na técnica de construção em taipa, daí o seu nome, dado que é através deles que se dá a forma das paredes. Aos taipais exige-se que suporte cargas dinâmicas aplicadas, e que sejam indeformáveis durante o processo de compactação (Minke, 2006). A taipa tradicional era feita em madeira, cujo comprimento útil variava entre 1.30 m e 1.40. Atualmente são utilizadas cofragens metálicas que permitem construir paredes de uma vez (Oliveira et al, 2010).

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2.3 Composição e caraterização do solo para construção em taipa

A terra é um produto resultante das rochas na crosta terrestre provocadas por fenómenos ambientais, como o vento, a neve e a chuva. Também resulta da expansão e contração térmica, assim como, da expansão e do congelamento da água no interior das fendas das rochas (Minke, 2006). A erosão origina partículas que são definidas de acordo com os seus diâmetros. Na Tabela 2.1 são classificadas as partículas em função do seu diâmetro de acordo com a classificação proposta por Minke (2006).

Tabela 2.1 – Classificação das partículas do solo (Minke, 2006)

Classificação das partículas Variação das dimensões das partículas

Argila <0,002 mm

Areia 0,002 - 0,06 mm

Silte 0,06 – 2 mm

Gravilha >2 mm

No conjunto destas partículas, as argilas são as mais importantes, pois são uma parte integrante das construções em terra (Avrami et al, 2008). São partículas que possuem uma composição mineralógica à base de silicatos hidratados de alumina que favorecem o desenvolvimento de reações químicas na presença de água.

Assim quanto maior for a quantidade de argila melhor são as ligações entre as partículas mais grossas, e com isso uma maior resistência. Porém, em condições onde a presença de argila é excessiva pode ocorrer o efeito de retração que conduz a abertura indesejada de fendas. Por isso deve ser estabelecido um ponto de equilíbrio na quantidade de argila, a fim de evitar a fissuração excessiva, ou a falta de coesão no caso do conteúdo de argila ser insuficiente (Warren, 1999).

As argilas são compostas por uma mistura de diferentes minerais, entre eles os mais comuns são a caulinite, ilite e montmorilonite. A estrutura destes minerais é cristalino hexagonal lamelar, sendo cada partícula uma combinação de pequenas lamelas numa estrutura de placa de multicamadas (Minke, 2003), como se pode ver a partir da Figura 2.5. Estas lamelas consistem em diferentes camadas que são geralmente formadas a partir da ligação de estruturas octaédricas (átomos de silício rodeados por átomos de oxigénio) e tetraédricas (átomos de alumínio rodeados por átomos de oxigénio e grupos de hidróxido).

7 Figura 2.5 - Estrutura molecular dos minerais de argila

As caulinites são formadas por uma camada de tetraedros de oxigénio com um núcleo de silício e uma camada de octaedros de hidróxido com um núcleo de alumínio.

As ilites apresentam uma estrutura formada por três camadas, uma camada octaédrica de alumínio entre duas camadas tetraédricas de silício. Como a lamela é não saturada, a ligação entre as várias lamelas é feita através de iões de potássio (K) ou magnésio.

As montmorilonites apresentam uma estrutura idêntica as ilites, no entanto a ligação entre as duas camadas é realizada através da permutação dos catiões (Sódio (Na) e Cálcio (Ca)) com as moléculas de água. As caulinites são mais estáveis na presença de água, em comparação com as ilites e montmorilonites (Houben e Guillaud, 1989).

(a) (b) (c)

Figura 2.6 – Minerais de argila: (a) Caulinite; (b) Ilite; (c) Montmorilonite

2.3.1 Propriedades físicas e mecânicas dos solos

O solo ao longo do seu tempo vai adquirindo algumas características, resultantes do clima e de processos físico-químicos a que esteve sujeito. Para uma aplicação específica é fundamental analisar e definir as propriedades e características que influenciam o seu desempenho e comportamento (Minke, 2006). As características principais de um solo segundo a norma Australiana HP 195 (2002) são: coesão, cor, compactação, plasticidade e textura. As características do solo vão definir a adequabilidade para a construção em terra e a técnica a adotar (Austrália, 2002).

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As propriedades podem ser determinadas a partir de vários ensaios divididos em duas categorias: ensaios “in situ” e ensaios laboratoriais (Houben e Guillaud, 2008). Os ensaios “in situ” permitem avaliar as propriedades e características de uma forma macroscópica, recorrendo a técnicas simples e rápidas (Avrami et al, 2008).

Relativamente às propriedades mecânicas, as construções em terra geralmente têm uma resistência à compressão moderada mas uma resistência à tração e corte muito baixas (Gyssels e Dekoning, 2010)

A resistência à compressão é influenciada pela porosidade, força de coesão da fração de argila, força de agregados, a humidade e densidade (Maniatidis, 2003) Os testes usados em laboratório para testar a resistência à compressão em provetes de terra são os mesmos utilizados para avaliar a resistência à compressão em provetes de betão.

A norma Australiana HP-195 (2002) apresenta valores para a resistência à compressão que variam entre 0,4 - 0,6 (N/mm2). Por outro lado a norma Neozelandeza NZS4298, (1998) apresenta o valor de 0,5 (N/mm2).

As resistências à tração e flexão são consideradas nulas no dimensionamento. (Maniatidis, 2003)

2.4 Patologias da construção em taipa e técnicas de reabilitação

As causas de deterioração de uma construção em taipa podem ser classificadas como intrínsecas, quando associados a erros estruturais, e extrínseca quando associados a fatores externos, como água, vento e outros fatores ambientais como sismos. Estes agentes erosivos podem causar ocasionalmente danos irreversíveis na estrutura (Avrami et al, 2008).

2.4.1 Patologia estrutural

As patologias a nível estrutural manifestam-se através de fendas profundas, que surgem devido a defeitos das construções, modificações posteriores à construção ou acidentes. Também podem surgir devido a capacidade do material resistir a forças mecânicas, tais como, compressão, tração, flexão e corte. As tensões elevadas ou cargas concentradas podem originar distorções nas paredes, resultando no aparecimento de fendas e em alguns casos pode levar ao colapso da estrutura (Houben e Guillaud, 2008).

9 Um outro problema estrutural é ao nível da fundação que pode surgir devido a assentamento diferenciais do solo que origina o aparecimento de fendas, e põe em causa a integridade da estrutura. (Silva, 2009).

2.4.2 Água

A água é um dos principais agentes de degradação das construções em taipa (Maniatidis, 2003). De acordo com Avrami et al (2008) existem três processos de deterioração ligados à ações da água:

 Ciclos de secagem/molhagem que podem em atuar em três fases distintas: a) saturação da parede através da chuva; b) evaporação e migração de sais solúveis na superfície exterior; c) cristalização desses sais que conduzem à erosão da superfície.

 Ciclos de gelo/degelo que podem atuar em três fases: a) saturação da parede por precipitação de inverno (chuva, neve); b) congelamento da humidade acumulada, causando c) a cristalização e expansão da água.

 Ascensão capilar e salpicos, transportando sais que originam a perda de coesão, facilitando a erosão provocada pelo vento.

2.4.3 Sismos

Todo o tipo de construções em terra apresentam uma elevada vulnerabilidade sísmica, e por isso deve ser estudada com mais atenção a fim de evitar elevadas perdas humanas, materiais e económicas. A importância da análise sísmica deste tipo de construções provém do facto de grande parte das construções em terra estar situado em zonas de elevada perigosidade sísmica como se pode visualizar a partir da Figura 2.7.

Um dos exemplos mais recentes foi o terramoto na cidadela de Bam ocorrido a 26 de dezembro de 2003 (Figura 2.8). Em alguns dos casos a destruição foi total, enquanto noutros foi parcial sobre a forma de fendas. A cidadela foi construída há cerca de 2000 anos, e as construções mais predominantes era o adobe e a técnica de terra empilhada conhecida por “chineh”(Langenbach, 2005).

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(a) (b)

Figura 2.7 – Distribuição geográfica de construção em terra (a) e da perigosidade sísmica (b), (De Sensi, 2003)

(a) (b)

Figura 2.8 – Cidadela de Bam antes (a) e após o sismo de 2003 (b) (Langenbach, 2005)

Muitos engenheiros atribuíram a intensidade do terramoto como um dos motivos principais para grande parte dos danos. No entanto existem outros fatores, tais como: ataque de térmitas, variação das densidades e coesão nas camadas de terra, e a falta de reparação, que associado ao sismo contribuíram para um maior dano (Langenbach, 2005).

11 Figura 2.9 – Danos provocados por térmitas em paredes da cidadela de Bam (Langenbach, 2005)

Em relação a Portugal, os dados relativos à atividade sísmica ao longo da história, revelaram três regiões sísmicas importantes. Uma situa-se no Ribatejo e esta relacionada com a falha do vale interior, a segunda zona situa-se no Algarve (incluindo a zona marítima adjacente), na região de Loulé, e a terceira na região de Setúbal (Roque, 2002). Fazendo um paralelismo entre a distribuição geográfica de construções em taipa e a distribuição da atividade sísmica em Portugal, verifica-se a existências deste tipo de construções em zonas de elevada perigosidade sísmica, e por isso merecem um maior cuidado.

Os principais fatores que contribuem para o aumento da vulnerabilidade sísmica das construções em taipa são: irregularidades em planta e altura, distribuição inadequada dos muros em planta, desvios da verticalidade, problemas de humidade e infiltrações, ligação deficiente entre paredes, perda de material (exemplo: erosão basal), modificações / reparações com materiais incompatíveis, pavimentos flexíveis soluções de estruturas de coberturas desadequadas (Lacouture et al 2007). A maioria dos fatores específicos das construções em terra encontra-se associada à reduzida resistência à tração e elevada fragilidade dos materiais, que torna estas construções pouco propensas a suportarem ações perpendiculares ao plano das paredes.

Para além destes fatores, as construções em taipa apresentam algumas deficiências como a falta de elementos rígidos que permitem absorver as forças horizontais e a capacidade de flexão sem carga vertical que é praticamente nula.

Na Tabela 2.2 são apresentados os mecanismos de rotura e padrões de fendilhação possíveis numa construção em terra de acordo Lacouture et al (2007).

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Tabela 2.2 – Modos rotura e danos associados à ação sísmica (Lacouture et al (2007)

Modos de rotura Esquema

Rotura por flexão para fora do plano da parede. Fendilhação horizontal na base ou numa altura intermédia da parede. Adicionalmente formam-se fendas verticais intermédias.

Rotura por flexão para fora do plano da parede. Formação de uma fenda vertical a meio da parede. Posterior formação do mecanismo de colapso por fendilhação diagonal e

despreendimento da parede por fendilhação da parte superior dos cunhais.

Rotura por flexão para fora do plano de paredes isoladas ou de paredes de contraventadas com ligações deficiente às paredes de

contraventamento e com ausência de contrafortes.

Rotura por corte do plano da parede, associada a impulsos horizontais elevados.

Fendilhação diagonal através de blocos e juntas, amplificada por pavimentos e coberturas pesadas e pelas aberturas.

Colapso da cobertura para o interior da construção devido a um suporte deficiente na parede. O colapso é geralmente devido à rotura da zona superior das paredes.

Colapso generalizado da cobertura devido a um suporte deficiente da parede e à adoção de uma solução estrutural desadequada para a cobertura

Rotura por má ligação das paredes do segundo piso com as do primeiro. Formação de uma fenda horizontal generalizada por

desprendimento das paredes, resultando na instabilidade generalizada do segundo piso.

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2.4.4 Técnicas de reforço

A água, como visto anteriormente, é uma das causas mais comuns de degradação das construções em terra, e por isso deve ser evitada. Houben e Guillaud (1989) apresentam uma solução de drenos com uma distância à fundação de 1,5m. Os drenos depois são cobertos com pedras e gravilha para criar um filtro. Esta solução impede a água de subir por capilaridade. Relativamente aos sismos, pretende-se utilizar técnicas de reforço adequadas que permitem se possível evitar o colapso da estrutura ou retardar o colapso de modo a possibilitar a saída dos ocupantes durante o período sísmico. Algumas modificações das estruturas têm sido sugeridas de modo a melhorar o seu desempenho. As técnicas apresentadas tem como objetivo principal melhorar a resistência ao corte das paredes em taipa e a resistência à tração (Oliveira et al 2010).

Tendo em vista o melhoramento da resistência ao corte das paredes em taipa, Lacouture et al (2007) propõem o reforço das juntas das paredes de taipa através da introdução de elementos de bamboo ou madeira no centro do muro que ligam dois blocos adjacentes (Figura 2.10).

Figura 2.10 – Reforço das juntas de parede em taipa (Lacouture et al (2007)

Relativamente ao melhoramento da resistência à tração e do confinamento, Lacouture et al (2007) sugerem o uso de barras de madeira ao longo do perímetro da parede devidamente espaçadas, tal como ilustrado na Figura 2.11.

b – espessura do muro

Reforço interno em madeira ou bamboo no centro do muro

Elementos de junta horizontal

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Figura 2.11 – Reforço de parede de madeira através da fixação de elementos de madeira (Lacouture et al (2007))

2.4.5 Injeção de caldas

A injeção de caldas é uma técnica que consiste na emissão de uma calda fluida sobre estrutura, com o objetivo de preencher fendas ou cavidades e reintegrar as componentes de uma estrutura, que pode ser isolado ou complementar com um sistema mecânico (Avrami et al, 2008).

Esta técnica é irreversível e pode comprometer o desempenho da estrutura se forem utilizados materiais incompatíveis com a estrutura original (VanRickstall, 2000).

Segundo Van Rickstal et al (2003), as caldas devem ser compatíveis em termos químicos, mecânicos e históricos.

Em termos químicos, a calda deve ter capacidade para formar fortes ligações químicas, mediante reações irreversíveis com o material o material original. Deve ser resistente a sais de sulfato para evitar a formação de produtos expansivos e ter baixo teor de alcális.

A compatibilidade mecânica inclui resistência à compressão, resistência à tração e à flexão, de ductilidade, o encolhimento e a aderência ao substrato, devem ser similares às características mecânicas da estrutura original.

Em termos de compatibilidade histórica, o material utilizado na calda deve ser compatível com o material original.

Existem três métodos diferentes de injeção que variam em função do tipo de reparação: injeção sob pressão, injeção por gravidade e injeção sob vácuo (Roque, 2002).

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 A injeção sob pressão é utilizada em paredes de alvenaria e consiste em injetar calda através de tubos de adução, por norma, de baixo para cima e dos extremos em direção ao centro (Roque 2002).

 A injeção por gravidade destina-se à reparação de paredes fortemente degradadas, e consiste na emissão de caldas através de tubos de adução inseridos nas fissuras. (Roque, 2002).

 A injeção por vácuo é utilizada no reforço de pequenos elementos arquitetónicos, consiste na ascensão da calda provocada pela aspiração do ar nos tubos superiores, enquanto se injetam os tubos inferiores. (Roque, 2002)

Na Tabela 2.3 apresentam-se os requisitos principais de uma calda de injeção de acordo com Valluzi (2000):

Tabela 2.3 - Requisitos das caldas

Requisitos Descrição

Reológicos

- Fluidez: pretende-se fluidez durante tempo suficiente e capacidade de penetração uniforme, de modo a que os vazios sejam preenchidos de igual forma.

- Injetabilidade: baixa viscosidade, baixo ângulo de contacto - Segregação: ausência de segregações evitando heterogeneidades - Exsudação: a exsudação deve ser mínima de forma a diminuir os vazios da mistura quando esta estiver no seu estado endurecido

Químicos

- As ligações químicas devem ser fortes e irreversíveis

- Deverá ser resistente aos sais de sulfato, de maneira a evitar a formação de produtos expansivos como a estringite e a eflorescência - O teor de alcalis deve ser mínimo

Físicos

- O tempo de início de presa deve ser o adequado para o tempo de execução da injeção

- Pretende-se que a calda tenha uma retração baixa (embora a retração autogénea seja inevitável)

- Deverá ter as seguintes propriedades higroscópicas: insolubilidade em água e estabilidade volumétrica na presença de humidade

Mecânicos

- Deverá ter características mecânicas e de rigidez iguais ou ligeiramente superiores às do material original.

- As caldas deverão ter boa aderência para que haja um funcionamento conjunto

Térmicos

- A calda deverá ter baixo calor de hidratação a fim de evitar o desenvolvimento dos gradientes térmicos e com isso prejudicar a aderência ao suporte

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 Injeção de caldas em estruturas de terra

Como se tem vindo a demonstrar, as construções em terra apresentam mau desempenho na presença quer da água quer de sismos. Os danos aprecem sob a forma de fendas, que podem comprometer a integridade estrutural, e por isso necessitam de ser reparados. As técnicas tradicionais de reparação de fendas de construções em terra consistem em remover partes da parede original e substitui-las por um material novo que estabeleça a ligação estrutural ou alternativamente, por um sistema mecânico para proporcionar um reforço estrutural (Avrami et al 2008). Estas técnicas são muito intrusivas enquanto a injeção de calda é uma solução menos intrusiva é mais prática (Silva, 2009).

 Estudos realizados em caldas de injeção na reparação de construções em terra Alguns estudos foram realizados para reparar fendas através de injeção de caldas. Vargas et al. (2008) estudou vários tipos de injeção de caldas em paredes de adobe. Foram testadas caldas de terra estabilizadas com cimento (5%, 7%, 10%), com cal (5%,7%,10%), com gesso (5%, 10%, 20%) e caldas não estabilizadas. O ensaio consistiu em testar uma parede em adobe à compressão diagonal e repará-la com as várias caldas e testado novamente de forma a medir a eficácia da injeção. Após a análise dos resultados obtidos, Vargas chegou à conclusão que a reparação feita com caldas sem estabilizantes foi eficaz para recuperar as paredes danificadas, e que uma boa qualidade de injeção é processo crucial para uma reparação eficaz. Em contrapartida as caldas de terra estabilizadas com cimento ou cal não produziram bons resultados. O gesso foi aquele que produziu melhores resultados, no entanto a sua utilização é questionável uma vez que o gesso aumenta a dificuldade de reparação (Vargas et al, 2008) Um estudo efetuado por Lee (2009) sobre analise reológica de um conjunto de caldas compostas por vários materiais, incluindo caldas de terra, demonstrou que uma calda à base de terra é uma solução viável para colmatar o problema de compatibilidade entre a calda e o material a reparar. Contudo será necessária uma calibração da quantidade de terra, de forma a evitar problemas de fluidez, coagulação, segregação e exsudação. Nesse mesmo estudo, Lee (2009) demonstrou que o efeito de retração foi reduzido com o uso de terra na calda.

Recentemente Martins (2011) efetuou um estudo sobre eficiência das caldas na reparação em edifícios em terra. Um dos problemas observados nesse estudo foi a fluidez inconstante. Esse problema foi colmatado com adição nas devidas proporções de um desfloculante de argilas Hexametafosfato (HMP), obtendo resultados satisfatórios. A calda utilizada na reparação de

17 vigas de pequeno porte, era composta por: caulino, pó de calcário, HMP e água. Os resultados obtidos neste estudo foram promissores, em termos de eficiência de reparação.

19

3 CARATERIZAÇÃO DE UM SOLO DO ALENTEJO

3.1 Introdução

A engenharia geotécnica é um dos ramos da engenharia, cuja essência está focada no estudo das características geomecânicas do solo. Tais características são resultantes de um processo de erosão das rochas provocado por ações naturais, que ao longo do tempo originam substratos heterogéneos com propriedades diferentes da rocha-mãe. Assim, por ser um material natural e possuir grande variabilidade, a terra (ou solo) é um material difícil de caraterizar, por isso deve ser estudado de forma a compreender melhor o seu comportamento e desempenho. Também é fundamental para a conservação de edifícios antigos, visto que com o aparecimento de novos materiais é necessário otimizar o desempenho e alcançar a compatibilidade entre eles.

Ao longo deste capítulo é realizado um estudo das propriedades físicas de um solo proveniente de Odemira, Portugal. A escolha deste solo tem como base um trabalho efetuado por Martins (2011), que numa análise de quatro tipos de solos, este foi de entre eles o que apresentou resultados mais satisfatórios em termos de resistência à compressão e peso volúmico seco.

O estudo deste solo foi realizado a partir de uma análise através de ensaios de laboratório definidos segundo normas específicas, e posteriormente comparadas com ensaios expeditos baseados nas seguintes referências bibliográficas: Houben e Guillaud (1989), “HB 195-2002 The Australian Earth Building”, norma Neozelandesa NZS 4298 e a norma ASTM D2488.

3.2 Ensaios Expeditos

Os ensaios expeditos ou ensaios de campo são usados para avaliar de uma forma empírica e rápida, as características e propriedades de um determinado solo para verificar a sua adequabilidade para fins construtivos, utilizando equipamento acessível e de baixo custo

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(Avrami et al, 2008). Os ensaios expeditos mais utilizados para construção em terra são: ensaio do “Charuto”, ensaio da bola, resistência seca e ensaio de sedimentação.

3.2.1 Ensaio do charuto

O teste do charuto permite avaliar a coesão do solo e estimar o teor de argila. Este ensaio consiste, após mistura de solo com água, produzir um “charuto” com cerca de 150 mm de comprimento e 20 mm de espessura (Figura 3.1). Em seguida o ‘’charuto” é colocado na palma da mão e achata-se entre o polegar e o indicador para produzir uma fita com 4 a 6 mm de espessura (Figura 3.2a). Após o achatamento essa fita é empurrada para frente de modo a ficar fletida até quebrar. No final é medido o comprimento da fita e avaliada a sua aptidão para a construção em terra a partir da Tabela 3.1:

Tabela 3.1 – Classificação da adequabilidade do solo para taipa e adobe de acordo com a norma HB 195-2002 The Australian Earth Building Handbook”

Comprimento da fita Classificação

<40 mm

Solo contém argila insuficiente para construção em adobe mas pode ser adequado para construção em taipa

Entre 40 mm e 80 mm

Solo contém pouca ou moderada quantidade de argila. Adequado para construção em taipa

Entre 60 mm e 120 mm Solo adequado para adobe.

>150 mm Solo inadequado para construção em terra. O procedimento de ensaio está representado na Figura 3.1 e Figura 3.2.

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(a) (b) (c)

Figura 3.2 – Processo de execução do ensaio de charuto: a) achatamento) flexão da fita; c) medição.

Na Tabela 3.2 apresenta-se os resultados relativos ao ensaio do “charuto” efetuado para o solo do Alentejo Foram realizados dois ensaios que mostram uma semelhança nos comprimentos obtidos que foi aproximadamente 7 cm. Também se observou que este tipo de solo contém uma quantidade de argila adequada para a construção em taipa e adobe, comprovado pela Tabela 3.1

Tabela 3.2 – Resultados do ensaio do “charuto”

Solo Foto da amostra Resultado (mm) Classificação

Solo Alentejo

7 cm Adequado para taipa e adobe

6 cm Adequado para taipa e adobe

.

3.2.2 Ensaio da bola

O ensaio da bola é usado para determinar, de uma forma empírica, o teor de água ótimo para se obter a máxima compactação de um determinado solo. Este ensaio consiste em misturar o solo com uma determinada quantidade de água, com vista a fazer uma bola com o tamanho do punho e deixá-la cair de uma altura de cerca de 1,5 m do solo como exemplificado na Figura 3.3.

22

(a) (b)

Figura 3.3 - Processo de execução do ensaio da bola: (a) preparação da mistura; (b) execução do ensaio

Existe um conjunto de resultados que podem ser obtidos com este ensaio, em função da quantidade de água para a determinação do teor ótimo em água, baseados na visualização do aspecto da bola após esta embater no chão. Deste modo, vários autores (Houben e Guillaud 1989, “HB 195-2002 The Australian Earth Building”, norma Neozelandesa NZS 4298) definiram os seguintes pressupostos:

 Se a bola partir em várias partes como se pode visualizar na (Figura 3.4a), a mistura tem um teor de água inferior ao ótimo.

 Se a bola achatar sem se desintegrar (Figura 3.4c), significa que tem um teor de água superior ou ótimo.

 Se a bola partir em pelo menos três partes (Figura 3.4b), já se pode considerar como uma mistura com teor em água próximo do ótimo.

(a) (b) (c)

23 Os fragmentos correspondentes a quantidade de água ideal foram colocados em cápsulas, a fim de determinar o teor em água de acordo com a norma NP – 84 (1965). Para obter resultados mais representativos foram efetuados três ensaios, resultando no final um valor médio do teor em água de 16%.

3.2.3 Ensaio da Sedimentação

O ensaio de sedimentação permite obter uma aproximação das frações de argila, silte e areia, de modo a ter uma noção da constituição de um determinado solo. Para este ensaio recorre-se a um frasco de vidro com uma capacidade de 500ml, onde é introduzida uma amostra de solo com partículas inferiores a 6mm até preencher um quarto desse frasco como ilustrado na Figura 3.5a. De seguida é introduzida água potável até encher o frasco. Sela-se o frasco e deixa-se a água ser embebida pelo solo. O conteúdo obtido é agitado durante 1 a 2 minutos, e fica a repousar durante 1 hora, finda a qual torna-se a agitar durante 1 minuto. Seguindo a norma acima indicada, é possível visualizar entre 45 a 60 minutos as camadas de cascalho, areia e silte, e após 24 horas é visível a camada de argila. No final é feita uma medição com auxílio de uma régua das camadas correspondentes às várias frações do solo em função dos tempos indicados.

(a) (b)

Figura 3.5 – Processo do ensaio de sedimentação: a) frasco de vidro com a mistura; b) Agitação

Os resultados obtidos para os diferentes intervalos de tempos encontram-se ilustrados na Figura 3.6. Como se pode verificar, não foi possível visualizar as várias frações do solo ao longo das fases, apenas foi visualizada a fração argilosa. A justificação para o facto de não ser possível verificar as várias frações, está relacionado com o tipo de solo em questão que contém uma grande percentagem de argila, logo ficou muita argila misturada com outras frações.

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(a) (b) (c)

Figura 3.6 – Resultados obtidos ensaio de sedimentação em função dos tempos: a) 45min; b) 60min;c) 24h

3.2.4 Densidade seca

O teste da densidade seca é utilizado para determinar a plasticidade e a adequabilidade do solo para construção em terra. A plasticidade é a capacidade que um solo apresenta para se deformar sem causar fissuração ou desintegração (Houbem e Guillaud, 1994). Este ensaio consiste em colocar uma mistura da fração de solo passada no #40 com água em moldes de forma a produzir discos com 4 cm de diâmetro e 1 cm de espessura (Figura 3.7).

(a) (b)

Figura 3.7 – Preparação dos provetes para ensaio da densidade seca: a) preparação da mistura; b)colocação da mistura em moldes

Após um período de três dias em estufa, os provetes daí resultantes foram ensaiados. Começa-se por parti-los manualmente a meio e é avaliada qualitativamente a força necessária para quebrar os provetes (Figura 3.8).

25 Figura 3.8 - Ensaio da resistência seca

Em função da força e do tipo de material foi definido a resistência seca de acordo com os seguintes pressupostos definidos na Tabela 3.3 por Houben e Guillaud (1989). No decorrer do ensaio denotou-se alguma dificuldade para quebrar os discos e a quebra ocorreu sem produzir esmagamento. Deste modo, e com base na Tabela 3.3, conclui-se que se trata de um solo argiloso que apresenta uma elevada resistência seca.

Tabela 3.3 – Classificação da resistência seca de um solo (Houben & Guillaud, 1989)

Observações Interpretação

Alta resistência seca

O disco é difícil de quebrar entre o polegar e o indicador, ou quando quebra produz um estalo sem reduzir o provete a pó: argila quase pura (plástico)

Moderada resistência seca

Disco difícil de quebrar entre o polegar e o indicador, ou quando quebra produz esmagamento: argila siltosa ou arenosa (pouco plástico)

Fraca resistência seca

Disco é facilmente quebrado entre polegar e o indicador e reduzido a pó: silte, areia fina ou baixo teor de argila.(não plástico)

3.3 Ensaios Laboratoriais

A determinação das propriedades físicas e mecânicas de um determinado solo é um processo fundamental, e de complexidade elevada, dado que o solo é um material heterogéneo. Por isso exige um conjunto de ensaios normalizados que permitem avaliar com maior rigor as suas propriedades. Os ensaios foram realizados com ferramentas adequadas de acordo com as normas Portuguesas. Os ensaios realizados para obtenção das propriedades deste solo foram: ensaio de Proctor Modificado, determinação da densidade das partículas sólidas, limites de Atterberg e análise granulométrica. Estes ensaios foram realizados de acordo com normas propostas pelo LNEC (Laboratório Nacional de Engenharia Civil). Ao longo deste subcapítulo são apresentados os procedimentos dos ensaios, bem como uma análise crítica dos resultados obtidos.

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3.3.1 Ensaio de Proctor Modificado

A técnica de compactação de solos deve-se ao engenheiro Ralph Proctor que em 1933 desenvolveu estudos sobre compactação em aterros (Avrami et al, 2008). A compactação é o processo pelo qual uma massa de solo constituída por partículas sólidas, água e ar vê reduzido o índice de vazios por redução do volume da sua fase gasosa conseguida à custa da aplicação repetida de cargas. Por conseguinte, a compactação aumenta a resistência e reduz a deformabilidade e a permeabilidade através da expulsão de ar dos vazios, ou seja, quanto maior a energia de compactação maior a resistência de um material. Porém é fundamental que as partículas se interliguem entre si, para isso é necessário que ocorra a ligação entre as partículas e a água.

A curva de saturação é a curva que relaciona o teor em água com o peso específico seco quando os vazios estão preenchidos por água. Essa curva pode ser obtida através da equação (3.1),

(3.1) Sendo G a densidade das partículas sólidas, γd o peso volúmico seco, γw peso volúmico da

água, W teor em água e Sr o grau de saturação.

Esta curva, para um dado grau de saturação, representa uma hipérbole que limita todas as curvas de compactação.

Com vista a obter o teor ótimo em água para o Solo Alentejo e o correspondente peso volúmico seco máximo, seguiu-se a especificação do LNEC E197-1966. Tal como indicado na norma, foram preparadas seis frações deste solo com 2kg cada, misturadas com um teor de água diferindo entre si em cerca de 2%. Quatro destes valores devem situar-se abaixo do teor ótimo em água e outros dois valores acima. Tratando-se de um solo argiloso foi necessário colocar a mistura em sacos, devidamente fechados para que a água ficasse bem distribuída pelas partículas.

De seguida procedeu-se à compactação das amostras. Para este solo compactou-se em cinco camadas num molde pequeno com 25 pancadas do pilão de compactação pesada uniformemente distribuídas pela superfície. No final da compactação extraiu-se o provete do

r w d S G W G     1  

27 molde, retirando duas porções de solo de cada topo para determinar o teor em água de acordo com a norma acima referida.

Com este ensaio pretende-se determinar o teor em água ideal para efetuar a compactação através da técnica de construção em taipa. O teor ótimo em água é determinado a partir da curva de compactação, que corresponde ao valor máximo do peso volúmico seco. O resultado deste ensaio está representado na Tabela 3.4, assim como a curva de compactação representada através da Figura 3.9.

Figura 3.9 – Curva de compactação do solo Alentejo

Tabela 3.4 – Teor água ótimo (ωotm.) e peso volúmico seco máximo (γdmáx) do solo Alentejo

Solo γdmáx (g/cm3) ωotm. (%)

Solo Alentejo 2,0 12

3.3.2 Densidade das partículas

A densidade das partículas solidas é a relação entre o peso das partículas solidas e o peso de igual volume de água a uma temperatura de 20°C (Correia, 1980). O valor de referência do peso volúmico das partículas sólidas de um solo é de 2,65g/cm3, contudo e para ter resultados mais precisos, a determinação do peso volúmico foi determinado a partir do ensaio especificado pela norma NP-83. Neste ensaio procedeu-se primeiramente à calibração de dois picnómetros (Figura 3.10 a), pesando cada um seco e depois com água até ao traço de referência de 500cm3. De seguida introduziu-se 25 g de solo passado no #4 (4,75mm) previamente seco ao ar misturado com 50 ml de água destilada. A mistura é levada a ebulir num forno durante 10 minutos (Figura 3.10b), agitando frequentemente o picnómetro para

0 5 10 15 20 1,80 1,85 1,90 1,95 2,00 2,05 P e so v o lú m ic o s e c o ( g /c m 3 ) Teor em água (%)

Curva de compactação pesada Curva de saturação

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libertar o ar. Após os 10 minutos, o picnómetro é deixado em repouso até atingir a temperatura ambiente. Posteriormente é adicionada água destilada até ao traço e medido o peso do conjunto. Antes, foram registados o peso do picnómetro, o peso do picnómetro mais a amostra seca e o peso do picnómetro mais água destilada até ao traço. Registou-se também a temperatura do ensaio, que foi de 19° C e determinou-se o fator corretivo k tabelado na secção 7 da norma NP – 83 para obter a densidade das partículas sólidas à temperatura de 20ºC.

(a) (b)

Figura 3.10 – Ensaio densidade das partículas: a) Picnómetros; b) Processo de ebulição em forno

Para este solo obteve-se dois valores para o peso específico, 2,68g/cm3 e 2,67g/cm3, resultando num valor medio de 2,68 g/cm3, que não é muito diferente do valor de referência.

3.3.3 Limites de Atterberg

O parâmetro que influencia o comportamento dos solos finos, em geral designados por solos argilosos, é o teor de água, ao contrário do que acontece com os solos arenosos, onde o índice de vazios é independente do teor de água do solo (Correia, 1980). Dado que o solo argiloso pode encontrar-se saturado para uma larga gama de valores do teor em água, é necessário definir parâmetros que avaliam o comportamento do solo em relação ao teor em água. Os parâmetros acabados de referir são designados por limites de Atterberg ou de consistência e são os seguintes por ordem crescente de teor de água: limites de retração (LR ou Ws), limites

de plasticidade (LP ou Wp) e limite de liquidez (LL ou Wl). Estes limites estabelecem as

fronteiras entre os diferentes estados de solos conforme é possível verificar no esquema representado na Figura 3.11. O esquema da Figura 3.11 indica que o solo apresenta um comportamento moldável para teores em água compreendidos entre o limite plástico e o limite de liquidez.

29 p

l

p L L

I  

ESTADOS DE COMPORTAMENTO DE UM SOLO TEOR DE ÁGUA CRESCENTE

SÓLIDO SEMI-SÓLIDO OU DE COMPORTAMENTO FRIÁVEL PLÁSTICO OU DE COMPORTAMENTO MOLDÁVEL LÍQUIDO OU DE COMPORTAMENTO FLUÍDO LR ou Ws LP ou Wp LL ou Wl

Figura 3.11 – Estados de comportamento de um solo em função do teor em água (adaptado de Correia,1980)

A diferença entre o limite de liquidez e o limite de plasticidade permite obter o índice de plasticidade (IP), através da equação (3.2):

(3.2) Com o valor do índice de plasticidade é possível prever o tipo de deformação do material, assim como informações sobre a plasticidade e propriedades do solo. Para identificar e classificar um determinado solo recorre-se à Classificação Unificada Revista prevista na norma ASTM D2487-85. Esta classificação apresenta 15 grupos de solos com base nas características de identificação, como análise granulométrica e os limites de consistência, permitindo desta forma, orientar a utilização dos solos como materiais de construção e aterros por exemplo.

A classificação de solos finos pode ser obtida a partir da carta de plasticidade baseada na classificação unificada, em que temos o índice de plasticidade em função do limite de liquidez (Figura 3.12).