Degradação de Geotêxteis Expostos às Intempéries/ Degradation of Geotextiles Exposed to Weather

Degradação de Geotêxteis Expostos às Intempéries

Degradation of Geotextiles Exposed to Weather

Recebimento dos originais: 17/04/2020 Aceitação para publicação: 07/05/2020

Beatriz Mydori Carvalho Urashima

Mestranda em Geotecnia pelo Programa de Pós-Graduação em Geotecnia, Núcleo de Geotecnia da Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto

Instituição: Universidade Federal de Ouro Preto - UFOP

Endereço: Núcleo de Geotecnia da Escola de Minas, Campus Universitário Morro do Cruzeiro, s/n, Ouro Preto – MG, Brasil

E-mail: urashimabeatriz@gmail.com Denise de Carvalho Urashima

Doutora em Engenharia Aeronáutica e Mecânica pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica Instituição: Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais – CEFET/MG Endereço: Departamento de Computação e Engenharia Civil, Avenida dos Imigrantes, 1.000 –

Vargem, Varginha – MG, Brasil E-mail: urashima@cefetmg.br Carlos Alberto Carvalho Castro

Doutor em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal de Minas Gerais Instituição: Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais – CEFET/MG Endereço: Departamento de Mecatrônica, Avenida dos Imigrantes, 1.000 – Vargem, Varginha –

MG, Brasil

E-mail: carloscastro@cefetmg.br Mag Geisielly Alves Guimarães

Doutoranda em Engenharia Civil pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais

Instituição: Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais – CEFET/MG Endereço: Departamento de Computação e Engenharia Civil, Avenida dos Imigrantes, 1.000 –

Vargem, Varginha – MG, Brasil E-mail: mag@cefetmg.br RESUMO

Um dos aspectos de relevância quando se trata de geossintéticos é a sua durabilidade, uma vez que sua utilização é recente e, portanto, estudos que determinem o comportamento ao longo do tempo de vida de serviço do material têm sido objeto de várias pesquisas. O artigo apresenta o estudo da degradação por elementos climáticos em geotêxteis tecidos de polipropileno durante as estações climáticas de um ano (inicio do verão de 2016 e término da primavera 2017). A exposição ocorreu na cidade de Varginha, Sul de Minas Gerais, latitude de 21°33’05’’S. A dinâmica atmosférica local foi monitorada por meio de dados fornecidos pelo Instituto Nacional de Meteorologia, sendo a radiação ultravioleta (UV) estimada como 7,5% da radiação global medida. A degradação sofrida foi medida por meio da resistência à tração antes e após degradação, individualmente, bem como o efeito acumulativo no tempo total de exposição. No verão, foi avaliada uma radiação UV de 136 MJ/m2, outono 70 MJ/m2, inverno 131 MJ/m² e na primavera 115 MJ/m². No verão, a precipitação

acumulada foi de 342 mm, outono 165 mm, inverno 18 mm e na primavera 546 mm. As perdas de resistência à tração por período foram: 29% verão, 7,5% outono, 8 % inverno e de 7,5 % primavera. A amostra exposta no período total perdeu 33% da resistência à tração. A relevância do artigo está na avaliação do comportamento em campo de geotêxtil tecido, visto que a exposição ao ambiente é de considerável complexidade, conforme pôde ser observado na dinâmica atmosférica supracitada. Palavras-Chave: Geotêxteis, Degradação, Durabilidade.

ABSTRACT

One of the aspects of relevance when it comes to geosynthetics is their durability, since their use is recent and, therefore, studies that determine the behavior over the lifetime of the material has been the object of several researches. This paper presents the study of the degradation by climatic elements in polypropylene fabric geotextiles during the seasons of one year (beginning of summer of 2016 and ending of spring 2017). The exhibition took place in the city of Varginha, South of Minas Gerais, latitude 21°33'05 ''S. Local atmospheric dynamics was monitored by data provided by the National Meteorological Institute, with ultraviolet (UV) radiation estimated as 7.5% of the measured global radiation. The suffered degradation was measured comparing the tensile strength before and after degradation, individually, as well as the cumulative effect in the total time of exposure. In the summer, UV radiation reaches 136 MJ/m2, in autumn 70 MJ/m2, winter 131 MJ/m² and spring 115 MJ/m². In summer, cumulative rainfall was 342 mm, in fall it was 165 mm, winter 18 mm and spring 546 mm. The losses of tensile strength per period were: 29% summer, 7.5% fall, 8% winter and 7.5% spring and sample exposed to radiation on whole period lost 33% of the tensile strength. The relevance of the article lies in the evaluation of the behavior in the field of woven geotextile, since the exposure to the environment is of considerable complexity, as can be observed in the aforementioned atmospheric dynamics.

Key Words: Geotextiles, Degradation, Durability. 1. INTRODUÇÃO

Os geossintéticos são materiais poliméricos que eminentemente vêm ganhando espaço na engenharia nas últimas quatro décadas, por desempenharem inúmeras funções ampliando seu campo de aplicação em diversas obras geotécnicas, ambientais, hidráulicas, entre outras (Carneiro, 2009; Saathoff, 2007).

Um tipo de geossintético é o geotêxtil (GTX), um material têxtil bidimensional, permeável e com base polimérica, podendo ser não tecido, tecido ou tricotado. O mesmo é composto por fibras cortadas, filamentos contínuos, monofilamentos, laminetes ou fios e devido às suas propriedades mecânicas e hidráulicas pode desempenhar várias funções numa obra de engenharia (ABNT 2013).

A durabilidade dos geossintéticos pode ser entendida como a manutenção do seu desempenho depois de entrarem em contato com agentes que degradam suas cadeias poliméricas e,

Neste contexto, é fundamental o estudo das propriedades dos geotêxteis com a finalidade de avaliar sua durabilidade quando submetidos ao estresse e à degradação em situações de exposição a agentes de intemperismo em campo, no sentido de ponderar o tempo de serviço destes materiais. Cita-se, por exemplo, a aplicação de geotêxteis em obras costeiras para proteção de margens, quebra-mar e a construção de ilhas artificiais com o uso destes como estruturas de proteção (Greenwood et al., 2012, Lawson, 2008). Além disso, o uso de geotêxteis em sistemas de confinamento de resíduos (SCRs) para desaguamento e confinamento de resíduos com alto teor de líquidos e alta resistência à filtração (Guimarães & Urashima, 2013; Lawson, 2008; Moo-Young et at., 2002).

A avaliação da durabilidade por meio de ensaios acelerados de laboratório apresenta resultados aproximados da realidade, já que nem todas as variáveis de campo podem ser fielmente reproduzidas. Entretanto, ensaios de campo, embora tenham a desvantagem do tempo de exposição e nem possam ser reproduzidos, traduzem melhor a realidade da dinâmica atmosférica sobre o material ensaiado no local onde ocorreu o estudo (Fechine et al., 2006; Leech, 2010).

Assim sendo, a pesquisa apresentada no artigo tem como principal objetivo avaliar a degradação de geossintéticos do tipo geotêxtil tecido de polipropileno expostos em campo, com intuito de ponderar o tempo de serviço dos mesmos. E, futuramente, desenvolver um modelo de análise de danos lineares, que permita avaliar o efeito acumulado dos danos sofridos ao longo do tempo.

2. EXPOSIÇÃO EM CAMPO

Geossintéticos expostos em campo sofrem degradação devido às intempéries, sendo o enfoque da pesquisa desenvolvida para o artigo a radiação UV e precipitações.

Nesse contexto, é necessário avaliar a incidência de radiação UV durante o tempo de exposição do material polimérico. Com este propósito, por meio de estações meteorológicas, as quais realizam as medições dos valores de radiação global, estima-se a radiação UV do local de exposição. Essa é feita com base em normas como EN 13362 (2013), EN 12224 (2000), ISO TS 13434 (2008) e autores como Greenwood et al. (2012), os quais estimam um valor médio de 7,5% para a radiação UV local em relação à radiação global.

Além da estimativa de radiação UV local, existem outras normas que indicam a inclinação de exposição do material, como as normas ISO (2009a e 2009b) 877-1 e a 877-2, respectivamente, as quais preconizam que a inclinação deve ser equivalente à latitude do local e que a face inclinada deve estar direcionada para o equador, situação que caracteriza uma maior incidência solar durante o dia.

Com o objetivo de aumentar o tempo de serviço do material exposto em campo, há aplicações por parte dos fornecedores de aditivos estabilizantes térmicos e antioxidantes, retardando a fotodegradação induzida pela absorção de radiação UV. Os tipos mais comuns destes aditivos são os UV screeners, os UV absorbers, os Quencherse as HALS (hindered amine light stabilisers), dentre outros (Carneiro, 2009; ISO 13434, 2008).

3. MATERIAIS E MÉTODOS 3.1 MATERIAL UTILIZADO

O geotêxtil tecido (GTX-W), utilizado no desenvolvimento da pesquisa, é produzido por entrelaçamento em ângulo reto de monofilamentos de polipropileno. Este geotêxtil foi produzido para fins de pesquisas, sendo empregado aditivo de proteção contra radiação UV do tipo HALS com concentração inferior a 1%. A Figura 1 apresenta uma imagem ampliada de microscopia óptica do geotêxtil utilizado na pesquisa.

Figura 1. Imagem de microscopia óptica do geotêxtil tecido de polipropileno.

3.2 MÉTODOS

O fluxograma apresentado na Figura 2 sumariza as etapas realizadas ao longo do desenvolvimento da pesquisa.

Figura 2. Fluxograma representativo da metodologia.

O ensaio de degradação por intemperismo em campo foi realizado no Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais - CEFETMG, Campus Varginha (Latitude: 21°33’05’’S, Longitude: 45°25’49’’W, Altitude: 916m acima do nível do mar). Escolheu-se o local de exposição levando em consideração a não existência de elementos que provocariam sombra, como árvores e prédios, e que interferissem nos resultados de alguma outra forma. Outro aspecto considerado foi a baixa poluição atmosférica, já que, altos níveis poderiam gerar poeiras que agiriam como barreira à radiação UV.

Seguindo as recomendações das normas ISO 877-1 e 877-2 (2009), os pórticos de exposição foram construídos com inclinação próxima ao valor da latitude local, ou seja, aproximadamente 22° em relação à horizontal. Além disso, suas faces inclinadas foram orientadas para a direção Norte. Todos esses aspectos garantiram uma maior exposição do material à radiação solar.

A Figura 3 apresenta os pórticos de exposição montados para a realização desta pesquisa, onde a parte inclina era composta por uma tela aberta com malha de 30 mm x 30 mm.

Figura 3. Pórticos de exposição.

Após a construção dos pórticos, prepararamse as amostras para exposição. As mesmas foram cortadas com tamanho de (110 x 450) mm totalizando 12 unidades. A Figura 4 apresenta a forma de fixação das amostras nos pórticos.

Figura 4. Forma de fixação das amostras.

Para a avaliação da degradação sofrida em campo, realizaram-se ensaios de resistência à tração faixa estreita segundo a ASTM D 5035 (2011). O equipamento utilizado foi a Máquina Universal para Ensaio de Tração e Compressão, com incerteza de calibração de 0,1%, do Laboratório de Mecatrônica do CEFET - Unidade Varginha (Figura 5).

Figura 5. Máquina Universal utilizada nos ensaios.

Para a realização destes ensaios, foram preparados corpos de prova de dimensões 50mm x 300mm. A velocidade de tração da máquina durante os ensaios foi de 300 mm/min e a distância entre garras de 75 mm (Figura 6). Estes ensaios foram realizados com o material intacto e com o material degradado, a fim de se obter um comparativo.

A degradação foi avaliada em cada estação climática, de forma individual e acumulada, ressalta-se: a exposição foi iniciada no verão do ano de 2016 e terminou no inverno de 2017.

Para analisar as variáveis climáticas as quais o material estudado foi exposto, obtiveram-se os dados meteorológicos (radiação solar total do local e a precipitação) por meio do site do Instituto Nacional de Meteorologia – INMET. Adotou-se na pesquisa um valor estimado de 7,5% para a radiação UV local em relação à radiação global.

Após isso, realizou-se um diagnóstico estatístico, por meio de Intervalos de Confiança (IC) dos resultados dos ensaios de tração faixa estreita, dos materiais intacto e degradados, nos períodos das estações climáticas de um ano, inicio do verão de 2016 e término da primavera 2017, bem como o período acumulado de 365 dias.

Pretende-se futuramente, desenvolver uma modelagem do acúmulo de danos lineares e validar com os resultados da exposição do material passando por todas as estações climáticas de um ano e usar os dados obtidos para validação do modelo.

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES

A Tabela 1 apresenta os valores, obtidos por meio do site do INMET, de radiação local e precipitação nas estações climáticas dos períodos em estudo. A Figura 7 apresenta o gráfico da dinâmica atmosférica relativo a estes períodos.

Tabela 1. Valores de radiação local e de precipitação para as estações do período em estudo e acumulado. Períodos em estudo Dias por

períodos Radiação UV estimada (MJ/m2₎ Precipitação (mm) Verão 89 135,62 342,40 Outono 92 69,92 165,40 Inverno 93 130,70 17,80 Primavera 90 115,31 545,80 Acumulado 364 451,55 1071,4

As amostras foram expostas às estações climáticas de forma individual e acumulado, ou seja, exposição durante as quatro estações, computando 364 dias, posteriormente ensaiadas (resistência à tração faixa estreita).

Figura 7. Dinâmica atmosférica das estações verão/20162017 a primavera de 2017 do ano de 2017.

Os resultados obtidos dos ensaios de resistência à tração são apresentados na Figura 8, na qual se comparam os intervalos de confiança, com nível de confiança de 95%, dos geotêxteis intacto e degradados nos períodos considerados nesta pesquisa.

A Tabela 2 apresenta os valores dos percentuais de perda média de resistência à tração por período avaliado. Em todos os períodos avaliados ocorreu degradação, ou seja, a resistência à tração apresentou percentual de perda se comparado com o geotêxtil intacto. Além disso, todos os intervalos de confiança das amostras degradadas nos períodos estudados se deslocaram à esquerda do intervalo de confiança referente à amostra intacta.

Figura 8. Intervalos de confiança de resistência à tração (KN/m) do geotêxtil intacto e degradados nos períodos pesquisados.

Tabela 2. Valores de radiação local e de precipitação para as estações do período em estudo e acumulado. Períodos em estudo Percentual de perda média de

resistência à tração Verão 29 % Outono 7,5 % Inverno 8,0 % Primavera 7,5 % Acumulado1 _{33 %}

1 _{Amostra exposta por 364 dias consecutivos.}

Devido à combinação de maior incidência de radiação UV e de precipitação no verão (Figura 7 e Tabela 1), ocorreu um maior percentual de perda de resistência no verão do que nas demais estações (Tabela 2). Esta combinação de fatores auxilia nas grandes variações térmicas na superfície do material, aumentando a degradação do polímero constituinte.

É possível observar que no outono houve picos de precipitação e de radiação na sua primeira metade (Figura 7). No inverno, devido a pouca quantidade de nuvens no céu, houve altos níveis de radiação e baixa precipitação. Já na primavera, houve um grande volume de precipitação, entretanto, sem picos e níveis de radiação médios com alguns picos.

O percentual de perda de resistência à tração das amostras expostas do geotêxtil estudado para as estações outono, inverno e primavera, foram semelhantes e baixos em relação a perda ocorrida no verão (Tabela 2) o que evidência a importância da dinâmica da atmosfera no processo de degradação, não apenas os valores de incidência de radiação UV.

O tempo de exposição acumulado apresentou maior perda de resistência à tração que os períodos isolados. Tal fato se deve ao acúmulo de danos sofrido, assim sendo, os autores estão trabalhando na formulação de um modelo que represente este fato, no qual o acúmulo de danos pudesse ser avaliado. Entretanto, vale ressaltar que: o percentual de perda de resistência após a exposição de 364 dias não pode ser avaliado pelo somatório de perdas ao longo das estações estudadas, tanto que o valor obtido para a amostra exposta durante todo o período foi de 33% de perda média de resistência à tração, enquanto que o somatório de perda média de resistência das estações é de 52%.

5. CONCLUSÕES

Geossintéticos são materiais poliméricos altamente empregados em obras de engenharia civil e ambiental. Devido ao grande prejuízo que a sua falha pode causar, é importante estimar a vida de serviço destes materiais.

Em razão disto, é fundamental conhecer as variáveis que influenciam na degradação do geotêxtil, assim como compreender como as propriedades mais relevantes do material em estudo são afetadas, por exemplo, a sua resistência à tração, objeto deste estudo.

Por conseguinte, a partir da metodologia empregada, concluiu-se que valores de radiação sem atuação de precipitações no período em estudo não degradam de maneira significativa o geotêxtil avaliado neste estudo. Verificou-se que os corpos de prova expostos apenas na estação inverno apresentaram reduzida perda de resistência à tração, se comparados àqueles expostos apenas no verão embora a incidência de UV tenha sido similar.

Portanto, o estudo indica que uma atenção especial deve ser dada à ação conjunta dos agentes de intemperismo, ou seja, da dinâmica da atmosfera no período avaliado, para viabilizar uma melhor compreensão do efeito acumulativo de degradação sobre os geossintéticos expostos às intempéries e a forma com que esta ocorre.

AGRADECIMENTOS

À Universidade Federal de Lavras (UFLA) pelo suporte financeiro para a realização da pesquisa. À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pelo acesso aos Periódicos Capes. À empresa HUESKER Ltda pelo fornecimento dos geotêxteis.

REFERÊNCIAS

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