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Análise do Comportamento de Solos Reforçados com Poliestireno Expandido

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Alena Vitková Calheiros

Análise do Comportamento de Solos Reforçados

com Poliestireno Expandido

Dissertação de Mestrado

Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio.

Orientadora: Michéle Dal Toé Casagrande

Rio de Janeiro Novembro de 2013 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1121849/CA

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Alena Vitková Calheiros

Análise do Comportamento de Solos Reforçados

com Poliestireno Expandido

Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil do Centro Técnico Científico da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada.

Profa. Michéle Dal Toé Casagrande Orientadora Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio

Prof. Euripedes do Amaral Vargas Jr Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio

Profa. Raquel Quadros Veloso Universidade Federal de Ouro Preto

Prof. José Eugenio Leal Coordenador Setorial do Centro Técnico Científico – PUC-Rio

Rio de Janeiro, 28 de Novembro de 2013

PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1121849/CA

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da orientadora.

Alena Vitková Calheiros

Graduou-se em Engenharia Ambiental pela Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro em 2010. Ingressou no mestrado na Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro em 2011, desenvolvendo Dissertação na linha de pesquisa de Geotecnia Experimental aplicada a solos reforçados.

Ficha Catalográfica

CDD: 624

CDD: 624 Calheiros, Alena Vitková

Análise do comportamento de solos reforçados com poliestireno expandido / Alena Vitková Calheiros ; orientadora: Michéle Dal Toé Casagrande. – 2013.

104 f. il. (color.) ; 30 cm

Dissertação (mestrado)–Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Civil, 2013.

Inclui bibliografia

1. Engenharia civil – Teses. 2. Solos reforçados. 3. Poliestireno expandido. 4. Ensaio triaxial. 5. Ensaio de cisalhamento direto. I. Casagrande, Michéle Dal Toé II. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Civil. III. Título. PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1121849/CA

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Aos meus pais, Luiz Augusto e Alena e ao meu irmão, Alex pelos

momentos em que estive ausente. Dedico à eles essa e todas as vitórias que eu venha obter, pois eles são o maior presente que Deus colocou em minha vida.

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A Deus pela vida, pela oportunidade e por ter conseguido chegar até aqui com sucesso, vencendo todas as dificuldades.

Aos meus pais, Luiz Augusto e Alena, e irmão, Alex, por todo apoio, dedicação, amor e incentivo durante todos os passos da minha vida. Devo tudo isso a vocês.

A todos os meus familiares e amigos por todos os incentivos prestados durante toda a minha vida e pelo apoio na realização deste curso.

A professora Michéle Dal Tóe Casagrande pela orientação do meu trabalho, por todo o conhecimento transmitido e por apoiar integralmente na realização deste trabalho, sempre disposta a ensinar e tirar dúvidas.

A todos meus amigos da PUC-Rio, aos amigos da sala 607B, aos amigos que fiz ao longo do mestrado e em especial a Camyla Oliveira e Daniel Gomes da Costa, por fazerem do meu Mestrado um momento especial.

Aos professores da Engenharia Civil da PUC-Rio, pelas excelentes aulas ministradas.

Ao pessoal de Iniciação Científica pela ajuda e realização de parte dos ensaios de caracterização desta dissertação.

À Monica Moncada, pela ajuda e auxílio fornecido no laboratório de Geotecnia da PUC-Rio. Aos técnicos do laboratório Amaury e Josué pelo apoio para realizar os ensaios.

À CAPES e à PUC-Rio, pelos auxílios concedidos, sem os quais este trabalho não poderia ter sido realizado.

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Resumo

Calheiros, Alena Vitková; Casagrande, Michéle Dal Toé. Análise do comportamento de Solos Reforçados com Poliestireno Expandido. Rio de Janeiro, 2013. 103 p. Dissertação de Mestrado. Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.

Este estudo apresenta o comportamento de solos reforçados com adição de pérolas de EPS (Poliestireno Expandido) através de estudo experimental. Os solos utilizados foram: um solo argiloso de origem coluvionar, uma areia limpa, mal graduada e bentonita. Foram realizados ensaios de caracterização física e de caracterização mecânica, como ensaios de compactação Proctor Normal, ensaios triaxiais consolidados isotropicamente drenados (CID) e ensaios de cisalhamento direto para buscar estabelecer padrões de comportamento que possam explicar a influência da adição de pérolas de EPS, relacionando-a com os parâmetros de resistência ao cisalhamento. Os ensaios triaxiais CID foram realizados em amostras de solo argiloso compactadas na densidade máxima seca e umidade ótima, com teores de pérolas de EPS de 0%, 0,25%, 0,50%, 0,75% e 1%, em relação ao peso seco do solo e os ensaios triaxiais CID em amostras de areia foram realizados para uma densidade relativa de 50% e umidade de 10%, com teores de pérolas de EPS de 0%, 0,50% e 0,75%, em relação ao peso seco do solo. Os ensaios de cisalhamento direto com bentonita foram realizados com teores de pérolas de EPS de 0%, 0,50% e 0,75%, em relação ao peso seco do solo. Os resultados mostraram que o tipo de solo, o teor de pérolas de EPS e o nível de tensão confinante influenciam positivamente o comportamento mecânico final dos compósitos com relação aos parâmetros de resistência, porém não há uma tendência de comportamento bem definida ao analisar cada fator independentemente. Portanto, o uso de pérolas de EPS em obras geotécnicas de carregamento estático contribuiria com o menor consumo de material natural e a consequente redução dos custos de transporte e volume de material mobilizado.

Palavras-chave

Solos reforçados; poliestireno expandido; ensaio triaxial; ensaio de cisalhamento direto. PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1121849/CA

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Abstract

Calheiros, Alena Vitková; Casagrande, Michéle Dal Toé (Advisor). Analysis of the Behavior of Reinforced Soil with Expanded Polystyrene. Rio de Janeiro, 2013. 103 p. MSc. Dissertation. Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.

This study presents the behavior of soils reinforced with EPS (Expanded Polystyrene) beads through experimental study. The soils used were a coluvionar soil, a clean and barely graduated sand and bentonite. Physical characterization, Standard Proctor, consolidated drained triaxial and direct shear tests were performed to establish patterns of behavior that may explain the influence of the addition of expanded polystyrene beads, linking it with shear strength parameters. The CID triaxial was performed on samples of clayey soil compacted within the maximum dry density and optimum moisture content with expanded polystyrene beads ratios of 0%, 0.25%, 0.50%, 0.75% and 1% by dry weight of soil. CID triaxial tests on sand samples were made to a relative density of 50% and 10% of moisture content, with EPS beads ratios of 0%, 0.50% and 0.75% by dry weight of soil. The direct shear tests with bentonite were made with EPS beads ratios of 0%, 0.50% and 0.75% by dry weight of soil. The results showed that the kind of soil, the EPS content and level of confining stress level influence positively on the final mechanical behavior of the composites with respect to strength parameters, but there is no well-defined pattern of behavior to examine each factor independently. Therefore, the use of EPS beads in geotechnical works, contribute to lower consumption of natural material and the consequent reduction in transport costs and volume of mobilized material.

Keywords

Reinforced soils; expanded polystyrene; triaxial tests; direct shear tests.

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Sumário

1 Introdução 17

1.1. Relevância e Justificativa da Pesquisa 17

1.2. Objetivos 18

1.3. Organização do Trabalho 18

2 Revisão Bibliográfica 20

2.1. Poliestireno Expandido (EPS) 20

2.1.1. Aspectos Gerais do EPS 20

2.1.2. Características de Mercado do EPS 22

2.1.3. EPS e seu Impacto ao Meio Ambiente 25

2.2. Solo Reforçado 26

2.3 Ensaios Experimentais com Uso de EPS 29

3 Programa Experimental 33

3.1. Materiais utilizados na pesquisa 33

3.1.1. Solo Argiloso 33

3.1.2. Solo Arenoso 37

3.1.3. Bentonita 38

3.1.4. Poliestireno Expandido (EPS) 39

3.1.5. Água 40

3.1.6. Mistura Solo-EPS 40

3.2. Métodos e Procedimentos de Ensaio 41

3.2.1. Ensaios de Caracterização Física 42

3.2.2. Ensaios de Caracterização Mecânica 46

4 Resultados e Análises 58

4.1. Ensaios de Caracterização Física 58

4.1.1. Solo Argiloso 58 4.1.2. Solo Arenoso 59 4.1.3. Bentonita 61 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1121849/CA

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4.2.1. Solo Argiloso 62

4.2.2. Solo Arenoso 79

4.2.3. Bentonita 88

5 Considerações Finais 98

5.1. Conclusões 98

5.2. Sugestões para pesquisas futuras 100

6 Referências Bibliográficas 101 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1121849/CA

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Lista de Figuras

Figura 2.1 - Produção Mundial de EPS em 2000: 2,95 milhões de toneladas. ... 23

Figura 2.2 - Distribuição do EPS por segmento no mundo em 2000. ... 23

Figura 2.3 - Transformação de EPS no Brasil em 2000, principais municípios.... 24

Figura 2.4 - Curvas de compactação das misturas de areia com diferentes teores de PS na densidade de EPS de 0,16 kN/mᶟ.z ... 30

Figura 2.5 - Curva de expansão livre do solo com Índice de Plasticidade de 38% e com diferentes teores de EPS. ... 31

Figura 2.6 - Efeito da adição de pérolas de EPS na contração volumétrica. ... 31

Figura 2.7 - Efeito da adição de pérolas de EPS na contração volumétrica. ... 32

Figura 3.1 - Localização do Campo Experimental II PUC-Rio (Soares, 2005). ... 34

Figura 3.2 - Solo coluvionar utilizado. ... 35

Figura 3.3 - Descrição morfológica do perfil do Campo Experimental II da PUC-Rio (Daylac, 1994) ... 36

Figura 3.4 - Localização do ponto de coleta de areia na Barra da Tijuca – RJ. .... 38

Figura 3.5 - Areia utilizada na pesquisa. ... 38

Figura 3.6 - Bentonita utilizada na pesquisa. ... 39

Figura 3.7 - Pérola de EPS utilizada na pesquisa. ... 39

Figura 3.8 - (a) Procedimento de dispersão em aparelho de ultra-som e (b) Bomba a vácuo. ... 44

Figura 3.9 - Prensa triaxial da marca Wykeham-Ferrance ... 49

Figura 3.10 - Medidor de Variação de Volume tipo Imperial College... 49

Figura 3.11 - (a) Software CatmanEasy; (b) Sistema de aquisição de dados (Ramirez, 2012). ... 49

Figura 3.12 - Corpo cilíndrico compactado. ... 50

Figura 3.13 - Corpo de prova após moldagem. ... 50

Figura 3.14 - Corpo de prova com pérolas de 3mm de diâmetro. ... 51

Figura 3.15 - Montagem do corpo de prova arenoso. ... 52

Figura 3.16 - Corpo de prova Bentonita-EPS. ... 56

Figura 3.17 - Prensa de cisalhamento direto. ... 57

Figura 4.1 - Distribuição granulométrica do solo argiloso (Ramírez, 2012). ... 59

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Figura 4.3 - Distribuição granulométrica da bentonita. ... 61 Figura 4.4 - Curvas de compactação Proctor Normal do solo argiloso e misturas. ... 62 Figura 4.5 - Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para o solo argiloso em ensaios triaxiais. ... 64 Figura 4.6 - Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a mistura S99,75/EPS0,25 em ensaios triaxiais. ... 65 Figura 4.7 - Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a mistura S99,50/EPS0,50 em ensaios triaxiais. ... 66 Figura 4.8 - Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a mistura S99,25/EPS0,75 em ensaios triaxiais. ... 67 Figura 4.9 - Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a mistura S99/EPS1 em ensaios triaxiais. ... 68 Figura 4.10 - Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial das amostras S100 e S99,75/EPS0,25 em ensaios triaxiais...69 Figura 4.11 - Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial das amostras S100 e S99,50/EPS0,50 em ensaios triaxiais...71 Figura 4.12 - Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial das amostras S100 e S99,25/EPS0,75 em ensaios triaxiais...73 Figura 4.13 - Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial das amostras S100 e S99/EPS1 em ensaios triaxiais. ... 74 Figura 4.14 - Envoltória e parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo argiloso S100. ... 76 Figura 4.15 - Envoltória e parâmetros de resistência ao cisalhamento da mistura S99,75/EPS0,25. ... 76 Figura 4.16 - Envoltória e parâmetros de resistência ao cisalhamento da mistura S99,50/EPS0,50. ... 77 Figura 4.17 - Envoltória e parâmetros de resistência ao cisalhamento da mistura S99,25/EPS0,75. ... 77 Figura 4.18 - Envoltória e parâmetros de resistência ao cisalhamento da mistura S99/EPS1. ... 78 Figura 4.19 - Envoltória e parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo puro e das misturas...78 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1121849/CA

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deformação axial para o solo arenoso em ensaios triaxiais. ... 80

Figura 4.21 - Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a mistura A99,50/EPS0,50 em ensaios triaxiais. ... 81

Figura 4.22 - Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a mistura A99,25/EPS0,75 em ensaios triaxiais. ... 82

Figura 4.23 - Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial das amostras A100 e A99,50/EPS0,50 em ensaios triaxiais. .... 83

Figura 4.24 - Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial das amostras A100 e A99,25/EPS0,75 em ensaios triaxiais. .... 84

Figura 4.25 - Envoltória e parâmetros de resistência ao cisalhamento ... 85

Figura 4.26 - Envoltória e parâmetros de resistência ao cisalhamento ... 86

Figura 4.27 - Envoltória e parâmetros de resistência ao cisalhamento ... 86

Figura 4.28 - Envoltória e parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo puro e das misturas...87

Figura 4.29 - Curvas da tensão desviadora e deslocamento vertical versus deformação axial para a bentonita em ensaio de cisalhamento direto. ... 89

Figura 4.30 - Curvas da tensão desviadora e deslocamento vertical versus deformação axial para a mistura B99,50/EPS0,50 em ensaio de cisalhamento direto... ... 90

Figura 4.31 - Curvas da tensão desviadora e deslocamento vertical versus deformação axial para a mistura B99,25/EPS0,75 em ensaio de cisalhamento direto. ... 91

Figura 4.32 - Curvas da tensão cisalhante e deslocamento vertical versus deslocamento horizontal das amostras B100 e B99,50/EPS0,50 em ensaios de cisalhamento direto. ... 92

Figura 4.33 - Curvas da tensão cisalhante e deslocamento vertical versus deslocamento horizontal das amostras B100 e B99,25/EPS0,75 em ensaios de cisalhamento direto. ... 93

Figura 4.34 - Envoltória de resistência da bentonita. ... 95

Figura 4.35 - Envoltória de resistência da mistura B99,50/EPS0,50. ... 95

Figura 4.36 - Envoltória de resistência da mistura B99,25/EPS0,75. ... 96

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Tabela 2.1 - Características exigíveis para o EPS na NBR 11752:1993. ... 22

Tabela 3.1 - Análise mineralógica (Sertã, 1986). ... 37

Tabela 3.2 - Símbolos utilizados para os solos e misturas. ... 41

Tabela 4.1 - Índices físicos do solo arenoso. ... 59

Tabela 4.2 - Resultados dos ensaios de compactação Proctor Normal para o solo argiloso e misturas. ... 63

Tabela 4.3 - Resumo do ângulo de atrito e coesão do solo argiloso e de cada mistura solo-EPS. ... 79

Tabela 4.4 - Resumo ângulo de atrito e coesão do solo arenoso e de cada mistura solo-EPS. ... 87

Tabela 4.5 - Resumo ângulo de atrito e coesão da bentonita e de cada mistura solo-EPS. ... 97 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1121849/CA

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Lista de Abreviaturas

ABRAPEX Associação Brasileira de Poliestireno Expandido ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas CID Consolidado Isotropicamente Drenado CFC Clorofluorcarboneto

CH Argila arenosa de média plasticidade EPS Poliestireno Expandido

IP Indice de Plasticidade LL Limite de Liquidez LP Limite de Plasticidade

LVDT Linear Variable Differential Transformer MVV Medidores de Variação Volumétrica

NBR Norma Brasileira PET Polietileno Tereftalato

PUC Pontifícia Universidade Católica XPS Poliestireno Extrusado PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1121849/CA

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ótm Teor de umidade ótimo de compactação d máx Peso específico seco máximo

d Peso específico seco

s Peso específico dos grãos

 Teor de umidade

 Gs

Massa específica do solo Peso específico

e Índice de vazios

emáximo Índice de vazios máximo emínimo Índice de vazios mínimo Cu Coeficiente de uniformidade

Cc Coeficiente de curvatura

D10 Diâmetro efetivo

D50 Diâmetro médio

tf Tempo mínimo de ruptura

L Altura do corpo de prova

ν Velocidade de cisalhamento

‘ ” #

Relativo a tensões efetivas Polegadas

Número

s Deformação axial

v Deformação volumétrica

 Tensão de cisalhamento

1, 3 Tensões principais, maior e menor σ’c Tensão de confinamento efetiva

σ v Tensão desviadora

Su Resistência não Drenada

Ø’ Ângulo de atrito c’ Coesão PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1121849/CA

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p’ (σ’1 + σ’3)/2 (Tensão efetiva média normal) q (σ’1 – σ’3) /2 (Tensão de Desvio)

H Altura final do corpo de prova. hi % ml mm cm m t t/ano mm/min min g g/cm3 kg kg/m3 kgf/m2 kN kPa °C

Altura inicial do corpo de prova. Porcentagem Mililitro Milímetro Centímetros Metro Tonelada

Tonelada por ano Milímetro por minuto Minuto

Grama

Grama por centímetro cúbico Quilograma

Quilograma por metro cúbico

Quilograma força por metro quadrado Quilo Newton Quilo Pascal Graus centígrados PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1121849/CA

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Introdução

1.1.

Relevância e Justificativa da Pesquisa

A adequada destinação final dos resíduos sólidos urbanos, entre eles o poliestireno expandido (EPS), constitui um dos maiores problemas da sociedade moderna, já que a composição desses resíduos se modificou muito ao longo dos últimos anos e a geração de lixo tem crescido consideravelmente. A tecnologia e o crescimento populacional apresentam um intenso avanço que, associado ao atual modelo econômico, faz ampliar o consumo de recursos naturais acarretando um aumento, na mesma proporção, do volume de resíduos.

Assuntos relacionados à gestão de resíduos vêm assumindo destaque na organização da sociedade e em vários setores são observadas mudanças ou adaptações nos padrões comportamentais. Na esfera pública, prefeituras são obrigadas a elaborar planos de gerenciamento integrado de resíduos bem como legislações e políticas relacionadas a essa temática são implementadas; e a iniciativa privada é obrigada a recolher os resíduos provenientes de seus produtos. Quando manipulados de forma inadequada, os resíduos podem causar uma série de impactos ambientais, desde o local onde são gerados até sua disposição final. Fica evidente que a maneira como se trata o “lixo” em uma sociedade não é a causa de um problema ambiental, e, sim, o reflexo de um modelo comportamental indevido.

Dessa maneira, a presente pesquisa visa conhecer a viabilidade do emprego de pérolas de EPS como material de reforço em obras de terra, através de ensaios experimentais de laboratório. O uso deste resíduo como material alternativo pode contribuir para a minimização de passivos ambientais, agregar valor ao resíduo e evitar problemas ambientais, tais como poluição do ar e o assoreamento de rios e lagos, eliminando problemas atuais de disposição de resíduos em lixões e aterros sanitários. Uma vez que ele é considerado com um dos vilões do lixo por ocupar muito espaço nos aterros sanitários, dificultar a compactação do aterro e prejudicar a degradação dos materiais presentes. PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1121849/CA

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1.2.

Objetivos

O objetivo principal desta pesquisa é estudar a influência das pérolas de poliestireno expandido (EPS) como reforço em três tipos de solos. Este objetivo será alcançado através da avaliação do comportamento físico e mecânico dos solos e das misturas, estabelecendo parâmetros de comportamento que possam medir a influência da adição das pérolas de EPS.

A partir do objetivo principal descrito foram estabelecidos os seguintes objetivos específicos:

 Realizar ensaios de caracterização física dos solos através de ensaios de laboratório normatizados;

 Avaliar o comportamento mecânico dos solos puros e das misturas com diversos teores de pérolas de poliestireno expandido. Essa avaliação foi feita através de ensaios de compactação, ensaios triaxiais consolidados isotropicamente drenados, no caso do solo argiloso e areia, e cisalhamento direto, no caso da bentonita, a fim de se obter os parâmetros de resistência ao cisalhamento;

 Analisar a influência do teor de pérolas de EPS em misturas com cada tipo distinto de solo.

1.3.

Organização do Trabalho

Este trabalho está dividido em cinco capítulos, iniciando com o capítulo introdutório (Capítulo 1), seguido do Capítulo 2, onde é apresentada uma revisão da literatura existente sobre o poliestireno expandido. Também é abordado de maneira geral o reforço de solos com outros tipos de materiais.

No Capítulo 3 é descrito detalhadamente o programa experimental utilizado neste trabalho. Descrevem-se também os materiais utilizados, os equipamentos e os métodos de ensaios.

O Capítulo 4 apresenta os resultados dos ensaios de caracterização física e mecânica realizados. Estes resultados são analisados com o objetivo de observar se há uma mudança no comportamento dos solos com a adição das pérolas de EPS.

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Finalmente no Capítulo 5 são apresentadas as considerações finais baseadas no conhecimento obtido da realização deste trabalho e da análise dos resultados, bem como sugestões para futuros trabalhos.

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Revisão Bibliográfica

2.1.

Poliestireno Expandido (EPS) 2.1.1.

Aspectos Gerais do EPS

O EPS é a sigla internacional do Poliestireno Expandido, produto, no Brasil, conhecido como “Isopor®”. Esse material foi descoberto em 1949 pelos químicos Fritz Stastny e Karl Buchholz nos laboratórios da Basf, na Alemanha. O termo expandido refere-se à expansão sofrida pelas cápsulas de estireno, pérolas de 0,4 a 2,5 mm de diâmetro, podendo ser ampliadas até 50 vezes, quando em uma câmara hermeticamente fechada e aquecida, aplicando-se o vácuo.

O EPS é um termoplástico derivado do petróleo. Constitui-se de um polímero do hidrocarboneto estireno (poliestireno) que é expandido usando-se o gás pentano (outro hidrocarboneto). Sendo assim, quimicamente o EPS é formado só de dois elementos, o carbono e o hidrogênio. A pérola de EPS é composta de 98% de ar e 2% de matéria-prima (em massa).

No processo produtivo do EPS, inicialmente ocorre a expansão do poliestireno por um pré-expansor através de aquecimento por contato com vapor de água, resultando um granulado de partículas de EPS constituídas por pequenas células fechadas, que são armazenadas para estabilização. Ao longo deste processo, o espaço dentro das células é preenchido pelo ar circundante. O gás expansor incorporado na matéria-prima é o pentano, conforme mencionado anteriormente. É importante lembrar que não se usa nenhum tipo de CFC como agente expansor na produção de EPS e o gás pentano é inofensivo ao meio ambiente por degradar-se fotoquimicamente (pela ação dos raios solares) muito rapidamente.

Além do poliestireno expandido, existem outros tipos de poliestireno. Um exemplo é o poliestreno extrudido (XPS), que é também uma espuma rígida de poliestireno, mas diferencia-se do EPS por ser obtida por um processo de extrusão em contínuo e por empregar outros gases expansores. Assim como já foi mencionado, o

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EPS se expande com gás pentano, não sendo impactante ao meio ambiente, porém o XPS é expandido com o gás CFC, o maior agressor da camada de ozônio.

O EPS apresenta muitas vantagens, as principais características são destacadas a seguir.

 Baixa condutibilidade térmica: A estrutura de células fechadas, cheias de ar, dificulta a passagem do calor, o que confere ao EPS um excelente poder isolante.

 Exposição a temperaturas extremas: O EPS não tem limite a exposição a baixa temperaturas; a temperatura mínima de utilização corresponde à de liquefação dos gases do ar contido nas células. No entanto, como todos os plásticos, o EPS tem um limite superior de exposição à temperatura. A temperatura máxima do EPS poderá ultrapassar os 100ºC em exposição muito curtas, baixando para 80-85ºC em situações de exposição prolongada com aplicação de cargas elevadas.

 Baixo peso específico: Entre 9kg/m³ a 40kg/m³.

 Resistência mecânica: Possui alta resistência à compressão que normalmente varia de 7000kgf/m² até 1400kgf/m².

 Baixa absorção de água: O EPS não é higroscópio. Mesmo quando imerso em água ele absorve apenas pequenas quantidades de água. Tal propriedade garante que o EPS mantenha suas características térmicas e mecânicas mesmo sob a ação da umidade. O EPS não apresenta ascensão capilar.

 Difusão do vapor de água: O EPS é permeável ao vapor de água.

 Resistente ao envelhecimento: As propriedades do EPS não tem alteração ao longo da vida do material. Estima-se, na natureza, que o EPS tenha vida útil de 150 anos.

O EPS é produzido em duas versões: Classe P, não retardante à chama, e Classe F, retardante à chama. Possui três grupos de massa específica aparente: I – de 13 a 16kg/m³, II – de 16 a 20kg/m³ e III – de 20 a 25kg/m³. Na Tabela 2.1 são mostradas as características exigíveis para o EPS de acordo com a norma NBR 11752/2007 da ABNT (ABRAPEX, 2000). PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1121849/CA

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Tabela 2.1 - Características exigíveis para o EPS na NBR 11752:1993.

Fonte: (ABRAPEX, 2000).

As aplicações do EPS estendem-se por diversas áreas como: embalagens para equipamentos eletroeletrônicos, utilidades domésticas como conservadoras térmicas, isolantes acústicos e térmicos, bandejas para acondicionamento de alimentos, entre outras.

2.1.2.

Características de mercado do EPS

De acordo com a pesquisa divulgada pela ABRAPEX (2000) foram produzidos 2,95 milhões de toneladas de EPS no ano de 2000 no cenário mundial. A Europa foi a maior produtora destes produtos, responsável por 40% do total. A distribuição da produção de EPS no mundo é encontrada na Figura 2.1.

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Figura 2.1 - Produção Mundial de EPS em 2000: 2,95 milhões de toneladas. Fonte: (ABRAPEX, 2000).

Na mesma pesquisa feita pela ABRAPEX foi realizado um levantamento da distribuição do EPS por segmento no mundo constatando que a construção civil é responsável por grande parte do consumo do EPS, segundo é apresentado na Figura 2.2. A grande utilização na construção civil acontece devido às características isolantes, leveza e resistência do material.

Figura 2.2 - Distribuição do EPS por segmento no mundo em 2000. Fonte: (ABRAPEX, 2000).

No cenário nacional, o Brasil apresentou uma produção de EPS de aproximadamente 40 mil toneladas em 2000, conforme divulgado pela ABRAPEX (2000), distribuída em diversos municípios. De acordo com a Figura 2.3, o município

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de São Paulo/SP foi o maior transformador apresentando 13.333 t/ano, seguido pelo município de Joinville/SC, com 8.600 t/ano, que se destaca no Brasil como um dos maiores pólos de transformação de EPS.

Figura 2.3 - Transformação de EPS no Brasil em 2000, principais municípios. Fonte: (ABRAPEX, 2000).

No ano de 2007, a produção de EPS no Brasil aumentou, foram produzidas 55 mil toneladas de isopor e outras 2 mil toneladas foram importadas com equipamentos eletrônicos e diferentes bens trazidos do exterior. Conforme dados da Plastivida, em 2008 foram produzidos no Brasil cerca de 62,9 mil toneladas de Poliestireno Expandido (EPS) e aproximadamente 20 mil toneladas de Poliestireno Extrusado (XPS), totalizando cerca de 82,9 mil toneladas de isopor. Desse total, estima-se que retornaram ao processo produtivo com destino à reciclagem cerca de 7 mil toneladas, ou seja, apenas 8,4% de tudo o que foi produzido.

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2.1.3.

O EPS e seu Impacto ao Meio Ambiente

O descarte de EPS é um problema enfrentado por diversas cidades grandes bem como as capitais, que já encontram muitos problemas com esse tipo de material, que vem saturando os aterros sanitários. O isopor sozinho não polui nem contamina o solo, mas como leva centenas de anos para se decompor, acaba ocupando muito espaço, diminuindo a área útil dos lixões. Além disso, na natureza o isopor leva 150 anos para ser degradado, conforme estimativas.

Algumas empresas por não terem onde descartar esse material acaba fazendo verdadeiras atrocidades ao queimarem grandes quantidades, normalmente à noite, o que agrava em muito o problema do aquecimento global, causador das constantes alterações climáticas, bem como aumenta a poluição do ar. Conforme foi observado anteriormente, no Brasil são fabricados toneladas de EPS por ano, segundo dados da ABRAPEX, isso sem falar nas embalagens que vem com produtos tipo exportação. Grande parte deste produto vai direto para os lixões.

Além disso, se descartado indevidamente na água, pode ser ingerido por animais aquáticos prejudicando muito sua saúde e todo ecossistemas que deles depende. Como se pode observar, o baixo custo e a versatilidade dos produtos de EPS se tornam muito mais caros na hora de dar uma destinação adequada a esses materiais após seu uso.

A leveza e baixa densidade, as principais características do EPS, também são responsáveis por dificultar sua reciclagem. Como se constitui principalmente de ar, quando derretido, seu volume cai para 10% do original. Somando isso à dificuldade de transportar esse material por ocupar muito espaço, poucas empresas se interessam por reciclar, ou mesmo, coletar o EPS (CBB RECICLA, 2013).

Quanto à classificação do EPS em relação ao tipo de resíduo sólido, a Associação Brasileira de Normas Técnicas publicou, no dia 31 de maio de 2004, a versão atualizada da norma NBR 10.004 (Classificação de Resíduos Sólidos). Esta norma técnica brasileira classifica os resíduos sólidos quanto aos seus riscos potenciais ao meio ambiente e à saúde pública, para que possam ser gerenciados adequadamente. Os resíduos sólidos podem apresentar periculosidades em função de suas características físicas, químicas ou infecto-contagiosas. A NBR 10.004/04 classifica os resíduos sólidos visando orientar sua disposição final e ao conhecimento em si de sua periculosidade. Assim, os resíduos sólidos se classificam em classe 1 (perigosos) e

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classe 2 (não perigosos). Os resíduos classe 2 dividem-se em classe 2A, que são os reativos, e classe 2B, que são os não reativos. O processo de classificação tem como base a origem dos resíduos e a sua constituição química. Quando não pode ser realizada a classificação do resíduo através da identificação da origem e sua comparação com as tabelas da referida norma, faz-se necessária a realização de análises químicas dos extratos lixiviados e extrato solubilizado do resíduo, segundo as normas NBR 10.005 e NBR 10.006, respectivamente. Os resíduos de EPS são classificados como classe 2B. (Chagas, Berreta-Hurrado & Gouvêa, 2011).

2.2.

Solos Reforçados

De acordo com Casagrande (2005), “Entende-se por melhoria ou reforço de solos a utilização de processos físicos e/ou químicos que visem o melhoramento das propriedades mecânicas dos solos. Procura-se o aumento da resistência do solo tratado e a diminuição de sua compressibilidade e de sua permeabilidade. O termo melhoria de solos está associado ao tratamento através de processos químicos, enquanto que o termo reforço está associado à utilização de inclusões em aterros ou taludes”.

A técnica para reforçar o solo tem sido muito utilizada. Alguns dos materiais usados para esse fim são fibras (PET, vidro, polipropileno), borracha moída, geossintéticos, entre outros.

Gray e Ohashi (1983) desenvolveram um modelo teórico para estudar o comportamento de uma areia reforçada com fibras. Os autores executaram ensaios de cisalhamento direto com areia, nos estados fofo e denso, reforçada com fibras naturais, sintéticas e metálicas. Com os resultados obtidos nos ensaios, eles concluíram que a inclusão da fibra aumenta a resistência ao cisalhamento de pico e reduz a queda pós-pico. Outra conclusão foi a existência de uma tensão de confinamento crítica onde, abaixo desta, as fibras são arrancadas e, acima desta, as fibras são alongadas. As fibras com módulo baixo comportaram-se como uma inclusão extensível, ou seja, não romperam durante o ensaio. O aumento do comprimento das fibras resultou num aumento da resistência, porém, esse aumento é verificado até certo limite, a partir do qual, este efeito não é mais observado.

Shewbridge e Sitar (1989) avaliaram o mecanismo de desenvolvimento da zona de cisalhamento de um solo granular reforçado com vários tipos de fibras. Ensaios em

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equipamento de cisalhamento direto foram realizados, cujas dimensões eram maiores que as convencionais. Para o solo reforçado, a zona de cisalhamento era mais larga e aumentava com a concentração, rigidez e aderência entre o solo e o reforço. Após um amplo programa experimental, os autores concluíram que o aumento da resistência é função das propriedades da areia (graduação, tamanho e forma das partículas) e da fibra (teor, relação l/d e módulo). A resistência diminui com o aumento do tamanho médio e da esfericidade das partículas de areia, por outro lado, há um acréscimo da resistência com o aumento do coeficiente de uniformidade da areia, do teor de fibras, do módulo das fibras e da relação l/d. O modelo proposto pelos autores para prever o comportamento do solo reforçado com fibras é baseado num modelo aplicado a concreto reforçado com fibras. Em geral, há um razoável ajuste entre os valores experimentais e os previstos pelo modelo. Entretanto, ainda há a necessidade de um melhor refinamento do modelo, principalmente em relação à estimativa da espessura da zona de cisalhamento.

Montardo (2000) e Consoli (2002) apud Heineck (2002) investigaram os efeitos da inclusão de fibras sintéticas de diferentes propriedades mecânicas, distribuídas aleatoriamente, o comportamento de um solo arenoso, artificialmente cimentado e não-cimentado e chegaram às seguintes conclusões: fibras relativamente rígidas (fibras de vidro e PET) exercem efeito mais pronunciado na resistência de ruptura, ao passo que fibras relativamente flexíveis (fibras de polipropileno) exercem efeito mais pronunciado no modo de ruptura e no comportamento último; a inclusão de fibras de PET ou de vidro aumentou, tanto a resistência à compressão, quanto à resistência a tração da matriz cimentada, enquanto que as fibras de polipropileno não aumentam estas duas variáveis; a inclusão de fibras de polipropileno no compósito cimentado alterou o comportamento do material na ruptura, que era frágil, para dúctil, sendo que a inclusão de fibras de PET e de vidro não modificaram o modo de ruptura; a inclusão de qualquer tipo de fibra aumentou a capacidade de absorção de energia de deformação, de forma mais acentuada para comprimentos de fibras maiores; a rigidez inicial não foi afetada pela inclusão das fibras de PET e de vidro porém ela é drasticamente reduzida com a inclusão de fibras de polipropileno.

Casagrande (2005) estudou o efeito da adição das fibras de polipropileno em solo arenoso através da realização de ensaios triaxiais. Conclui-se desse estudo que a inclusão das fibras de polipropileno ao solo proporcionou um crescimento constante da resistência com o aumento das deformações distorcionais, acarretando em um aumento

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das deformações volumétricas de contração para as tensões efetivas médias iniciais altas, independentes da trajetória de tensões seguida pelo material.

Curcio (2008) avaliou o comportamento hidromecânico e mecânico de amostras de solo compactado reforçado com fibras de PET reciclado. A inserção de fibras reduziu a magnitude das fissuras de tração. Notou-se que o comportamento do material compósito em relação à resistência à tração parece ser inicialmente controlado apenas pela matriz de solo. À medida que crescem as deformações, o comportamento passa a ser controlado pela matriz e pelas fibras. A adição de 1% de fibras, além de favorecer o acréscimo da tensão de tração máxima do solo, retarda a abertura de fissuras e reduz a magnitude das mesmas, sem alterar as propriedades desejáveis na compactação e sem influenciar negativamente a condutividade hidráulica do solo quando utilizadas sob tensão confinante.

Ghazavi (2004) realizou ensaio de cisalhamento direto para misturas com 0%, 10%, 15%, 20%, 50%, 70% e 100% de borracha em um solo arenoso. A borracha utilizada tinha tamanho médio de 4,0 mm. Em geral as melhorias na resistência ao cisalhamento não foram significativas, contudo as resistências de pico das misturas aconteceram para deslocamentos horizontais maiores que no caso da areia pura, sendo que as curvas de tensão cisalhante x deslocamento horizontal não presentaram um pico muito bem definido com relação à curva da areia pura. Nas envoltórias observa-se que para as misturas que têm entre 10% e 20% de borracha o valor do ângulo de atrito atingiu seus maiores valores.

Costa (2011) estudaram o comportamento de misturas compostas por solo laterítico e tiras de borracha de tamanho médio de 1,40 mm. através de ensaios de cisalhamento direto em amostras com 0%, 10%, 20%, 40% e 50% de borracha. As envoltórias de resistência de todas as misturas apresentaram maiores valores de resistência ao cisalhamento do que do solo puro. O máximo incremento aconteceu para a mistura com um teor de borracha de 40%. O deslocamento horizontal onde acontece a tensão cisalhante máxima das misturas é maior do que do solo puro. Estes deslocamentos horizontais correspondentes à tensão cisalhante máxima aumentam com o maior o teor de borracha da mistura.

Ramírez (2012) realizou ensaios triaxiais em misturas de argila-borracha e areia-borracha. A partir dos ensaios, observou-se que os compósitos atingem sua resistência de pico com deformações axiais maiores do que em relação ao solo puro. Este nível de deformação axial aumentou para as misturas com maiores teores de borracha. A

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resistência pós-pico dos compósitos diminuiu lentamente com a deformação, fornecendo um comportamento dúctil durante o cisalhamento. Assim, notou-se que o comportamento mecânico dos compósitos depende do teor de borracha inserido no solo. Existe uma tendência de melhorar a resistência ao cisalhamento com o aumento do teor, sendo que a partir de certo teor (teores distintos para diferentes tipos de solo) a inserção de borracha é prejudicial em relação às propriedades do solo puro.

Outro material utilizado como reforço do solo é o geossintético. Segundo a NBR 12553/1991, geossintético é a denominação genérica de produtos poliméricos, podendo ser sintéticos ou naturais, que são industrializados e desenvolvidos para utilização em obras geotécnicas, que desempenham uma ou mais funções, entre as quais se destacam: reforço, filtração, drenagem, proteção, separação, impermeabilização e controle de erosão superficial. Há atualmente um grande número de geossintéticos desenvolvidos para diversas aplicações, sendo estes classificados em geotêxteis, geomambranas, geocompostos argilosos para barreira impermeável e para drenagem, georredes, geogrelhas, geocélulas e geomantas. Dentre estes, os mais utilizados para o reforço são o geotêxtil tecido e não tecido, geocomposto para drenagem, geogrelha e geocélula.

2.3.

Ensaios Experimentais com Uso de EPS

Abdelrahman (2013) estudaram o comportamento de amostras de areia misturadas com perólas de EPS através de ensaios de compactação Proctor Normal. As curvas de compactação obtidas são mostradas na Figura 2.4. A partir dessa figura, o autor observou que com a adição de pérolas de EPS a densidade seca do material varia consideravelmente, reduzindo com o aumento do teor de pérolas de EPS, porém a umidade ótima nao apresentou o mesmo comportamento. Esse fato pode ser atribuido a baixa densidade aparente e a baixa absorção de umidade por parte das pérolas de EPS (Abdelrahman, 2013). PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1121849/CA

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Figura 2.4 - Curvas de compactação das misturas de areia com diferentes teores de EPS na densidade de EPS de 0,16 kN/mᶟ.

Fonte: (Abdelrahman, 2013).

Abdelrahman (2009) a partir de um outro estudo, concluiu que o aumento da densidade da pérola de EPS aumenta a densidade máxima seca do material para uma mesma porcentagem de pérolas de EPS.

Nattatmadja (2009) estudou o comportamento das argilas expansivas com índices de plasticidade (IP) variando de 22% a 53% misturados com pérolas de poliestireno expandido (EPS) em laboratório. Um dos motivos para esse estudo foi o fato de materiais de aterramento convencionais estarem se tornando mais escassos e caros, surgindo assim uma pressão crescente para usar materiais reciclados para esse fim. Apesar de sua abundância, solos expansivos são geralmente evitados uma vez que podem causar danos estruturais significativos às estruturas, tais como muros de contenção.

Para investigar o efeito da mistura de pérolas de EPS com argilas expansivas, três solos expansivos foram fabricados no laboratório, misturando areia fina com bentonita sódica em várias proporções. A bentonita pura rica em sódio disponível comercialmente foi misturado em diversas proporções com areia, de modo a simular a contração e a expansão características de solos expansivos. Com os teores de bentonita selecionados (16, 24 e 32%), três diferentes argilas artificiais (denominado SB16, SB24 e SB32) foram produzidas. A Figura 2.5 mostra uma curva típica de expansão livre de

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um teste com a mistura SB16 indicando que mesmo após duas semanas, as amostras podem ainda inchar muito embora a uma taxa inferior.

Figura 2.5 - Curva de expansão livre do solo com Índice de Plasticidade de 38% e com diferentes teores de EPS.

Fonte: Nattatmadja (2009).

A Figura 2.6 mostra que a adição de EPS nas argilas artificiais pode reduzir a contração volumétrica por até 50% dependendo a porcentagem da pérolas de EPS presente.

Figura 2.6 - Efeito da adição de pérolas de EPS na contração volumétrica. Fonte: Nattatmadja (2009).

Nattatmadja (2009) estudou também a capacidade de um aterro para drenar a água, pois isso é um fator importante que afeta a estabilidade de um muro de contenção. Um aterro permeável vai permitir que a água flua rapidamente, de modo a não aumentar a magnitude da força horizontal que pode desestabilizar a parede. A variação de

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condutividade hidráulica de SB24, com a adição de EPS é mostrado na Figura 2.7. É visto que a condutividade hidráulica da composição do solo do EPS aumenta ligeiramente com 0,3% , quando comparado com o solo de puro, mas com maior teor de EPS um aumento significativo pode ser esperado.

Figura 2.7 - Efeito da adição de pérolas de EPS na condutividade hidráulica. Fonte: Nattatmadja (2009).

Dessa maneira, Nattatmadja (2009) concluiu que a adição de pérolas de EPS em um solo funciona bem como uma substituição parcial do solo. Em argilas expansivas, isto pode reduzir a magnitude da pressão de expansão e da expansão livre. Verificou-se também que quanto maior a quantidade de pérolas de EPS no solo, menor é o potencial de contração. Uma redução de cerca de 50 % na contracção volumétrica pode ser esperada para um solo com um PI de 53 misturada com 0,9 % de pérolas de EPS , em massa. Assim, mostrou ser possível fazer um uso benéfico dos produtos de EPS e da argila expansiva, sendo um novo conceito que irá oferecer uma solução sustentável tanto para a habitação quanto para as indústrias de produção de EPS.

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Programa Experimental

O programa de ensaios estabelecidos nesta dissertação tem como principal objetivo avaliar o efeito da adição de poliestireno expandido (EPS) nas propriedades mecânicas de um solo coluvionar argiloso, de um solo arenoso e da bentonita.

As etapas do programa experimental proposto são detalhadamente descritas neste capítulo, bem como a descrição dos materiais utilizados na pesquisa, os métodos utilizados na preparação das amostras, detalhes de execução dos ensaios e equipamentos utilizados nos ensaios de laboratório.

Os ensaios do programa experimental desta pesquisa foram realizados no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio.

3.1.

Materiais utilizados na pesquisa 3.1.1.

Solo Argiloso

A argila utilizada neste trabalho é um solo maduro, coluvionar, argilo-arenoso, não saturado (Soares, 2005 apud Ramirez, 2012). Este solo foi coletado no Campo Experimental II, localizado no interior do campus da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, conforme o esquema mostrado na Figura 3.1. O material foi retirado de uma profundidade de 2 metros, a partir da superfície da encosta.

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Figura 3.1 - Localização do Campo Experimental II PUC-Rio (Soares, 2005).

Este solo coluvionar possui características de tonalidade vermelha amarelada, textura micro-granular e com aspecto homogêneo, sendo constituído basicamente por quartzo, granada alterada, argilominerais (essencialmente caulinita) e óxidos de ferro e alumínio, como produto do intemperismo dos minerais primários da biotita gnaisse (Soares, 2005 apud Ramirez, 2012). O solo coluvionar utilizado na pesquisa é apresentado na Figura 3.2.

As características geotécnicas físicas deste material são apresentadas e analisadas no item 4.1.

O material foi retirado manualmente e depositado em baldes cilíndricos de plástico. Após a coleta, o solo foi levado para o laboratório e colocado na estufa a 60°C. Depois de atingir uma umidade constante, foi colocado em sacolas de plástico lacradas e guardado na câmara úmida.

Este tipo de solo já foi utilizado anteriormente em outras pesquisas desenvolvidas na PUC-Rio (Sertã, 1986; Marinho, 1986; Lins, 1991; Daylac, 1994; Beneveli, 2002; Soares, 2005). Sertã (1986) fez um estudo dos aspectos geológicos e geotécnicos do solo coluvionar do Campo Experimental II, deixando um amplo conhecimento das suas características. PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1121849/CA

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Figura 3.2 - Solo coluvionar utilizado.

Segundo o perfil morfológico feito por Daylac (1994) apresentado na Figura 3.3, o solo utilizado está situado na camada superior do perfil, conformada por colúvio. No lugar da coleta, se observou presença de alguns pedregulhos de quartzo. No processo de preparação do solo para os ensaios (destorroamento), se retiraram as raízes presentes no material. PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1121849/CA

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Figura 3.3 - Descrição morfológica do perfil do Campo Experimental II da PUC-Rio (Daylac, 1994)

Sertã (1986) fez uma análise mineralógica do solo presente no Campo Experimental II. A Tabela 3.1, elaborada por Daylac (1994), resume os resultados obtidos por Sertã para amostras retiradas entre 3,00 m e 3,50 m de profundidade. A presença imperante de certos minerais como a caulinita, a gibsita e a goetita, e o perfil morfológico apresentado anteriormente sugerem que o solo tem um alto grau de intemperismo. PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1121849/CA

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Tabela 3.1 - Análise mineralógica (Sertã, 1986).

Fração do solo Mineral Quantidade /

observações Pedregulho Quartzo grãos arestados de coloração transparente a leitosos Granada alterada alguns fragmentos

Areia

Quartzo grãos arestados Granda muito alterada correspondem a aproximadamente 5% da amostra total Agregados Ferruginosos

Magnetita pequenos traços

Silte Quartzo presença Caulinita presença Goetita presença Argila Caulinita presença marcante Goetita alguns traços

Este solo coluvionar foi utilizado também por Szeliga (2011), Ramírez (2012), Quispe (2013), entre outros, realizando-se ensaios de caracterização física no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio. Os resultados são apresentados no item 4.1.1.

3.1.2.

Solo Arenoso

A areia utilizada neste estudo é proveniente de uma praia localizada na Barra da Tijuca – RJ (Figura 3.4). É uma areia média, limpa e mal-graduada (Figura 3.5). Os resultados da curva granulométrica e índices físicos são apresentados no item 4.1.2.

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Figura 3.4 - Localização do ponto de coleta de areia na Barra da Tijuca – RJ.

Figura 3.5 - Areia utilizada na pesquisa.

3.1.3. Bentonita

A bentonita (Figura 3.6) utilizada nesta pesquisa foi adquirida comercialmente no Rio de Janeiro. Segundo a NBR 6502 (ABNT, 1995), essa bentonita pode ser classificada como uma argila. Os resultados da curva granulométrica e índices físicos são apresentados no item 4.1.3.

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Figura 3.6 - Bentonita utilizada na pesquisa.

3.1.4.

Poliestireno Expandido (EPS)

As pérolas de EPS (Figura 3.7) utilizadas nesta pesquisa foram adquiridas comercialmente no Rio de Janeiro. Na prática, essas pérolas podem ser provenientes do trituramento de placas de isopor descartadas transformando-as em partículas menores. O diâmetro médio das pérolas utilizadas nos ensaios é de, aproximadamente, 1 mm.

Figura 3.7 - Pérola de EPS utilizada na pesquisa.

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3.1.5. Água

A água utilizada na preparação dos corpos de prova para ensaios de compactação (solo coluvionar), ensaio triaxial (solo coluvionar e arenoso) e ensaio de cisalhamento direto (bentonita) foi proveniente da rede pública de abastecimento da cidade do Rio de Janeiro. Nos ensaios de caracterização física foi utilizada água destilada.

3.1.6.

Mistura Solo-EPS

Para cada solo foram preparadas misturas com diferentes teores de EPS, com o objetivo de determinar o teor ótimo para a inserção deste material como reforço. As misturas utilizadas com o solo argiloso foram 0,25%, 0,50%, 0,75% e 1,0% de pérolas de EPS, calculados em relação ao peso seco do solo. No caso do solo arenoso e da bentonita foram preparadas duas misturas com 0,50% e 0,75% de pérolas de EPS, em relação ao peso seco do solo.

Esses teores foram determinados com o intuito de analisar a evolução ou retrocesso da melhoria dos parâmetros de resistência de cada tipo de solo e misturas, a fim de se estabelecer uma melhoria máxima com o maior volume de resíduo, já que, um dos objetivos do uso deste material como reforço, é dar uma destinação ambientalmente correta para a maior quantidade possível.

A quantidade de pérolas de EPS a ser usada em cada mistura foi calculada em relação ao peso total do solo seco. O volume de água adicionado no solo argiloso foi determinado em função da umidade ótima obtida nos ensaios de Compactação Proctor Normal. No caso do solo arenoso e bentonita, as misturas foram preparadas com umidade de, respectivamente, 10% e 170%. Essas porcentagens foram determinadas a partir de ensaios de cisalhamento direto, onde esses valores se apresentaram similares aos valores encontrados por Casagrande (2005).

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Na Tabela 3.2 são apresentadas as siglas utilizadas para identificar cada tipo de solo e as misturas.

Tabela 3.2 - Símbolos utilizados para os solos e misturas.

Material / Mistura Solo (%) Pérolas de EPS (%) Símbolo

Solo Argiloso 100 0 S100

Mistura 1 99,75 0,25 S99,75/EPS0,25

Mistura 2 99,50 0,50 S99,50/EPS0,50

Mistura 3 99,25 0,75 S99,25/EPS0,75

Mistura 4 99,00 1 S99/EPS1

Solo Arenoso 100 0 A100

Mistura 5 99,50 0,50 A99,50/EPS0,50 Mistura 6 99,25 0,75 A99,25/EPS0,75 Bentonita 100 0 B100 Mistura 7 99,50 0,50 B99,50/EPS0,50 Mistura 8 99,25 0,75 B99,25/EPS0,75 3.2.

Métodos e Procedimentos de Ensaio

Neste item serão apresentados as metodologias e procedimentos utilizados para as análises físicas e mecânicas do solo argiloso, arenoso e bentonita.

O objetivo deste programa experimental foi a caracterização de cada solo no intuito de conhecer seu comportamento e posteriormente realizar os ensaios mecânicos (ensaios de compactação proctor normal e ensaios triaxiais drenado, no caso do solo argiloso, ensaios triaxiais drenados, no caso do solo arenoso e ensaios de cisalhamento direto, no caso da bentonita) a fim de conhecer seus parâmetros de resistência e ter uma idéia de como o poliestireno expandido pode atuar como estabilizante no solo.

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Ensaios de Caracterização Física

Com a finalidade de determinar as propriedades índices das amostras de solo argiloso proveniente do Campo Experimental II do campus da PUC-Rio, da bentonita e do solo arenoso foram executados ensaios de caracterização física no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio. Os três materiais foram preparados segundo o preconizado nas normas técnicas brasileiras (Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT). No caso do solo argiloso e bentonita, os ensaios realizados seguiram os métodos indicados pelas seguintes normas:

 NBR 6457/1986 – Amostras de Solos – Preparação para ensaios de compactação e caracterização;

 NBR 7181/1984 – Solo – Análise Granulométrica;

 NBR 6508/1984 – Solo – Determinação da densidade real dos grãos;  NBR 6459/1984 – Solo – Determinação do Limite de Liquidez;  NBR 7180/1984 – Solo – Determinação do Limite de Plasticidade.

E no caso do solo arenoso, os ensaios realizados seguiram os procedimentos indicados pelas seguintes normas:

 NBR 6457/1986 – Amostras de Solos – Preparação para ensaios de compactação e caracterização;

 NBR 7181/1984 – Solo – Análise Granulométrica;

 NBR 6508/1984 – Solo – Determinação da densidade real dos grãos;  NBR 12004/1990 – Solo – Determinação do índice de vazios máximos de

solos não coesivos;

 NBR 12051/1991 – Solo – Determinação do índice de vazios mínimos de solos não coesivos.

No caso do EPS não foi feita a caracterização física, pois o EPS é considerado inerte. Assim, foi feita a caracterização física apenas dos solos.

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 Densidade Real dos Grãos

A densidade real dos grãos do solo argiloso e arenoso foi determinada utilizando o material que passou na peneira #40 (0,425 mm), segundo a norma NBR 6508/1984 da ABNT.

Do material passante da peneira #40 seco em estufa a 105 °C foi utilizado aproximadamente 100 gramas de solo argiloso e 120 gramas de solo arenoso. Posteriormente foram colocados 25 gramas, no caso do solo argiloso, e 30 gramas, no caso do solo arenoso, em quatro picnômetros de 250 ml e se cobriu o material dentro dos picnômetros com água destilada. Em seguida procedeu-se à extração do ar contido entre as partículas, utilizando uma bomba de vácuo. Esse procedimento é realizado durante 15 minutos, aproximadamente, que é o tempo que demora extrair todo o ar em forma de bolhas. No passo seguinte os quatro picnômetros foram cheios com água destilada e pesados.

Para determinar a densidade real dos grãos da bentonita a partir do método usado para os dois solos descritos anteriormente foi difícil, uma vez que este material apresenta granulometria muito fina. Sendo assim, a água adicionada aos picnômetros para a realização do ensaio não conseguia penetrar e molhar todo o solo contido nos mesmos (25g). Em função disso, formava-se uma camada de solo seco aderida às paredes no fundo dos picnômetros, além da formação de grumos do material. Além de ser um material de granulometria fina, a bentonita sódica é altamente expansiva, causando problemas como formação de camada de solo seco no fundo dos picnômetros, formação de grumos, inchamento excessivo e perda de material durante a aplicação do vácuo, o que tornou impraticável o ensaio com uma massa de solo de 25g. Várias tentativas foram feitas e adotou-se para este trabalho o seguinte procedimento complementar:

 Utilização de uma massa de solo de 10g;

 Adição e homogeneização do solo aos poucos dentro do picnômetro já tarado com uma determinada quantidade de água. Dessa maneira foi possível molhar todo o solo e evitou-se a formação da camada de solo seco aderida ao fundo do picnômetro;

 Dispersão do material já dentro dos picnômetros, durante 30 minutos, através de um aparelho de ultra-som para evitar a perda de material e conseguir uma dispersão mais efetiva (Figura 3.8 a);

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 Retirada do ar através da aplicação do vácuo com auxilio de uma bomba (Figura 3.8 b).

(a) (b)

Figura 3.8 - (a) Procedimento de dispersão em aparelho de ultra-som e (b) Bomba a vácuo.

 Limites de Atterberg

Os limites de Atterberg, limite de liquidez e limite de plasticidade do solo argiloso e da bentonita foram determinados utilizando-se o material passante na peneira #40 (0,425 mm), segundo as normas NBR 6459/1984 e NBR 7180/1984 da ABNT.

 Análise Granulométrica

Para a determinação da curva granulométrica do solo argiloso, peneirou-se 1000 gramas do material na peneira #40 (0,425 mm), seguindo a norma NBR 7181/1984 da ABNT. O material retido na peneira foi lavado e posteriormente secado na estufa a 105 °C. Depois de 24 horas se realizou o peneiramento grosso com este material.

Do material passante na peneira #40, utilizou-se 50,39 gramas para a sedimentação, sendo este misturado com 125 ml de uma solução de hexametafosfato de sódio e deixado em repouso durante 24 horas.

Depois de realizada a sedimentação, todo o material foi lavado na peneira #200 e o retido levado à estufa, para quando seco proceder com o peneiramento fino.

Para a determinação da curva granulométrica do solo arenoso, peneirou-se 1000 gramas do material na peneira #40 (0,425 mm), seguindo a norma NBR 7181/1984 da ABNT.

O material retido na peneira foi lavado e posteriormente secado na estufa a 105 °C. Depois de 24 horas se realizou o peneiramento grosso com este material.

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Para a determinação da curva granulométrica da bentonita, onde só tem a fase de sedimentação, inicialmente o ensaio foi feito segundo os procedimentos da NBR 7181/1984. Porém, tal material apresentou alguns problemas, já mencionados anteriormente na determinação da densidade real dos grãos. Assim, uma grande quantidade de material ficava aderido às paredes do recipiente antes de ser iniciada a sedimentação, causando perda de material. O hexametafosfato de sódio, utilizado como defloculante, produziu um efeito contrário à sua ação dispersante natural. O material ao invés de deflocular, floculou. Dessa maneira, foi adotado outro procedimento utilizando-se 50 gramas de bentonita misturada com 125 ml de hexametafosfato de sódio e mais 200 ml de água. Em seguida, essa mistura foi deixada em repouso durante 24 horas. Depois de realizada a sedimentação, todo o material foi lavado na peneira #200 e nenhum material ficou retido na peneira.

 Índice de vazios mínimos e máximos

Inicialmente, mediu-se a altura e diâmetro interno do molde, a fim de calcular o volume interno do cilindro usado no ensaio, e pesou-se o cilindro vazio.

A determinação do índice de vazio máximo, segundo a NBR12004/1990, é feita inicialmente homogeneizando uma amostra seca de areia. Com o auxílio de um funil, colocou-se o solo no molde, tão fofo quanto possível, vertendo-o através do bico em fluxo constante e mantendo o funil em posição vertical. Ajustou-se continuamente a altura do bico, de modo que a queda livre do material seja da ordem de 1 cm ou apenas o suficiente para assegurar um fluxo contínuo da partículas do solo, sem que o bico entre em contato com o material já depositado. Moveu-se o funil segundo uma trajetória espiralada, da borda para o centro do molde, de forma a resultar camadas com espessuras uniformes. Encheu-se o molde até 1 a 2 cm acima do topo dele. O excesso de solo acima do cilindro foi retirada com auxílio de uma régua de aço biselada e pesou-se o conjunto.

A determinação do índice de vazio mínimo, de acordo com a NBR 12051/1991, é realizada inicialmente também homogeneizando uma amostra seca de areia. Com auxílio do funil, encheu-se o molde com a amostra de solo até 1 a 2 cm acima do topo do molde e retirou-se o excesso. Em seguida, colocou-se o disco-base da sobrecarga sobre a superfície da amostra de solo e girou-o levemente algumas vezes, de forma que ele tenha ficado firme e uniformemente em contato com a superficie do material.

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se o molde à mesa vibratória e o tubo guia ao molde, tendo-se garantido previamente que as paredes internas destes estavam alinhadas. Depois, assentou-se a sobrecarga correspondente sobre o disco-base e o solo ficou sobre vibração por um minuto. Após a vibração, o cilindro foi pesado.

Tanto para determinar o índice de vazio máximo, quanto para determinar o índice de vazio mínimo, foram feitos três ensaios em cada, e retirado a média.

3.2.1

Ensaios de Caracterização Mecânica

Ensaios de Compactação Proctor Standard

Os ensaios de compactação foram realizados para o solo argiloso e misturas solo-EPS, com o objetivo de determinar a umidade ótima de compactação (wótm) e o peso específico aparente seco máximo (γdmáx) do solo e das misturas. Os ensaios foram realizados segundo as diretrizes da norma NBR 7182 da ABNT, utilizando-se a energia de compactação Proctor Normal e com reuso de material.

Após secagem do solo em estufa a uma temperatura de 60°C, iniciou-se o processo de destorroamento deste, passando-o posteriormente pela peneira #4, adotando-se o procedimento descrito pela norma NBR 6457 (ABNT, 1986) - preparação com secagem prévia até a umidade higroscópica. Em seguida, adicionou-se uma determinada quantidade de água ao material, a fim de que este ficasse com cerca de 5% de umidade abaixo da umidade ótima. Este valor pode ser estimado inicialmente através do limite de plasticidade, cujo valor pode se aproximar ao da umidade ótima. Após mistura do solo argiloso (puro e com as diversas porcentagens de EPS) com o volume de água calculado, homogeneizou-se bem o material.

Com as misturas preparadas, colocou-se o material dentro do molde cilíndrico pequeno (cilindro Proctor), de dimensões 10 cm x 12,7 cm (diâmetro x altura). Aplicou-se 26 golpes com um soquete pequeno, de peso igual a 2,5 kg, o qual Aplicou-se deixa cair na camada de solo a uma altura de 30,5 cm aproximadamente. As porções de solo compactadas devem ocupar cerca de 1/3 da altura total do molde (compactação em três camadas). A fim de se obter uma boa aderência entre as camadas compactadas, escarificou-se bem cada uma delas antes de se compactar a camada sobrejacente. Em geral, depois de completar as três camadas, atinge-se uma altura maior do que a do

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