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1 (^1) Aluna do curso de engenharia civil do Centro Universitário UniToledo. (^2) Aluna do curso de engenharia civil do Centro Universitário UniToledo. (^3) Doutorando e professor do curso de engenharia civil do Centro Universitário UniToledo.
AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DA INCLUSÃO DE FIBRAS
POLIMÉRICAS NA COMPACTAÇÃO DO SOLO
Camila de Carvalho de Almeida¹ Naiara Rodrigues Alves Silva² Rafael Marçal³ RESUMO A expansão da quantidade de lixo aumentou consideravelmente com o crescimento populacional, principalmente em matérias biodegradáveis. Com o objetivo de elaborar estratégia para reduzir impactos ambientais, o presente trabalho avaliou os efeitos provocados na compactação do solo pela inclusão de diferentes porcentagens de fibras de polietileno tereftalato (PET). O solo utilizado é predominantemente arenoso, típico da região de Araçatuba. As fibras possuem comprimento de 30 mm e largura de 1,5 mm, estes adicionados aleatoriamente ao solo em porcentagens de 0,50; 1,00 e 2,00% em relação à massa seca. Os resultados dos testes indicaram uma máxima compactação no quantitativo de 0,5% de fibras com 30 mm. Propõe-se ampliar o estudo da inclusão de fibras no solo, a fim de verificar a influência da inclusão de fibras nos parâmetros de resistência. Palavras-chave: Sustentabilidade; Fibras no solo; Polietileno tereftalato; Compactação. ABSTRACT Expansion of the amount of waste increased considerably with population growth, especially in biodegradable materials. With the objective of elaborating a strategy to reduce environmental impacts, the present study evaluated the effects caused by soil compaction by the inclusion of different percentages of polyethylene terephthalate (PET) fibers. The soil used is predominantly sandy, typical of the Araçatuba region. The fibers have a length of 30mm and a width of 1.5mm, which are randomly added to the soil in percentages of 0.50; 1.00 and 2.00% in relation to the dry mass. The results of the tests indicated a maximum compaction in the quantitative of 0.5% of fibers with 30 mm. It is proposed to expand the study of the inclusion of fibers in the soil, in order to verify the influence of the inclusion of fibers in the resistance parameters. Keywords: Sustainability; Fibers in soil; Polyethylene terephthalate; Compaction.
1. INTRODUÇÃO
A elaboração de obras na construção civil se incumbi de transformar um ambiente natural em um ambiente construtivo, sendo imprescindível um comportamento satisfatório do solo. Assim, observa-se a necessidade do homem trabalhar com o solo desde a antiguidade, prática tão arcaica quanto à civilização. Inevitavelmente, conforme assevera Caputo (1988), as dificuldades com as obras de terra surgiram desde antes de Cristo. Os primeiros trabalhos relevantes sobre comportamentos dos solos foram desenvolvidos no século XVII, quando a tecnologia era tida como base do design estrutural e o desenvolvimento surgia com novos métodos, soluções, padrões e formas. Dentre os pesquisadores que se debruçaram sobre esses trabalhos, destacam-se os clássicos Vauban (1687), Coulomb (1773), Rankine (1856) e Darcy (1856) (CAPUTO, 1988 ; PINTO, 2006 ). Segundo Caputo (1988), os solos se originam da decomposição das rochas por meio do intemperismo ou meteorização, sendo essa desintegração decorrente de agentes físicos e químicos. Sua classificação baseia-se inicialmente nos tamanhos das partículas que os compõe, podendo ser pedregulhos e areias (solo de partículas grossas), siltes (partículas intermediárias) e as argilas (partículas finas). Dessa forma, “O solo[...] geralmente tem baixa tensão e cisalhamento. A força e suas características podem depender fortemente das condições do meio ambiente[...]’’ (LING; LESHCHINSKY; TATSUOKA, 2003 apud HEJAZI et al., 201 2 ). Consequentemente, o reforço é introduzido para melhorar as propriedades mecânicas do solo por meio de fibras solúveis (naturais ou sintéticas). O princípio de reforço foi desenvolvido inicialmente por Vidal, que demostrou um melhoramento da resistência de cisalhamento por meio da inclusão de elementos na massa dos solos (VITAL, 1969 apud AKBULUT; ARASAN; KALKAN, 2007). No entanto, um número crescente de estudos experimentais e numéricos sobre o assunto foram conduzidos por vários pesquisadores nas últimas décadas (por exemplo, Hoare, 1979; Gray e Ohashi, 1983; Freitag, 1986; Gray e Al-Refeai, 1986; Maher e Gray, 1990; Ranjan et al., 1996; Bauer e Oancea, 1996; Michalowski e Zhao, 1996; Wasti e Butun, 1996; Consoli et al., 1998; Kumar et al., 1999; Santoni et al., 2001; Kaniraj e Havanagi, 2001), (YETIMOGLU; SALBAS, 2003). Consoli, Prietto e Ulbrich ( 1998 ) mudaram o comportamento de um solo arenoso cimentado frágil para dúctil após adicionar fibras de vidro distribuídas aleatoriamente ao
amortecimento, módulo de cisalhamento, valores de UCS (correlacionado a fibra de borracha de pneu, obteve-se um valor máximo de 94 kPa para 185 kPa, utilizando o ideal de 10 mm de comprimento e 2% de teor de fibra. Já nas amostras de polietileno e polipropileno, o que apresentou melhor resultado foi o teor de 0,2% e 15 mm, alcançando valores máximos, respectivamente, de 94 kPa para 165 kPa e 94 kPa para 215 kPa), o que evidencia o aumento no ângulo de fricção interna e valores de coesão. Freitag (1986) investigou os efeitos de fibras sintéticas (nylon e polipropileno) no comportamento de solo calcário residual, classificado como argila arenosa. As fibras variaram respectivamente entre 0,20, 0,10 e 20 mm. Testes de compressão não confinadas foram realizados e os resultados indicaram maior força e resistência capazes de absorver mais energia. Vale ressaltar que o ganho de força foi mais aparente em amostras com o teor maior de umidade ótima, cerca de 25%. Kanchi, Neeraja e Sivakumar Badu (201 4 ) utilizaram fibras em solo homogêneo e isotrópico sob efeitos anisotrópicos e observaram que quanto menor o grau de inclinação da fibra mais resistência ela confere ao solo, ou seja, fibras horizontais são mais eficazes, visto que estão sujeitas à plena extensão, logo as fibras verticais não induzem melhoria significativa ao solo. Botero et al (2015) realizaram testes para investigar os efeitos de fibras de PET no comportamento de um solo sedimentado. As fibras foram distribuídas (com um comprimento de 50 mm e diâmetro de 15 mm) aleatoriamente com teores de 0,0% e 1,0% do peso do solo. Os resultados mostram alterações no desempenho mecânico do material e a obtenção de um menor ângulo de atrito, maior coesão e melhoramento na resistência de cisalhamento proveniente da maior resistência a tração. O trabalho de Jiang, Cai e Liu (2010) indica que o uso de fibras de polipropileno em testes com solo argiloso é capaz de melhorar a ligação entre as partículas do solo, aumentar o ângulo de atrito interno, força, estabilidade e impedir a propagação de rachaduras. Para o experimento foram utilizados quatro tipos de comprimentos e porcentagem de fibras, variando respectivamente de 10 mm a 25 mm e 0,1% e 0,4%. O recomendado para melhores resultados foram de 15 mm e 0,3% do peso de solo. Observações importantes foram realizadas por Yetimoglu e Saltas (2003) em solo arenoso reforçado com fibras de polipropileno. Dispostos a determinar os parâmetros de resistência ao cisalhamento, concluíram que o ângulo de resistência propende a ser
aumentado pela adição do reforço, restringindo a fragilidade do solo e, consequentemente, influenciando na perda pós pico. Da análise do comportamento do solo reforçado com fibras, depreende-se que “[...] a resistência ao cisalhamento do solo reforçado com fibras tem os seguintes componentes: a resistência ao cisalhamento da matriz do solo e a resistência induzida pela fibra.” (ZORNBERG et al 2002 apud LI; ZORNBERG, 2013 ) Nos últimos anos, com o crescimento populacional, ocorreu uma expansão da quantidade de lixos domésticos e industriais, o que ocasionou problemas de cunho ambiental. Nesta perspectiva, os não biodegradáveis, como, por exemplo, os plásticos e polímeros, [...] contribuem bastante para esses problemas, pelo fato de possuírem elevada resistência a degradação demorando anos para se decompor. Portanto, pesquisadores e indústria vêm buscando alternativas para minimizar os impactos ambientais causados pelo descarte inadequado de produtos fabricados com plásticos. Dentre as alternativas estão o reaproveitamento e a reciclagem, práticas que vêm aumentando com o tempo. A concientização de um descarte e destino adequados também é de fundamental importância[...] (SILVA, 2009). Essa conscientização a que se refere Silva (2009) constitui-se a base de propostas sustentáveis, como a concepção ao avaliar a influência de fibras poliméricas no solo, pois “Resíduos classificados e reciclados de PET são imprescindíveis para economizar recursos e reduzir plásticos que causam problemas ambientais. O PET tem vantagens como alta tenacidade, boa durabilidade e qualidade de luz” (TAM et al 2007; FERNANDO et al 2008 apud YAO, ZHANYONG et al., 20 14 ). Dessa forma, o presente trabalho visa contribuir para uma melhor interpretação e compreensão do comportamento do solo reforçado com fibras de polietileno tereftalato (PET), o que pode potencializar o uso de misturas solo-fibra em obras de engenharia e ampliar os estudos sobre o reforço de solos. O objetivo do trabalho será avaliar os efeitos provocados na compactação do solo típico de Araçatuba (SP) pela inclusão de diferentes tamanhos e percentagens em peso de fibras de polietileno tereftalato, permitindo, assim, a análise sobre o uso sustentável do PET.
Os valores obtidos em laboratório, como massa do solo e do molde, massa da cápsula e do solo úmido, massa da cápsula, w umidade (%), Wmedia (%),d (massa específica seca), serão anotados em tabelas, conforme representado na tabela 1. Tabela 1. Resumo do ensaio Diâm etro do Molde (cm ): Altura do Molde (cm ): Massa do m olde (g): Massa da cápsula e do solo úm ido (g) Massa da cápsula e do solo seco (g) Massa da cápsula (g) Massa do solo e m olde (g) Am ostras Am ostra 1 Am ostra 2 Am ostra 3 Am ostra 4 Am ostra 5 Um idade (%) Um idade Média (%) Massa específica seca (g/cm ³) Fonte: próprio autor. Assim será possível traçar as curvas de compactação e verificar a influência da adição de fibras poliméricas na compactação do solo.
4. RESULTADOS 4.1 Ensaio de Granulometria A estrutura granulométrica do solo é caracterizada por intermédio do diagrama designado curva de distribuição granulométrica, que expõe a correlação entre a quantidade e dimensões das partículas presentes no solo, podendo ser determinada por meio do ensaio de peneiramento normatizado conforme NBR6502 (ABNT, 1995).
Os resultados obtidos no ensaio de granulometria estão apresentados na tabela 2 e figuras 1 e 2: Tabela 2. Dados coletados no ensaio de granulometria Número da peneira Abertura (mm) da malha d Massa Retida (g) M Massa que passa Mp Porcentage m que passa (%) Porcentagem retida (%) Porcentage m retida acumulada (%) 4 4,750^0 1048,96^ 100,00^0 8 2,000^0 1048,96^ 100,00^0 16 0,850^ 0,21 1048,75^ 99,98^ 0,02^ 0, 30 0,500 28 1020,75 97,31 2,6 7 2,6 9 50 0,250^44 976,75^ 93,12^ 4,19^ 6, 100 0,150^ 457,29 519,46^ 49,52^ 43,59^ 50, 200 0,075^ 426,47 92,99^ 8,86^ 40,6^6 91, recipiente (fundo) (^) 92, 8,8 7 100 Massa Total Mtotal = 1048,96g Fonte: próprio autor. Figura1. Frações granulométrica retidas em cada peneira Fonte: próprio autor.
A Figura 4 representa o resultado do ensaio de limite de liquidez. Figura 4. Limite de Liquidez Fonte: próprio autor. 4.3 Preparação das fibras As fibras utilizadas na pesquisa são de polietileno tereftalato (PET). A coleta foi cautelosa quanto às marcas e modelos, para que não houvesse variação de espessura e composição. Foram descartados rótulos, tampas, fundos e qualquer parte com espessura diferente da padronizada. Após a coleta, garrafas de PET foram recortadas com largura de 1,5 mm e comprimento de 30 mm, e estas fibras foram armazenadas separadamente. A figura 5 representa o preparo das fibras. Figura 5. Execução de espessura e comprimento das fibras. Fonte: próprio autor. 17 18 19 20 21 22 23 1 10 100 Teor de Umidade (%) Número de Golpes
4.4 Ensaio de Compactação Proctor Normal Com o propósito de avaliar a suscetibilidade do solo em estudo é realizado o ensaio de compactação (Proctor Normal), conforme NBR 7182 (ABNT, 2016). A figura 6 ilustra os ensaios com teor de umidade de 16%, sendo as figuras (a) sem inclusão de fibras, (b) com 0,50% de inclusão, (c) com 1,00% e (d) com 2,00%. Figura 6. Execução do Ensaio de Compactação. Fonte: próprio autor. A figura 7 representa a coleta de amostras inseridas em cápsulas para determinação dos teores de umidade obtidos por meio do método da estufa, a fim de que se possa obter os teores de umidades reais das amostras durante os ensaios de compactação.
A figura 9 representa a curva de compactação para o solo com a inclusão de 0,5% de PET. Figura 9. Curva de compactação com a inclusão de 0,5% PET Fonte: próprio autor. A figura 10 representa a curva de compactação para o solo com a inclusão de 1,0% de PET. Figura 10. Curva de compactação com a inclusão de 1,0% de PET Fonte: próprio autor.
Massa Específica Seca (g/cm³) Teor de Umidade (%) 1,
Massa Específica Seca (g/cm³) Teor de Umidade (%)
A figura 11 representa a curva de compactação para o solo com a inclusão de 2,0% de PET. Figura 1 1. Curva de compactação com a inclusão de 2,0% de PET Fonte: próprio autor. O resumo dos resultados obtidos no ensaio de compactação estão apresentados na tabela 3. Tabela 3. Resumo do ensaio de compactação Fonte: próprio autor.
Massa Específica Seca (g/cm³) Teor de Umidade (%)
6. CONCLUSÃO
Este trabalho avaliou os efeitos provocados na inclusão de diferentes porcentagens em peso de fibras de polietileno tereftalato (PET) na compactação do solo. Com base nos resultados dos ensaios realizados, determinou-se que o quantitativo ótimos de fibras de polietileno tereftalato para o solo foram, respectivamente, de 0,5%. Dessa forma, comparando esse resultado ótimo com o de um solo sem fibra, é possível verificar o aumento da massa específica seca máxima de 1,978g/cm³ para 2,074g/cm³ e pouca variação no teor de umidade ótimo, de 10,64% para 10,88%. A medida que se aumentou o teor de fibra no solo, notou-se queda na massa específica seca máxima e aumento no teor de umidade ótima. Esse trabalho demonstrou a relevância em encontrar novos usos ao PET, destacando a importância em desenvolver tecnologias necessárias a novos processos para estes resíduos e aproveitar esses processos para reduzir impactos ambientais em obras de engenharia. Como sugestão para trabalhos futuros, sugere-se ampliar o estudo da inclusão de fibras no solo para ensaios de resistência à compressão simples e ensaios triaxiais, a fim de verificar a influência da inclusão de fibras nos parâmetros de resistência do solo – coesão e ângulo de atrito interno, possibilitando a utilização sustentável do PET. REFERÊNCIAS: ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6502 - Análise granulométrica de solos. Rio de Janeiro, 1995. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 645 9 - Determinação do limite de liquidez. Rio de Janeiro, 2016. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7182: Solo - Ensaio de compactação. Rio de Janeiro, 2016. AKBULUT, S.; ARASAN, S.; KALKAN, E. Modification of clayey soils using scrap tire rubber and synthetic fibers. Applied Clay Science , v. 38, n. 1-2, p. 23-32, 2007. BOTERO E. , OSSA A., SHERWELL G. , OVANDO-SHELLEY E. Stresse strain behavior of a silty soil reinforced with polyethylene terephthalate (PET). Geotextiles and Geomembranes. Volume 43, n. 4, p. 363- 369, 2015. CAPUTO, Homero Pinto. Mecânica dos solos e suas aplicações. 6. ed.v.1, LTC, 1988. CONSOLI C,; MONTARDO P,; PRIETTO M,; PASA S. Engineering behavior of a sand reinforced with plastic waste. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering , v. 128, n. 6, p. 462-472,
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