Alena Vitková Calheiros Análise do Comportamento de Solos ... Análise do Comportamento de Solos...

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

DBD

PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1121849/CA


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

DBD


Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou

parcial do trabalho sem autorização da universidade, do autor e

da orientadora.


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.

DBD


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.

DBD


Agradecimentos

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.

DBD


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.

DBD


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



4.1.3. Bentonita 61

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4.2. Ensaios de Caracterização Mecânica 62



4.2.3. Bentonita 88

5 Considerações Finais 98

5.1. Conclusões 98

5.2. Sugestões para pesquisas futuras 100

6 Referências Bibliográficas 101

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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 4.2 - Curva granulométrica do solo arenoso. ............................................. 60

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


deformação axial para a mistura S99,75/EPS0,25 em ensaios triaxiais. ............... 65






deformação axial para a mistura S99/EPS1 em ensaios triaxiais. ......................... 68


deformação axial das amostras S100 e S99,75/EPS0,25 em ensaios triaxiais.......69






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


S99,50/EPS0,50. .................................................................................................... 77


S99,25/EPS0,75. .................................................................................................... 77


S99/EPS1. .............................................................................................................. 78

Figura 4.19 - Envoltória e parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo puro

e das misturas.........................................................................................................78

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


deformação axial para a mistura A99,50/EPS0,50 em ensaios triaxiais. ............. 81


deformação axial para a mistura A99,25/EPS0,75 em ensaios triaxiais. ............. 82


deformação axial das amostras A100 e A99,50/EPS0,50 em ensaios triaxiais. .... 83


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 4.28 - 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


deformação axial para a mistura B99,50/EPS0,50 em ensaio de cisalhamento

direto.............................................................................................................. ........ 90


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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Lista de Tabelas

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

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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

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Lista de Simbolos

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

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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

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1 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.

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18

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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19

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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2 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

http://www.futureng.pt/xps

DBD


21

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).

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22

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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23

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


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.


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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24

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.


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.

DBD


25

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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26

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

DBD


27

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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28

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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29

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).

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30

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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31

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.


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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32

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.


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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3 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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34

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.

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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.

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36

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.

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37

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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38

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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40

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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41

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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43

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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44

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.

DBD


45

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. Fixou-

DBD


46

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 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

DBD


47

molde, o que ocorre devido à utilização de um anel complementar, que garante a altura

total necessária. Este excesso é removido no final do ensaio, acertando-se o volume de

solo em relação à altura do molde.

Concluído o processo de compactação, o cilindro é pesado juntamente com o solo.

Com o peso total do corpo de prova e o volume do cilindro, é possível calcular seu peso

específico úmido. Através da retirada de três amostras do interior do corpo de prova (em

sua parte média), determina-se sua umidade média após secagem em estufa. Calcula-se,

então, o peso específico seco do material.

Terminado todo o procedimento, um novo corpo de prova é preparado com uma

quantidade maior de água, aumentando-se a umidade da mistura em aproximadamente

2%. Assim, realiza-se uma nova compactação e obtém-se dessa forma um novo par de

valores de umidade (w) e peso específico seco (d).

Com todos os pontos obtidos, plota-se um gráfico de peso específico seco versus

umidade, tendo-se então a curva de compactação. Os valores de wótm e dmáx obtidos

correspondem ao ponto máximo das curvas e foram utilizados para moldagem dos

corpos de prova utilizados nos ensaios triaxiais CID. O procedimento completo foi

repetido cinco vezes para cada mistura, a fim de se obter cinco pares de valores, sendo

ao menos dois no ramo seco e dois no ramo úmido da curva de compactação.

Ensaios Triaxiais CID

Os ensaios triaxiais realizados neste trabalho são do tipo Consolidado

Isotropicamente Drenado (CID). Os ensaios foram executados no Laboratório de

Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio. Descreve-se a seguir os equipamentos

utilizados nestes ensaios, bem como as metodologias empregadas na preparação dos

corpos de prova, processo de saturação e cisalhamento.

Equipamento utilizado

A prensa utilizada é da marca Wykeham-Ferrance, de velocidade de deslocamento

controlada, com capacidade de 10 toneladas (Figura 3.9). O ajuste das velocidades de

deslocamento do pistão é determinado mediante a seleção adequada de pares de

engrenagens e a respectiva marcha (Ramírez, 2012).

DBD


48

A câmara triaxial empregada é própria para corpos de prova com diâmetro de

1,5”. Essa câmara é feita de um material acrílico que suporta uma pressão confinante

máxima de 1000 kPa (Ramírez, 2012).

A célula de carga utilizada é do fabricante ELE International Ltd., com

capacidade máxima de 5000 kN e exatidão de 0,1 kN. Para a obtenção dos

deslocamentos foram utilizados LVDT´s da marca Wykwham Farrance, com cursos de

25 mm e resolução de precisão de 0,01 mm. O transdutor usado na medida das pressões

na câmara, no medidor de variação de volume e das poropressões são da marca

Schaevitz, com variações de ± 2,0 kPa e capacidade máxima de 1700 kPa (Ramírez,

2012).

As variações de volume são obtidas através de medidores de variação volumétrica

(MVV), fabricados na PUC-Rio, segundo o modelo do Imperial College (Figura 3.10).

A gravação dos dados, obtidos por intermédio dos transdutores, foi feita

utilizando o sistema de aquisição de dados composto pelo hardware QuantumX de oito

canais da empresa alemã HBM e pelo software CatmanEasy (Ramirez, 2012) (Figura

3.11).

Com esses equipamentos mencionados foi possível realizar e monitorar, em

tempo real, todas as etapas do ensaio.

DBD


49

Figura 3.9 - Prensa triaxial da marca Wykeham-Ferrance

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

(a) (b)

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

2012).

DBD


50

Preparação dos corpos de prova do solo argiloso

Para a confecção dos corpos de prova do solo argiloso puro e das misturas solo-

EPS, inicialmente compactou-se um corpo cilíndrico na energia Proctor Normal,

utilizando a umidade ótima e peso específico seco máximo obtido para o solo e para

cada mistura (Figura 3.12).

Figura 3.12 - Corpo cilíndrico compactado.

Obtido o material compactado, o corpo de prova foi moldado utilizando um

aparelho de fabricação própria do laboratório (Figura 3.13). De cada corpo compactado,

retiram-se três pequenos corpos-de-prova, sendo assim obtém-se as mesmas condições

para cada ensaio. As dimensões dos corpos de prova foram 7,82 cm de altura e 3,80 cm

de diâmetro.

Figura 3.13 - Corpo de prova após moldagem.

DBD


51

Conforme mencionado no item 3.1.4, o diâmetro das partículas ensaiadas

apresentaram diâmetro em média de 1 mm. Ensaios foram realizados com pérolas de

diâmetro de 3 mm porém não deu certo, devido a desintegração do corpo de prova

(Figura 3.14).

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

Preparação dos corpos de prova do solo arenoso

A confecção dos corpos de prova do solo arenoso puro e das misturas solo-EPS

foi feita por compactação diretamente num molde cilíndrico tripartido. Esta

compactação foi realizada manualmente em oito camadas. Para a areia pura e misturas,

a umidade e peso específico seco adotados foram de 10% e 1,63 g/cm3,

respectivamente. Estes valores correspondem a uma densidade relativa de 50% e índice

de vazios de 0,63. A Figura 3.15 ilustra as etapas da montagem dos corpos de prova.

DBD


52

Figura 3.15 - Montagem do corpo de prova arenoso.

Procedimento de saturação dos corpos de prova

As técnicas de saturação utilizadas para os corpos de prova de argila, de areia e

para suas respectivas misturas foram de saturação por percolação de água através da

amostra e por contrapressão. No caso da percolação, a diferença da contrapressão entre

o topo e a base do corpo de prova foi de 5 kPa, sendo que a água fluía da base para o

topo do corpo de prova. Na saturação por contrapressão, a pressão confinante aplicada

ao corpo de prova excedia a contrapressão em 10 kPa, onde o fluxo de água era

permitido pelo topo e base.

1 - A membrana é

colocada na base onde

os o-rings são

inseridos para segura-

la.

2 - O molde tripartido é

colocado sendo as três

partes unidas por uma

abraçadeira metálica.

3 - As juntas são

vedadas por uma fita

cinza. É vedado também

dois dos três furos de

acesso ao interior do

molde. Os o-rings são

colocados na parte

superior do molde

tripartido e a membrana é

ajustada por cima.

4 - Uma mangueira é

instalada para conectar

o tripartido a bomba a

fim de exercer sucção à

membrana e colar esta

contra as paredes do

tripartido.

5 - Um papel filtro é

colocado sobre a pedra

porosa da base e o

material vai sendo

adicionado aos poucos,

compactando ao todo

oito camadas.

6 - Coloca-se o papel

filtro, a pedra porosa e o

cap na parte superior

do corpo de prova. Em

seguida, ajusta-se a

membrana ao redor do

cap e esta é fixada

através dos o-rings.

7 - Todos os elementos

que são utilizados para

moldar o corpo de prova

é desmontado e a

membrana é acomodada

cobrindo os o-rings da

parte inferior.

8 - A câmara triaxial é

colocada e ocorre o

enchimento da câmara

com água destilada .

Montagem do corpo de prova arenoso

DBD


53

Para verificar se o grau de saturação era satisfatório, calculava-se o parâmetro B

de Skempton, sendo:

Equação 1

onde:

Δu: excesso de poropressão gerado,

Δσc: acréscimo de tensão confinante aplicado.

Para as amostras constituídas de argila foram considerados aceitáveis valores de B

maiores ou iguais a 0,95 enquanto que para os corpos de prova confeccionados com

areia os valores de parâmetro B aceitáveis foram maiores ou iguais a 0,87. Além de

medir o parâmetro B, era monitorada a quantidade de água que percolava através da

amostra, considerando-se saturada quando se atingia um volume percolado de duas

vezes o volume de vazios do corpo de prova.

Adensamento e Cálculo do t100

Atingida a saturação do corpo de prova, iniciava-se a fase de adensamento

isotrópico. O adensamento durava, em média, 24 horas. Nesse tempo, os dados da

variação de volume eram coletados.

Com estes dados se traçava o gráfico variação volumétrica (ml) x raiz do tempo

(min0,5

). Segundo a recomendação de Head (1986), prolongava-se o trecho retilíneo

inicial até encontrar a prolongação horizontal do trecho final. Este último trecho

corresponde à estabilização das variações de volume. O ponto de interseção destas duas

linhas prolongadas fornecia a raiz de t100 (min0,5

) no eixo das abscissas. Logo com o

valor de t100 (min) se calculava a velocidade de cisalhamento.

DBD


54

Cálculo da velocidade de cisalhamento e etapa decisalhamento no ensaio triaxial

Como os ensaios triaxiais foram drenados, a expressão utilizada proposta por

Head (1986) foi a seguinte:

Equação 2

onde:

ν: velocidade máxima de cisalhamento em mm/min,

L: altura do corpo de prova em mm,

εf: deformação axial estimada na ruptura em %,

tf: tempo mínimo de ruptura em minutos.

O valor de tf para este tipo de ensaio triaxial (CID – sem drenagem radial) é de 8,5

vezes o valor de t100. Contudo, Head (1986) propõe um valor mínimo para tf de 120 min.

O objetivo de definir uma velocidade suficientemente lenta para a aplicação da

compressão axial é permitir a total drenagem da água do corpo de prova sem gerar

excesso de poropressão.

Todos os valores obtidos de tf para os corpos de prova de solo argiloso, de areia e

das misturas, foram menores que 120 minutos. Portanto, adotou-se tf = 120 minutos.

Assim, definiu-se que a ruptura ocorreria para uma deformação axial de 5% e dessa

maneira a velocidade máxima (ν) calculada foi a mesma para todos os ensaios (0,033

mm/min), sendo a velocidade adotada igual a 0,030 mm/min.

Com a velocidade de cisalhamento definida, o passo seguinte era a colocar um par

de engrenagens na prensa, que define a velocidade desejada. Para os cálculos foi

adotado 18% de deformação axial como deformação máxima no caso do solo argiloso e

17% no caso do solo arenoso.

Para os ensaios triaxiais, as variantes de tensão q (tensão de desvio) e p’ (tensão

efetiva média normal) foram calculados com as formulações de Lambe. Para os

parâmetros de resistência do solo utilizou-se os valores da envoltória de resistência (α’)

e da coesão (a’) obtida no espaço p’:q para calcular os parâmetros de resistência no

DBD


55

espaço Mohr Coulomb (φ’ – c’). As formulações de Lambe e os parâmetros que são

apresentados nos gráficos dos resultados definem-se como:

Equação 3

Equação 4

Equação 5

Equação 6

Onde: α’: inclinação da envoltória de resistência no espaço p’:q.

a’: intercepto com o eixo q da envoltória de resistência no espaço p’:q.

φ’: inclinação da envoltória de resistência do espaço σ:τ (Mohr Coulomb).

c’: intercepto da envoltória de resistência do espaço σ:τ (Mohr Coulomb).

Ensaios de Cisalhamento Direto

Os ensaios de cisalhamento direto foram realizados com a bentonita e com as

misturas solo-EPS, com objetivo de determinar a resistência ao cisalhamento do solo.

Essa resistência é obtida através da obtenção dos parâmetros coesão (c) e ângulo de

atrito (ϕ).

Estes ensaios foram realizados segundo os métodos descritos pela norma ASTM

D 3080/2004. A seguir será descrito o método de preparação utilizado para a bentonita.

Para confecção dos corpos de prova da bentonita e misturas desta com os diversos

teores de pérolas de EPS, a compactação do material foi realizada diretamente na caixa

de cisalhamento e de forma manual.

As amostras de bentonita foram preparadas com 170% de umidade, que

corresponde a um índice de vazios de 4,93. Para garantir que o material ficasse com

todas as propriedades adequadas, calculou-se a quantidade certa de material seco que

deveria ser adicionado à caixa de cisalhamento, realizando-se em seguida a mistura com

DBD


56

a quantidade de água e posteriormente com as porcentagens de EPS definidas. Com o

auxílio de um gabarito, foi possível ajustar a altura adequada do material no

equipamento. A Figura 3.16 apresenta um corpo de prova solo-EPS moldado a partir do

procedimento explicado anteriormente.

Figura 3.16 - Corpo de prova Bentonita-EPS.

Para realização do ensaio, o corpo de prova foi colocado na caixa de cisalhamento

metálica. A caixa é dividida horizontalmente em duas metades e a força normal é

aplicada a partir do topo da caixa de cisalhamento no corpo de prova. A força de

cisalhamento é aplicada movendo-se uma metade da caixa em relação à outra para

provocar a ruptura. As caixas superior e inferior são distanciadas de 5,0 mm antes de se

dar inicio à fase de cisalhamento do ensaio, para que possa haver o deslocamento

relativo entre elas. Acima e abaixo do corpo de prova são colocadas placas ranhuradas,

que fornecem atrito ao solo impedindo que este deslize quando aplicada a força

horizontal, papéis filtro, para impedir o carreamento de partículas, e pedras porosas,

para que a drenagem possa ocorrer livremente, estando o corpo de prova completo ou

parcialmente saturado. O ensaio de cisalhamento direto realizado ocorreu com o

controle da deformação, onde uma taxa constante de deslocamento cisalhante é aplicada

na metade superior da caixa por um motor que atua por meio de engrenagens a uma

velocidade determinada por um fator que vai de acordo com a carga aplicada

verticalmente. Essa velocidade é calculada através dos dados da fase inicial do ensaio,

chamada fase de adensamento, onde o corpo de prova é submetido somente à tensão

vertical, e mede-se a variação de altura com o tempo, até que esta se estabilize. Através

de um gráfico de deslocamento vertical versus raiz do tempo (t), obtém-se o valor de

DBD


57

t100, correspondente a 100% do adensamento, e calcula-se a velocidade a ser adotada na

fase de cisalhamento. O tempo de adensamento foi estipulado em 24 horas.

Na fase de cisalhamento, a ruptura sofrida pelo corpo de prova ocorre ao longo do

plano de divisão da caixa. O deslocamento horizontal da metade superior da caixa é

medido por um LVDT (Linear Variable Differential Transformer ) horizontal, que

funciona como um sensor para medição de deslocamento linear. As variações da altura

do corpo de prova, ou seja, as variações do volume do mesmo ao longo do ensaio são

obtidas através das leituras no LVDT vertical. O anel de carga mede a força horizontal

variável à qual o corpo de prova está sendo submetido.

Os ensaios foram repetidos em corpos de prova similares, para cada solo e

mistura. Adotou-se os valores de 50, 100 e 300 kPa para as tensões normais aplicadas.

Através do gráfico da Tensão Cisalhante Máxima, que indica o momento da ruptura,

versus Tensão Normal, pré-definida, determinam-se as envoltórias de ruptura e os

parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo. A Figura 3.17 ilustra o equipamento

de cisalhamento direto utilizado na presente pesquisa.

Figura 3.17 - Prensa de cisalhamento direto.

DBD


4 Resultados e Análises

Neste capítulo são apresentados os resultados e as análises dos ensaios descritos

no capítulo 3 para as amostras dos três tipos de solo e misturas solo-EPS. Inicialmente

serão expostos e analisados os resultados realizados em argila e logo após, os ensaios

executados em areia e na bentonita, todos para a avaliação do comportamento mecânico

dos materiais citados reforçados e não reforçados com EPS. Esses ensaios têm o

objetivo de melhorar a compreensão do comportamento do material em estudo.

4.1. Ensaios de Caracterização Física

4.1.1.

Solo Argiloso

A caracterização física do solo argiloso utilizado no presente estudo foi obtida por

Ramírez (2012), que utilizou este em sua pesquisa.

Peso Específico (Gs)

O valor do Gs para o solo argiloso foi obtido através da média aritmética de

quatro determinações, sendo que a variação máxima foi de 1,1 %. O valor do Gs foi

2,72.


Na Figura 4.1 é apresentada a curva granulométrica obtida para o solo puro.

Segundo Ramírez (2012), o ensaio de análise granulométrica do solo argiloso forneceu

um comportamento comparável com o obtido em pesquisas precedentes. Assim, para

amostras situadas em profundidades parecidas as porcentagens de material passantes na

peneira #200 e retidas nesta, são similares.

DBD


59

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


A partir dos resultados obtidos no laboratório, tem-se que o Limite de Liquidez do

solo argiloso é igual a 53% e o Limite de Plasticidade igual a 39%, resultando em um

Índice de Plasticidade (IP = LL – LP), igual a 14%. De acordo com o Sistema Unificado

de Classificação dos Solos (SUCS), o solo em estudo é classificado como CH,

correspondendo a uma argila arenosa de média plasticidade.

4.1.2.

Solo Arenoso

Índices Físicos

Este material caracteriza-se por ser uma areia média, limpa e mal-graduada.

Durante a caracterização do material não se observou a presença de matéria orgânica.

Os índices físicos do material são apresentados na Tabela 4.1.

DBD


60

Tabela 4.1 - Índices físicos do solo arenoso.

Índices Físicos Solo Arenoso

Densidade real dos grãos (Gs) 2,65

Coeficiente de uniformidade (Cu) 1,9

Coeficiente de curvatura (Cc) 1,0

Diâmetro efetivo (D10) 0,33 mm

Diâmetro médio (D50) 0,58 mm

Índice de vazios (emínimo) 0,51

Índice de vazios (emáximo) 0,74


Na Figura 4.2 é apresentada a curva granulométrica obtida para a areia. De acordo

com o Sistema Unificado de Classificação dos Solos (SUCS), as areias com menos de

5% de finos, apresentando Cu < 6 e 1 < Cc < 3, como o material em questão, são

classificadas como SP. Dessa maneira, se trata então de uma areia mal-graduada.

Figura 4.2 - Curva granulométrica do solo arenoso.

DBD


61

4.1.3.

Bentonita

Peso Específico (Gs)

O valor do Gs para a bentonita foi obtido através da média aritmética de quatro

determinações, sendo que a variação máxima foi de 1,1 %. O valor do Gs encontrado foi

2,90.


A curva granulométrica da bentonita, obtida através de ensaios de sedimentação,

está apresentada na Figura 4.3.

Figura 4.3 - Distribuição granulométrica da bentonita.


A partir dos resultados obtidos no laboratório, tem-se que o Limite de Liquidez da

bentonita é igual a 368,4% e o Limite de Plasticidade igual a 53,7%, resultando em um

Índice de Plasticidade igual a 314,7%.

DBD


62

4.2. Ensaios de Caracterização Mecânica

4.2.1. Solo Argiloso

Ensaios de Compactação Proctor Normal

Na Figura 4.4 é apresentada as curvas de compactação Proctor Normal obtidas

para o solo argiloso e misturas. A partir do gráfico, observa-se que a inserção das

pérolas de EPS diminui a massa específica seca máxima do material, e que este valor

decresce à medida que o teor de EPS aumenta. A umidade ótima possui o mesmo

comportamento.

Figura 4.4 - Curvas de compactação Proctor Normal do solo argiloso e misturas.

Na Tabela 4.2 é apresentado um resumo dos valores de umidade ótima e massa

específica seca máxima para o solo argiloso e misturas, determinados através da análise

do gráfico.

1,00

1,10

1,20

1,30

1,40

1,50

1,60

1,70

10 15 20 25 30 35

Mas

sa E

spec

ífic

a se

ca (

g/c

m3

)

Umidade (%)

S100 S99,75/EPS0,25 S99,50/EPS0,50 S99,25/EPS0,75 S99/EPS1

DBD


63

Tabela 4.2 - Resultados dos ensaios de compactação Proctor Normal para o solo

argiloso e misturas.

Material/Mistura Umidade ótima (%)

Massa Específica

Seca Máxima

(g/cm3)

S100 26,2 1,58

S99,75/EPS0,25 26,0 1,49

S99,50/EPS0,50 26,0 1,47

S99,25/EPS0,75 24,5 1,44

S99/EPS1 24,5 1,40

O mesmo solo argiloso já foi estudado em outras pesquisas, por exemplo,

Beneveli (2002), na qual seu comportamento submetido ao ensaio de Compactação

Proctor Normal apresentou resultado similar ao apresentado neste trabalho.


Os resultados dos ensaios triaxiais CID, em compressão axial, realizados em

amostras de solo argiloso e misturas solo-EPS serão apresentados nesse item. As

misturas possuíram teores de pérolas de EPS de 0,25% 0,50%, 0,75% e 1%, em relação

ao peso do solo seco, e as tensões efetivas que foram aplicadas em todos os casos são

50, 150 e 300 kPa.

As trajetórias, envoltórias de resistência e os parâmetros de resistência ao

cisalhamento, assim como uma análise da influência do teor de pérolas de EPS no

comportamento das amostras durante o cisalhamento, serão apresentadas nesse item.

DBD


64

Comportamento Tensão Desviadora e Variação Volumétrica versus Deformação Axial

Na Figura 4.5 estão apresentadas as curvas tensão desviadora (σv) e variação

volumétrica (εv) versus deformação axial (εa), correspondentes aos ensaios do tipo CID,

para a matriz de solo argiloso, nas tensões confinantes efetivas de 50, 150 e 300 kPa.


deformação axial para o solo argiloso em ensaios triaxiais.

0

100

200

300

400

500

600

700

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

σv (

kP

a)

εa (%)

50 kPa 150 kPa 300 kPa

S100

-4

-3

-2

-1

0

1

2

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

εv (

%)

εa (%)


S100

DBD


65



para a mistura S99,75/EPS0,25 nas tensões confinantes efetivas de 50, 150 e 300 kPa.

Figura 4.6 - Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação

axial para a mistura S99,75/EPS0,25 em ensaios triaxiais.

0

100

200

300

400

500

600

700

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

σv (

kP

a)

εa (%)


S99,75/EPS0,25

-4

-3

-2

-1

0

1

2

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

εv (

%)

εa (%)


S99,75/EPS0,25

DBD


66






0

100

200

300

400

500

600

700

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

σv (

kP

a)

εa (%)

50kPa 150 kPa 300 kPa

S99,50/EPS0,50

-4

-3

-2

-1

0

1

2

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

εv (

%)

εa (%)


S99,50/EPS0,50

DBD


67






0

100

200

300

400

500

600

700

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

σv (

kP

a)

εa (%)


S99,25/EPS0,75

-4

-3

-2

-1

0

1

2

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

εv (

%)

εa (%)


S99,25/EPS0,75

DBD


68



para a mistura S99/EPS1 nas tensões confinantes efetivas de 50, 150 e 300 kPa.


axial para a mistura S99/EPS1 em ensaios triaxiais.

0

100

200

300

400

500

600

700

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

σv (

kP

a)

εa (%)


S99/EPS1

-4

-3

-2

-1

0

1

2

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

εv (

%)

εa (%)


S99/EPS1

DBD


69

Influência do Teor de Pérolas de EPS

Neste item são apresentadas as curvas de tensão desviadora e variação

volumétrica versus deformação axial do solo puro e das misturas, correspondentes aos

ensaios do tipo CID em compressão axial, nas tensões confinantes efetivas de 50, 150 e

300 kPa, sendo que agora é feita uma comparação em relação ao teor de pérolas de EPS.

Dessa maneira, serão apresentadas as curvas do solo puro com cada tipo de mistura.

Na Figura 4.10 estão apresentadas as curvas da tensão desviadora e variação

volumétrica versus deformação axial para as amostras de solo argiloso (S100) e mistura

S99,75/EPS0,25.


axial das amostras S100 e S99,75/EPS0,25 em ensaios triaxiais.

0

100

200

300

400

500

600

700

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

σv (

kP

a)

εa (%) S100 50 kPa S100 150 kPa S100 300 kPa

S99,75/EPS0,25 50 kPa S99,75/EPS0,25 150 kPa S99,75/EPS0,25 300 kPa

-4

-3

-2

-1

0

1

2

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

εv (

%)

εa (%)

S100 50 kPa S100 150 kPa S100 300 kPa


DBD


70

Nota-se que para a tensão confinante de 50 kPa, o corpo de prova de solo puro

(S100) apresenta o comportamento semelhante ao da mistura S99,75/EPS0,25, porém o

solo puro possui maior resistência ao cisalhamento para deformações axiais similares.

O mesmo comportamento é observado para as tensões confinantes efetivas de 150

e 300 kPa, porém observa-se que à medida que a tensão confinante aumenta, a diferença

entre os valores das resistências do solo puro e da mistura fica maior. Assim, para a

mistura de S99,75/EPS0,25, conclui-se que tensões confinantes efetivas mais baixas

apresentam os valores de resistência mais próximo ao solo puro.

Com relação à variação de volume do corpo de prova de solo puro, na tensão de

50 kPa, nota-se uma compressão inicial seguida de uma expansão em 8 mm de

deformação axial, enquanto que no caso da mistura S99,75/EPS0,25, a expansão foi

retardada em relação ao solo puro. Para tensões maiores, observa-se que após a

compressão os corpos de prova tendem a uma estabilização. Na tensão de 150 kPa, os

corpos de prova S100 e S99,75/EPS0,25 apresentaram maior compressão, onde a

estabilização do corpo de prova puro ficou similar ao do mesmo corpo de prova na

tensão de 300 kPa.

DBD


71



S99,50/EPS0,50.



0

100

200

300

400

500

600

700

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

σv (

kP

a)

εa (%) S100 50 kPa S100 150 kPa S100 300 kPa


-3

-2

-1

0

1

2

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

εv (

%)

εa (%)

S100 50 kPa S100 150 kPa S100 300 kPa


DBD


72

Para a tensão confinante de 50 kPa, o corpo de prova de solo puro apresenta

valores de resistência ao cisalhamento ligeiramente maior do que a mistura

S99,50/EPS0,50 até a deformação axial de 6%. Após essa deformação, os valores da

tensão cisalhante para o dois materiais ficam iguais, onde na deformação axial de

aproximadamente 10%, a mistura S99,50/EPS0,50 apresenta o comportamento melhor

em relação à resistência.

Na tensão confinante de 150 kPa, para os mesmos valores de deformação axial, o

solo puro apresentou maior resistência ao cisalhamento. O mesmo comportamento é

observado para a tensão confinante de 300 kPa. Da mesma maneira que ocorreu na

mistura S99,75/EPS0,25 para as tensões de 150 e 300 kPa, quanto maior a tensão

confinante, maior é a diferença entre a resistência cisalhamento para a mesma

deformação axial dos materias, com valores maiores para o solo sem a adição das

pérolas de EPS. Além disso, para a mistura de S99,50/EPS0,50 na tensão confinante de

300 kPa, a resistência de pico da mistura ocorreu para uma deformação axial maior.

Para a mistura S99,50/EPS0,50, em relação à variação volumétrica, foi observado

o mesmo comportamento do que na mistura S99,75/EPS0,25 uma vez que para a tensão

de 50 kPa se observa uma compressão inicial seguida de uma expansão. Essa expansão

foi retardada em relação ao solo puro, porém ocorreu anterior a mistura

S99,75/EPS0,25. Nas tensões de 150 kPa, os dois materiais apresentaram

comportamento bem similar, porém no caso da tensão de 300 kPa a mistura apresentou

uma menor compressão em relação ao solo puro.



S99,25/EPS0,75.

DBD


73



Para a mistura S99,25/EPS0,75, na tensão confinante de 50 kPa, o solo puro

apresenta melhor comportamento até a deformação axial de 11%. A partir dessa

deformação, os dois materiais apresentam o mesmo valor de tensão para uma mesma

deformação. Após a deformação de 14,5% a mistura apresenta valores mais elevados do

que o solo argiloso puro para a mesma deformação.

Na tensão confinante de 150 e 300 kPa, o solo puro apresenta melhor

comportamento em relação a mistura S99,25/EPS0,75 para as mesmas deformações

0

100

200

300

400

500

600

700

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

σv (

kP

a)

εa (%)

S100 50 kPa S100 150 kPa S100 300 kPa


-4

-3

-2

-1

0

1

2

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

εv (

%)

εa (%)

S100 50 kPa S100 150 kPa S100 300 kPa


DBD


74

axiais, porém a resistência de pico da mistura ocorre para uma deformação axial maior.

Esse mesmo comportamento foi observado para a tensão confinante de 150 kPa.

Com relação à variação de volume dos corpos de prova, a mistura

S99,25/EPS0,75 apresenta comportamento similar ao das outras misturas citadas

anteriormente, porém nesse caso a mistura S99,25/EPS0,75 na tensão de 300 kPa

apresenta maior compressão, diferente do que ocorreu nos casos anteriores.



S99/EPS1.


axial das amostras S100 e S99/EPS1 em ensaios triaxiais.

0

100

200

300

400

500

600

700

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

σv (

kP

a)

εa (%) S100 50 kPa S100 150 kPa S100 300 kPa

S99/EPS1 50 kPa S99/EPS1 150 kPa S99/EPS1 300 kPa

-3

-2

-1

0

1

2

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

εv (

%)

εa (%)

S100 50 kPa S100 150 kPa S100 300 kPa

S99/EPS1 50 kPa S99/EPS1 150 kPa S99/EPS1 300 kPa

DBD


75

Na tensão confinante de 50kPa, o solo puro apresentou melhor comportamento em

relação à resistência do que mistura S99/EPS1. Nas tensões confinantes de 150 e 300

kPa, observa-se que a resistência de pico para ambas as tensões na mistura S99/EPS1

ocorreu para deformações maiores do que para o solo puro e a resistência residual ficou

similar para os dois materiais.

No gráfico da deformação volumétrica versus deformação axial, observa-se que

com a adição de 1% de EPS na tensão de 50 kPa, a expansão é retardada em relação do

solo puro. Em tensões maiores, o corpo de prova comprime mais, sendo que o corpo de

prova puro apresentou maior compressão em relação a mistura para essas tensões.

A partir dos gráficos anteriores pode-se observar que a adição das pérolas de EPS

no solo argiloso coluvionar apresenta melhores resultados para baixas tensões de

confinamento. Para altas tensões de confinamento, apesar do resultado ter sido melhor

para o solo puro, existe um certo paralelismo nas curvas com EPS, as quais não

apresentam um pico e sim um aumento progressivo de resistência. Dessa maneira, para

grandes deformações, as quais não foi possível alcançar nos ensaios triaxiais realizados,

pode ser que a resistência da mistura solo-EPS ultrapasse a do solo puro.

Envoltórias e Parâmetros de Resistência ao Cisalhamento

Nas Figuras 4.14, 4.15, 4.16, 4.17 e 4.18 estão ilustradas, respectivamente, as

envoltórias e parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo argiloso e das misturas

S99,75/EPS0,25, S99,50/EPS0,50, S99,25/EPS0,75 e S99/EPS1. Na Figura 4.19 é

apresentado um comparativo das envoltórias do solo puro e das quatro misturas. As

envoltórias estão plotadas no espaço p’:q.

DBD


76

Figura 4.14 - Envoltória e parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo argiloso

S100.


S99,75/EPS0,25.

0

100

200

300

400

0 100 200 300 400 500 600 700

q (

kP

a)

p (kPa) 50 kPa 150 kPa 300 kPa

S100

c = 25,0 kPa

ϕ = 29,1⁰

0

100

200

300

400

0 100 200 300 400 500 600 700

q (

kP

a)


S99,75/EPS0,25

c = 30,0 kPa

ϕ = 25,5⁰

DBD


77


S99,50/EPS0,50.


S99,25/EPS0,75.

0

100

200

300

400

0 100 200 300 400 500 600 700

q (

kP

a)

p (kPa)


S99,50/EPS0,50

c = 40,0 kPa

ϕ = 25,0⁰

0

100

200

300

400

0 100 200 300 400 500 600 700

q (

kP

a)

p (kPa)


S99,25/EPS0,75

c = 35,0 kPa

ϕ = 26,6⁰

DBD


78


S99/EPS1.

Figura 4.19 - Envoltória e parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo puro e das

misturas.

0

100

200

300

400

0 100 200 300 400 500 600 700

q (

kP

a)

p (kPa)


S99/EPS1

c = 20,0 kPa

ϕ = 29,9⁰

DBD


79

A Tabela 4.3 apresenta os parâmetros de resistência do solo argiloso e de cada

mistura solo-EPS no ponto correspondente a deformação axial de 18%.

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

solo-EPS.

Material/Mistura Coesão (kPa) Ângulo de atrito (°)

S100 25 29,1

S99,75/EPS0,25 30 25,5

S99,50/EPS0,50 40 25,0

S99,25/EPS0,75 35 26,6

S99/EPS1 20 29,9

A partir dos resultados obtidos, observa-se que a inserção das pérolas de EPS ao

solo argiloso gera um aumento na coesão até uma porcentagem de 0,50% de EPS

enquanto que o valor do ângulo de atrito diminui até essa porcentagem. Em teores

maiores de pérolas de EPS, como nas misturas com 0,75% e 1%, nota-se que o valor da

coesão decresce, uma vez que o valor do ângulo de atrito aumenta.

Assim, pode-se concluir a partir da tabela 4.3 que a adição das pérolas de EPS ao

solo argiloso acarretou em melhora no comportamento do solo nas 4 misturas

realizadas, uma vez que um dos parâmetros de resistência sempre aumenta com a adição

do EPS

4.2.2. Solo Arenoso


Neste item são apresentados os resultados dos ensaios triaxiais CID, em

compressão axial, executados em amostras do solo arenoso (A100) e misturas com

teores de pérolas de EPS de 0,50 e 0,75%, em relação ao peso do solo seco. As tensões

efetivas aplicadas foram de 50, 150 e 300 kPa, em todos os casos. As trajetórias,

envoltórias, parâmetros de resistência ao cisalhamento e uma análise da influência do

DBD


80

teor de pérolas de EPS no comportamento das amostras durante o cisalhamento são

apresentados neste item.

Comportamento Tensão Desviadora e Variação Volumétrica versus Deformação Axial


volumétrica versus deformação axial, correspondentes aos ensaios do tipo CID, para a

matriz de solo arenoso, em compressão axial nas tensões confinantes efetivas de 50, 150

e 300 kPa.


axial para o solo arenoso em ensaios triaxiais.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

σv (

kP

a)

εa (%)


A100

-1

0

1

2

3

4

5

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

εv (

%)

εa (%)


A100

DBD


81



mistura A99,50/EPS050, em compressão axial nas tensões confinantes efetivas de 50,

150 e 300 kPa.


axial para a mistura A99,50/EPS0,50 em ensaios triaxiais.



0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

σv (

kP

a)

εa (%)


A99,50/EPS0,50

-1

0

1

1

2

2

3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

εv (

%)

εa (%)


A99,50/EPS0,50

DBD


82

mistura A99,25/EPS0,75 em compressão axial nas tensões confinantes efetivas de 50,

150 e 300 kPa.

Figura 4,22 - Curvas da tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação

axial para a mistura A99,25/EPS0,75 em ensaios triaxiais.

Influência do Teor de Pérolas de EPS


volumétrica versus deformação axial, correspondentes aos ensaios do tipo CID em

compressão axial, para as amostras de solo arenoso A100 e mistura A99,50/EPS0,50,

nas tensões confinantes efetivas de 50, 150 e 300 kPa.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

σv (

kP

a)

εa (%)


A99,25/EPS0,75

-1

0

1

2

3

4

5

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

εv (

%)

εa (%)


A99,25/EPS0,75

DBD


83


axial das amostras A100 e A99,50/EPS0,50 em ensaios triaxiais.

Na tensão confinante de 50 kPa, o comportamento do solo puro fica similar ao da

mistura A99,50/EPS0,50 enquanto que na tensão confinante de 150 kPa a resistência de

pico dos dois matérias apresenta valores parecidos, porém a resistência residual da

mistura é maior. Já para tensões maiores, como no caso de 300 kPa, a areia pura

apresenta resistência de pico e residual maior do que para mistura A99,50/EPS0,50.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

σv (

kP

a)

εa (%)

A100 50kPa A100 150kPa A100 300kPa

A99,50/EPS0,50 50kPa A99,50/EPS0,50 150kPa A99,50/EPS0,50 300kPa

-1

0

1

2

3

4

5

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

εv(%

)

εa (%)

A100 50kPa A100 150kPa A100 300kPa


DBD


84

A partir do gráfico da deformação volumétrica versus deformação axial, nota-se

uma compressão inicial seguida de uma expansão para todas as amostras de solo. No

caso do solo arenoso, todas as amostras que estão isentas de pérolas de EPS expandiram

mais em relação à mistura A99,50/EPS0,50 para um mesma deformação axial.


volumétrica versus deformação axial, correspondentes aos ensaios do tipo CID em

compressão axial, para as amostras de solo arenoso A100 e mistura A99,25/EPS0,75,

nas tensões confinantes efetivas de 50, 150 e 300 kPa.


axial das amostras A100 e A99,25/EPS0,75 em ensaios triaxiais.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

σv (

kP

a)

εa (%)

A100 50kPa A100 150kPa A100 300kPa


-1

0

1

2

3

4

5

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

εv (

%)

εa (%)

A100 50kPa A100 150kPa A100 300kPa


DBD


85

Para a tensão confinante de 50 kPa, o comportamento do solo puro é similar ao da

mistura A99,25/EPS0,75. Na tensão confinante de 150 kPa, a resistência de pico da

areia pura apresenta valor mais elevado em relação a mistura, porém a resistência

residual da mistura fica com valores similares. E para tensão de 300 kPa, o

comportamento da curva fica parecido com o da mistura A99,50/EPS0,50, uma vez que

a areia pura apresenta resistência de pico e residual maior do que na mistura.

Com relação à variação de volume dos corpos de prova para a mistura

A99,25/EPS0,75, o comportamento é similar ao da mistura A99,50/EPS0,50, uma vez

que o solo puro tende a expandir mais do que as duas misturas.

A partir dos ensaios, observa-se que para a adição de pérolas de EPS em solos

arenosos o comportamento é melhor para tensões intermediárias, aproximadamente 150

kPa. Assim, nota-se que cada material tem um comportamento particular, uma vez que

nos solos arenoso foi diferente do comportamento do solo argiloso, onde que ocorreu

melhoras para baixas tensões.


Nas Figuras 4.25, 4.26 e 4.27 estão ilustradas, respectivamente, as envoltórias e

parâmetros de resistência ao cisalhamento do solos arenoso e das misturas

A99,50/EPS0,50 e A99,25/EPS0,75. Na Figura 4.28 é apresentado um comparativo das

envoltórias do solo puro e das duas misturas. As envoltórias estão plotadas no espaço

p’:q.

Figura 4.25 - Envoltória e parâmetros de resistência ao cisalhamento

do solo arenoso A100.

0

100

200

300

400

500

600

0 100 200 300 400 500 600 700 800

q (

kP

a)

p (kPa)


A100

c = 0 kPa

φ = 37,9⁰

DBD


86


da mistura A99,50/EPS0,50.


da mistura A99,25/EPS0,75.

0

100

200

300

400

500

600

0 100 200 300 400 500 600 700 800

q (

kP

a)


A99,50/EPS0,50

c = 14 kPa

φ =36,7⁰

0

100

200

300

400

500

600

0 100 200 300 400 500 600 700 800

q (

kP

a)

p (kPa)


A99,25/EPS0,75

c = 17 kPa

φ =35,4⁰

DBD


87

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

misturas.

A Tabela 4.4 apresenta os parâmetros de resistência do solo arenoso e de todas as

misturas solo-EPS no ponto correspondente a deformação axial de 17%.

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

EPS.

Material/Mistura Coesão (kPa) Ângulo de atrito (°)

A100 0 37,9

A99,50/EPS0,50 14 36,7

A99,25/EPS0,75 17 35,4

A partir dos resultados obtidos, nota-se que a inserção das pérolas de EPS ao solo

arenoso gera um aumento na coesão (aparente) nas misturas A99,50/EPS0,50 e

A99,25/EPS0,75 enquanto que o valor do ângulo de atrito diminui nessas duas misturas.

DBD


88

Desta maneira, é possível observar que o solo argiloso apresentou o

comportamentos similar ao solo arenoso, uma vez que quando a adição das pérolas de

EPS leva ao aumento da coesão, ocorre uma redução do ângulo de atrito e vice-versa.

No caso do solo argiloso, a adição de 0,50% de pérolas de EPS ocasionou a um

aumento na coesão e 15 kPa e levou a uma redução do ângulo de atito em 4,1° em

relação ao solo puro, enquanto que no solo arenoso a mesma porcentagem levou a um

aumento na coesão de 14 kPa e a uma redução no ângulo de atrito em 1,2°.

Com a adição de 0,75% de pérolas de EPS ao solo arenoso, este solo apresentou o

mesmo comportamento do que com a mistura de 0,50%, apresentando aumento da

coesão e redução do ângulo de atrito enquanto que no solo argiloso o comportamento

foi diferente, ocorrendo redução da coesão e aumento do ângulo de atrito. Esse mesmo

comportamento do solo argiloso para a mistura de 0,75% foi observada para a mistura

com 1% de pérolas de EPS.

4.2.3.

Bentonita

Ensaio de Cisalhamento Direto

Os ensaios de cisalhamento direto foram realizados para o solo puro e em

misturas com 0,50 e 0,75% de pérolas de EPS, aplicando-se tensões verticais iguais a

50, 100 e 300 kPa, com o intuito de se determinar os parâmetros de resistência ao

cisalhamento do solo e misturas.

As trajetórias, envoltórias de resistência e os parâmetros de resistência ao

cisalhamento assim como uma análise da influência da tensão de confinamento e do teor

de pérolas de EPS no comportamento das amostras durante o cisalhamento serão

apresentadas nesse item.

Comportamento da Tensão Cisalhante e Deslocamento Vertical versus Deslocamento Horizontal

Na Figura 4.29 estão apresentadas as curvas da tensão desviadora e deslocamento

vertical versus deslocamento horizontal para a bentonita.

DBD


89

Figura 4.29 - Curvas da tensão desviadora e deslocamento vertical versus deformação

axial para a bentonita em ensaio de cisalhamento direto.


vertical versus deslocamento horizontal para a mistura B99,50/EPS0,50.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Ten

são

Cis

alhan

te (

kP

a)

Deslocamento Horizontal (mm)


B100

-0,5

0

0,5

1

1,5

0 2 4 6 8 10 12 14 16Des

loca

men

to V

erti

cal

(mm

)

Deslocamento Horizontal (mm)


B100

DBD


90

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.


vertical versus deslocamento horizontal para a mistura B99,25/EPS0,75.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Ten

são

Cis

alhan

te (

kP

a)

Deslocamento horizontal (mm)


B99,50/EPS0,50

-0,5

0

0,5

1

1,5

0 2 4 6 8 10 12 14 16Des

loca

men

to V

erti

cal

(mm

)



B99,50/EPS0,50

DBD


91

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.

Influência do Teor de EPS

Na Figura 4.32 estão apresentadas as curvas da tensão cisalhante e deslocamento

vertical versus deslocamento horizontal obtidas a partir do ensaio de cisalhamento

direto para as amostras de bentonita B100 e mistura B99,50/EPS0,50, nas tensões de 50,

100 e 300 kPa.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Ten

são

Cis

alhan

te (

kP

a)



B99,25/EPS0,75

-0,5

0

0,5

1

1,5

0 2 4 6 8 10 12 14 16Des

loca

men

to V

erti

cal

(mm

)



B99,25/EPS0,75

DBD


92

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.

Na tensão de 50 kPa, o solo puro e a mistura B99,50/EPS0,50 apresentam o

mesmo valor da resistência de pico. Após esse valor, a tensão cisalhante para o solo

puro se apresenta maior, porém na resistência residual, os dois materiais passam a

possuir o mesmo valor. Na tensão de 100 kPa, a resistência de pico da mistura

B99,50/EPS0,50 é maior, porém na resistência residual os valores ficam similares. E na

tensão de 300 kPa, os valores da resistência de pico dos dois materiais são iguais, porém

no caso da mistura esse valor ocorre a um deslocamento horizontal maior,

aproximadamente 3% enquanto o solo puro ocorrem em 1,5%. Nota-se dos gráficos,

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Ten

são

Cis

alhan

te (

kP

a)


B100 50kPa B100 100kPa B100 300kPa

B99,50/EPS0,50 50 kPa B99,50/EPS0,50 100 kPa B99,50/EPS0,50 300 kPa

-0,5

0

0,5

1

1,5

0 2 4 6 8 10 12 14 16Des

loca

men

to V

erti

cal

(mm

)


B100 50kPa B100 100kPa B100 300kPa


DBD


93

que para uma mesma deformação a mistura bentonia-EPS atingiu uma tensão cisalhante

maior do que a bentonita pura.

No gráfico do deslocamento vertical versus deslocamento horizontal, nota-se uma

compressão inicial seguida de uma expansão que tende a se estabilizar em todos os

corpos de prova, com exceção da mistura B99,50/EPS0,50, na tensão de 300 kPa. Além

disso, nota-se que nos corpos de prova com a presença de EPS, nas tensões de 150 e 300

kPa, expandem mais, mostrando a influência do EPS na bentonita.

Na Figura 4.33 estão apresentadas as curvas da tensão cisalhante e deslocamento

vertical versus deslocamento horizontal obtidas a partir do ensaio de cisalhamento

direto para as amostras de bentonita B100 e mistura B99,25/EPS0,75, nas tensões de 50,

100 e 300 kPa.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Ten

são

Cis

alhan

te (

kP

a)


B100 50kPa B100 100kPa B100 300kPa


DBD


94

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.

Na tensão de 50 kPa, o solo puro e a mistura B99,50/EPS0,50 apresentam o

mesmo valor da resistência de pico. Após esse valor, a tensão cisalhante para o solo

puro se apresentar maior, porém na resistência residual, os dois materiais passam a

possuir o mesmo valor. Na tensão de 100 kPa, a resistência de pico da mistura

B99,50/EPS0,50 é maior, porém na resistência residual os valores ficam similares. E na

tensão de 300 kPa, os valores da resistência de pico dos dois materiais são similares,

porém no caso da mistura esse valor ocorre a um deslocamento horizontal maior,

aproximadamente 3% enquanto o solo puro ocorrem em 1,5%.

O gráfico do deslocamento vertical versus deslocamento horizontal da mistura

B99,25/EPS0,75 apresentou o mesmo comportamento da mistura B99,25/EPS0,75, uma

vez que a inserção de EPS na bentonita levou a uma maior expansão dos corpos de

prova a tensões maiores.

Através dos resultados, observa-se que a adição das pérolas de EPS na bentonita

está apresentando melhores resultados para altas tensões de confinamento, a partir de

100 kPa já apresentou melhora, o mesmo comportamento foi visto para tensões de 300

kPa.

-0,5

0

0,5

1

1,5

0 2 4 6 8 10 12 14 16Des

loca

men

to V

erti

cal

(mm

)


B100 50kPa B100 100kPa B100 300kPa


DBD


95


Nas Figuras 4.34, 4.35 e 4.36 estão ilustradas, respectivamente, as envoltórias e

parâmetros de resistência máxima e residual da bentonita e das misturas

B99,50/EPS0,50 e B99,25/EPS0,75.

Figura 4.34 - Envoltória de resistência da bentonita.

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

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 50 100 150 200 250 300 350

Ten

são

Cis

alhan

te (

kP

a)

Tensão Normal (kPa)

Resistência Máxima Resistência Residual

B100

c=16,4 kPa

φ=3,03°

B100

c=12,4 kPa

φ=0,55°

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 50 100 150 200 250 300 350

Ten

são

Cis

alhan

te (

kP

a)



B99,50/EPS0,50

c=17,7 kPa

φ=2,80°

B99,50/EPS0,50

c=11,9 kPa

φ=0,95°

DBD


96

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

A Tabela 4.5 apresenta os parâmetros de resistência máxima e residual do

bentonita e de todas as misturas solo-EPS no ponto correspondente ao deslocamento

horizontal de 15mm.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 50 100 150 200 250 300 350

Ten

são

Cis

alhan

te (

kP

a)



B99,25/EPS0,75

c=16,7 kPa

φ=3,38°

B99,25/EPS0,75

c=9,01 kPa

φ=2,55°

DBD


97

Tabela 4.5 - Resumo ângulo de atrito e coesão da bentonita e de cada mistura solo-EPS.

Material/Mistura


Coesão (kPa)

Ângulo de atrito (°)

Coesão (kPa)

Ângulo de atrito (°)

B100 16,4 3,03 12,4 0,55

B99,50/EPS0,50 17,7 2,80 11,9 0,95

B99,25/EPS0,75 16,7 3,38 9,01 2,55

A partir dos resultados obtidos, observa-se que a adição das pérolas de EPS à

bentonita, em relação a resistência máxima, gera um aumento na coesão da mistura

B99,50/EPS0,50 e uma redução no ângulo de atrito em relação a bentonita pura,

enquanto que na mistura B99,25/EPS0,75 tanto a coesão quanto o ângulo de atrito

aumentam em relação aos valores da bentonita isenta de material.

No caso da resistência residual, nota-se que à medida que o teor de pérola de

EPS aumenta o valor da coesão diminui e o ângulo de atrito aumenta. Isso enfatiza que

as pérolas de EPS mudam o comportamento mecânico do material em termos de

influência de resistência de pico e pós-pico.

DBD


5 Considerações Finais

5.1. Conclusões

A partir dos resultados apresentados e das análises realizadas foi possível chegar

às conclusões abordadas neste capítulo final.

A adição de pérolas de EPS aos três tipos de solo, coluvionar argiloso, arenoso e

bentonita, mostraram o comportamento distinto de cada solo à inserção do EPS. Assim,

o desenvolvimento de um novo material geotécnico com a utilização deste resíduo tem

seu início nesta pesquisa, já que foi observada uma melhoria das propriedades

mecânicas deste novo material.

A seguir estão apresentadas as principais conclusões relacionadas à adição de EPS

aos solos utilizados neste trabalho:

Os parâmetros de compactação das misturas solo argiloso-EPS são

influenciados pelo teor de pérola de EPS. O peso específico seco e a

umidade ótima decrescem para maiores teores de EPS;

O comportamento mecânico dos compósitos depende do teor de pérolas de

EPS inserido no solo. Ao adicionar pérolas de EPS ao solo, existe uma

tendência de sempre aumentar um dos parâmetros de resistência, enquanto

o outro diminui. Assim, pode-se concluir que quando a coesão aumenta, o

ângulo de atrito diminui, e vice-versa;

O teor de pérolas de EPS e a tensão de confinamento influenciam o

comportamento mecânico dos compósitos, sendo que não se tem uma

tendência de comportamento bem definida ao analisar cada fator

independentemente;

Para os compósitos de solo argiloso, a inserção de pérolas de EPS é mais

efetiva para tensões de confinamento baixa, de aproximadamente 50 kPa.

Isso indica que a mistura solo argiloso- EPS pode ser usada em obras

superficais com baixas tensões, fundações superficiais, aterros sobre solos

moles, camadas superiores de taludes. Para altas tensões de confinamento,

DBD


99

apesar do resultado para o solo puro ter sido melhor, existe um certo

paralelismo nas curvas com EPS, que não apresentam pico, e sim um

aumento progressivo de resistência. Assim, como o equipamento triaxial

atingiu somente 17% de deformação, não ficou evidente o comportamento

da mistura solo-EPS para grandes deformações, então há possibilidade da

resistência da mistura ultrapassar a do solo puro;

Para os compósitos de solo arenoso, a inserção de pérolas de EPS é mais

efetiva para tensões de confinamento de aproximadamente 150kPa;

Para os compósitos de bentonita, a inserção de pérolas de EPS é mais

efetiva para tensões de confinamento elevadas, a partir de 100 kPa já se

observa melhora. Essa melhora continua sendo observada para tensões de

300 kPa;

Em relação à resistência máxima dos ensaios de cisalhamento direto com a

bentonita, a adição das pérolas de EPS gerou um aumento na coesão da

mistura B99,50/EPS0,50 e uma redução no ângulo de atrito em relação à

bentonita pura, enquanto que na mistura B99,25/EPS0,75 tanto a coesão

quanto o ângulo de atrito aumentam em relação aos valores da bentonita

isenta de material;

No caso da resistência residual nos ensaios com a bentonita, nota-se que à

medida que o teor de pérola de EPS aumenta o valor da coesão diminui e o

ângulo de atrito aumenta, enfatizando que as pérolas de EPS mudam o

comportamento mecânico do material em termos de influência de

resistência de pico e pós-pico;

O comportamento observado para cada tipo de solo pode estar

relacionado com a umidade, diâmetro dos grãos, entre outros fatores,

podendo o material estar trabalhando de um lado como reforço e de outro

como estabilizante;

Nesse trabalho, foi possível concluir que os compósitos possuem

características de resistência que poderiam cumprir as exigências de

determinadas obras geotécnicas. O fato de materiais de aterramento

convencionais estarem se tornando mais escassos e caros, uma solução

viável é o uso de pérolas de EPS adicionada ao solo.

DBD


100

5.2

Sugestões para pesquisas futuras

A seguir são citadas algumas sugestões para ampliar o conhecimento e prosseguir

com os estudos sobre o reforço de solos com a inserção de pérolas de EPS

Realizar ensaios de permeabilidade nas misturas solo-EPS e nos solos

puros, a fim de conhecer a influência da presença de pérolas de EPS na

condutividade hidráulica;

Realizar tanto ensaios triaxiais convencionais de compressão, bem como

triaxiais de extensão em misturas solo-EPS, para verificação de diversos

tipos de comportamento;

Realizar ensaios “ring shear” para conhecer o comportamento (resistência

residual) dos compósitos e dos solos submetidos a grandes deformações;

Desenvolver modelos de previsão de comportamento resistência-

deformação, sendo este de muita importância para a simulação numérica

de obras geotécnicas;

Realizar ensaios triaxiais com tensões menores, como 20 kPa, em solo

argiloso coluvionar, para saber o comportamento em tensões inferiores as

que foram ensaiadas nesse trabalho. Uma vez que nesse trabalho foi visto

que para esse solo os resultados se apresentaram melhores para baixas

tensões de confinamento;

Realizar ensaios de cisalhamento direto na bentonita com tensões

elevadas, acima de 300 kPa, a fim de saber o comportamento em tensões

superiores as que foram ensaiadas nesse trabalho. Assim, dára para

concluir se a resistência do solo continuará aumentando com o aumento da

tensão confinante;

Realizar ensaios em solo-EPS em verdadeira grandeza (ensaios de placa,

por exemplo) para a avalização do recalque;

Realizar ensaios com diferentes diâmetros de grãos e umidade, a fim de

concluir qual parâmetro influência no comportamento observado para cada

solo perante aos tipos de carregamento.

DBD


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