Tiago Pinto da Trindade et al. Engenharia Civil - scielo.br · nos parâmetros de resistência ao...

53REM: R. Esc. Minas, Ouro Preto, 57(1): 53-58, jan. mar. 2004

Tiago Pinto da Trindade et al.

ResumoO objetivo desse trabalho foi caracterizar geotecni-

camente em laboratório o produto fibrossolo, com vistasa aplicações em obras de engenharia civil. Trabalhou-secom um tipo de solo, de textura argilosa, e pode-se quan-tificar, experimentalmente, via resultados de ensaios decompressão simples (na energia do ensaio de compacta-ção Proctor Normal), o teor ótimo de fibra. Para esse teorótimo, foram realizados ensaios triaxiais do tipo CID/Satem corpos de prova compactados na mesma energia. Atra-vés desse trabalho foi possível: (i) avaliar a influência doteor de umidade nos parâmetros de resistência mecânicadas misturas solo-fibra; (ii) avaliar a influência das fibrasnos parâmetros de resistência ao cisalhamento do soloem estudo.

Palavras-chave: Reforço de solos, fibrossolo, fibras depolipropileno e resistência mecânica.

AbstractThis paper was directed to the laboratory

geotechnical characterization of the material calledfibersoil for civil engineering purposes. One soil wasused throughout the study, encompassing a clayey soil.Unconfined compression testing data were used todetermine the soil optimum fiber content. Fibersoilspecimens prepared at the optimum fiber content weretested under triaxial compression (CID/Sat). From thelaboratory testing program data it was possible: (i) toevaluate the influence of the water content on themechanical response of the fibersoils; (ii) to evaluatethe influence of the fibers on the soil shear strengthparameters.

Keywords: Soil reinforcement, fibersoil, polypropylenefiber and mechanics strength.

Latossolo vermelho-amarelo reforçado comfibras de polipropileno de distribuição

aleatória: estudo em laboratórioTiago Pinto da Trindade

Engenheiro Civil, Mestrando em Engenharia Civil, DEC/UFV, Viçosa-MG, BrasilE-mail: [email protected]

Israel IasbikEngenheiro Civil, M.Sc., DEC/UFV, Viçosa-MG, Brasil

Dario Cardoso de LimaProfessor Titular, Ph.D., DEC/UFV, Viçosa-MG, Brasil

Cláudio Henrique Carvalho SilvaProfessor Adjunto, Ph.D., DEC/UFV, Viçosa-MG, Brasil

Paulo Sérgio de Almeida BarbosaProfessor Assistente, M.Sc., DEC/UFV, Viçosa-MG, Brasil

Engenharia Civil

REM: R. Esc. Minas, Ouro Preto, 57(1): 53-58, jan. mar. 200454

Latossolo vermelho-amarelo reforçado com fibras de polipropileno de distribuição aleatória...

1. Introdução1.1 Considerações Iniciais

Data de tempos remotos a preocu-pação de se promoverem melhorias nascondições dos solos naturais, a fim deque os mesmos possam ser utilizadosem algumas obras de engenharia, cujaaplicação sem prévio tratamento tornar-se-ia inviável.

Registros superficiais do uso de fi-bras naturais para aumentar a capacida-de de carga de fundações rasas e a esta-bilidade de maciços compactados, pelosantigos, são mencionados por Kerisel(1985) e Yamamuchi (1993). Uma das téc-nicas de reforço já aplicada há bastantetempo é a inclusão de fibras ao maciçode solo. Existem relatos da aplicação defibras de juta, piaçava e sisal, entre ou-tras, em obras de engenharia. O incon-veniente maior dessas fibras naturais ésua fácil deterioração no tempo. Com oadvento do grande avanço das indústri-as químicas, materiais sintéticos passa-ram a ter prioridade de aplicação, hajavista a maior facilidade de obtenção emlarga escala e a elevada resistência aagentes externos.

A redescoberta da fibra como ele-mento de reforço de maciços compacta-dos está certamente associada à práticajá consagrada de reforço de solos cominclusões direcionais (fitas, barras, man-tas e grelhas) (Bueno, 1996) e à tradiçãona Geotecnia em executar correção gra-nulométrica por misturas de dois ou maissolos (Souto Silveira & Silveira, 1964)ou de serviços de estabilização químicade solos (Silva, 1968; Bueno et al., 1994 eLima et al., 1996).

Nesse contexto, vem-se observan-do nas última duas décadas um crescen-se número de relatos sobre a utilizaçãode fibras de aço, vidro, borracha e deplástico em pesquisas de laboratório, naárea geotécnica. A grande maioria des-tes trabalhos atesta ganhos de resistên-cia e confirmam a ação das fibras comomeio de aumentar a ductilidade dos so-los. Relatos de trabalhos de campo sãomais escassos, mas, de modo similar,comprovam a facilidade de execução e

de compactação e o bom desempenhodo solo reforçado com a inclusão de fi-bras (Austin et al., 1993).

A inclusão aleatória de fibras cur-tas de polipropileno aos solos gera umcompósito bastante atraente sob a óticada engenharia geotécnica, o qual foi ci-tado como fibrossolo por Teixeira et al.(1994). Esse termo será, também, adota-do no presente trabalho. Solos reforça-dos dessa forma têm apresentado mu-danças em determinados parâmetros deengenharia, que os tornam aptos a se-rem utilizados em obras para as quais, àpriori, não estariam credenciados tecni-camente, como se depreende dos traba-lhos de Gray e Ohashi (1983), Gray e Al-Refeai (1986), Maher e Ho (1994), Lima etal. (1996), Michalowski e Zhao (1996),Bueno et al. (1997), Consoli et al. (1998),Caproni Júnior et al. (1999) e Casagran-de e Consoli (2002). No entanto, só re-centemente as bases tecnológicas do fi-brossolo vêm sendo paulatinamente es-tabelecidas, mesmo em nível internacio-nal (Bueno et al., 1997).

Por ser recente seu emprego, o fi-brossolo não tem sua dosagem predefi-nida, sendo necessário, pois, que, paracada tipo de solo a ser utilizado, determi-ne-se, em laboratório, qual será o teorótimo de fibras, bem como o comprimen-to das mesmas.

Como as fibras aumentam a resis-tência à tração e melhoram outras pro-priedades de engenharia do solo, faz-se promissora a aplicação do fibrosso-lo como material utilizado na constru-ção de terraplenos, além de várias ou-tras obras de engenharia.

1.2 ObjetivoO objetivo geral desse estudo foi

caracterizar geotecnicamente misturas deum solo com fibras de polipropileno dedistribuição aleatória, com vistas a apli-cações em obras de engenharia civil. Otrabalho foi conduzido com um latosso-lo vermelho-amarelo de textura argilo-are-no-siltoso, de grande ocorrência em ex-tensão e volume na sudeste brasileiro,

com a finalidade de: (i) quantificar, expe-rimentalmente em laboratório, o teor óti-mo de fibra para o solo estudado, comemprego dos resultados de ensaios decompressão simples realizados em cor-pos de prova moldados nos teores óti-mos de umidade do ensaio de compacta-ção Proctor Normal. Nesse caso, adota-ram-se, como ponto de partida, para aanálise, os teores de fibras de 0,25%,0,50% e 0,75%; (ii) avaliar a influência doteor de umidade na resistência à com-pressão simples do solo no estado natu-ral e quando estabilizado com o teor óti-mo de fibra. Nesse caso, realizaram-seensaios de compressão simples em cor-pos de prova compactados nas energiasdo ensaio de compactação Proctor Nor-mal, considerando-se os teores de umi-dade Wot -2%, Wot e Wot +2%; (iii) avaliara influência das fibras nos parâmetrosde resistência ao cisalhamento do soloem estudo, através da realização de en-saios triaxiais consolidados drenadosem corpos de prova compactados naenergia do ensaio de compactação Proc-tor Normal, considerando o teor ótimode umidade e de fibra determinados pre-viamente nos ensaios de compressãosimples.

2. Programaexperimental2.1 Materiais utilizados

A amostra de solo empregada nosensaios de laboratório foi obtida de umaocorrência abundante na Zona da MataNorte de Minas Gerais, na cidade de Vi-çosa, oriunda de um latossolo vermelho-amarelo de textura argilo-areno-siltoso,com 43% de argila, 38% de areia e 19%de silte. A amostra foi coletada no Cam-pus da Universidade Federal de Viçosa eaqui, nesse trabalho, é simplesmente de-nominada “solo argiloso”.

O reforço do solo argiloso foi via-bilizado via o emprego de fibras de poli-propileno de distribuição aleatória, comcomprimentos de 10, 15, 20 e 30 mm, lar-gura de 1,2 mm e espessura de 0,016 mm(massa linear de 0,1168 g/m).



A amostra de solo, no estado natu-ral e quando estabilizada com fibras, foicaracterizada geotecnicamente via ensai-os de compactação, compressão simplese triaxiais.

2.2 Preparação de amostrase programa de ensaios

Foram realizados ensaios na amos-tra do solo argiloso no estado natural equando estabilizado com fibras, englo-bando os ensaios geotécnicos de labo-ratório descritos a seguir, itens 2.2.1, 2.2.2,2.2.3 e 2.2.4

2.2.1 Ensaios de compactaçãoOs ensaios de compactação foram

realizados segundo o método normaliza-do pela ABNT, por meio da MB-33, parafins de determinação dos teores ótimosde umidade para o solo argiloso no esta-do natural e quando estabilizado, usan-do-se fibras de comprimento de 10, 15,20 e 30 mm. Trabalhou-se com os per-centuais, em relação à massa seca desolo, de 0,25%, 0,50% e 0,75%. A ener-gia de compactação adotada nesse tra-balho foi a do ensaio Proctor Normal.

2.2.2 Moldagem dos corposde prova

Os corpos de prova foram molda-dos na energia anteriormente citada paraa realização dos ensaios de compressãosimples e triaxiais. Os corpos de provaforam compactados por processo dinâ-mico em três camadas iguais, conside-rando-se os seguintes limites fixados emsua preparação: dimensões: 10 ± 0,05 x 5cm; teor de umidade: teor de umidadedesejado Wi ± 0,3%; grau de compacta-ção: 100 ± 0,3%.

2.2.3 Ensaios de compressãosimples

Os ensaios de compressão simplesforam realizados segundo a metodolo-gia proposta por Head (1982), para finsde determinação do teor ótimo de fibra,considerando-se a energia de compac-tação do ensaio Proctor Normal e fibras

com comprimento de 10, 15, 20 e 30 mm,empregadas nos teores de 0,25%, 0,50%e 0,75%.

Foram realizados também ensaiosde compressão simples, em corpos deprova moldados nos teores de umidadede moldagem Wot -2%, Wot e Wot +2% ,com o solo argiloso no estado natural ecom a mistura otimizada de fibrossolo,obtida a partir dos ensaios descritos noparágrafo anterior.

Para cada ensaio, romperam-se trêscorpos de prova (três repetições paracada ensaio) e foram obtidos os valoresmédios da tensão de ruptura, ou seja, daresistência à compressão simples.

2.2.4 Ensaios triaxiaisconsolidados drenados

Os ensaios de compressão triaxialrealizados foram do tipo CID/Sat, tam-bém realizados de acordo com a metodo-logia descrita por Head (1982), ou seja, oensaio triaxial foi realizado com corposde prova os quais foram previamentesaturados e, em seguida, submetidos aum adensamento, para então dar-se iní-cio ao ensaio, onde se permitiu a drena-gem da água presente no corpo de pro-va. Esses ensaios foram realizados comamostras do solo argiloso no estado na-tural e da mistura otimizada de fibrosso-lo, considerando-se os teores ótimos deumidade de moldagem obtidos por meiodos ensaios de compactação na energiado Proctor Normal.

Para definição de cada envoltóriade máximos, romperam-se três corpos deprova submetidos, respectivamente, àsseguintes tensões de confinamento (σ3):50, 100 e 200 kPa. A partir da definiçãodas envoltórias de máximos, foi possívelobter os valores do ângulo de atrito in-terno e da coesão de intercepto para osmateriais analisados.

3. Resultados3.1 Resultado dos ensaiosde compactação

O comprimento das fibras mostrou-

se um fator preponderante nos resulta-dos dos ensaios de compactação, bemcomo homogeneidade e teor de umidadeda mistura. Quando se trabalhou, porexemplo, com fios longos, tornou-se di-fícil a compactação do compósito, umavez que ele tornou-se quebradiço, for-mando planos preferenciais de ruptura.Esse fenômeno, conhecido por lamina-ção, mostrou-se mais freqüente à medi-da que se aumentava o teor e compri-mento das fibras. Foi, também, possívelobservar que as fibras tenderam a seposicionarem em planos preferencial-mente horizontais, absorvendo parte daenergia despendida no processo de com-pactação, dando ao material um compor-tamento resiliente.

No presente estudo, trabalhou-secom a inclusão de fibras de polipropile-no de 10, 15, 20 e 30 mm de comprimento,nos percentuais de 0,25%, 0,50% e 0,75%em relação ao peso do solo seco, não senotando variações significativas no pesoespecífico seco máximo e nos teores óti-mos de umidade das misturas em com-paração com o solo argiloso no estadonatural.

Os resultados dos ensaios de com-pactação forneceram um teor ótimo deumidade de 31,40% e um peso específi-co seco máximo de 14,06 kN/m3 para osolo argiloso. Devido à pequena varia-ção nos valores dos pesos específicossecos máximos e dos teores ótimos deumidade das misturas em comparaçãocom o solo argiloso no estado natural,adotaram-se, para as misturas de fibros-solo, os mesmos parâmetros de compac-tação definidos para o solo argiloso noestado natural.

3.2 Resultado dos ensaiosde compressão simples

A Figura 1 elucida os resultadosdos ensaios de compressão simples, re-alizados com o intuito de se determina-rem o comprimento e o teor ótimo de fi-bra para o solo pesquisado e avaliar ainfluência do teor de umidade na resis-tência à compressão simples do solo ar-giloso no estado natural e da misturaótima do fibrossolo.



3.3 Resultado dos ensaiostriaxiais consolidados drenados

Na Figura 2, estão ilustrados os re-sultados dos ensaios triaxiais consoli-dados drenados e as envoltórias de má-ximos do solo argiloso e da mistura defibrossolo preparada com 0,25% de fi-bras de 20 mm de comprimento, conside-rando-se o teor de umidade ótimo demoldagem definido nos ensaios de com-pactação realizados na energia do Proc-tor Normal.

4. DiscussõesOs resultados apresentados na Fi-

gura 1a indicam que a máxima resistên-cia à compressão simples não foi obser-vada para o teor máximo de fibra utiliza-do, mas, sim, para a combinação de 0,25%de fibras de comprimento 20 mm. Paraessa combinação ótima, as fibras pro-moveram um ganho de resistência à com-pressão simples em torno de 110%.

O teor de umidade mostrou-se umfator de grande importância para defini-ção da resposta mecânica das misturassolo-fibra, o que pode ser visualizado naFigura 1b. Os resultados dos ensaios decompressão simples realizados com amistura de fibrossolo preparada com0,25% de fibras de 20 mm de comprimen-to e com o solo argiloso, considerando-se os teores de umidade Wot -2%, Wot eWot +2%, indicaram um máximo de resis-tência associado ao teor ótimo de umi-dade, para o fibrossolo, em contraparti-da, um máximo relacionado ao ramo seco,para o solo argiloso.

Os dados apresentados nas Figu-ras 2a a 2d demonstram, claramente, queo fibrossolo apresenta um aumento datensão de pico e tendência de reduçãoda queda de tesão pós-pico em relaçãoao solo no estado natural, em concor-dância com observações de Bueno et al.,(1997).

Observa-se, também, nas envoltó-rias de resistência ao cisalhamento apre-sentadas na Figura 2e, que a inclusão defibras promoveu um ganho na resistên-cia ao cisalhamento do solo argiloso,

predominantemente no parâmetro coe-são de intercepto. Essa figura, que apre-senta uma comparação da resposta me-cânica em termos de resistência ao cisa-lhamento do solo argiloso e do fibrosso-lo, mostra que o parâmetro ângulo deatrito ficou praticamente inalterado, masque o parâmetro coesão de interceptoapresentou aumento de aproximadamen-te 70%.

Com base nos dados apresentadosnesse trabalho, notou-se que a adiçãode fibras de polipropileno de distribui-ção aleatória foi responsável por um in-cremento na resistência mecânica (resis-tência à compressão simples e resistên-cia ao cisalhamento) do solo argiloso,transformando-o em um produto de me-lhor qualificação técnica para aplicaçãoem obras de engenharia civil.

5. ConclusõesDiversos são os fatores que inter-

ferem no comportamento do fibrossolo,a saber, compactação, teor de fibra, teorde umidade, comprimento e diâmetro dasfibras, entre outros. A partir dos resulta-dos obtidos nesse estudo foi possívelestabelecer as seguintes conclusões: (i)

quando se trabalhou com fios longos, acompactação do compósito foi dificulta-da, uma vez que ele se tornou um materi-al muito resiliente e quebradiço, forman-do planos preferenciais de ruptura; (ii) aadição de fibras transformou o solo emestudo em um material de menor rigidezque o solo em seu estado natural; (iii) oteor de umidade foi um fator que exerceuconsiderável influência na resistênciamecânica do solo e do fibrossolo; e (iv)a inclusão das fibras aleatoriamente aosolo promoveu um aumento de aproxi-madamente 70% na resistência ao cisa-lhamento do mesmo.

6. AgradecimentosOs autores desejam expressar os

seus agradecimentos à UniversidadeFederal de Viçosa, onde foi realizado opresente trabalho e ao CNPq e FAPE-MIG, pela concessão de bolsas ao pri-meiro e segundo autores desse artigo,respectivamente. Agradecimentos sãotambém extensivos à empresa ORPEC -Indústria e Comércio Ltda., sediada nacidade de Curitiba, Paraná, por ter for-necido as fibras nas dimensões adota-das no presente estudo, na forma delaminetes.

Figura 1 - Resultados dos ensaios de compressão simples: (a) relação entre tensãode ruptura média e porcentagem das fibras usadas; (b) relação entre a resistência àcompressão simples e o teor de umidade para o solo argiloso e para a mistura ótima dofibrossolo.



Figura 2 - Resultados dos ensaios triaxiais: (a) tensão desvio “versus” deformaçãoaxial para o solo argiloso; (b) tensão desvio “versus” deformação axial para a misturaótima do fibrossolo; (c) deformação volumétrica “versus” deformação axial para o soloargiloso; (d) deformação volumétrica “versus” deformação axial para a mistura ótimado fibrossolo; (e) envoltórias de máximos do solo argiloso e da mistura ótima dofibrossolo.

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Artigo recebido em 05/01/2003 eaprovado em 18/03/2004.

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