70

3. PROGRAMA EXPERIMENTAL

O programa de ensaios estabelecido teve como principal objetivo identificar

o efeito da adição de dois tipos de cinzas de RSU nas propriedades de resistência

e deformabilidade de um solo arenoso, bem como analisar a influência destas na

presença de cal. Para tal, foram feitas misturas areia-cinza e areia-cinza-cal,

variando-se as porcentagens das cinzas estudadas e aplicando-se 3% de cal nas

misturas onde esta foi utilizada. Para as misturas com cal, também se objetivou

analisar a influência do tempo de cura nas propriedades dos materiais. Para as

misturas solo-cinza-cal adotou-se tempos de cura de 0, 60 e 90 dias.

Dessa forma, primeiramente foram realizados ensaios de caracterização

física do solo puro e misturas, com o intuito de se obter os índices físicos de todos

os materiais envolvidos na pesquisa e evidenciar os parâmetros que possam se

correlacionar com o real desempenho mecânico destes. Posteriormente, foi

realizado o estudo do comportamento dos materiais através dos resultados dos

ensaios de caracterização mecânica, que consistiram em ensaios triaxiais

consolidados isotropicamente drenados (CID).

As etapas propostas para este programa experimental, assim como os

materiais utilizados na presente pesquisa, e métodos de execução dos ensaios e

equipamentos utilizados serão descritos a seguir.

Para o desenvolvimento deste programa experimental, os ensaios foram

realizados no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da Pontifícia

Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio).

3.1 MATERIAIS UTILIZADOS

Foram utilizados quatro tipos de materiais distintos, sendo estes: solo

arenoso (A), cinza volante (CV), cinza de fundo (CF) e cal. Trabalhou-se com

estes materiais puros e misturas decorrentes destes com diferentes teores de cinzas

71

e um teor de cal determinado em 3%. É sabido que mesmo pequenas porcentagens

de cal já influenciam significativamente no comportamento mecânico de

materiais, desta forma, optou-se pela utilização de uma porcentagem mínima

observada em pesquisas anteriores.

3.1.1 Solo Arenoso

O solo arenoso (Figura 3.1) utilizado na presente pesquisa é procedente da

praia da Barra da Tijuca, localizada na zona oeste da cidade do Rio de Janeiro-RJ.

A coleta do material foi realizada entre os postos 5 e 6, em frente ao condomínio

Beton. Para realização da coleta, procedeu-se a escavação de uma trincheira com

cerca de 40 cm de profundidade a fim de se evitar que eventuais impurezas

também fossem coletadas, e armazenou-se o solo em sacos plásticos. Os

resultados da caracterização deste material são apresentados no capítulo seguinte.

A Figura 3.2 ilustra o local de coleta do material.

Figura 3.1 – Solo arenoso em estudo.

72

Figura 3.2 – Local de coleta do material na praia da Barra da Tijuca - RJ.

3.1.2 Cinza Volante e Cinza de Fundo

A cinza volante e a cinza de fundo são provenientes da incineração do

resíduo sólido urbano (RSU) na Usinaverde, que se localiza na Ilha do Fundão –

Rio de Janeiro-RJ.

A incineração e coleta foram realizadas no mês de Abril/2013. As Figuras

3.3 e 3.4 ilustram a cinza volante e a cinza de fundo de RSU, respectivamente.

Pode-se observar a presença de um material mais grosseiro e restos de resíduos

como pedaços de vidro, fios de ferro, pilhas, azulejo, etc, na cinza de fundo.

Devido à presença destes materiais grosseiros, a cinza de fundo foi destorroada e

passada na peneira #4 (4,74 mm) anteriormente ao início de todos os ensaios

descritos adiante.

Ambas as cinzas foram recebidas úmidas, armazenadas em sacolas plásticas.

73

Figura 3.3 – Cinza Volante de RSU.

Figura 3.4 – Cinza de Fundo de RSU.

3.1.2.1 A Produção de Cinzas de RSU

A Usinaverde se localiza na Cidade Universitária da UFRJ – Ilha do Fundão

– Rio de Janeiro-RJ, e tem como objetivo apresentar soluções ambientais para a

destinação final de resíduos sólidos urbanos e industriais, através do processo de

incineração com recuperação energética e tratamento dos gases de combustão.

O RSU utilizado na Usinaverde é coletado pela Companhia Municipal de

Limpeza Urbana do Rio de Janeiro (COMLURB), e provém dos bairros

adjacentes à Ilha do Fundão. Após coleta, o lixo é levado para uma usina de

triagem localizada no bairro Caju/RJ, e daí é separado o material que será levado

para incineração. Todavia, ao chegar à Usinaverde, o material passa por uma

segunda etapa de triagem, onde materiais recicláveis que, eventualmente, não

74

tenham sido separados na primeira fase de triagem, são segregados. Neste

processo, são ainda reciclados aproximadamente 5% do montante de resíduos que

chegam à Usinaverde, sendo o restante destinado à incineração.

3.1.2.2 Processo de Incineração

A descrição do processo de incineração aqui apresentado baseia-se em

Fontes (2008), que utilizou as mesmas cinzas de resíduo sólido urbano aqui

estudadas, e em informações fornecidas pela própria Usinaverde para execução do

presente trabalho.

O RSU recebido em caminhões basculantes, é descarregado na moega da

balança, onde tem sua vazão de descarga controlada. O RSU que sai da balança

passa num tambor rotativo, onde é fragmentado e homogeneizado para facilitar a

coleta manual de recicláveis sobre uma esteira transportadora. Após a coleta, os

resíduos (matéria orgânica e resíduos combustíveis não recicláveis) passam por

um detector metálico e são encaminhados através de uma esteira elevatória para

dentro do forno de incineração, que opera a uma temperatura sempre maior que

850ºC. Durante o processo de combustão, são produzidas duas cinzas: cinza de

fundo e cinza volante.

A cinza de fundo (bottom-ash) é depositada no fundo da câmara de pós-

combustão, encaminhada ao tanque de decantação e disposta em caçambas. Os

gases quentes e a cinza volante (fly-ash) são exauridos da câmara de pós-

combustão e aspirados para a caldeira de recuperação onde ocorre o

aproveitamento energético dos gases de combustão com geração de vapor

superaquecido de alta temperatura e pressão que é usado no acionamento de um

turbogerador para geração de energia elétrica.

Após a caldeira, os gases são aspirados através de um filtro de mangas, onde

a totalidade das cinzas volantes é retirada dos gases de combustão e recolhida em

caçambas para posterior destinação. Na saída do filtro de mangas, após passarem

pelo exaustor de gases são injetados nos lavadores, onde em contato com águas de

lavagem alcalinizadas têm seus componentes ácidos removidos e são lançados na

atmosfera através da chaminé.

Ao final do processo de incineração são obtidos 15%, em massa, das duas

cinzas, que representam cerca de 80% de cinza pesada e 20% de cinza volante.

75

Atualmente, ambas as cinzas estão sendo estudadas para se avaliar sua

aplicabilidade, em obras como pavimentação e em fabricação de tijolos e pisos,

por exemplo. Anteriormente, ambas as cinzas eram encaminhadas ao aterro

sanitário de Gramacho.

3.1.3 Cal

A cal utilizada nas misturas deste estudo é a cal hidratada calcítica, do tipo

CH-III, conhecida comercialmente por “Cal Hidratada Itaú”, da Votorantim

Cimentos, cuja composição consiste em um pó fino na forma de hidróxido de

cálcio e magnésio. Sua fabricação é feita segundo as exigências da NBR

7175/2003 – Cal Hidratada para Argamassas. Na Tabela 3.1 estão apresentados os

dados técnicos fornecidos pelo fabricante, de acordo com as exigências da norma.

Na presente pesquisa não foi feito nenhum ensaio de caracterização

particular da cal utilizada, acreditando-se que o lote comercial empregado atende

os requisitos da especificação. A cal foi adquirida em Abril de 2013 em saco de

20kg e durante todo o estudo foi utilizada a mesma amostra.

76

Tabela 3.1 - Exigências físicas e químicas da cal (Fonte: Sandroni & Consoli, 2010)

Tipo da Cal CH I CH II CH III

Exigência Físicas

Finura (% Retido

Acumulado)

Peneira 0,6mm

(máx) 0,50% 0,50% 0,50%

Peneira 0,075mm

(máx) 10% 15% 15%

Retenção de Água (mín) 75% 75% 70%

Incorporação de Areia (mín) 3,00% 2,50% 2,20%

Estabilidade ausência de cavidades ou protuberâncias

Plasticidade (mín) 110 110 110

Exigências Químicas

Anidrido

Carbônico (CO2)

Fábrica (máx) 5% 5% 13%

Depósito (máx) 7% 7% 15%

Óxidos de Cálcio e Magnésio não

hidratado calculado (CaO +MgO)

(máx)

10% 15% 15%

Óxidos totais na base de não voláteis

(CaOt + MgOt) (mín) 90 88 88

3.1.4 Água

A água utilizada na preparação das misturas para realização dos ensaios

triaxiais foi proveniente da rede pública de abastecimento da cidade do Rio de

Janeiro. Já para os ensaios de caracterização física, utilizou-se água destilada,

conforme especificações em normas.

3.1.5 Misturas Solo-Cinza

Para realização dos ensaios e preparação das misturas, tanto o solo como as

cinzas foram secados em estufa a 60°C e logo após armazenados e etiquetados em

sacos plásticos bem vedados e mantidos na câmara úmida. Para preparação das

misturas solo-cinza, calculou-se a quantidade de cada material individualmente

em relação a massa seca total que seria utilizado. Após a mistura a seco,

realizaram-se os ensaios de caracterização física, química e mecânica como

descritos mais adiante. Para os ensaios mecânicos, adicionou-se a quantidade de

77

água necessária para se obter a umidade determinada para o ensaio, e logo depois

armazenou-se o material em sacos plásticos, a fim de se preservar a umidade

deste. As porcentagens de cinza volante e de fundo utilizadas foram de 30% e

40%.

A determinação das porcentagens de ambas as cinzas utilizadas foram

baseadas nas pesquisas feitas por Vizcarra (2010), que avaliou a influência das

cinzas de RSU em mistura com um solo regional, submetido a um carregamento

dinâmico, para aplicação em base de pavimentos rodoviários, encontrando

melhores resultados quando utilizado 40% de cinza volante; e Quispe (2013), que

avaliou a influência das mesmas em mistura com um solo argiloso, submetido a

um carregamento estático, tendo como principal objetivo avaliar a influência

destas misturas para possíveis aplicações em obras geotécnicas, encontrando

melhores resultados para cinza volante em 40% e cinza de fundo em 30%.

A determinação da umidade a ser utilizada nos ensaios foi feita através do

ensaio de cisalhamento direto no solo arenoso puro. Foram feitos ensaios com o

solo apresentando 5, 10, 15 e 20% de umidade, obtendo-se melhor resistência do

material quando este apresentava 10% de umidade. Dessa forma, determinou-se

esta porcentagem para realização do ensaio em todas as misturas e solo puro.

3.1.6 Misturas Solo-Cinza-Cal

O teor de cal adotado foi de 3%, em substituição ao peso seco das cinzas.

Todo o processo para realização dos ensaios e preparação das misturas se deu

igualmente às misturas solo-cinza. A Tabela 3.2 apresenta as siglas que

descrevem os materiais utilizados na presente pesquisa.

78

Tabela 3.2 – Símbolos utilizados para os solos e misturas.

Material/Mistura % Solo

% Cinza

Volante

(CV)

% Cinza

de Fundo

(CF)

Cal Símbolo

Solo Arenoso 100 - - - A100

Mistura 1 70 30 - - CV30A70

Mistura 2 60 40 - - CV40A60

Mistura 3 70 - 30 - CF30A70

Mistura 4 60 - 40 - CF40A60

Mistura 5 70 27 - 3 CV27Cal3A70

Mistura 6 70 27 - 3 CV27Cal3A70_PM

Para as misturas com tempos de cura de 0, 60 e 90 dias foram adicionadas

as siglas T0, T60 e T90, respectivamente. Para as misturas pré-moldadas (Método

2 apresentado na Figura 3.14), adicionou-se ainda a sigla PM ao símbolo desta.

A Mistura 6 possui a mesma composição que a Mistura 5, e ambas foram

submetidas a tempo de cura, porém se diferem no modo de moldagem do corpo de

prova. Os métodos de moldagem serão descritos a seguir no item 3.2.3.

3.2 MÉTODOS E PROCEDIMENTOS DE ENSAIO

Serão apresentadas a seguir todas as etapas referentes aos ensaios realizados

neste trabalho, bem como a descrição detalhada dos procedimentos utilizados, e

normatização seguida para realização destes.

O objetivo da realização deste programa experimental foi o de se obter a

caracterização física, química e mecânica do solo e misturas solo-cinza e solo-

cinza-cal, avaliando-se seu comportamento através de ensaios triaxiais

consolidados isotropicamente drenados e se obtendo seus parâmetros de

resistência, para se avaliar a aplicabilidade das cinzas de fundo e volante como

estabilizantes do solo em estudo. Foram determinados diversos teores para o

resíduo com o intuito de se analisar a melhoria ou não dos parâmetros de

resistência de cada tipo de material, a fim de se estabelecer uma melhoria máxima

com o maior volume de resíduos, visto que um dos maiores objetivos aqui

79

apresentados é se dar uma destinação ambientalmente correta à maior quantidade

possível desse material.

Abaixo são apresentados os ensaios laboratoriais realizados para

caracterização física e mecânica dos solos e misturas estudadas:

a) Propriedades físicas e de classificação dos materiais:

- Densidade real dos grãos;

- Índice de vazios máximo e mínimo do solo;

- Análise granulométrica.

b) Propriedades mecânicas:

- Ensaio triaxial consolidado isotropicamente drenado;

3.2.1 Ensaios de Caracterização Física

Com o objetivo de se determinar as propriedades índice da amostra de solo

arenoso, proveniente da praia da Barra da Tijuca – Rio de Janeiro/RJ, e das

misturas estudadas, foram executados ensaios de caracterização física do material

no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio. Os materiais foram

preparados conforme procedimentos normatizados pela Associação Brasileira de

Normas Técnicas (ABNT). Os ensaios realizados seguiram os métodos

estabelecidos 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 máximo

de solos não coesivos;

NBR 12051/1991 – Solo – Determinação do índice de vazios mínimos

de solos não coesivos.

80

3.2.1.1 Densidade Real dos Grãos

Para determinação da densidade real dos grãos do solo, misturas solo-cinza

e solo-cinza-cal, utilizou-se o material passante na peneira #40 (0,425 mm),

adotando-se os procedimentos descritos segundo a norma NBR 6508 (ABNT,

1984).

Do material passante na peneira #40, seco em estufa a 105°C, utilizou-se

aproximadamente 100 gramas. Posteriormente, colocou-se 30g da amostra de

material em três picnômetros de 250ml, e adicionou-se água a este de forma que o

solo ficasse totalmente submerso. Através de uma válvula à vácuo, realizou-se o

processo de deaeração da mistura, a fim de se retirar todo ar presente nos vazios

do solo. Completou-se o volume restante com água destilada de maneira lenta, a

fim de garantir que não houvesse entrada de ar. Após imersão dos picnômetros em

banho-maria para equalização da temperatura, que baixou devido aplicação de

vácuo, pesou-se cada conjunto (picnômetro+solo+água). Obtido este valor,

descartou-se o material e encheu-se o picnômetro com água destilada, pesando-se

em seguida o novo conjunto (picnômetro+água). A temperatura da água foi

determinada através de um termômetro, e garantiu-se que o valor desta na

equalização do primeiro conjunto, fosse igual ao do segundo, durante o banho-

maria. Os resultados obtidos para todos os materiais envolvidos são apresentados

no capítulo 4.

3.2.1.2 Análise Granulométrica

Para a determinação da curva granulométrica do solo e cinzas puras, e

misturas realizadas, peneirou-se 1000 gramas do material na peneira #40 (0,425

mm), seguindo a norma NBR 7181 (ABNT, 1984).

O material retido na peneira foi lavado e posteriormente secado por 24h em

estufa a 105 °C, realizando-se o peneiramento grosso logo após este período.

Do material passante na peneira #40, utilizou-se 70 gramas para a

sedimentação, sendo este misturado com 125 ml de uma solução de

hexametafosfato de sódio e deixado em repouso pelo menos durante 12 horas.

Após este processo, submeteu-se o material à dispersão mecânica, transferindo-o

81

em seguida para uma proveta de 1000ml onde o restante do volume foi

completado com água destilada para então serem feitas as devidas leituras.

Depois de realizada a sedimentação, todo o material foi lavado na peneira

#200, e o que ficou retido foi levado à estufa, para quando seco, proceder-se com

o peneiramento fino.

Para o solo arenoso em estudo só foi necessária a realização do

peneiramento grosso. Devido ao fato das cinzas estudadas serem constituídas por

fração grossa e fina, realizou-se este ensaio por meio da granulometria conjunta,

que engloba as etapas de peneiramento e sedimentação para estas e misturas solo-

cinza.

3.2.1.3 Índice de vazios máximos e mínimos

Para determinação dos índices de vazios máximos e mínimos, tanto do solo

puro, como das misturas, fez-se uso de um funil, cilindro metálico e uma mesa

vibratória. Primeiramente, foram obtidas as dimensões do cilindro metálico, a fim

de se calcular seu volume interno, e seu peso.

A determinação do índice de vazio máximo procedeu-se segundo a NBR

12004/1990. Inicialmente a amostra de material foi homogeneizada, e com o

auxílio de um funil despejou-se o mesmo no cilindro metálico, de forma que a

altura de queda do material se mantivesse constante, e este permanecesse num

estado tão fofo quanto possível. Neste processo, o funil foi movido segundo uma

trajetória constante em movimento circular, da borda para o centro do molde, de

forma que as camadas fossem compostas de espessuras uniformes. Preencheu-se o

molde até 1 a 2 cm acima do topo e retirou-se o excesso de material com o auxilio

de uma régua biselada. Após este processo se pesou o conjunto.

A determinação do índice de vazio mínimo procedeu-se segundo a NBR

12051/1991. O processo inicial de homogeneização e o método de utilização do

funil para despejo do material no cilindro se deram da mesma forma que a descrita

para o índice máximo. Com o auxílio do funil, primeiramente preencheu-se 1/3 do

volume de cilindro, colocando-se em seguida um disco-base e um peso em seu

interior para aplicar uma sobrecarga no material, e fixou-se o cilindro à uma mesa

vibratória por aproximadamente 1 min. O processo foi repetido por 3 camadas, até

82

que o cilindro fosse preenchido até 1 a 2 cm acima do topo. Após esse processo,

retirou-se o excesso de material e pesou-se o conjunto.

Para ambos os índices, o processo foi repetido três vezes, a fim de se ter

uma maior precisão no resultado. O valor final calculado para os mesmos

consistiu numa média das três repetições.

3.2.2 Ensaios de Caracterização Química

A fim de se determinar os componentes químicos, classificar e definir a

existência ou não de periculosidade das mesmas cinzas provenientes da queima de

resíduo sólido urbano estudadas no presente trabalho, Vizcarra (2010) realizou

ensaios de “Espectometria de fluorescência de Raios-X por Energia Dispersiva

(EDX)”, “Ensaio para determinação de matéria orgânica” e “Ensaio de

Solubilização e Lixiviação” na cinza de fundo e cinza volante.

Estes ensaios são de grande relevância, uma vez que a classificação do

resíduo como perigoso ou não perigoso, e inerte ou não inerte define a escolha do

tipo de disposição final que este deve ter e suas aplicações.

Para a presente pesquisa não se fez necessária a repetição de todos estes

ensaios, devido ao fato das cinzas serem provenientes da mesma usina e produto

da incineração do mesmo tipo de resíduo sólido urbano, optando-se então somente

pela realização do ensaio para se analisar a composição química do material.

Os resultados obtidos por Vizcarra (2010) para a caracterização química das

cinzas são apresentados no capítulo 4.

3.2.2.1 Composição Química

A fim de se analisar as concentrações dos elementos químicos das cinzas, e

o resultado de possíveis reações entre cinza-cal, foram realizados ensaios de

Espectrometria de fluorescência de Raio-X por Energia Dispersiva (EDX)” para

as cinzas puras e a mistura cinza-solo-cal estudada.

Este ensaio permite a determinação da composição química total das

amostras.

O espectrômetro de fluorescência de raios-X é um instrumento que

determina qualitativamente e semi-quantitativamente os elementos presentes em

83

uma determinada amostra. Isto é possível através da aplicação de raios-X na

superfície da amostra e a posterior análise dos fluorescentes raios-X emitidos.

Esta se trata de uma técnica não destrutiva para todos os tipos de amostras,

incluindo sólidos, líquidos ou pós.

O modelo do equipamento utilizado para realização destes ensaios para a

presente pesquisa é o EDX-700, pertencente ao Laboratório de Química da PUC-

Rio.

3.2.3 Ensaio de Caracterização Mecânica

3.2.3.1 Resistência ao Cisalhamento

A resistência ao cisalhamento de um solo pode ser definida como a máxima

tensão de cisalhamento que o solo pode suportar sem sofrer a ruptura, ou a tensão

cisalhante no plano em que a ruptura estiver ocorrendo. Esta resistência depende

do peso, da tensão normal atuante, e do grau de “aspereza” da superfície de

contato, ou seja, do atrito entre as partículas do solo. No entanto, a atração elétrica

existente entre as partículas, pode provocar uma resistência que independe da

tensão normal atuante no plano e que constitui uma coesão real. Esta, deve ser

diferenciada da chamada coesão aparente, que constitui uma parcela da resistência

ao cisalhamento de solos úmidos não saturados (Pinto, 2006).

Para se obter a tensão de ruptura na análise de resistência, pode-se analisar o

pico das curvas tensão versus deformação traçadas em função da diferença de

tensões principais (σ1-σ3) ou da relação σ1/σ3, dependendo da finalidade do ensaio

(Dias, 2007). A relação σ1/σ3 é preferencialmente usada para solos argilosos, em

ensaios não drenados, em que a tensão desviatória continua a aumentar para

grandes deformações. Outras “opções de ruptura” podem ser escolhidas, como a

resistência residual ou a resistência obtida para cisalhamento a volume constante,

ou seja, na condição de estado crítico, ou ainda definida a partir das deformações

máximas permissíveis no projeto em questão (Head, 1986 apud Dias, 2007). A

Figura 3.5 apresenta os critérios para determinação de ruptura.

84

Figura 3.5 – Diferentes critérios para definição de ruptura (Head, 1986 apud Dias, 2007)

3.2.3.2 Ensaio de Compressão Triaxial

O ensaio de compressão triaxial é um dos mais confiáveis para a determinação

dos parâmetros de resistência ao cisalhamento. Segundo Das (2007) existem três

tipos padrões de ensaios triaxiais: ensaio adensado drenado (CD); adensado não-

drenado (CU); não adensado e não drenado (UU).

Por Lambe e Whitmam (1969), resume-se este ensaio como: a câmara

cilíndrica de pressão é composta de um cilindro de acrílico transparente, fixo por

parafusos metálicos. O corpo de prova de solo é envolto por uma membrana de

borracha flexível a qual impede que o fluido penetre nos poros do solo. No

interior da câmara o corpo de prova é submetido primeiramente a uma tensão

hidrostática confinante, seguido de sucessivos incrementos de tensão axial. O

ensaio finaliza quando o corpo de prova rompe por cisalhamento. A Figura 3.6

mostra a seção típica de uma câmara triaxial.

85

Figura 3.6 – Seção de uma câmara triaxial (Bishop e Bjerrum, 1960 apud Das, 2007).

A tensão confinante pode ser aplicada por um fluido ou por compressão a

ar. O sistema de drenagem é composto por duas pedras porosas postas na base e

no topo do corpo de prova, além de tubos condutores ligados externamente à

câmara. A tensão axial é aplicada por um pistão localizado na parte superior da

câmara triaxial sob duas formas:

Aplicação de pesos ou pressão hidrostática em incrementos iguais

até o rompimento do corpo de prova;

Aplicação da deformação axial a uma taxa constante através de

uma pensa de carregamento mecânico ou hidráulico (ensaio de

deformação controlada).

Com o objetivo de se verificar as propriedades mecânicas dos materiais e

misturas estudadas, para determinação da viabilidade do emprego destas em obras

geotécnicas como as citadas anteriormente, foram realizados ensaios triaxiais do

tipo consolidado isotropicamente drenado (CID). Todos os ensaios foram

executados no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio.

Foram realizados 28 ensaios triaxiais, cujos resultados são apresentados no

Capítulo 4. Porém, a quantidade total de ensaios realizados foi significativamente

86

superior, mas que devido a diferentes tipos de problemas inerentes a estudos

experimentais, não puderam ser utilizados.

Inicialmente objetivava-se a realização de ensaios em misturas solo-cinza

também com teor de 50% de cinza de fundo e volante, bem como misturas solo-

cinza de fundo-cal e ensaios com tempo de cura de 120 dias. Alguns problemas

enfrentados, que impossibilitaram a realização de todos os ensaios previstos, e

causaram a perda de outros realizados, foram, dentre outros: (i) problemas na

saturação do corpo de prova devido entupimento das linhas do equipamento

triaxial, e resolução deste problema tardiamente; (ii) contínuos problemas no

compressor do laboratório; (iii) perda de leituras dos ensaios por problemas

ocorridos no computador; (iv) perfuração da membrana durante o ensaio, gerando

dados incorretos; (v) disponibilidade de prensas triaxiais; (vi) problemas na

conexão da célula de carga e LVDT ao sistema de aquisição de dados.

A seguir, descrevem-se os equipamentos utilizados nestes ensaios e

metodologias empregadas para preparação dos corpos de prova, processo de

saturação e carregamento.

3.2.3.3 Ensaios Triaxiais CID

a) Equipamento utilizado

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

deslocamento controlada, com capacidade de 10 toneladas. O ajuste das

velocidades de deslocamento do pistão é determinado mediante a seleção

adequada de pares de engrenagens e respectiva marcha (Ramírez, 2012).

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

de 1,5” e possui um corpo de acrílico que suporta uma pressão confinante máxima

de 1000 kPa (Ramírez, 2012).

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

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

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

cursos de 25 mm com resolução de precisão de 0,01 mm. O transdutor usado na

medida das pressões na câmara, no medidor de variação de volume e das

87

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. Todas as partes do equipamento são apresentadas na Figura 3.7.

Para a gravação dos dados, obtidos por intermédio dos transdutores, foi

utilizado o sistema de aquisição de dados composto pelo hardware QuantumX de

oito canais da empresa alemã HBM e pelo software CatmanEasy. Este sistema

permite o monitoramento contínuo de todos os dados e comportamento dos corpos

de prova durante todas as etapas do ensaio.

Figura 3.7 – (a) Medidor de Variação de Volume; (b) Painel de controle das pressões; (c)

Câmara de acrílico; (d) Corpo de prova; (e) Transdutor de Pressão; (f) LVDT; (g) Conjunto de

engrenagens para aplicação da velocidade de cisalhamento.

b) Preparação dos corpos de prova

I. Misturas sem cura:

A confecção dos corpos de prova do solo arenoso puro e misturas deste com

os diversos tipos e teores de cinza, foi realizado por compactação, diretamente em

88

um molde cilíndrico tripartido (Figura 3.8). Esta compactação foi realizada

manualmente em aproximadamente 6 camadas. Tanto para areia pura como as

misturas, os valores de umidade e densidade relativa adotados foram de 10% e

50%, respectivamente.

Figura 3.8 – Molde tripartido.

Antes da moldagem de cada corpo de prova, calculou-se a quantidade de

material necessária para o preenchimento do molde cilíndrico tripartido de forma

que os parâmetros de compactação indicados anteriormente fossem seguidos.

Devido à presença de um material mais grosseiro na cinza de fundo, como

dito anteriormente, esta foi primeiramente passada na peneira #20 (0,84 mm). O

material retido (Figura 3.9) foi descartado e o material passante foi utilizado para

realização dos ensaios triaxiais.

Figura 3.9 – Material presente na cinza de fundo descartado antes do ensaio triaxial.

A Figura 3.10 ilustra as etapas da montagem dos corpos de prova, que se dá

diretamente no equipamento triaxial.

89

Moldagem dos corpos de prova do solo puro e misturas (Método M1).

1 – Coloca-se a

membrana na base do

equipamento e insere-se

o’rings para vedação da

mesma, com o auxilio de

um bipartido. .

2 – Fixa-se o molde

tripartido na mesma base,

com o auxilio de uma

abraçadeira metálica.

3. Vedam-se as juntas

com uma fita adesiva e

dois dos três furos de

acesso ao interior do

molde. Colocam-se dois

o’rings na parte superior

do molde tripartido e

ajusta-se a membrana por

cima deste.

4. Para que seja possível a

inserção do material e

moldagem do mesmo,

conecta-se uma bomba a

vácuo ao tripartido, e

aplica-se sucção na

membrana.

5 – Com a membrana

succionada, coloca-se o

papel filtro sobre a pedra

porosa da base e inicia-se

o processo de moldagem

do corpo de prova através

de compactação das

camadas, sendo estas de

um total de seis.

6 - Após corpo de prova

moldado, coloca-se o

papel filtro, pedra porosa

e o cap na parte superior

do mesmo, e em seguida

ajusta-se a membrana ao

redor do cap, fixando-a

através dos o’rings.

7 – Desmontam-se todos

os acessórios que

auxiliam a moldagem do

corpo de prova.

8 – A câmara triaxial é

colocada no equipamento,

vedada e preenchida com

água.

Figura 3.10 – Processo de moldagem do corpo de prova para ensaio triaxial.

II. Misturas com cura:

Os ensaios com cura foram realizados somente para uma mistura, contendo

o teor de 27% de cinza volante, 3% de cal e 70% de solo (CV27Cal3A70),

variando-se o tempo de 0 a 90 dias. Foram adotados dois métodos distintos (M1 e

M2) para se avaliar a influência do tempo de cura na resistência do material.

Inicialmente para os ensaios com cura, procedeu-se à preparação da mistura

solo-cinza-cal como descrito nos itens 3.1.5 e 3.1.6, adicionando-se a quantidade

90

de água adequada para se obter o teor de umidade definido. Armazenou-se o

material em sacos plásticos bem vedados, que foram levados à câmara úmida e

mantidos lá ate atingirem o tempo de cura desejado para ensaio, sendo então o

corpo de prova moldado como descrito na Figura 3.10.

Quando o material atingiu o primeiro tempo de cura, que foi determinado de

60 dias, observou-se que se formaram grumos na massa total do material, o que

indicaria uma maior “adesão” entre as partículas. Porém, devido ao método de

preparação do corpo de prova para ensaios triaxiais com areia, estes grumos

tiveram que ser desfeitos, e acredita-se que este processo pode ter interferido na

resistência que o material curado apresentaria se não tivesse sido destorroado.

Dessa forma, pensou-se em um segundo método para realização de ensaios com

cura para a areia.

Para o segundo método (M2), após preparação da mistura, esta foi

armazenada em sacos plásticos e mantida durante um dia na câmara úmida, para

se obter uma maior homogeneização da umidade. Após este processo, foi feita a

pré- moldagem dos corpos de prova fora do equipamento triaxial, para que estes

fossem curados já prontos para serem ensaiados após o tempo determinado. O

passo a passo da moldagem do corpo de prova para este método é descrito a

seguir nas Figura 3.11 e 3.12.

91

Moldagem dos corpos de prova para misturas solo-cinza-cal com cura (Método M2)

1 – Fizeram-se diversos

moldes bipartidos de tubo

PVC com as mesmas

dimensões do molde

tripartido utilizado

anteriormente, e uma base

para moldagem do corpo

de prova.

2 – Fixou-se a membrana

à base.

3. Inseriu-se o bipartido

de PVC ao conjunto.

4. Vedou-se as juntas com

uma fita adesiva e

acomodou-se a membrana

na parte superior do tubo.

5 – Conectou-se a bomba

a vácuo ao bipartido e

aplicou-se sucção na

membrana.

6 – Com a membrana

succionada, iniciou-se o

preenchimento do molde

através da compactação

de camadas, até se

preencher todo seu

volume com a quantidade

de material calculada.

7 – Após montagem

finalizada, vedou-se o

corpo de prova no molde

com papel insufilme, para

garantir a preservação do

mesmo e evitar perda de

umidade.

8 – Foram moldados um

total de 7 corpos de prova,

vedados e posteriormente

armazenados em uma

caixa na câmara úmida,

para serem ensaiados após

o tempo de cura

determinado.

Figura 3.11 – Processo de moldagem do corpo de prova para ensaio com cura.

92

Transferência do corpo de prova do molde para o equipamento triaxial.

1 – Com o auxilio de um

bipartido, transferiu-se os

o’rings de vedação para a

base mais grossa do

equipamento.

2 – Colocou-se a pedra

porosa da base e o papel

filtro na posição da base

do corpo de prova.

3 – Tirou-se a vedação do

corpo de prova pré-

moldado, apoiou-se uma

de suas faces na base,

encaixou-se a membrana

na base do equipamento e

transferiram-se os o’rings

de vedação da base para a

membrana.

4 – Descolaram-se as fitas

que vedavam e uniam o

bipartido de PVC e o

desconectou do corpo de

prova.

5 – Fixou-se o tripartido de ferro ao

redor do corpo de prova a fim de

protegê-lo, e para que fosse

possível se colocar o papel filtro,

pedra porosa e cap do topo.

6 – Com o auxilio do tripartido

transferiu-se os o’rings para o cap,

para vedação superior, e

posteriormente se retirou o tripartido

do corpo de prova.

7 – Colocou-se a câmara triaxial

no equipamento, posteriormente

vedando-a e preenchendo-a com

água para realização do ensaio.

Figura 3.12 – Transferência do corpo de prova do molde para o equipamento triaxial no método

com cura.

c) Procedimento de saturação dos corpos de prova

As técnicas de saturação utilizadas para os corpos de prova do solo puro e

misturas, foram de saturação por percolação de agua através das amostras e de

saturação por contrapressão. No caso da percolação, o gradiente de pressão entre

base e topo do corpo de prova foi de 5kPa, sendo o sentido de percolação da base

para o topo. Na saturação por contrapressão, a pressão confinante aplicada ao

corpo de prova excedia a contratrapressão em 10 kPa, onde o fluxo de agua era

permitido pelo topo e base.

93

Para verificação do grau de saturação, monitorou-se as pressões e se calculou

o parâmetro B de Skempton, que é dado pela seguinte equação:

𝑩 = 𝜟𝒖

𝜟𝝈𝒄 Equação 1

onde:

Δu: excesso de poropressão gerado,

Δσc: acréscimo de tensão confinante aplicada.

Tanto para os corpos de prova confeccionados com areia pura, como

misturas, os valores de parâmetro B aceitáveis foram entre 0,83 e 0,87, sendo que

a obtenção de valores deste parâmetro iguais a 0,9 ou maior, implicava em um

processo de saturação com duração de pelo menos quatro dias. Além de se estimar

o parâmetro B, também se monitorava 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.

d) Cálculo da velocidade de carregamento

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

isotrópico. Durante o tempo de adensamento, coletavam-se os dados de variação

de volume.

Através dos dados obtidos se traçava o gráfico variação volumétrica (ml) vs

raiz do tempo (min0,5). Segundo Head (1986), deve-se fazer o prolongamento do

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 fornece a raiz de t100 (min0,5) no eixo

das abscissas. Logo, com o valor de t100 (min), se calcula a velocidade de

cisalhamento.

Como os ensaios triaxiais realizados foram drenados, a expressão utilizada

(Head, 1986), foi a seguinte:

𝛎 = 𝛆𝐟 .𝐋

𝟏𝟎𝟎 .𝐭𝐟 Equação 1

94

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 o ensaio triaxial do tipo CID é dado por 8,5 vezes o valor

de t100. Contudo, se o valor de tf for menor que 120 min, Head (1986) propõe

utilizá-lo igual a um valor mínimo, que é 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

que haja geraração de excessos de poropressão.

Todos os valores de tf obtidos para os corpos de prova do solo puro e

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

Dessa forma, definiu-se que a ruptura ocorreria a 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, selecionou-se o par de

engrenagens a ser colocado na prensa que forneceria a velocidade desejada. Para

os cálculos foi adotado 18% de deformação máxima.

e) Ruptura dos Copos de Prova

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

parâmetros que são apresentados nos gráficos dos resultados definem-se como:

𝒒 = (𝝈′𝟏− 𝝈′𝟑)

𝟐 Equação 2

95

𝒑′ = (𝝈′

𝟏+𝝈′𝟑)

𝟐 Equação 3

𝐭𝐚𝐧(𝜶′) = 𝒔𝒆𝒏(𝝋′) Equação 4

𝒂′ = 𝒄′. 𝐜𝐨𝐬 (𝝋′) Equação 5

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).