Embed Size (px)
Citation preview
Estudo do Comportamento de Solos Reforçados para Aplicação em Obras Geotécnicas -
Avaliação do Comportamento de Solos Reforçados com Borracha Moída de Pneus
Inservíveis para Aplicação em Obra Geotécnicas
Alunos: Phillipe Campello Senez
Orientadora: Michéle Dal Toé Casagrande
Co-Orientadora: Lucianna Szeliga
Introdução
A crescente demanda por pneus pelas indústrias das mais diversas categorias de
veículos, e em especial a automobilística, vem sendo a maior responsável pelo aumento da
produção e comercialização de pneumáticos em todo o mundo, gerando oconseqüente
aumento do número de pneus inservíveis descartados no montante dosresíduos sólidos
urbanos. Infelizmente, a maioria dos pneus usados ainda não são adequadamente descartados
no meioambiente, sendo muitas vezes dispostos em aterros sanitários, lixões, margens de rios,
terrenos a céu aberto e outros locais não apropriados, sem nenhum critério técnico, resultando
em impactos ao meio ambiente e à saúde humana.
O fato de comumente os solos naturais não preencherem todas as exigências deum
projeto geotécnico, por não possuírem parâmetros de resistência adequados para
suautilização, faz com que cada vez mais se procure por alternativas para a viabilização da
utilização destes em obras geotécnicas. Uma alternativa para se viabilizar técnica e
economicamente a realização de obras de engenharia sobre solos pobres é remover o material
existente no local e substituí-lo por outro com características adequadas ou modificar
melhorar as propriedades do solo existente, de modo a criar um novo material com
características de resistência e deformabilidade adequadas. Dentre os processos para alteração
das propriedades de um solo e aumento de sua resistência, inclui-se o reforço do mesmo com
a inclusão de elementos resistentes.
Dentro desse contexto, o presente trabalho procurou verificar a viabilidade do uso da
borracha moída de pneus inservíveis como material de reforço de solos para aplicação em
obras geotécnicas, como camadas de aterros sanitários para uso como liners de cobertura, por
exemplo, taludes e aterros sobre solos moles. Visto que obrasgeotécnicas consomem um
volume elevado de materiais, a utilização de resíduos como a borracha moída de pneu, se
torna uma aplicação interessante para disposição destes de forma racional.
Objetivos
O objetivo principal desta pesquisa consiste em verificar a viabilidade do
aproveitamento da borracha de pneus inservíveis após processo de trituração, emmisturas
com dois tipos de solo distintos. As misturas solo-borracha serão avaliadaspara utilização em
obras geotécnicas como aterros sanitários, estabilidade de taludes e aterros rodoviários.
Pretende-se alcançar este objetivo através da análise do comportamento físico emecânico dos
solos puros e em mistura com diversas porcentagens de borracha (20,30,40%), a fim de se
obter a melhoria dos parâmetros de resistência dos materiais.
Programa Experimental
O programa de ensaios estabelecidos teve como principal objetivo identificar o efeito
da adição de borracha moída de pneus inservíveis, em diversas porcentagens, nas
propriedades mecânicas de dois tipos de solo com características distintas, para aplicação em
obras geotécnicas. A borracha moída é aplicada como reforço aos mesmos, com o intuito de
se obter melhoria em suas propriedades de resistência e deformabilidade. Para tal,
primeiramente foram realizados ensaios de Caracterização Física do solo puro, evidenciando
os parâmetros que possam se correlacionar com o real desempenho mecânico deste e das
misturas solo-borracha estudadas. Posteriormente, foi realizado o estudo do comportamento
dos materiais através dos resultados dos Ensaios de Caracterização Mecânica. O
desenvolvimento deste programa experimental foi realizado no Laboratório de Geotecnia e
Meio Ambiente da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio).
No presente projeto foram utilizados três distintos tipos de materiais, são eles: solo
argiloso (Figura 1), solo arenoso (Figura 2) e borracha moída de pneu (Figura 3). Trabalhou-
se com os solos puros e misturas destes com as porcentagens de 20, 30 e 40% de borracha de
pneu em relação ao peso do solo seco. O solo argiloso, de origem coluvionar, utilizado no
presente estudo, é procedente do campo experimental da Pontifícia Universidade Católica do
Rio de Janeiro. A coleta foi realizada no mês de Agosto/2011. O solo em questão foi
selecionado para estudo devido à maior facilidade de obtenção, visto que o campo
experimental da PUC-Rio se encontra no próprio campus da universidade. O solo arenoso
utilizado na presente pesquisa é procedente de uma jazida localizada no município de Osório
– RS. O solo em questão foi selecionado para estudo devido à sua caracterização física já ter
sido realizada em outras pesquisas e com o intuito de se comparar o comportamento de um
solo coesivo e não coesivo em mistura com a borracha moída de pneu. A borracha moída de
pneu (ou pó de borracha) utilizada é proveniente da trituração de pneus inservíveis na
composição de 50% em peso de veículos de passeio e 50% de pneus de veículos de carga.
Esta composição é obtida pelo abastecimento de quatro pneus de veículo de passeio para
metade de um pneu de veículo de carga. Este material foi adquirido através da empresa de
reciclagem de pneus Ecobalbo Reciclagem de Pneus S.A.
Figura 2: Solo Arenoso Figura 1: Solo Argiloso
Figura 3: Borracha Moída de Pne
- Misturas Solo-Borracha
Com o objetivo de se determinar um “teor ótimo” para a inserção de borracha moída
como reforço a cada tipo de solo em estudo, foram testadas misturas com três diferentes
teores de resíduo (20, 30 e 40%), calculados em relação ao peso do solo seco. A variação do
teor de borracha utilizado nas misturas, também foi realizada com o intuito de se analisar a
evolução ou retrocesso da melhoria dos parâmetros de resistência do solo, a fim de se chegar
a uma melhoria máxima com o maior volume possível de resíduo, visto que, um dos
objetivos da aplicação deste como reforço ao solo, é dar uma destinação ambientalmente
correta para uma maior quantidade de material.
A quantidade de resíduo adicionado a cada mistura foi calculada em relação à massa
total de solo seco, sendo posteriormente adicionado o volume de água relativo à umidade
desejada para compactação do material. Durante o processo de realização das misturas, todo
o material passou por uma etapa de homogeneização. Quando não ensaiados de imediato, os
corpos de prova foram mantidos em câmara úmida, envoltos por papel filme e
adequadamente ensacados, a fim de se manter a umidade constante e uniforme.
- Métodos e Procedimentos de Ensaio
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;
- Limites de Atterberg;
- Análise granulométrica.
b) Propriedades mecânicas:
- Compactação;
- Cisalhamento Direto;
- Compressão Simples.
- Limites de Atterberg
Os ensaios de limites de liquidez (LL) e de plasticidade (LP), que nos permite
caracterizar a interação solo-água, foram realizados segundo os procedimentos descritos pelas
normas brasileiras NBR 6459 e NBR 7180 (ABNT, 1984), respectivamente. Através dos
dados obtidos por meio destes ensaios, pode-se determinar o Índice de Plasticidade (IP) dos
materiais segundo a equação a seguir:
IP(%) = LL(%) − LP(%)
O Limite de Liquidez é obtido através do teor fechamento de uma ranhura padrão
feita em uma massa deste, colocada na concha de um aparelho normalizado (aparelho de
Casagrande - Figura 4), sob a ação de 25 golps.O Limite de Liquidez (LL) marca a transição
do estado plástico.
O Limite de Plasticidade (LP) é definido como o teor de umidade em que o solo se
rompe quando moldado na forma de um cilindro ao atingir 3 mm de diâmetro (Figura 5). O
ensaio é realizado manualmente por rolamentos repetidos da massa de solo sobre uma placa
de vidro despolida. O Limite de Plasticidade marca a transição do estado plástico para o
estado semi sólido do solo.
Figura 4 - Aparelho Casagrande
Figura 5 - Solo em forma de cilindro
- Massa Específica Real dos Grãos
Para determinação da massa específica dos grãos, foram adotados os procedimentos
descritos segundo a NBR 6508 (ABNT, 1984).
Após execução dos procedimentos para preparação das amostras, colocou quatro
picnômetros aproximadamente 10% de seu volume em massa de solo, o que correspondeu a
25g da amostra de solo em cada picnômetro de 250ml. Posteriormente, adicionou-se água a
este, de forma que o solo ficasse totalmente submerso, e deixou-se o material em repouso por
aproximadamente 12h. Através de uma válvula à vácuo, realizou-se o processo de aeração 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, 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.
A partir dos dados obtidos, foi possível determinar a massa específica dos grãos
segundo a equação a seguir:
s = Wd*Gw/(W1 + Wd - W2)
onde Wd = Peso do solo seco utilizado;
W1 = Peso do picnômetro + água;
W2 = Peso do picnômetro + água + solo;
Gw = Constante de correção para temperatura igual a 22°C.
- Análise Granulométrica
Os ensaios de análise granulométrica, para todos os materiais envolvidos (solo e
borracha moída), foram realizados segundo procedimentos da norma brasileira NBR 7181
(ABNT, 1984). Devido ao fato do solo em questão ser constituído por fração grossa e fina,
realizou-se este ensaio por meio da granulometria conjunta, que engloba as etapas de
peneiramento e sedimentação. Para a etapa de sedimentação, foram realizados ensaios
utilizando-se defloculante (hexametafosfato de sódio).
Para fase de peneiramento, foram usadas peneiras com malhas de diferentes
diâmetros, a fim de se obter a granulometria grossa do solo. Para o ensaio de sedimentação
misturou-se 50g de solo passante na peneira #40, com 125 ml de defloculante, deixando-se o
material em repouso por 24h. Após este tempo, submeteu-se o material à dispersão mecânica,
transferindo-o em seguida para uma proveta de 1000 ml, onde o restante do volume foi
completado com água destilada, se iniciarem as leituras em um densímetro. Após a obtenção
de todas as leituras necessárias, o material foi colocado na peneira #200 e submetido a um
processo de lavagem, sendo levado em seguida à estufa para posterior pesagem.
Figura 6 - Conjunto de Peneiras Figura 7 - Sedimentação
- Ensaio de Compactação
Os ensaios de compactação foram realizados para o solo puro e em mistura com 20,
30 e 40% de borracha moída de pneu, com o intuito de se determinar a umidade ótima de
compactação e o peso específico aparente seco máximo dos materiais. Estes ensaios foram
realizados segundo as diretrizes da norma NBR 7182 (ABNT, 1986), utilizando-se a energia
de compactação Proctor Normal e com reuso de material.
Após secagem do solo em estufa a 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 (puro e com as diversas porcentagens
de borracha) com o volume de água calculado, homogeneizou-se bem o material,
armazenando-o na câmara úmida quando não compactado em seguida, para que não houvesse
perda de umidade. Após preparação das misturas, 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 massa igual a 2,5 kg, que 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). Para se
conseguir uma boa aderência entre as camadas compactadas, escarificou-se bem cada uma
delas antes de se compactar a camada sobrejacente. Em geral, depois de completadas as três
camadas, atinge-se uma altura maior que a do molde, o que ocorre devido a utilização de um
anel complementar, o qual garante se ter a altura total necessária. Este excesso é removido ao
final do ensaio, acertando-se o volume de solo em relação à altura do molde.
Completado o processo de compactação, pesa-se o cilindro juntamente com o
solo. Com o peso total do corpo de prova e o volume do cilindro, é possível se calcular sua
massa
específica. 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. Com a obtenção destes
dois valores, calcula-se a massa específica seca do material. Finalizado 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%. A partir daí, realiza-se uma nova compactação
e obtém-se dessa forma um novo par de valores de umidade (w) e massa específica seca (gd).
Com todos os pontos obtidos, plota-se um gráfico de massa específica versus umidade, tendo-
se então a curva de compactação. Os valores de wótm e gdmáx obtidos correspondem ao
ponto máximo das curvas, e foram utilizados para moldagem dos corpos de prova utilizados
nos ensaios de cisalhamento direto e compressão simples. Todo o processo 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. Para se obter esta curva, o
procedimento se repete de forma que a densidade seca máxima obtida se reduza duas ou três
vezes.
- Ensaio de Cisalhamento Direto
Os ensaios de cisalhamento direto foram realizados para os dois tipos de solo em
estudo, em mistura com 0 (solo puro), 20, 30 e 40% de borracha moída de pneu, com o
intuito
de se determinar a resistência ao cisalhamento do solo através da obtenção dos parâmetros
coesão (c) e ângulo de atrito (ϕ), componentes relacionados à resistência entre as partículas.
Estes ensaios foram realizados segundo os métodos descritos pela norma ASTM D
3080/2004.
Devido às características de cada solo em estudo, estes tiveram métodos de
moldagem
do corpo de prova de maneiras distintas. Dessa forma, a seguir serão descritos separadamente
os métodos de preparação utilizados para cada um destes.
a) Preparação do corpo de prova para o solo argiloso (S):
Para confecção dos corpos de prova do solo S e misturas deste com os diversos
teores de borracha, inicialmente compactou-se um corpo de prova cilíndrico, na energia
Proctor Normal e umidade ótima e massa específica seca máxima, obtidas através do ensaio
de compactação descrito anteriormente. Obtido o material compactado, moldaram-se os
corpos de prova para o ensaio de cisalhamento direto. O procedimento de moldagem consiste
na cravação de um anel metálico, com aproximadamente as mesmas dimensões da caixa de
cisalhamento, no material compactado, de forma uniforme e escavando-se as laterais para
alivio de tensões quando o material apresenta resistência à cravação do anel. É importante
untar as laterais do mesmo com materiais tipo vaselina, para que o corpo de prova não seja
danificado quando transferido para o equipamento. Após cravagem completa no anel, deve-se
nivelar as bases do corpo de prova quadrado, para então transferi-lo ao equipamento. Com a
ajuda de um cap de acrílico, o material é pressionado e o corpo de prova é transferido para a
caixa de cisalhamento.
b) Preparação do corpo de prova para o solo arenoso (SA):
Para confecção dos corpos de prova do solo SA e misturas deste com os diversos
teores de borracha, a compactação do material foi realizada diretamente na caixa de
cisalhamento,
pelo fato da areia ser um material não coesivo e não ser possível moldá-lo fora do
equipamento. Esta compactação foi realizada manualmente, de maneira uniforme, e de modo
que a areia não ficasse muito densa. A umidade ótima e massa específica seca máxima
adotadas foram de 10% e 1,5 g/cm³, respectivamente. Estes parâmetros de compactação
foram os mesmos adotados por Casagrande (2005), que realizou ensaios triaxiais e ring shear
utilizando o mesmo material. Estes valores correspondem a uma densidade relativa de 50% e
índice de vazios de 0,75.
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 a quantidade de água e posteriormente
com as porcentagens de borracha definidas. Com o auxilio de um gabarito para altura
adequada do material no equipamento, fez-se seu ajuste.
Para realização do ensaio, os corpos de prova de ambos os materiais foram
colocados 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,
estando o corpo de prova completo ou parcialmente saturado, possa ocorrer livremente.
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 t100, correspondente a 100% do adensamento, e calcula-se a velocidade
a ser adotada na fase de cisalhamento. Para o solo argiloso, o tempo de adensamento foi
estipulado em 24h; já para o solo arenoso, o adensamento é praticamente imediato, tendo sido
adotado o tempo de 20 minutos, para melhor estipulação da velocidade de ensaio a ser
adotada.
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, 160, 200 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.
- Ensaio de Compressão Simples
Os ensaios de compressão simples foram realizados somente para o solo argiloso e
misturas deste com todas as porcentagens de borracha moída de pneu estudadas. Este ensaio
foi realizado com o intuito de se determinar a resistência à compressão simples e resistência
ao cisalhamento não drenada do material. Devido ao fato de não existirem normas específicas
para a determinação da resistência à compressão simples em soloborracha, os ensaios foram
executados segundo adaptações das normas brasileiras NBR 12025/1986 – Solo Cimento -
Ensaios de Compressão Simples de Corpos de Prova Cilíndricos, e NBR 12770/1992 – Solo
coesivo –Determinação da resistência à compressão não confinada.
Para confecção dos corpos de prova para realização deste ensaio, inicialmente
compactou-se um corpo de prova cilíndrico, na energia Proctor Normal e umidade ótima e
massa específica seca máxima obtidas através do ensaio de compactação. Neste caso,
utilizouse o mesmo cilindro e soquete do ensaio de compactação, devido às menores
dimensões do corpo de prova a ser moldado.
Neste ensaio, o corpo de prova utilizado possui geometria cilíndrica, e suas
dimensões são aproximadamente iguais a 4cm x 8cm (diâmetro x altura), cumprindo-se a
exigência de se ter a relação L/D (altura/diâmetro) entre 2 e 3. Para cada material
compactado, foi possível se obter de 2 a 3 corpos de prova a serem ensaiados. O processo de
moldagem foi realizado com o auxilio de um gabarito, berço (acessório para ajustar as
dimensões do corpo de prova e transferir-lo ao equipamento) e uma espécie de prensa, onde
através da retirada do excesso de material pelas laterais, com o auxilio de uma espátula/régua,
ajusta-se as dimensões do corpo de prova.
Logo em seguida à moldagem dos corpos de prova, estes foram transferidos ao
equipamento com o auxilio do berço. Para uma maior representatividade dos resultados,
foram realizados ensaios para 3 corpos de prova por mistura.
A realização do ensaio consiste na aplicação de uma tensão axial ao corpo de
prova, sem que haja a aplicação de uma tensão de confinamento, observando-se a deformação
axial correspondente aos vários níveis de tensão aplicada. O valor obtido para a tensão
aplicada no momento da ruptura do corpo de prova é referente à resistência à compressão não
confinada.
Resultados e Discussões
Neste capítulo serão apresentados os resultados e análises dos ensaios descritos
anteriormente, para as amostras dos dois tipos de solo em estudo, e misturas destes com as
porcentagens de borracha moída de pneu pré-definidas.
- ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO FÍSICA
a) Solo Argiloso
- Limites de Atterberg
Os limites de consistência (ou limites de Atterberg) são fundamentais para a
análise do comportamento de solos finos para a engenharia. O estado onde o solo apresenta
um comportamento plástico (permitindo-o ser moldado) está delimitado pelo Limite de
Liquidez (LL), que marca a transição do estado plástico ao estado líquido do solo, e pelo
Limite de Plasticidade, que corresponde ao teor de umidade em que o solo passa do estado
semi-sólido para o estado plástico.
Os resultados do Limite de Plasticidade e Limite de Liquidez do solo puro podem
ser observados na Tabela 1 e Figura 8, respectivamente.
Tabela 1 - Resultados obtidos para o Limite de Plasticidade.
Ensaio 1 2 3 4
Umidade (%) 38,2 39,8 35,22 39
Umidade Média (%) 39
Figura 8 – Gráfico de determinação do Limite de Liquidez.
Através dos resultados obtidos, tem-se que o Limite de Liquidez do solo é i gual a
53% e o Limite de Plasticidade igual a 9%, resultando em um Índice de Plasticidade (IP = LL
– LP), que exprime o grau de argilos idade da fração fina, igual a 14%. De acordo com Das
(2007, a pud Burmister, 1949), o IP de um solo pode ser classificado qualitativamente
conforme a Tabela 2 a seguir:
Tabela 2 – Classificação d o Índice de Plasticidade (Das, 2007 apud Burmister, 1949).
IP Descrição
0 Não -plástico
1 – 5 Ligeiramente plástico
5 – 10 Plasticidade baixa
10 – 20 Plasticidade média
20 - 40 Plasticidade alta
>40 Plasticidade muito alta
- Massa Específica Real dos Grãos (Gs)
O peso específico real dos grãos consiste na relação entre massa e volume dos
grãos. O ensaio consiste na determinação do volume do material sólido de massa conhecida,
de forma com que o volume de vazios seja excluído. Este ensaio foi realizado somente para o
solo puro, obtendo-se valor de Gs igual a 2,65.
De acordo com Venkatappa & Dutta (2004, apud Ahmed, 1993; Edil & Bosscher,
1994; Foose et al., 1996), o peso específico de tiras de pneus varia entre 1,02 e 1,26,
dependendo da quantidade de resíduo de aço presente no material. Para borracha com
conteúdo de metal, tem-se um valor médio igual a aproximadamente 1,22, e para o material
puro, este se aproxima de 1,15.
Os valores encontrados na literatura para a borracha de pneu, e o valor obtido para
o peso específico do solo em questão, mostram que provavelmente há um decréscimo do Gs à
medida que se adiciona maior porcentagem de borracha moída ao solo, evidenciando que o
resíduo pode ser utilizado de fato como material leve.
-Análise Granulométrica
O ensaio de análise granulométrica foi realizado para o solo puro e borracha
moída de pneu em estudo. Este ensaio tem por finalidade a obtenção das frações constituintes
do solo e sua classificação a partir destas. A Figura 9 apresenta as curvas granulométricas
obtidas para os materiais individualmente.
Figura 9 – Curvas granulométricas obtidas para o solo puro e borracha moída em estudo.
Através das curvas obtidas, apresentam-se na Tabela 3 os resultados da análise
granulométrica do solo puro e borracha de pneu, classificando-se cada fração constituinte dos
materiais de acordo com o diâmetro dos grãos.
Segundo o Sistema Unificado de Classificação dos Solos (SUCS), o solo em
estudo é classificado como CH, correspondente a uma Argila Arenosa de média plasticidade.
Para a borracha moída de pneu, observa-se a predominância de partículas
correspondentes ao tamanho da fração areia de solos, o que confirma a aparência granular do
material.
Tabela 3 – Resultados das análises granulométricas do solo puro e borracha de pneu.
Material Argila (%) Silte (%)
Areia (%)
Pedregulho (%)
Fina Média Grossa
Solo (S) 56,8 6,2 10,8 16,5 8,6 1,0
Borracha 0 0 2,2 16,5 81,1 0,2
b) Solo Arenoso
A caracterização física do solo arenoso utilizado no presente estudo foi obtida por
Casagrande (2005), que utilizou o mesmo em sua pesquisa. Segundo a autora, este material
caracteriza-se por ser uma areia fina, limpa e de granulometria uniforme. De acordo com
Casagrande (2005, apud Spinelli, 1999), o material apresenta o mineral quartzo em 99% de
sua composição mineralógica, sendo o restante composto por glauconita, ilmenita, turmalina
e magnetita. Durante a caracterização do material não se observou a presença de matéria
orgânica. A curva granulométrica obtida para o solo puro pode ser observada na Figura 10, e
os índices físicos do material são apresentados na Tabela 4.
De acordo com o Sistema Unificado de Classificação dos Solos (SUCS), as areias
com menos de 5% de finos, apresentando Cu < 6 e/ou 1 > Cc > 3, como o material em
questão, são classificadas como SP, se tratando então de uma Areia mal-graduada.
Figura 10 – Curva granulométrica do solo arenoso (Fonte: Casagrande, 2005).
Tabela 4 – Índices físicos do solo arenoso (Fonte: Casagrande, 2005).
Índices Físicos Solo Arenoso
Densidade real dos grãos (Gs) 2,63
Coeficiente de uniformidade (Cu) 2,1
Coeficiente de curvatura (Cc) 1,0
Diâmetro efetivo (D10) 0,09 mm
Diâmetro médio (D50) 0,16 mm
Índice de vazios (emínimo) 0,6
Índice de vazios (emáximo) 0,9
- ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA
a) Solo Argiloso
- Ensaios de Compactação
Os ensaios de compactação foram realizados para o solo puro e em mistura com
20, 30 e 40% de borracha moída de pneu, com o intuito de se determinar a umidade ótima de
compactação (wótm) e o peso específico aparente seco máximo (γdmáx) do solo e mistura deste
com os diversos teores de borracha, utilizando-se a energia de compactação Proctor Normal e
com reuso de material, obtendo-se corpos de prova de dimensões 10 cm x 12,7 cm (diâmetro
x altura).
Na Figura 11, apresentam-se as relações existentes entre as variações do peso
específico aparente seco máximo (g/cm³) e umidade ótima (%) e teor de borracha, onde se
pode observar que tanto na curva de compactação do solo puro, como em suas respectivas
misturas, são percebidas γdmáx e wótm bem definidos. Na Tabela 5 é apresentado um resumo
dos valores de umidade ótima (wótm) e peso específico aparente seco máximo (γdmáx) obtidos.
Figura 11 – Curvas de compactação do solo puro e misturas solo-borracha.
Tabela 5 – Resultados dos ensaios de compactação.
Material/Mistura wótm (%) γdmáx (g/cm³)
S 26,3 1,555
S80/B20 22,5 1,420
S70/B30 22,0 1,343
S60/B40 22,3 1,310
Através dos resultados obtidos, observa-se que a inserção da borracha diminui o
peso específico aparente seco máximo do material, e que esse valor decresce à medida que o
teor de borracha das misturas aumenta. Para a umidade ótima observa-se o mesmo
comportamento.
Al-Tabbaa et al. (1997), ao realizar seu estudo em misturas solo argiloso-
borracha, obteve o mesmo comportamento para o peso específico aparente seco máximo do
material, onde também se observa a diminuição destes valores com o acréscimo de borracha.
De acordo com Cetin et al. (2006), a diminuição dos valores do peso específico
aparente seco máximo representa um bom potencial de uso para a borracha de pneus como
material de enchimento leve. Em sua pesquisa, o autor também utilizou a energia Proctor
Normal de compactação para realização dos ensaios, e os resultados obtidos também se
assemelham aos do presente estudo.
- Ensaios de Cisalhamento Direto
Os ensaios de cisalhamento direto foram realizados para o solo puro e em mistura
com 20, 30 e 40% de borracha moída de pneu, aplicando-se tensões verticais iguais a 50, 160,
200 e 300 kPa, com o intuito de se determinar os parâmetros de resistência ao cisalhamento
(coesão e ângulo de atrito) do solo puro e misturas. Para realização deste ensaio, os corpos de
prova foram moldados na condição de umidade ótima e peso específico aparente seco
máximo determinados através do ensaio de compactação.
Devido ao fato do ensaio de cisalhamento direto ser sempre drenado (não
havendo controle da drenagem), este deve ser executado lentamente, a fim de impedir o
estabelecimento de pressões neutras nos poros da amostra. A condição drenada implica na
total dissipação de poro-pressões durante o cisalhamento, que em solos arenosos, devido sua
alta permeabilidade, ocorre rapidamente; já em solos argilosos, é necessário uma velocidade
baixa de deformação, para aumentar o tempo de ensaio. Por este motivo, observa-se que os
ensaios ocorreram durante um longo tempo, diferentemente do solo arenoso, como será visto
mais à frente.
Durante a realização dos ensaios, foram feitas leituras de 3 medidas, sendo estas:
deslocamento horizontal, deslocamento vertical e tensão cisalhante. Através desses dados,
foram plotados os gráficos de deslocamento horizontal vs tensão cisalhante, apresentados na
Figura 12.
Figura 12 – Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal (solo argiloso).
Analisando-se os gráficos da Figura 14, pode-se observar que tanto para o solo
puro, como para as misturas solo-borracha, as curvas não apresentam um pico de ruptura bem
definido, não sendo então possível estipular o momento no qual ocorre a ruptura. Dessa
forma, devido às limitações do equipamento a um deslocamento máximo, para obtenção dos
valores da tensão cisalhante máxima em todas as misturas, foi feita uma extrapolação
das curvas, a fim de se obter este valor em torno de 18 mm de deslocamento. Dessa
forma, na Tabela 6 apresentam-se os dados da tensão normal e cisalhante no ponto
correspondente ao deslocamento de 18 mm, para todas as amostras.
Tabela 6 – Dados de tensão normal e cisalhante no deslocamento horizontal de 18 mm.
Mistura S S80/B20 S70/B30 S60/B40
σ (kPa) 50 160 300 50 160 300 50 200 50 160 300
τmáx (kPa) 40 110 165 50 110 190 52 142 49 130 206
Segundo o critério de ruptura de Mohr-Coulomb, ao se plotar os pares de
tensão cisalhante e tensão normal em um gráfico, obtém-se as envoltórias de ruptura, cujo
intercepto com o eixo y, da tensão cisalhante máxima, nos dá o valor da coesão (c), e o
ângulo que a reta faz com a horizontal representa o ângulo atrito (parâmetros da
resistência ao cisalhamento do solo). A Figura 13 apresenta as envoltórias de ruptura para
o solo puro e mistura deste com as diversas porcentagens de borracha.
Figura 13 – Envoltórias de ruptura (solo argiloso).
A Tabela 7 apresenta os resultados obtidos para os parâmetros de resistência do
solo puro e misturas. Através dos resultados obtidos, observa-se que a inserção da borracha
moída de pneu ao solo gera um aumento nos parâmetros de resistência deste. O teor de 20%
de borracha, apesar de apresentar melhorias, se mostrou inferior aos teores de 30 e 40%.
Segundo Benedetti (2011, apud Atkinson, 1993), para solos ou sedimentos com
granulometria fina, o ângulo de atrito aumenta com a diminuição da plasticidade, fato que
pôde ser observado, à medida que o aumento do teor de borracha contribui com a
diminuição da plasticidade do solo em questão.
Tabela 7 – Valores dos parâmetros de resistência.
Mistura S S80/B20 S70/B30 S60/B40
c (kPa) 20,81 21,38 22 22,3
φ (graus) 26,3 29,3 31 32
Tais resultados mostram a viabilidade de se utilizar a borracha moída de pneu
como reforço de solos em obras geotécnicas, uma vez que elevam os parâmetros de
resistência. No caso do solo em estudo, a adição de 40% de borracha se apresentou
melhor quando comparado com o solo puro e as outras misturas, o que contribui para
destinação de um volume maior de resíduo.
Os resultados vistos na presente pesquisa, se assemelham aos obtidos por Cetin et
al. (2006), que estudou o melhoramento de um tipo de solo argiloso quando reforçado
com borracha de pneus com uma granulometria fina e grossa. Os resultados dos
ensaios de cisalhamento direto realizados pelo autor, indicaram que as misturas com até
20% de pneu com granulometria grossa e 30% com granulometria fina, apresentaram
características de alta resistência ao cisalhamento (maior que o solo argiloso puro),
apresentando valores de coesão e ângulo de atrito interno mais elevados, tornando adequado
o uso das misturas como material de preenchimento. Segundo o autor, tais misturas
poderiam ser utilizadas acima do lençol freático, onde o baixo peso, baixa
permeabilidade e alta resistência são necessárias, ao se tratar de obras como aterros
rodoviários e estruturas de contenção, principalmente quando as obras são construídas sob
solos fracos.
De acordo com Özkul & Baykal (2007), pesquisas sobre misturas de argila e
“fibra” de borracha não possuem ainda um estudo extenso e que descreva o
comportamento e interações entre os materiais. Segundo os autores, mesmo que o
comportamento referente à resistência ao cisalhamento de solos granulares e
coesivos sejam fundamentalmente diferentes, grande parte do conhecimento
adquirido sobre o comportamento de solos granulares reforçados com fibras pode ser
relevante para se entender o comportamento de solos argilosos reforçados. Porém, ainda
há a necessidade de se estudar mais a fundo o comportamento das misturas solo-
borracha com solos argilosos.
Este tipo de ensaio possui a vantagem de ser de simples execução, porém
contém algumas deficiências inerentes. O fato de se impor a superfície de ruptura, não
permitindo que o solo rompa ao longo do plano mais fraco, pode ocasionar erros nos
resultados. Além disso, a distribuição da resistência ao cis lhamento sobre a superfície de
cisalhamento do corpo de prova não ocorre de forma uniforme. De acordo com Das
(2007), apesar das deficiências encontradas nestes ensaios, eles se mostram viáveis para
um solo arenoso seco ou saturado. No caso de solos argilosos, a realização de ensaios
triaxiais seria melhor aplicado, permitindo se ter uma melhor compreensão do
comportamento destes materiais.
- Ensaios de Compressão Simples
Os ensaios de compressão simples foram realizados para o solo puro e em
mistura com 20, 30 e 40% de borracha moída de pneu, com o intuito de se determinar a
resistência à compressão simples e resistência ao cisalhamento não drenada do
material.Para realização deste ensaio, os corpos de prova foram moldados na condição de
umidade ótima e peso específico aparente seco máximo determinados através do ensaio
de compactação. Foram realizados trê ensaios para cada mistura, a fim de se obter um
resultado mais representativo.
Durante a realização dos ensaios, observou-se que o corpo de prova do solo puro
começa a romper através de fissuras no centro, que se estendem de cima para baixo e
viceversa, não apresentado um plano de ruptura bem definido. Já para o solo-borracha, o
corpo de prova não se desfaz no centro e apresenta um plano de ruptura bem definido,
ocorrente na lateral.
b) Solo Arenoso
Para o solo arenoso foram realizados somente ensaios de cisalhamento direto.
Como já citado, por se tratar de um material granular, cujas características não permitem sua
moldagem fora do equipamento, sua compactação foi realizada diretamente na caixa de
cisalhamento, de forma manual e uniforme. Neste caso, adotou-se os valores de 10% para
umidade ótima, e 1,5 g/cm³ para o peso específico seco máximo do material. Estes
parâmetros de compactação foram os mesmos utilizados por Casagrande (2005), que realizou
ensaios triaxiais e ring shear com o mesmo material.
Para o solo arenoso, os ensaios de cisalhamento direto foram realizados para o
solo puro e em mistura com 20, 30 e 40% de borracha moída de pneu, aplicando-se tensões
verticais iguais a 50, 160 e 300 kPa, com o intuito de se determinar os parâmetros de
resistência ao cisalhamento (coesão e ângulo de atrito) do solo puro e misturas.
Como dito anteriormente, a condição drenada que se tem durante a execução do
ensaio de cisalhamento direto, implica na total dissipação de poro-pressões durante o
cisalhamento, que em solos arenosos, devido sua alta permeabilidade, ocorre rapidamente,
permitindo-se então obter os resultados em termos de tensões efetivas. Como se pode
observar, a velocidade e tempo do ensaio para as misturas com areia ocorreram rapidamente,
tendo sido adotado um tempo de 20 minutos na fase de adensamento para se determinar com
maior precisão a velocidade a ser adotada. Cabe ressaltar que para solos arenosos, essa
velocidade não influencia em grande proporção nos resultados da resistência ao cisalhamento,
diferentemente dos solos argilosos.
Seguindo os mesmos procedimentos utilizados na execução dos ensaios com o
solo argiloso, já descritos, foram obtidos os dados e plotados os gráficos de deslocamento
horizontal vs tensão cisalhante, apresentados na Figura 14.
Analisando-se os gráficos da Figura 14, pode-se observar que, assim como no
solo argiloso, as curvas não apresentaram um pico de ruptura bem definido, não sendo então
possível estipular o momento no qual ocorre a ruptura. Dessa forma, para obtenção dos
valores da tensão cisalhante máxima, estipulou o ponto referente a 14 mm de deslocamento
para obtenção dos dados. Assim, na Tabela 8 apresentam-se os valores da tensão normal e
cisalhante no ponto correspondente ao deslocamento de 14 mm, para todas as amostras.
Figura 14 – Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal (solo arenoso).
Tabela 8 – Dados de tensão normal e cisalhante no deslocamento horizontal de 14
mm.
Mistura
SA
SA80/B20
SA70/B30
SA60/B40
σ (kPa)
50
160
300
50
160
300
50
160
300
50
160
300
τmáx (kPa)
22
116
206
30
108
203
38
111
193
37
97
180
Através dos dados apresentados na Tabela 11 foram obtidas as envoltórias de
ruptura apresentadas na Figura 15, para o solo puro e misturas com as diversas
porcentagens de borracha.
A Tabela 9 apresenta os resultados obtidos para os parâmetros de
resistência do solo arenoso puro e misturas.
Através dos resultados obtidos, observa-se que a inserção da borracha moída
de pneu ao solo gerou um aumento significativo no valor da coesão do material, porém
causou um pequeno decréscimo no ângulo de atrito interno do mesmo.
Comparando-se os valores dos parâmetros de resistência do solo arenoso puro
obtidos por Casagrande (2005), tanto através dos ensaios triaxiais, como ring shear, com o
resultado obtido na presente pesquisa, observa que estes se mostraram próximos. A Tabela 10
apresenta os resultados dos parâmetros de resistência obtidos por Casagrande (2005).
Figura 15 – Envoltórias de ruptura (solo arenoso).
Tabela 9 – Valores dos parâmetros de resistência.
Mistura SA SA80/B20 SA70/B30 SA60/B40
c’ (kPa) 0 1,56 8,86 7,27
φ’ (graus) 34,6 33,7 31,7 29,8
Tabela 10 - Comparação entre os parâmetros de resistência do solo puro obtidos em
diferentes ensaios.
Mistura c' (kPa) φ’ (graus) Ensaio
SA 0 33,7 Triaxial*
SA 0 26 Ring Shear*
SA 0 34,6 Cisalhamento Direto**
*Parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo arenoso puro, obtidos por Casagrande
(2005).
**Parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo arenoso puro, obtidos no presente
estudo.
Levando-se em consideração os resultados obtidos através do ensaio ring
shear, que se assemelha aos ensaios de cisalhamento direto em diversos aspectos, as misturas
solo-borracha da presente pesquisa apresentaram um acréscimo significativo nos valores
tanto da coesão, como o ângulo de atrito, se mostrando superiores ao solo puro. O valor do
ângulo de atrito obtido através do ensaio triaxial se mostrou igual ao apresentado para a
mistura com 20% de borracha.
Dessa forma, observa-se que a inserção da borracha moída de pneu ao solo
gerou melhoria nos parâmetros de resistência do mesmo. Para os três teores de borracha
analisados foram obtidos resultados satisfatórios, podendo-se aplicar 30 ou 40% de borracha
como um “teor ótimo”, uma vez que geram o melhoramento do solo e permitem a disposição
de um maior volume de resíduos.
Conclusão A partir dos resultados obtidos e analisados nesta pesquisa, observou-se que as
misturas com inserção de borracha moída de pneus inservíveis apresentaram um
comportamento mecânico compatível com as exigências de projetos geotécnicos. De todos os
teores de borracha estudados como reforço do solo nesta pesquisa, pode-se considerar o teor
de 40% como um “teor ótimo”, uma vez que aumentou em cerca de 20% os valores dos
parâmetros de resistência do solo argiloso puro, e cerca de 12% os valores do solo arenoso
puro, contribuindo também para a destinação de um volume maior deste resíduo.
Os resultados obtidos foram satisfatórios, sendo dependentes do teor de
borracha adicionado, onde se observa uma melhoria no comportamento mecânico do material
reforçado em relação ao solo puro, demonstrando-se a viabilidade da utilização deste resíduo
como reforço de solos em obras geotécnicas, como por exemplo, camadas de aterros
sanitários, taludes e aterros sobre solos moles, contribuindo para um melhor desempenho do
material, eliminando problemas atuais de disposição de resíduos em lixões e aterros
sanitários, dando um fim mais nobre a este material e promovendo tanto uma destinação
ambientalmente correta para os pneus inservíveis, como o desenvolvimento de um novo
material geotécnico, contribuindo para a diminuição dos custos em obras e exploração de
recursos naturais, atendendo a critérios ambientais, técnicos, econômicos e sociais.
Referências
AHMED, I., LOVELL, C. W. (1993) Rubber Soils as Lightweight Geomaterials.
Transportation Research Record n° 1422, TRB, Washington, D.C., p. 61–70.
AL-TABBAA, A., BLACKWELL, O., PORTER, A. (1997) An Investigation Into The
Geotechnical Properties of Soil-Tyre Mixtures. Environmental Technology, Vol.:18, p.
855 – 860.
AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. (2008) ASTM D 6270:
Standard practice for use of scrap tires in civil engineering applications. West
Conshohocken/Pa.
AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. (2004) ASTM D 3080:
Standard Test Method for Direct Shear Test of Soils Under Consolidated Drained
Conditions. West Conshohocken/Pa.
ANIP (2011) Associação Nacional da Indústria de Pneumáticos. < http://www.anip.com.br >
Acesso em: 22 jul. 2011.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. (1984) ABNT NBR 7181: Solo
– Análise granulométrica. Rio de Janeiro/RJ.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. (1984) ABNT NBR 6459: Solo
– Determinação do limite de liquidez. Rio de Janeiro/RJ.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. (1984) ABNT NBR 7180: Solo
– Determinação do limite de plasticidade. Rio de Janeiro/RJ.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. (1984) ABNT NBR 6508: Grãos
de Solo que passam na Peneira 4,8mm – Determinação da Massa especifica. Rio de
Janeiro/RJ.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. (1986) ABNT NBR 6457:
Amostras de solo – Preparação para ensaios de compactação e ensaios de caracterização. Rio
de Janeiro/RJ.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. (1986) ABNT NBR 7182: Solo
– Ensaio de Compactação. Rio de Janeiro/RJ.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. (2004) ABNT NBR 10004:
Resíduos Sólidos – Classificação. Rio de Janeiro/RJ.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. (1986) ABNT NBR 12025: Solo
cimento. Ensaios de Compressão Simples de Corpos de Prova Cilíndricos. Rio de Janeiro/RJ.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. (1992) ABNT NBR 12770: Solo
coesivo. Determinação da resistência à compressão não confinada. Rio de Janeiro/RJ.
BENEDETTI, P. E. (2011) Caracterização Geoambiental dos Sedimentos da Lagoa de
Jacarépaguá – RJ. Dissertação (Mestrado em Enenharia Civil/Geotecnia) – Pontifícia
Universidade Católica do Rio de Janeiro, PUC-Rio, Rio de Janeiro/RJ
CETIN, H., FENER, M., GUNAYDIN, O. (2006) Geotechnical properties of tire-cohesive
clayey soil mixtures as fill material. Engeneering Geology, Vol.: 88, p. 110-120.
CASAGRANDE, M. D. T. (2005) Comportamento de Solos Reforçados com Fibras
Submetidos a Grandes Deformações. Tese (Doutorado em Engenharia Civil/Geotecnia) -
Universidade Federal do Rio Grande do Sul – PPGEC/UFRGS, Porto Alegre/RS. DAS, B.
M. (2007) Fundamentos de Engenharia Geotécnica. 6ª Edição. Tradução All Tasks – São
Paulo: Thomson Learning.
EDIL, T. B., BOSSCHER, P. J. (1994) Engineering properties of tire chips and soil
mixtures. Geotechincal Testing Journal, ASTM, 17(4), 453–464.
FOOSE, G. J., BENSON, C. H., BOSSER, P. J. (1996) Sand reinforced with shredded
waste tires. Journal of Geotechincal Engineering Division, ASCE, 122(9), 760–767.
GHAZAVI, M. (2004) Shear strength characteristics of sand-mixed with granular
rubber. Geotechnical and Geological Engineering 22, p. 401-416.
ÖZKUL, Z. H., BAYKAL, G. (2007) Shear Behaviour of Compacted Rubber Fiber-Clay
Composite in Drained and Undrained Loading. Journal of Geotechnical and
Geoenvironmental Engineering, ASCE, Jul/2007: p. 187-781.
YOON, S., PREZZI, M., NAYYAR, Z. S., KIM, B. (2005) Construction of a test
embankment using a sand-tire shred mixture as fill material. Waste Management,
Vol.:26, p. 1033-1044.
