Aplicabilidade de Novos Materiais Geotécnicos Visando o Reforço de Solos

“Estudo experimental de bentonita reforçada com resíduo de PET triturado”

Aluna: Yasmine Ghazi

Orientadora: Michéle Dal Toé Casagrande

Co-orientadora: Nathalia dos Santos Lopes Louzada

Introdução

O consumo de garrafas PET na sociedade atual é algo extremo. A destinação final das

mesmas vem se tornando um problema difícil a ser solucionado, uma vez que ocupam um

espaço muito grande de armazenamento e levam em torno de 500 anos para se decomporem.

Pelo fato das garrafas recicladas não poderem ser reutilizadas em contato com bebidas,

alimento, remédios, brinquedos e materiais hospitalares, seu reuso fica ainda mais restrito,

aumentando o descarte final do produto. Sendo assim, uma alternativa para utilização desse

resíduo é um benefício a toda sociedade. Na figura 1 abaixo podemos ver um gráfico da

reciclagem da PET no Brasil.

A preocupação com as questões ambientais, mais precisamente com a destinação final

dos resíduos sólidos urbanos, vem impondo às autoridades e empresas maneiras de se reduzir

esse impacto. Tais medidas se retratam em leis, políticas públicas e desenvolvimento de

novas tecnologias que solucionem a questão. Nesse sentido que temos a inserção dos

resíduos, como material alternativo, nos trabalhos geotécnicos, contribuindo para redução do

consumo de recursos naturais, queda dos custos e investimentos em pesquisa e infraestrutura.

Para garantir uma nova possibilidade de destino a PET, faz-se necessário que o

comportamento mecânico da mistura, assim como suas características físicas, químicas e

ambientais sejam estudadas. Dentro desse contexto, o presente trabalho procurou verificar a

viabilidade dos resíduos de PET como material de reforço de solos para aplicação em obras

geotécnicas, como em estabilização de encostas, taludes e aterros sobre solos moles.

Figura 1 – reciclagem de PET no Brasil

Objetivo

O objetivo principal desta pesquisa consiste em avaliar a influência da inserção dos

resíduos de PET como reforço de solo (Bentonita). Para isso, foi feito caracterização física e

química do solo e das misturas, através de ensaios de laboratório padronizados, além de

análises dos seus respectivos comportamentos mecânicos. Este se resumiu em ensaios de

cisalhamento direto da bentonita pura e das misturas com diferentes proporções de PET

triturado. Através da análise desses resultados se pretende obter os melhores parâmetros para

se conseguir o reforço do solo e ainda, propor novas pesquisas na área para aumentar o

conhecimento do uso da PET para melhoria do comportamento dos solos.

Programa Experimental

Foram utilizados dois tipos de materiais distintos, sendo estes: Bentonita (Figura 2) e

PET triturado (Figura 3). A bentonita sódica usada nesse estudo pode ser classificada como

argila, foi comprada no Rio de Janeiro. O PET triturado é resultado do processo de moagem

realizado no laboratório de estruturas e materiais da PUC-Rio. Seu processo de moagem pode

ser dividido em 4 etapas:

1- As garrafas PET foram higienizadas e cortaram-se as partes superior e inferior da

garrafa, sobrando apenas a casca lateral. As garrafas foram introduzidas na

maquina de moagem ate se atingir o tamanho adequado.

2- O material foi novamente moído ate um tamanho inferior a 10mm de diâmetro.

3- Agora a moagem exigia um diâmetro máximo de 2mm.

4- Chegando no tamanho final de 1mm de diâmetro.

Em cada etapa as moagens foram repetidas a fim de conferir homogeneidade ao

material

Figura 2- bentonita

Figura 3 – PET triturado

Trabalhou-se com o solo puro e com misturas destes nas seguintes proporções: 3 e 5%

de PET triturado. As porcentagens são em relação ao peso do solo seco.

O principal propósito desse programa experimental era obter as caracterizações física,

química e mecânica do solo usado para saber seus parâmetros e analisar a influência da PET

para melhoria do mesmo.

Os ensaios de caracterização física foram feitos no laboratório de geotecnia e meio

ambiente da PUC-Rio, seguindo as normas da ABNT. Para a bentonita os ensaios seguiram

as seguintes normas: NBR 6457/1986, NBR 7181/1984, NBR 6508/1984, NBR 6459/1984,

NBR 7180/1984. Para o PET triturado não houve ensaio, pois este foi considerado um

material inerte.

O ensaio de caracterização mecânica citado acima foi o de cisalhamento direto. Tanto

para a bentonita pura quanto para a mistura bentonita-PET, a compactação foi feita

manualmente dentro da caixa de cisalhamento. As amostras de bentonita foram feitas com

170% de umidade, correspondente a um volume de vazios de 4,93. Para manter a proporções

corretas, se calculou a quantidade de material seco que seria colocada na caixa de

cisalhamento. Em seguida realizando-se com a mistura, com as quantidades de água e PET

adequadas. O equipamento utilizado para o ensaio de cisalhamento direto segue mostrado na

figura 4 abaixo.

A resistência do solo é medida através dos parâmetros: coesão (c) e ângulo de atrito

(ᶲ). Os testes seguiram os métodos descritos pelo padrão ASTM D 3080/2004. O solo puro e

as misturas foram testadas sob dois valores de tensão normal: 50MPa e 100MPa.

Figura 4 – teste de cisalhamento direto

Para avaliar a interação das partículas foi realizado um teste com um microscópio

eletrônico de varredura, de magnitude de 30.000 vezes – modelo TM-3000 from Hitachi, no

departamento de engenharia de materiais da PUC-RIO. Esse teste produz imagens de

amostras através do feixe de elétrons. Os elétrons interagem com os átomos na amostra,

produzindo sinais que podem ser detectados e que contem informações sobre as superfícies

topográfica e composição da amostra.

Testes de caracterização fisica

a) Para bentonita :

NBR 6457/1986 – preparação para ensaio de compactação e caracterização do solo.

NBR 7181/1986 – analise do tamanho de grão

NBR 6508/1986 – determinação da massa especifica do solo.

NBR 6459/1986 – limite de liquidez

NBR 7180/1986 – limite de plasticidade

- 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 fechamento de uma ranhura padrão feita

em uma massa deste, colocada na concha de um aparelho normalizado (aparelho de

Casagrande - Figura 5), 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 5 - Aparelho Casagrande

- Massa Específica Real dos Grãos

Para determinação da massa específica dos grãos, seriam adotados os procedimentos

descritos segundo a NBR 6508 (ABNT, 1984), porem como a bentonita apresenta um

tamanho de grão muito fino, a água adicionada ao picnometro não conseguiu penetrar e

umedecer os 25g de solo, alem do fato de ser um solo expansivo que ficou preso na parede do

picnometro formando caroços. Por tanto usou-se um método alternativo desenvolvido por

Calheiros -2013 , descrito abaixo:

1) Usar massa de 10g de solo.

2) Para evitar os problemas listados acima, colocar o solo no picnometro já com água

incorporada.

3) Misturar por 30 minutos com auxilio de aparelho de ultrassom.

4) Remover ar aplicando vácuo .

- Análise Granulométrica

Os ensaios de análise granulométrica, para todos os materiais envolvidos (bentonita

e bentonita com PET triturada ), foram realizados segundo procedimentos da norma brasileira

NBR 7181 (ABNT, 1984). Podemos ver na figura 6 abaixo uma imagem ilustrativa do

conjunto de peneiras utilizado nesse ensaio. Houve problemas pois muito material ficou

retido na parede, causando perda de material. Na etapa de sedimentação, o hexametafosfato

de sódio que deveria agir como defloculante, não agiu, gerando mais um problema.

Para solução 125 ml de hexametafosfato de sódio foram misturados a 200 ml de água e 50 g

de bentonita. A mistura descansou por 24h e o teste foi realizado. Todo o material passou da

peneira #200 .

Figura 6 – conjunto de peneiras

Resultados e Discussões

Neste capítulo serão apresentados os resultados e análises dos ensaios descritos

anteriormente, para as amostras de bentonita pura e mistura da mesma com 3 e 5% de PET

triturado.

a) Bentonita

-massa especifica:

o valor da massa especifica da bentonita foi obtido através de media aritmética das

determinações, a variação máxima foi de 1,1%. Seu valor encontrado foi de 2,90.

- curva granulométrica:

A curva granulométrica da bentonita foi feita através do teste de sedimentação e se apresenta

na figura 7 a seguir.

Figura 7 – distribuição granulométrica da bentonita

-limite de atterberg

Para a bentonita, os resultados de laboratório indicaram um limite de liquidez de 368,4% e

limite de plasticidade de 53,7%. O que resulta em um índice de plasticidade IP=LL-PL igual

a 314,7%

b) Bentonita e PET triturado

Tensão de cisalhamento e deslocamento vertical x deslocamento axial

Para mistura com 3% de PET triturado:

Na figura 8 as curvas de tensão de cisalhamento e deslocamento vertical versus deslocamento

axial são apresentadas , o que corresponde ao ensaio de cisalhamento direto com a mistura de

bentonita e 3% de PET triturado, sob tensão de 50 e 100kPa.

Figura 8- ensaio de cisalhamento direto: bentonita e mistura a 3%

Para a mistura a 5% de PET triturado:

Na figura 9 as curvas de tensão de cisalhamento e deslocamento vertical versus deslocamento

axial são apresentadas , o que corresponde ao ensaio de cisalhamento direto com a mistura de

bentonita e 5% de PET triturado, sob tensão de 50 e 100KPa.

Figura 9 – ensaio de cisalhamento direto : bentonita e mistura a5%

Influencia da quantidade de PET triturado na bentonita:

O comportamento da tensão desviadora e deslocamento vertical versus deslocamento axial,

que corresponde ao ensaio de cisalhamento direto realizado com a bentonita e as misturas

esta apresentado da imagem a seguir(figura 10) :

Figura 10 – ensaio de cisalhamento direto :bentonita, 3%, 5%

Observa-se que na tensão vertical de 50 kPa, o solo puro apresenta menores picos de forca do

que as misturas, e o pico ocorre um pouco antes. A mistura a 5% apresenta para ambos as

tensões verticais uma maior melhora da capacidade do solo, atingindo valores de tensão de

cisalhamento maiores do que a bentonita pura e a mistura a 3%. Após o pico, a mistura a 3%

atingiu o mesmo valor que a bentonita pura para tensão residual em aproximadamente 4 mm

de deslocamento, e a tensão residual de mistura a 3% começou a ficar menor do que do solo

puro. A mistura a 5% atingiu valores maiores que o solo puro para tensão máxima e tensão

residual durante todo o ensaio, destacando a melhora dos parâmetros do solo para essa

composição. Para a tensão de 100 kPa, a tensão máxima para a mistura de 3% foi maior do

que para o solo puro , e para a mistura de 5% a tensão foi significativa mais alta. A tensão

residual de ambas as misturas se manteve alta durante todo o teste.

O gráfico de deslocamento vertical versus deslocamento horizontal para a mistura a 3%, para

50 e 100 kPa de tensão vertical , foram superiores aos valores da bentonita pura. Para a

mistura a 5%, houve um inchaço no espécime para a tensão de 100 kPa.

Envoltórias e Parâmetros de Resistência

As Figuras 11, 12 e 13 abaixo mostram os parâmetros de resistência ao cisalhamento de

a força máxima e residual e também as envoltorias de resistência , da bentonite e as misturas

com flocos de PET .

Figura 11- parâmetro de resistência ao corte e força envoltoria da bentonite

Figura 12-O parâmetro de resistência ao corte e força envoltoria da mistura a 3%

Figura 13 - O parâmetro de resistência ao corte e força envoltoria da mistura a 5%

A tabela 1 a seguir, resume os valores de coesão e de ângulo de atrito do solo puro e das

misturas para tensao maxima e tensao residual.

Material/mistura

Tensão máxima

Tensão residual

Coesão

(kPa)

Ângulo

de

fricção

(º)

Coesão

(kPa)

Ângulo

de

fricção

(º)

Bentonita

2,5 4,0 4,4 0,7

Mistura a 3%

5,0 2,5 3,8 1,0

Mistura a 5%

12,7 0,5 7,9 1,3

Tabela 1 – relação

Pode ser inferida a partir da analise dos graficos e tabela acima que , conforme a

quantidade de PET ‘e adicionada, o mesmo comportamento que ocorreu com a mistura a 3%

se repete . uma melhoria da coesão relacionado com a força de pico é observada em ambas

as misturas , porem , os ângulos de atrito se reduzem . Este fenômeno pode ser explicado

como referido anteriormente: a interacção entre as partículas de bentonita e flocos de PET são

mais elevados do que a interacção das partículas da bentonita pura , assim a coesão aumenta .

Em contraste , o ângulo de atrito diminui porque o diferença entre a tensao maxima de 50 e

100 kPa permanece menor que o diferença verificada entre a bentonita pura. No caso de a

força residual para a mistura a 3% , a coesão diminui , enquanto que com a mistura a 5% tem

uma melhora. Para ambas as misturas, aumenta-se o ângulo de atrito com a adição do PET

.Este fenômeno também destaca que a insercao do PET muda o comportamento mecânico do

material em relação a tensao de pico e resistencia final .

A mistura a 5% de PET causou uma grande melhora no parâmetro de resistência ,

onde , para a força de pico a coesão tornou-se cinco vezes mais elevadas do que o solo puro

e para a resistência residual do ângulo de atrito cresceu 70 % e a coesão cresceu

79% , em comparação com a bentonita pura. Os flocos de PET funcionaram como tamanho

de partícula para melhoria do comportamento do solo. o aumento de partículas maiores entre

a bentonite causou a melhoria dos parâmetros de resistência .

Conclusões

As principais conclusões em relação à adição do resíduo PET no solo estudado nesta

pesquisa estao especificadas abaixo.

O peso específico da bentonita foi obtido através da media aritmética igual a 2.9, com

variação máxima de 1.1%. Obteve-se um limite de liquidez de 368,4% e limite de

plasticidade de 53,7%, resultando em um índice de plasticidade de 314,7%.

Com base nos gráficos de tensão de cisalhamento e deslocamento vertical x

deslocamento axial, pode-se concluir que ambas as misturas de bentonita com PET triturado

apresentaram valores mais altos do que o solo puro para 50MPa e 100MPa. Porém, na

segunda mistura, com inserção de 5% de PET triturado, quando submetida a 100MPa, pode-

se notar uma significativa na resistência do solo. Com relação a resistência residual tem-se

que para a mistura de 3% a coesão diminui e para 5% há uma melhoria. Em ambas as

misturas o ângulo de atrito aumenta com a adição de PET triturado.

Esse fenômeno evidencia que o PET triturado provoca mudanças no comportamento

mecânico do solo em relação à resistência de pico e à resistência residual.

A mistura com 5% é, por tanto, a mais eficiente, aumentando a capacidade de carga do solo e

os parâmetros de resistência.

Ou seja, Com base na intensidade maxima para os ensaios de corte direto, a adição de

PET levantou os valores de coesão para todas as misturas e uma diminuição no ângulo de

atrito ; Pela força residual , percebe-se que, como o teor de PET aumenta o valor da

diminuição da coesão e do ângulo de atrito aumenta, enfatizando que o PET altera o

comportamento mecânico do bentonita em termos de pico e pós- pico de força . A única

exceção é a mistura a 5% de PET , a quantidade de flocos de PET atingiu um teor de onde a

interacção entre as partículas de bentonita e flocos de PET eram maior do que a interacção

das partículas da bentonita pura , levantando os valores dos parâmetros de resistência

relacionados com forca maxima e tensao residual.

Conclusão geral

O descarte adequado de resíduos urbanos, incluindo PET , é um dos maiores problemas da

sociedade moderna , uma vez que a composição do presente resíduo mudou muito ao longo

dos últimos anos e a geração de resíduo tem crescido consideravelmente.

A fim de dar um destino final a um resíduo que leva mais de 400 anos para degradam , este

estudo avaliou a utilização deste material como um melhoramento do solo e concluiu que ,

estes compósitos podem ter características que poderiam cumprir os requisitos de um

determinado uso geotécnico como , por exemplo , camadas de aterros sobre solos moles e

aterros temporários. Assim , permitindo um menor consumo de materiais naturais e reduzindo

assim os custos de transporte e volume de material mobilizado . A utilização deste material

em obras geotécnica para reforço de solos pode reduzir a disposição do resíduo na natureza ,

sendo de baixo custo e opção ambientalmente sustentável.

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