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Rafael Eduardo Zaccour Bolaños
Comportamento Mecânico de um Solo Argiloso Reforçado com Fibras de Coco
Dissertação de Mestrado
Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio.
Orientadora: Profa. Michéle Dal Toé Casagrande
Rio de Janeiro Dezembro de 2013
Rafael Eduardo Zaccour Bolaños
Comportamento Mecânico de um Solo Argiloso Reforçado com Fibras de Coco
Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada.
Profª. Michéle Dal Toé Casagrande Orientadora
Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio
Prof. Celso Romanel
Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio
Profª. Raquel Quadros Velloso Universidade Federal de Ouro Preto
Prof. José Eugenio Leal Coordenador Setorial do Centro
Técnico Científico – PUC-Rio
Rio de Janeiro, 16 de dezembro de 2013
Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, do autor e da orientadora.
Rafael Eduardo Zaccour Bolaños
Graduou-se em Engenharia Civil pela Pontifícia Universidade Católica do Rio em 2010, ingressando logo em seguida no curso de mestrado de engenharia civil, na mesma universidade, desenvolvendo Dissertação na linha de pesquisa de Geotecnia Experimental aplicada a solos reforçados.
Ficha Catalográfica
Bolaños, Rafael Eduardo Zaccour
Comportamento mecânico de um solo argiloso
reforçado com fibras de coco / Rafael Eduardo Zaccour
Bolaños; orientadora: Michéle Dal Toé Casagrande. – 2013.
(143) f. : il. (color.) ; 30 cm
Dissertação (Mestrado)–Pontifícia Universidade
Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia
Civil, 2013.
Inclui bibliografia
1. Engenharia civil – Teses. 2. Solos reforçados. 3.
Fibras de coco. 4. Ensaios triaxiais. 5. Materiais
alternativos. I. Casagrande, Michéle Dal Toé. II. Pontifícia
Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de
Engenharia Civil. III. Título.
CDD:624
Dedico este trabalho, primeiramente a Deus, que nos dá vida e esperança para vencermos o nosso dia-a-dia.
Também dedico esta tese a minha mãe Monique, meu maior modelo e exemplo, ao meu pai Rafael,
a minha avó Leila e ao meu avô Elias, que recentemente partiu e nos deixou um grande vazio com sua ausência.
Também dedico esse trabalho à memória da minha querida Doquinha, que tanto cuidou de mim e contribuiu
com minha formação.
Agradecimentos
A Deus, por ter me dado essa oportunidade. Aos meus pais, Rafael e Monique, que me educam até hoje e que me passaram os valores que carrego comigo. A minha avó Leila e ao meu querido avô Elias, que partiu esse ano e me deixou uma enorme saudade, avós com quem sempre contei durante toda a vida. À minha orientadora, Michéle Casagrande, por todo apoio e dedicação. Aos professores da PUC-Rio, onde tive a oportunidade de me graduar e me pós-graduar, por todo aprendizado que me foi dado nesses anos. À PUC-Rio, pelos auxílios, sem os quais este trabalho não poderia ter sido realizado. Aos meus velhos amigos, Bernardo Machado, Bruno Amaral, Daniel Carvalho, Andrei Monteiro e Eduardo Batista, pela longa amizade. A todos os colegas com quem tive a honra de realizar esse curso de mestrado, em especial ao Pedro Lobo, amigo do peito, com quem ri bastante, ao Nilthson Norteña e a Juliana Meza Lopes, pessoas queridas de quem gosto tanto, a Jaqueline Castañeda, Sandra Rosero e Cristian Quispe. A todos os funcionários do Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio, em especial à Rita Leite. Aos técnicos do Laboratório de Geotecnia, Amaury, grande companheiro que tanto contribuiu para esse trabalho e ao Josué. Aos alunos de iniciação científica, Paula Helene, Tatiana Lopes, Marina Giannotti e Yago Cesar, que me deram bastante suporte. À Prefeitura do Rio de Janeiro, através da funcionária Teresinha Dias, por terem nos cedido as fibras de coco para o desenvolvimento deste estudo.
Resumo
Bolaños, Rafael Eduardo Zaccour; Casagrande, Michéle Dal Toé. Comportamento Mecânico de um Solo Argiloso Reforçado com Fibras de Coco. Rio de Janeiro, 2013. 143 p. Dissertação de Mestrado. Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
Este estudo apresenta o comportamento de um solo argiloso reforçado e
não reforçado com fibras de coco verde (resíduo proveniente do consumo da água
de coco), através da realização de ensaios de caracterização e ensaios mecânicos
de compactação e de ensaios triaxiais isotropicamente drenados. A fibra de coco
utilizada foi obtida por processo mecânico na empresa ECOFIBRA, que possui
uma parceria com a Companhia de Limpeza Urbana da cidade do Rio de Janeiro
(COMLURB) em projeto piloto de coleta seletiva das cascas de coco verde. O
material recebido foi estudado de duas maneiras, as fibras foram inseridas ao solo
moídas e cortadas (no comprimento aproximado de 2cm). O solo argiloso, de
origem coluvionar, foi retirado do campo experimental da PUC-Rio. Busca-se
estabelecer padrões de comportamento que possam explicar a influência da adição
da fibra de coco verde, relacionando-a com os parâmetros de resistência ao
cisalhamento do solo e dos compósitos. Os ensaios foram realizados em amostras
compactadas na densidade máxima e umidade ótima, com teores de fibra moída
de 0,5% e 1% e teores de fibra cortada de 0,5%, 0,75%, 1%, 1,25% e 1,5%, em
relação ao peso seco do solo. Observa-se um incremento na resistência ao
cisalhamento das misturas solo-fibra, uma vez que se observa um discreto
aumento do ângulo de atrito e em um expressivo aumento da coesão das misturas
reforçadas, em comparação aos dados obtidos para o solo puro. Os resultados se
mostraram satisfatórios para aplicação do solo reforçado com fibras de coco em
camadas de aterros temporários submetidos a carregamentos estáticos, dando
assim uma destinação mais sustentável a este resíduo, atendendo às questões
ambientais e sócio-econômicas.
Palavras-chave
solos reforçados; fibras de coco; ensaios triaxiais; materiais alternativos.
Abstract
Bolaños, Rafael Eduardo Zaccour; Casagrande, Michéle Dal Toé (Advisor). Mechanical Behavior of Clayey Soil Reinforced with coconut fiber. Rio de Janeiro, 2012. 143 p. MSc. Dissertation – Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
This study presents the behavior of reinforced and unreinforced clay soil
with green coconut fibers (waste from consumption of coconut water), by
conducting tests for the characterization and mechanical compaction tests and
isotropically drained triaxial tests. The coconut fiber used is obtained by a
mechanical process in ECOFIBRA company, which has a partnership with the
Urban Cleaning Company of the city of Rio de Janeiro (COMLURB) in a pilot
project about separate collection of green coconut shells. The received material
was studied in two ways; the fibers were inserted into the milled and cut (in the
approximate length of 2 cm). The clay soil, with colluvium origin, was removed
from the experimental field of PUC-Rio. Seeks to establish patterns of behavior
that might explain the influence of the addition of green coconut fiber, relating it
to the parameters of shear strength and deformation of soil and composites. The
tests were performed on samples compressed at maximum density and optimum
moisture content in the milled fiber of 0.5 % and 1% fiber content and the cut of
0.5%, 0.75 %, 1%, 1.25 % and 1.5% on dry weight of the soil. Observed an
increase in shear strength of the soil-fiber mixtures, since it was observed a
modest increase in friction angle and a significant increase in the cohesion of
reinforced mixtures, compared to the data obtained for the pure soil. The results
were satisfactory for application of soil reinforced with coconut fiber layers
temporary landfills subjected to static loads, thus giving a more sustainable
destination to this residue, given the environmental and socio-economic.
Keywords
reinforced soil; coconut fiber; triaxial tests; alternative materials.
Sumário
1 Introdução 18
1.1. A necessidade de se reforçar os solos 18
1.2. Sobre o consumo do coco, seu resíduo e metano gerado. 19
1.3. Beneficiamento da fibra de coco 22
1.4. Objetivo da pesquisa 23
1.5. Desenvolvimento da Pesquisa 23
2 Revisão Bibliográfica 25
2.1. Solos Reforçados - Histórico 25
2.2. Materiais Compósitos Reforçados com Fibras 26
2.3. Tipos de Fibras Empregadas como Reforço 30
2.3.1. Fibras Minerais 30
2.3.2. Fibras Metálicas 31
2.3.3. Fibras Poliméricas 32
2.3.4. Fibras Naturais 33
2.4. Mecanismo de Interação Solo-Fibra – Estudos Experimentais 42
2.5. Mecanismo de Interação Solo-Fibra – Estudos Experimentais 51
2.5.1. Compactação 51
2.5.2. Resistência ao Cisalhamento de Pico 52
2.5.3. Resistência ao Cisalhamento Pós-Pico 55
2.5.4. Deformabilidade 55
2.5.5. Modo de Ruptura 56
2.5.6. Variação Volumétrica 57
2.5.7. Rigidez Inicial 58
2.5.8. Condutividade hidráulica e outras propriedades 58
2.6. Fibra de Coco 59
2.6.1. Histórico 59
2.6.2. Produção e Consumo do Coco Verde 61
2.6.3. Solo e Clima para a Produção 62
2.6.4. Características da Espécie 63
2.6.5. Propriedades das Fibras de Coco 64
2.6.6. Aplicações com a Fibra de Coco 65
2.6.6.1. Uso de Fibras de Coco em Compósitos 65
2.6.6.2. Fibra da Casca do Coco Verde como Substrato Agrícola 67
2.6.6.3. Adição de Fibras de Coco em Concreto não Estrutual 67
2.6.6.4. Adição de Fibras de Coco em Misturas Asfálticas 68
3 Programa Experimental 70
3.1. Materiais Utilizados 70
3.1.1. Solo 70
3.1.2. Fibras de Coco 73
3.1.3. Água 75
3.1.4. Misturas Solo-Fibra de Coco 75
3.2. Quantidade e Cronograma de ensaios 77
3.3. Quantidade e Cronograma de ensaios 78
3.3.1. Equipamento Utilizado 78
3.3.2. Preparação dos Corpos-de-Prova 80
4 Resultados e Análises 86
4.1. Ensaios de Caracterização Física 86
4.1.1. Densidade Real dos Grãos 86
4.1.2. Limites de Atterberg 86
4.1.3. Densidade Real dos Grãos 87
4.2. Ensaios de Caracterização Mecânica 88
4.2.1. Ensaios de Compactação Proctor Normal 88
4.2.2. Ensaios Triaxiais CID 90
5 Considerações Finais 115
5.1. Conclusões 115
5.2. Sugestões para pesquisas futuras 116
6 Referências Bibliográficas 118
A Apêndice 132
A.1. Métodos e Procedimentos de Ensaios 132
A.1.1. Ensaios de Compactação Proctor Normal 132
A.1.2. Ensaios Triaxiais 134
A.1.2.1. Procedimento de saturação dos corpos de prova 136
A.1.2.2. Adensamento e Cálculo do t100 137
A.1.2.3. Velocidade de cisalhamento e etapa de Cisalhamento 137
A.1.2.4. Análises de Resistência 141
A.1.2.5. Critério de Ruptura 142
Lista de Figuras
Figura 1.1 - Consumo de coco verde na orla do Rio de Janeiro e geração
de resíduos decorrente desta atividade ............................................ 21
Figura 1.2 - Maquinário de beneficiamento de casca de coco verde (Rosa
et al, 2004) ........................................................................................ 23
Figura 2.1 – Classificação de materiais compósitos (Matthews e Rawlings,
1994). ................................................................................................ 26
Figura 2.2 - Disposição fibra/fissura idealizada (Taylor, 1994) ................. 28
Figura 2.3 - Estrutura microscópica e submicroscópica da celulose ........ 35
Figura 2.4 – Estrutura da celulose ............................................................ 36
Figura 2.5 - Esquema de orientação molecular de uma microfibrila de
celulose (Tomczak, 2010). ................................................................ 36
Figura 2.6 - Representação bidimensional da lignina (Tomczak 2010) .... 38
Figura 2.7 - Arranjo helicoidal das fibras de celulose nas fibras naturais
(Tomczak, 2010) ............................................................................... 40
Figura 2.8 – Acréscimo de resistência em função da inclinação da fibra
(Gray e Ohashi, 1983) ....................................................................... 44
Figura 2.9 - Corte longitudinal do coco ..................................................... 63
Figura 3.1 - Localização do Campo Experimental II PUC-Rio. ................. 70
Figura 3.2 – Argila utilizada - solo argiloso coluvionar. ............................ 71
Figura 3.3 - Descrição morfológica do perfil do Campo Experimental II
(Dylac, 1994) ..................................................................................... 72
Figura 3.4 – Fardo de fibra de coco verde beneficiada pela empresa
EcoFibra ............................................................................................ 73
Figura 3.5 – Moedor de grãos Botini ........................................................ 74
Figura 3.6 – fibra de coco verde cortada utilizada nos corpos-de-prova –
(a) cortada; (b) moída........................................................................ 74
Figura 3.7 – Processo de mistura do solo e da fibra ................................ 76
Figura 3.8 -(a) Caixa leitora de dados ; (b) Medidor de Variação de
Volume tipo Imperial College; (c) Painel de controle das Pressões; (d)
Pressão confinante; (e) Cilindro de Acrílico; (f) Corpo-de-prova; (g)
Válvulas da prensa Triaxial; (h) Controle para inicio do cisalhamento
.......................................................................................................... 79
Figura 3.9 – Software CatmanEasy na etapa de cisalhamento ................ 80
Figura 3.10 - Corpo cilíndrico compactado ............................................... 81
Figura 3.11 – Corpo cilíndrico compactado sendo dividio em 3 partes; (a)
com fibra moída; (b) com fibra cortada ............................................. 81
Figura 3.12 – (a) Corpo de prova sendo moldado lateralmente moldagem;
(b) Corpo de prova com a lateral moldada (c) Corpo de prova
finalizado com a altura certa para o ensaio ....................................... 82
Figura 3.13 – Capsulas com mistura de solo-fibra tirados do moldagem . 82
Figura 3.14 – Teste de membrana ........................................................... 83
Figura 3.15 – (a) Pesagem do corpo-de-prova para montar na prensa
triaxial; (b) Verificação da prensa antes do ensaio ............................ 83
Figura 3.16 – Colocação do papel filtro. ................................................... 84
Figura 3.17 – (a) Colocação do corpo-de-prova no equipamento triaxial;
(b) Colocação da membrana com ajuda do molde de aço. ............... 84
Figura 3.18 – Colocação do papel filtro e a pedra porosa no topo do
corpo-de-prova .................................................................................. 84
Figura 3.19 – (a) Fixação da membrana ao corpo de prova com os o-rings;
(b) Preenchimento da câmara triaxial com água; (c) Colocação da
conexão de pressão confinante. ....................................................... 85
Figura 4.1 - Distribuição granulométrica do solo argiloso ......................... 88
Figura 4.2 – Curvas de compactação do solo puro e da fibra moída ....... 89
Figura 4.3 – Curvas de compactação do solo puro e da fibra cortada ..... 90
Figura 4.4 - Gráfico σd (kPa) x εa (%) para fibra moída com tensão
confinante de 50kPa ......................................................................... 92
Figura 4.5 - Gráfico εv (%) x εa (%) para fibra moída com tensão
confinante de 50kPa ......................................................................... 92
Figura 4.6 - Gráfico σd (kPa) x εa (%) para fibra moída com tensão
confinante de 150kPa ....................................................................... 93
Figura 4.7 - Gráfico εv (%) x εa (%) para fibra moída com tensão
confinante de 150kPa ....................................................................... 93
Figura 4.8 - Gráfico σd (kPa) x εa (%) para fibra moída com tensão
confinante de 300kPa ....................................................................... 94
Figura 4.9 - Gráfico εv (%) x εa (%) para fibra moída com tensão
confinante de 300kPa ....................................................................... 94
Figura 4.10 - Gráfico p ‘x q com envoltória do solo puro .......................... 97
Figura 4.11 - Gráfico p ‘x q com envoltória do solo reforçado com 0,5% de
fibra moída ........................................................................................ 98
Figura 4.12 - Gráfico p ‘x q com envoltória do solo reforçado com 1,0% de
fibra moída ........................................................................................ 98
Figura 4.13 - Gráfico p ‘x q com envoltórias do solo do solo puro e
misturas com fibra moída. ................................................................. 99
Figura 4.14 – Parâmetros de resistência das envoltórias para as misturas
com fibra moída ................................................................................ 99
Figura 4.15 - Gráfico σd (kPa) x εa (%) para fibra cortada com tensão
confinante de 50kPa ....................................................................... 101
Figura 4.16 - Gráfico εv (%) x εa (%) para fibra cortada com tensão
confinante de 50kPa ....................................................................... 101
Figura 4.17 - Gráfico σd (kPa) x εa (%) para fibra cortada com tensão
confinante de 150kPa ..................................................................... 102
Figura 4.18 - Gráfico εv (%) x εa (%) para fibra cortada com tensão
confinante de 150kPa ..................................................................... 102
Figura 4.19 - Gráfico σd (kPa) x εa (%) para fibra cortada com tensão
confinante de ................................................................................... 103
Figura 4.20 - Gráfico εv (%) x εa (%) para fibra cortada com tensão
confinante de 300kPa ..................................................................... 103
Figura 4.21 - Gráfico p ‘x q com envoltória do solo puro ........................ 106
Figura 4.22 - Gráfico p ‘x q com envoltória do solo reforçado com 0,5% de
fibra cortada .................................................................................... 107
Figura 4.23 - Gráfico p ‘x q com envoltória do solo reforçado com 0,75%
de fibra cortada ............................................................................... 107
Figura 4.24 - Gráfico p ‘x q com envoltória do solo reforçado com 1,0% de
fibra cortada .................................................................................... 108
Figura 4.25 - Gráfico p ‘x q com envoltória do solo reforçado com 1,25%
de fibra cortada ............................................................................... 108
Figura 4.26 - Gráfico p ‘x q com envoltória do solo reforçado com 1,5% de
fibra cortada .................................................................................... 109
Figura 4.27 - Gráfico p ‘x q com envoltórias do solo do solo puro e
misturas com fibra cortada .............................................................. 109
Figura 4.28 – Parâmetros de resistência das envoltórias para as misturas
com fibra cortada ............................................................................ 110
Figura 4.29 - mostra corpos de prova cisalhados com a fibra moída e com
cada um dos teores das fibras cortadas. ......................................... 111
Figura 4.30 – Corpos de prova cisalhados; (a) com fibra moída; (b) com
0,5% de fibra cortada; (c) com 0,75% de fibra cortada; com 1,0% de
fibra cortada; (d) com 1,25% de fibra cortada; (f) com 1,5% de fibra
cortada. ........................................................................................... 111
Figura 4.31 – Influência do confinamento na capacidade da fibra de
confeirir resistência ao compósito ................................................... 113
Lista de Tabelas
Tabela 1.1 – IBGE, Pesquisa Nacional de Saneamento Básico (2000) ... 20
Tabela 2.1 - Propriedades físicas e mecânicas das fibras minerais (Curcio,
2001) ................................................................................................. 31
Tabela 2.2 - Lista de fibras naturais importantes e sua origem (Tomczak,
2010) ................................................................................................. 34
Tabela 2.3 - Composição química típica de fibras naturais (Tomczak,
2010) ................................................................................................. 39
Tabela 2.4 - Ângulos helicoidais de algumas fibras (Tomczak, 2010) ...... 39
Tabela 2.5 - Propriedades mecânicas de fibras vegetais e de fibras
convencionais usadas como reforço (Bledzki e Gassan, 1999) ........ 42
Tabela 2.6 - Produção e área colhida dos principais países produtores de
coco, em 2008. (FAO, 2011 apud Martins e Júnior, 2011) ................ 62
Tabela 3.1 - Análise mineralógica (Sertã, 1986) ...................................... 72
Tabela 4.1 - Caracterização Física do solo argiloso coluvionar do Campo
Experimental II da PUC-Rio (Ramirez, 2012) .................................... 87
Tabela 4.2 – Resultados dos ensaios de compactação Proctor Normal
para o solo e misturas de solo-fibra .................................................. 90
Tabela 4.3 – Parâmetros de resistência das envoltórias para as misturas
com fibra moída .............................................................................. 100
Tabela 4.4 – Parâmetros de resistência das envoltórias para as misturas
com fibra cortada ............................................................................ 110
Tabela 4.5 – Tensões desviadoras para 15% de deformação axial (em
kPa) ................................................................................................. 112
Tabela 4.6 – Porcentagem de incremento no valor da tensão desviadora
dos compósitos com fibra cortada, com respeito ao solo puro (em %)
........................................................................................................ 112
Lista de Símbolos
ω Teor de umidade
ωótm Teor de umidade ótimo de compactação
γd máx Peso específico seco aparente máximo
γd Peso específico seco
γs Peso específico dos grãos
ρ Massa específica do solo
Gs Massa específica real dos grãos
e Índice de vazios
emáximo Índice de vazios máximo
emínimo Índice de vazios mínimo
Cu Coeficiente de uniformidade
Cc Coeficiente de curvatura
D10 Diâmetro efetivo
D50 Diâmetro médio
tf Tempo mínimo de ruptura
L Altura do corpo de prova
υ Coeficiente de Poisson
ν Velocidade de cisalhamento
‘ Relativo a tensões efetivas
” Polegadas
εa Deformação axial
εv Deformação volumétrica
τ Tensão de cisalhamento
σ1, σ3 Tensões principais, maior e menor
σ’c Tensão de confinamento efetiva
σd Tensão desviadora
σr tensão de ruptura
∆σc Acréscimo de tensão confinante aplicado
∆u Excesso de poropressão gerado
φ’ Ângulo de atrito
c’ Coesão
α' Ângulo de atrito no diagrama de Lambe
a' Coesão no diagrama de Lambe
ko coeficiente de empuxo em repouso
p’ (σ’1 + σ’3)/2 (Tensão efetiva média normal)
q (σ’1 – σ’3) /2 (Tensão de Desvio)
E Módulo de Young
t Tonelada
kg Kilograma
g grama
GPa Gigapascal
MPa Megapascal
kPa Kilopascal
Pa Pascal
kN kilonewton
m metro
cm3 centímetros cúbicos
dm3 decímetro cúbico
µm micrometro
mm Milímetro
cm Centímetros
° Graus
meq Miliequivalentes
°C Graus centígrados
% Porcentagem
1 Introdução
1.1. A necessidade de se reforçar os solos
Um dos muitos desafios dos engenheiros geotécnicos é garantir, através de
um projeto de engenharia, que um determinado solo resista mecanicamente às
solicitações estimadas. Muitas vezes, tais solicitações estão além da capacidade de
resistência do solo sobre o qual se quer construir e então, é necessário que ocorra
algum tipo de intervenção.
Dentre as opções de intervenção com a qual os engenheiros geotécnicos têm
à disposição, podemos citar a possibilidade de remover o material existente no
local e substituí-lo por outro com características adequadas ou, modificar e
melhorar as propriedades do solo existente por meio de compactação mecânica,
estabilização por processos químicos ou também, a adição de algum elemento de
reforço, tais como geotêxteis, grelhas, tiras ou fibras.
A introdução de um elemento de reforço como tiras ou fibras resulta em um
material conhecido como compósito, na verdade, trata-se da união de dois
materiais com propriedades distintas (o solo e o elemento de reforço), que juntas,
adquirem propriedades distintas das propriedades de seus constituintes
individualmente. Uma revisão mais detalhada sobre materiais compósitos será
vista mais à frente, no capítulo 2.
Os compósitos formados por solo e fibra têm sido muito estudados em
diversas regiões do planeta. Em geral, as fibras contribuem para o aumento da
resistência do compósito, uma vez que lhe confere um aumento de tenacidade
(capacidade de resistir a propagação de fissuras pré-existentes) fazendo com que
assim, o material apresente uma maior resistência a esforços de tração.
Muitos são os tipos de fibra estudados. As fibras podem ser divididas em
dois grandes grupos, as fibras sintéticas e as fibras naturais. As fibras sintéticas
são compostas por materiais artificiais e têm a vantagem de possuírem
propriedades constantes e bem definidas, de não se deteriorarem e de serem fácil
19
de manusear. Já as fibras naturais, das quais podemos dizer que são em sua ampla
maioria de origem vegetal, não apresentam a mesma constância em suas
propriedades, tais como as fibras sintéticas e, além disso, são materiais sujeitos à
degradação biológica. Todavia, as fibras vegetais podem apresentar propriedades
mecânicas muito adequadas para esse tipo emprego. As propriedades mecânicas
variam muito dependendo dá espécie da qual se extraiu a fibra e, as vezes, podem
variar consideravelmente, mesmo se tratando de uma mesma espécie (detalhes
sobre as propriedades das fibras vegetais serão vistos no capítulo 2)
Uma vantagem crucial em favor do uso de fibras vegetais em materiais
compósitos está na preocupação com a sustentabilidade. A redução do uso de
material sintético, que implica na redução do gasto de energia para produzi-lo,
associado ao fato de que, muitas vezes, a fibra vegetal em questão possa ser um
resíduo do consumo de alguma espécie vegetal, faz com que estudos dedicados
em obter conclusões sobre a viabilidade do uso das mesmas se torne algo mais
interessante.
A fibra de coco verde é a protagonista desta dissertação. Essa fibra vegetal é
extraída da casca do coco verde (o coco do qual se bebe a água, em especial, na
orla das grandes cidades litorâneas do Brasil). Como se verá mais a frente, a maior
parte da massa do coco está em sua casca, casca essa que não possui valor
comercial e é descartada em lixões, vazadouros, aterros sanitários, etc. Devido ao
alto consumo da água de coco, no Brasil e no mundo, o volume de resíduo
decorrente desta prática comercial é bastante grande.
1.2. Sobre o consumo do coco, seu resíduo e metano gerad o.
As características e propriedades, bem como dados da produção e consumo
do coco verde no mundo serão apresentadas no capítulo 2. Neste capítulo,
entretanto, será mostrado o potencial de geração de resíduo deste insumo. Passos
(2005) realizou uma análise para estimar a quantidade de resíduo gerado com as
cascas do coco verde na cidade do Rio de Janeiro.
No ano de 2002, o município do Rio produziu 3,15 milhões de unidades de
coco (não havendo aqui uma distinção entre coco verde e coco maduro), enquanto
que a região metropolitana do Rio produziu 23,19 milhões de unidades. Esta
20
quantidade não representa, seguramente, o consumo efetivo na cidade, pois parte
do que é produzido em outras regiões do estado do Rio de Janeiro e no nordeste
do Brasil, este último responsável por cerca de 70% da produção nacional,
também é destinado ao município do Rio. Entretanto, como não havia dados
disponíveis sobre o volume exato comercializado optou-se por utilizar os valores
da produção municipal e da região metropolitana. Neste sentido, as estimativas
realizadas foram subdimensionadas, uma vez que se considerou apenas a
produção no município e na região metropolitana e não o consumo efetivo.
A tabela 1.1 mostra a estimativa diária de lixo coletado no Brasil e no
município do Rio de Janeiro
Tabela 1.1 – IBGE, Pesquisa Nacional de Saneamento Básico (2000)
Quantidade diária de lixo coletado (t/dia)
Unidade de destino final do lixo coletado
Brasil Municipio do Rio
de Janeiro
Vazadouro a céu aberto (lixão) 47 392 -
Vazadouro em áreas alagadas 237 -
Aterro Controlado 34 723 1 951
Aterro Sanitário 64 164 6 124
Estação de compostágem 6 534 268
Estação de triagem 2 249 -
Incineração 510 -
Locais não-fixos 878 -
Outros 1 018 -
Total 157 708 8 343
Estimando que cada coco gera em média 1,5kg e que todo fruto é
consumido ainda verde, a produção municipal teve o potencial de gerar naquele
ano, 4,72 mil toneladas de cascas de coco. A geração diária de lixo, segundo os
dados da tabela 1.1 (IBGE, 2000) foi de 8.343 toneladas, o que corresponde a
3.045.195 toneladas anuais. Cruzando-se esses dados, pode-se dizer que 0,15% do
lixo gerado no município do Rio foi referente a casca de coco verde da produção
municipal. Considerando que a produção da região metropolitana daquele ano
tenha sido inteiramente consumida no município do Rio, pode-se estimar que
1,14% do lixo gerado no município tenha sido proveniente das cascas de coco
verde.
21
Esses números dão uma ideia do enorme volume de resíduo decorrente do
consumo de coco verde no município do Rio. O consumo deste fruto é
consideravelmente alto em grandes cidades litorâneas, já que é amplamente
comercializado nos quiosques próximos a praia (Figura 1.2)
Figura 1.1 - Consumo de coco verde na orla do Rio d e Janeiro e geração de resíduos decorrente desta atividade
As cascas de coco verde, como toda a matéria orgânica residual, quando
destinadas em aterros, sob condições anaeróbicas, provocam a emissão de metano,
um dos mais importantes gases de efeito estufa, responsável pelo aquecimento
global. Além disso, diminuem a vida útil dos aterros sanitários, onde são
descartadas.
No Brasil não há o aproveitamento considerável do metano produzido, que é
lançado in natura na atmosfera. Quando há disposição dos resíduos em
vazadouros pode ocorrer, também, a contaminação de solos e corpos d’água
(Passos, 2005).
O descarte deste resíduo implica na ocorrência de alguns problemas, dentre
os quais podemos citar:
22
• Poluição Ambiental;
• Focos de insetos, mau cheiro e riscos de doenças;
• Emissão de metano (gás de efeito estufa);
• Diminuição da vida útil dos aterros sanitários;
• Desgaste político/gerencial, como decorrência do suja limpa, limpa suja;
• Aumento dos custos da limpeza urbana.
1.3. Beneficiamento da fibra de coco
Segundo Dias et al., (2012), a Prefeitura da Cidade do Rio de Janeiro, tendo
conhecimento destes fatos, vem realizando um Projeto Piloto de coleta seletiva
Coco Verde, que teve início em 28/01/2011, coordenado pela Secretaria de Meio
Ambiente da Cidade do Rio de Janeiro (SMAC) e com a participação da
Companhia de Limpeza Urbana (COMLURB) e da Secretaria de Conservação e
Serviços Públicos (SECONSERVA) que realiza a segregação, coleta e a entrega à
empresa ECOFIBRA, para beneficiamento da fibra da casca de coco verde e seus
derivados.
O resultado deste projeto, até dezembro de 2011, foi a coleta de 720,32
toneladas (uma média de 20,00 t por final de semana), dados fornecidos pela
COMLURB (Companhia de Limpeza Urbana).
O processo de desfribração do esocarpo para obtenção da fibra de coco
verde pode ser feito por maceração em água ou por processos mecânicos (Figura
1.3).
23
Figura 1.2 - Maquinário de beneficiamento de casca de coco verde (Rosa et al, 2004)
1.4. Objetivo da pesquisa
O objetivo deste trabalho é averiguar as propriedades mecânicas de
compósitos constituídos de um solo argiloso coluvionar e fibras de coco verde
procedentes da empresa ECOFIBRA, a fim de se saber se existe algum ganho de
resistência ao cisalhamento em comparação com a resistência do solo puro,
abrindo a possibilidade de se criar uma destinação mais nobre para este resíduo.
Não é objetivo deste trabalho estudar as propriedades hidráulicas
decorrentes da introdução deste tipo de fibra no solo. Também não é objetivo
estudar a durabilidade deste material frente a agentes biológicos ou qualquer outro
que possa causar a sua decomposição, assim como a pesquisa de substancias ou
tratamentos que possam prolongar a vida útil das fibras usadas nos compósitos.
1.5. Desenvolvimento da Pesquisa
A presente pesquisa foi executada em cinco etapas, a seguir descritas: (1)
justificativa e objetivos da pesquisa; (2) revisão da literatura existente sobre o
assunto; (3) planejamento e execução do programa experimental de; (4) análise e
discussão dos resultados e (5) conclusão e sugestões para futuros ensaios. Ao final
encontra-se um apêndice no qual são explicados os procedimentos e critérios
adotados nos ensaios de laboratório.
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A primeira etapa consistiu na discussão a respeito das necessidades de se
reforçar um solo e dos problemas causados pela geração de resíduos derivados do
consumo do coco verde. Abordou sucintamente sobre o beneficiamento da casca
do verde e ao final, expôs os objetivos da pesquisa.
A segunda etapa consistiu na revisão da literatura existente, nacional e
internacional, a respeito do tema deste trabalho, dando foco a estudos sobre
comportamento e propriedades de compósitos reforçados com materiais fibrosos e
sobre propriedades das fibras vegetais, em especial, as fibras da casca do coco
verde.
A terceira parte é apresentada a descrição do programa experimental de
laboratório, com a apresentação dos métodos utilizados, a definição dos materiais
e equipamentos utilizados na pesquisa e os detalhes a cerca da preparação dos
corpos de prova.
Na quarta etapa são apresentados os resultados obtidos e feitas as análises
e discussões referentes aos ensaios de laboratório, buscando quantificar os ganhos
de resistência mecânicas dos compósitos reforçados com a fibra de coco.
A síntese de todo o conhecimento adquirido é apresentada no Capítulo 5,
onde estão dispostas as principais informações coletadas durante as etapas
anteriores, apresentando-se as conclusões do trabalho e feitas sugestões para as
próximas pesquisas.
E finalmente, no final deste volume, encontra-se um apêndice com as
metodologias de cálculo e os critérios adotados nos ensaios de compactação e nos
ensaios triaxiais realizados.
2 Revisão Bibliográfica
2.1. Solos Reforçados - Histórico
O reforço de solos é uma técnica na qual se insere um material que possua
alta resistência à tração, promovendo, então, uma melhoria nas propriedades
mecânicas dos solos, aumentando a resistência e diminuindo a compressibilidade
destes. O reforço de solos com fibras é uma técnica há muito tempo conhecida e
empregada pela humanidade. Indícios do emprego desta técnica também são
encontrados em partes da Grande Muralha da China e em estradas construídas
pelos Incas, no Peru, empregando lã de lhama como reforço (Palmeira, 1992).
Aplicações pioneiras do que mais se aproxima de um geossintético dos dias atuais
foi a utilização de mantas de algodão, em 1926, pelo Departamento de Estradas da
Carolina do Sul, Estados Unidos, como reforço de camadas asfálticas em
pavimentos (Palmeira, 1992). Inicialmente, diversos artigos foram publicados com
o intuito de avaliar o efeito de raízes de plantas na resistência ao cisalhamento dos
solos, dentre estes estão os trabalhos de Kaul (1965 apud Schaefer et al., 1997),
Endo & Tsuruta (1969 apud Schaefer et al., 1997) e Gray & Ohashi (1983). Além
de evidenciar a contribuição positiva de raízes de plantas para a resistência ao
cisalhamento dos solos foi comprovado também que estas contribuíam também
para a estabilidade dos taludes. Baseando-se nos princípios de reforço que as
raízes de plantas introduziam ao solo, foram desenvolvidas técnicas que atuassem
da mesma maneira. Em 1966, Vidal patenteou a técnica denominada “Terra
Armada”, na qual o reforço foi alcançado através da introdução de tiras metálicas
e painéis de concreto que constituíam a face do maciço (Ferreira, 2010). A partir
de então foram se desenvolvendo técnicas de estabilização de solos com a adição
de novos materiais combinados com a compactação. Dentre estas técnicas pode-se
destacar a estabilização utilizando cal e cimento, injeção de materiais
estabilizantes, utilização de colunas de brita ou areia, pré-carregamento e emprego
de drenos verticais, reforço com tiras metálicas ou geossintéticos etc.
26
2.2. Materiais Compósitos Reforçados com Fibras
Um material compósito pode ser definido como a associação de dois ou
mais materiais com características distintas, que quando unidos, possuem
propriedades distintas das que possuíam individualmente. São constituídos por
duas fases: a matriz (solo, concretos, silicones, argamassas, etc.) e o elemento de
reforço (fibras, papéis, aço, fragmentos de borracha, isopor, etc.). São elaborados
para otimizar os pontos fortes de cada uma das fases (Budinski, 1996). Um
exemplo deste tipo de reforço foi o utilizado em um compósito estudado por
Ramírez (2012), no qual o autor estudou a influência da resistência ao
cisalhamento de dois diferentes tipos de solo, uma areia e um solo maduro argilo-
arenoso de origem coluvionar (matriz), reforçados com borracha moída de pneus
inservíveis (reforço granular), com diâmetro médio de 1,0mm.
Figura 2.1 – Classificação de materiais compósitos (Matthews e Rawlings, 1994).
Budinski (1996) afirma que os materiais compósitos mais importantes são
combinações de polímeros e materiais cerâmicos. Os produtos baseados em
cimento Portland por exemplo podem ser considerados materiais cerâmicos uma
vez que possuem características comuns a esse grupo de materiais, tais como alta
rigidez, fragilidade, baixa resistência à tração e tendência de fissuração por
secagem.
Para Hannant (1994) se tratando de compósitos fibrosos, fatores como o teor
de fibra presente, o comprimento das fibras, as características do solo, aderência
entre matriz e reforço e orientação e distribuição das fibras na matriz, são
determinantes para o desempenho do compósito já que isso implica na forma com
27
a qual as fibras atuam controlando a abertura e o espaçamento entre as fissuras
que se formam devido a tensão desviadora atuando no solo, distribuindo de forma
mais uniforme as tensões dentro da matriz.
Para Taylor (1994) e Hannant (1994) a maior contribuição que as fibras
conferem como elemento de reforço se dá após o surgimento das fissuras no
compósito, uma vez que a partir deste momento, as fibras começam a trabalhar
contribuindo com o aumento da resistência ao cisalhamento do material,
melhorando, portanto a capacidade de absorção de energia. Segundo Taylor
(1994) para que haja um aumento de resistência pré-fissuração de um compósito,
é preciso o emprego de fibras que apresentem uma maior rigidez, mais rígidas que
a matriz. É preciso também que exista uma boa aderência entre as fases (reforço e
matriz) impedindo que ocorra deslocamentos relativos entre as partes. Estes
autores acreditam que de um modo geral, as fibras não impedem a formação das
fissuras devido a atuação de tensões desviadoras, mas sim, evitam a sua
propagação (aumento da tenacidade), graças a capacidade da fibra de conferir
resistência a tração.
Para Johnston (1994) as fibras em uma matriz cimentada contribuem com
dois efeitos importantes na melhoria das propriedades do compósito. Elas tendem
a reforçar o compósito sobre todos os modos de carregamento que induzem
tensões de tração, isto é, tração indireta, flexão, e cisalhamento. Além disso,
melhoram a ductilidade e a tenacidade de uma matriz com características frágeis.
A orientação e distribuição das fibras na matriz também tem grande influência. A
orientação de uma fibra com respeito ao plano de ruptura, implica nas
possibilidades que esta tem de contribuir com a transferência de cargas. Uma fibra
que se posiciona paralela ao plano de ruptura não tem efeito, por outro lado, uma
fibra que se posiciona perpendicular a este plano contribui integralmente com sua
capacidade de resistir a tração.
Illston (1994) e Taylor (1994) apresentam um equacionamento do equilíbrio
de forças idealizado no momento em que a fibra é solicitada no compósito, como
demonstra a Figura 2.2.
28
Figura 2.2 - Disposição fibra/fissura idealizada (T aylor, 1994)
Para Coelho (2008) existem duas etapas distintas que regem o
comportamento mecânico de compósitos reforçados com fibra. A primeira é uma
etapa de mobilização do conjunto matriz–fibras em que predomina a ação da
matriz. A segunda é uma etapa em que os mecanismos de interação são
condicionados pela presença das fibras.
Abaixo, segue uma lista com conclusões de diversos pesquisadores sobre a
influências dos principais parâmetros relacionados ao comportamento de
compósitos reforçados com fibras. Algumas controvérsias com respeito a esses
parâmetros pode ser observada entre as conclusões de alguns autores. Entretanto,
há que se levar em conta a diferença entre a natureza das fibras e das matrizes
utilizadas nos diferentes trabalhos, o que pode explicar tais divergências:
• Teor de fibra: quanto maior for o teor de fibra, maior será o ganho de
resistência mecânica, até um certo ponto, a partir do qual este ganho não
será mais observado. Em outras palavras, existe um teor ótima de fibra que
29
confere a melhor resistência (Gray e Ohashi, 1983; Gray e Al-Refeai, 1986;
Mc Gown et al., 1988; Maher e Ho, 1994; Ulbrich, 1997; Specht, 2000;
Santoni et al., 2001; Casagrande, 2001; Vendruscolo, 2003; Consoli e
Casagrande, 2007)
• Orientação das fibras: os elementos de reforço devem estar posicionados na
direção das deformações de tração do solo (Mc Grown et al., 1978; Morel e
Gourc, 1997; Fatani et al., 1991; Diambra 2010); fibras distribuídas
aleatoriamente mantém a resistência isotrópica, não sendo observados
planos potenciais de fragilidade (Gray e Al-Refeai, 1986; Gray e Maher,
1989).
• Módulo de elasticidade da fibra: fibras com módulo de elasticidade baixo
comportam-se como reforços idealmente extensíveis (Gray e Ohashi, 1983;
Specht, 2000); fibras com módulo baixo não contribuem para o aumento da
resistência mecânica (Montardo, 1999; Specht, 2000); quanto maior o
módulo maior a probabilidade de haver o arrancamento das fibras
(Shewbridge e Sitar, 1990).
• Aderência entre a fibra e a matriz: as características de resistência,
deformação e padrões de ruptura de uma grande variedade de compósitos
reforçados com fibras dependem fundamentalmente da aderência
fibra/matriz (Casagrande, 2005). As fibras devem estar bem aderidas à
matriz do compósito para que sua resistência à tração seja mobilizada
(Taylor, 1994).
• Comprimento da fibra: quanto maior for o comprimento das fibras, maior
será o ganho de resistência mecânica, até um limite assintótico (Gray e
Ohashi, 1983; Ulbrich, 1997; Santoni et al.; 2001; Heineck, 2002;
Vendruscolo, 2003); além disso menor será a possibilidade delas serem
arrancadas (Casagrande, 2005).
• Resistência da fibra: aumentando a resistência das fibras, aumenta-se
também a ductilidade do compósito, assumindo que não ocorra o
rompimento das ligações de aderência. A resistência necessária dependerá,
30
na prática, das características pós-fissuração necessárias, bem como do teor
de fibra e das propriedades de aderência fibra-matriz (Casagrande, 2005).
2.3. Tipos de Fibras Empregadas como Reforço
Existe atualmente uma ampla variedade de fibras disponíveis para serem
utilizadas como reforço de solos. As particularidades, características e
comportamento de cada uma, bem com suas propriedades físicas, químicas e
mecânicas, estão em função do material de que são feitas e da forma como são
produzidas, influindo diretamente no comportamento do compósito no qual elas
são empregadas.
Para que se obtenha o efeito esperado com respeito ao mecanismo de
interação entre o reforço (fibra) e a matriz, e a contribuição de cada uma das fases
no comportamento mecânico do compósito em questão, é indispensável que se
adote uma fibra com as propriedades adequadas para determinada função.
É importante, portanto que se conheça as características e os diferentes tipos
de fibras utilizados como elemento de reforço em materiais compósitos fibrosos.
Este tópico abordará os diferentes tipo de fibra utilizado em compósitos,
separando-os em sub-tópicos conforme sua origem: poliméricas, minerais,
metálicas e naturais.
2.3.1. Fibras Minerais
Fibras minerais
Dentre as fibras minerais mais utilizadas na construção civil poderíamos
citar as de carbono, vidro e amianto (também conhecidas como asbestos),
apresentadas a seguir:
• Fibras de Carbono: baseada na resistência das ligações entre os átomos de
carbono e na leveza dos mesmos. Possuem alta relação resistência/peso
próprio, elevada rigidez, boas propriedades elétricas e estabilidade
dimensional, além da resistência química e à corrosão elevada. As fibras de
31
carbono apresentam alta resistência à tração e módulo de elasticidade em
torno de 420 GPa. Tais características tornam imprescindível uma grande
aderência entre a matriz e as fibras (Taylor, 1994).
• Fibras de Vidro: apresentam alta resistência mecânica e estabilidade
dimensional, boas propriedades elétricas, alta resistência química e à
corrosão, sendo resistentes ao ataque da maioria dos ácidos. Além disso, é
um material não celular e de forma cilíndrica. Cerca de 99% das fibras de
vidro são produzidas a partir do vidro tipo E, que é susceptível ao ataque dos
álcalis.
• Fibras de Amianto: Também conhecidas como fibras de asbestos.
Apresentam resistência à tração em torno de 1000 MPa e módulo de
elasticidade em torno de 160 GPa. Seu diâmetro é muito pequeno, da ordem
de 1 µm (Taylor, 1994). Esta fibra, quando cortada, libera partículas muito
pequenas, em função do seu reduzido diâmetro, que danificam os alvéolos
pulmonares se aspiradas pelo homem. Em função disso sua utilização na
construção civil é proibida em muitos países.
A seguir, é apresentada a Tabela 2.2, com as principais propriedades físicas
dos três tipos de fibras (Curcio, 2001).
Tabela 2.1 - Propriedades físicas e mecânicas das f ibras minerais (Curcio, 2001)
Fibra Densidade (kg/dm3)
Alongamento na ruptura (%)
Resistência. a tração (GPa)
Módulo de elasticidade (GPa)
Carbono 1,70 a 1,90 0,3 a 1,8 5,5 290 a 400
Vidro 2,5 5 1,50 a 4,50 87
Asbesto 2,5 0,62 1 160
2.3.2. Fibras Metálicas
As fibras metálicas mais empregadas em reforço de materiais compósitos
são as fibras de aço. As fibras de aço utilizadas na construção civil apresentam
fator de forma na faixa de 30 a 50, comprimento variando de 0,1 a 7,62 cm e
diâmetro entre 0,13 e 0,9 mm. A ruptura do compósito é normalmente associada
ao arrancamento da fibra e não à sua ruptura.
32
A resistência à tração da fibra é da ordem de 1100 MPa e o módulo de
elasticidade é de 200 GPa. Podem apresentar problemas de corrosão em função do
meio em que estão inseridas, o que pode ser minimizado com banho de níquel.
Este tipo de fibra tem uma grande variedade de formatos para aumentar a
resistência ao arrancamento (Taylor, 1994).
2.3.3. Fibras Poliméricas
Devido à estrutura química variada dos polímeros as fibras poliméricas
podem ser consideradas as mais promissoras para o reforço de solos, pois dão
origem a diferentes tipos de fibras.
As fibras poliméricas podem ser divididas em fibras de polipropileno, de
polietileno, de poliéster e fibras de poliamida, descritas a seguir:
• Fibras de Polipropileno: as fibras de polipropileno são termoplásticas, ou
seja, adquirem uma consistência plástica com o aumento da temperatura.
Essas fibras possuem uma grande flexibilidade e tenacidade em função de
sua constituição; seu módulo de elasticidade gira em torno de 8 GPa
(menor que qualquer outra fibra) e sua resistência à tração é de
aproximadamente 400 MPa. Além disso, possuem elevada resistência ao
ataque de várias substâncias químicas e aos álcalis (Taylor, 1994).
• Fibras de Polietileno: as fibras de polietileno têm um módulo de
elasticidade baixo, são fracamente aderidas à matriz cimentada e altamente
resistentes aos álcalis. Apresentam alta durabilidade e grandes
deformações de fluência, o que significa que, se elas forem utilizadas para
suportar tensões altas permanentemente em um compósito fissurado,
consideráveis elongações e deflexões podem ocorrer ao longo do tempo
(Hannant, 1994). Procurando minimizar o problema da baixa aderência e
módulo, foi desenvolvido o polietileno de alta densidade. Segundo
Heineck (2002) o polietileno de alta densidade (PEAD), apresenta
melhores características de aderência e mais alto módulo de elasticidade.
• Fibras de Poliéster: as fibras de poliéster apresentam alta densidade,
rigidez e resistência, possuem um aspecto bastante similar às de
33
polipropileno e podem ser utilizadas para as mesmas aplicações (Taylor,
1994). O polietileno tereftalato (PET) é o poliéster mais conhecido
atualmente. É o material constituinte das garrafas plásticas. Apresenta
alongamento na ruptura de 7% a 50% e densidade relativa entre 1,33 e
1,45. A temperatura de fusão é da ordem de 270°C (Mano, 1991).
• Fibras de Poliamida (Kevlar): As fibras poliméricas de alto módulo de
elasticidade, foram desenvolvidas de poliamidas aromáticas e são
chamadas de fibras de aramida e conhecidas comercialmente por Kevlar.
As fibras de aramida são derivadas de moléculas de polímeros com alto
grau de aromaticidade (contendo anéis de benzeno) os quais exibem
comportamento de líquido cristalino em solução. As moléculas agem
como barras rígidas que se alinham paralelamente umas às outras para
formar domínios ordenados. Quando soluções destas moléculas são
sujeitas ao cisalhamento, os domínios ordenados tendem a se orientar na
direção do esforço (Hull e Clyne, 1996). As fibras de aramida são
produzidas por extrusão e fiação. Quando a solução polimérica passa pelo
processo de fiação desenvolve um alto grau de orientação e então podem
alcançar valores de resistência e módulo de elasticidade elevados.
2.3.4. Fibras Naturais
Fibras naturais são estudadas há anos no que diz respeito à sua composição,
às suas propriedades mecânicas e aos seus possíveis usos (Bledzki e Gassan,
1999; Sparniaš, 2006). Durante séculos elas foram utilizadas até que,
gradativamente, elas começaram a ser substituídas por novas tecnologias.
Todavia, a necessidade de se obter tecnologia sustentável faz com que o uso de
fibras naturais se torne uma alternativa viável.
As fibras naturais são em sua maioria extraídas de vegetais (existem
exceções, por exemplo, o cabelo humano é considerado uma vibra natural),
obtidas em muitas regiões do planeta, em especial, na zonas tropicais dada a sua
enorme biodiversidade. Elas podem ser classificadas conforme a origem de
extração: folhas, frutos, caule e semente. Alguns exemplos de fibras naturais são
citados na tabela 2.2, que apresenta a fibra, a espécie, bem como sua origem.
Há muitas formas de se extrair as fibras de um vegetal. Uma determinada
34
forma pode ser aplicar a um tipo de fibra e não a outra. De fato, a forma de
extração tem muito a ver com a parte da planta onde a fibra em que se tem
interesse está localizada (folhas, frutos, talo) A tabela 2.2 explicita a parte do
vegetal de interesse para a extração de fibras. No geral, os métodos manuais são
os mais utilizados. Existem, porém, métodos mecânicos de extração pelo uso de
máquinas chamadas de “decorticadores” que são utilizados para extrair fibras
como banana, sisal, linho ou juta por exemplo. (Tomczak, 2010)
Tabela 2.2 - Lista de fibras naturais importantes e sua origem (Tomczak, 2010)
Fibra Espécie Origem
Abacá Musa textilis Folhas
Abacaxi Ananus comosus Folhas
Açaí Euterpe oleracea Frutos
Algodão Gossypitum sp. Sementes
Bamboo (>1250 espécies) Capim
Banana Musa indica Folhas
Cânhamo Cannabis sativa Caule/talo
Coco Cocos nucifera Frutos
Curauá Ananas erectifolius Folhas
Esponja Luffa cylindrica Frutos
Henequem (sisal mexicano) Agave fourcroydes Folhas
Juta Corchorus capsularis Caule/talo
Kenaf Hibiscus cannabinus Folhas
Linho Limim usitatissimtum Caule/talo
Piassava Attalea funifera Folhas
Ramie Boehmeria nicea Caule/talo
Sisal Agave sisilana Folhas
As fibras vegetais podem diferir significativamente em sua aparência física
mas elas possuem, entretanto, similaridades que as identificam como uma família.
As características das fibras dependem das propriedades dos seus constituintes
individuais, da estrutura fibrilar e da matriz lamelar. As fibras naturais são
compostas de numerosas fibro-células alongadas fusiformes, que se adelgaçam de
forma cônica na direção das extremidades (Figura 2.3). As fibro-células são
unidas pelas lamelas médias as quais são constituídas de lignina, hemicelulose e
pectina (Toledo Filho, 1997).
35
Figura 2.3 - Estrutura microscópica e submicroscópi ca da celulose
As fibras naturais consistem, basicamente, em carboidratos (celulose e
hemicelulose), lignina, pectina e minerais (Passos, 2005).
A celulose pode ser considerada o componente principal e é o que mais
influencia nas propriedades mecânicas das fibras. Ela é definida quimicamente
como um polissacarídeo, composto de carbono, oxigênio e hidrogênio, cuja
fórmula é (C6H10O5)n. A molécula C6H10O5 representa na verdade a glicose,
estrutura similar a um anel que pode ser vista repetida 3 vezes na figura 2.4. A
celulose consiste por tanto em uma cadeia de moléculas de glicose interligadas
por um átomo de oxigênio.
Durante o processo de formação da celulose, as ligações poliméricas
formam longas cadeias de maneira que as moléculas ficam muito próximas
através de longos segmentos, dando origem a fortes ligações químicas secundárias
intermoleculares que são responsáveis pela grande resistência de materiais
celulósicos (Tomczak, 2010).
36
Figura 2.4 – Estrutura da celulose
As fibras celulósicas são encontradas em vários níveis de orientação,
conforme ilustrado na Figura 2.5. Nos locais onde as moléculas se encaixam
muito próximas, em longos segmentos, são desenvolvidas regiões cristalinas.
(Tomczak, 2010).
Figura 2.5 - Esquema de orientação molecular de uma microfibrila de celulose (Tomczak, 2010).
O grau de polimerização da celulose determina as propriedades dos
materiais celulósicos. Celulose com cadeias longas são denominadas de α-
celulose. Celuloses com graus de polimerização menores são categorizados como
β-celulose (grau de polimerização entre 15 e 90) e hemicelulose (grau de
polimerização menor que 15) As moléculas de α-celulose e das hemiceluloses
crescem linearmente formando feixes denominados microfibrilas as quais se
37
reúnem formando as fibrilas, que constituem a base da fibra.
Enquanto a celulose é uma estrutura composta apenas por um tipo de
açúcar, a glicose, as hemiceluloses são polissacarídeos de massa molecular
relativamente baixa, solúvel em água ou em soluções alcalinas, e compostas por
cinco diferentes tipos de açúcares: manose, galactose, xilose, arabinose, além da
própria glicose. Dependendo da espécie vegetal, estes açucares formam várias
estruturas poliméricas que podem se associar com a porção de celulose ou com a
lignina.
O termo holocelulose é usado para caracterizar toda a parcela de
carboidratos existentes na fibra, ou seja, a celulose e a hemicelulose. Além da
holocelulose, as fibras contêm uma espécie de resina denominada lignina (figura
2.6).
A lignina é, na verdade, um polímero com estrutura molecular complexa,
amorfa, com constituintes aromáticos e alifáticos, que mantem as fibras
celulósicas unidas tal como uma cola, formando assim a parede celular. Ela
fornece resistência à compressão ao tecido celular e às fibras, enrijecendo a parede
celular e protegendo os carboidratos (açúcares) contra danos físicos e químicos.
Sua concentração nas fibras influencia a estrutura, as propriedades, a morfologia,
a flexibilidade e a taxa de hidrólise. Segundo Passos (2005) fibras com alto teor de
lignina serão de excelente qualidade e flexíveis. Como se verá mais a frente, a
fibra de coco, material de estudo dessa pesquisa é talvez a fibra natural com a
maior concentração de lignina, o que confere a ela propriedades únicas.
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Figura 2.6 - Representação bidimensional da lignina (Tomczak 2010)
A pectina, outro componente das fibras vegetais, é um polissacarídeo rico
em ácido galacturônico, presente nas paredes celulares e com função aglutinante.
Já os componentes minerais são os responsáveis pela formação das cinzas após a
incineração das fibras (Passos, 2005).
Além da holocelulose e da lignina, outras substâncias podem estar presentes
nas fibras naturais, por exemplo, resinas ácidas, ácidos graxos e álcoois. Muitas
delas são solúveis em água ou solventes orgânicos neutros. São denominadas de
extrativos. As composições químicas de diferentes fibras naturais estão mostradas
na Tabela 2.3.
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Tabela 2.3 - Composição química típica de fibras na turais (Tomczak, 2010)
Fibra α-celulose Hemi-celulose Lignina Cinzas Extrativos
Abacaxi 80 - 83 - 12 0,1 - 1 4
Bagaço de Cana 54,3 -55,2 16,8 - 29,7 24 - 25 1,1 0,7 - 3,5
Bambu 33 - 45 30 20 - 25 - -
Banana 60 - 65 6,0 - 8,0 05/out 1,2 -
Coco 43,4 - 53 14,7 38 - 40 - 3,5
Curauá 70,7 - 73,6 21,1 08 - 11 0,8 - 0,9 2,5 - 2,8
Luffa Cylindrica 62 20 11 0,4 3,1
Piassava 31,6 - 48 - -
Rami 80 - 85 3,0 - 4,0 0,5 - 6,4
Sisal 60 - 75,2 10 -15 07 - 12 0,14 - 0,87
1,7 - 6,0
A estrutura cristalina das fibras naturais consiste de microfibrilas de celulose
que são conectadas pela região amorfa composta por lignina e hemicelulose
formando células. Estas células diferem em suas composições químicas, e em seu
ângulo helicoidal das microfibrilas. Este conjunto de parâmetros determina as
propriedades mecânicas das fibras. Os ângulos helicoidais de algumas fibras são
mostrados na Tabela 2.4. Uma representação das longas fibras cristalinas na forma
de espirais helicoidais dispersas em uma região amorfa está ilustrada na Figura
2.7.
Tabela 2.4 - Ângulos helicoidais de algumas fibras (Tomczak, 2010)
Fibra Ângulo helicoidal (°)
Banana 11
Coco 45
Juta 8
Linho (flax) 10
Rami 7,5
Sisal 20
40
Figura 2.7 - Arranjo helicoidal das fibras de celul ose nas fibras naturais (Tomczak, 2010)
As propriedades mecânicas das fibras naturais são influenciadas por vários
fatores, como local de origem (clima), maturação (idade), espécie, método de
extração, tipo de celulose (α-celulose, β-celulose), quantidade de celulose e
ângulo helicoidal.
Fibras como as de juta, linho, rami, sisal possuem altos percentuais de
celulose, sendo indicadas para uso como material de reforço em compósitos. As
fibras de juta, sisal e coco apresentam também altos teores de lignina, o que lhes
confere um fortalecimento adicional das ligações internas dos compósitos,
principalmente aqueles submetidos a processos de aquecimento, caso dos
compósitos que utilizam material cimentante (Tomczak, 2010).
As fibras das cascas de coco, objeto de pesquisa deste trabalho, embora
tenha um percentual menor de celulose, possui um teor de lignina altíssimo, cerca
de duas a quatro vezes os valores existentes para a juta e o sisal, o que lhe outorga
um comportamento único em comparação com as demais fibras.
Outras fibras que são subprodutos da agricultura, tais como forragem de
milho, folha de abacaxi, bagaço de cana, folha de bananeira, palha de trigo e de
arroz, talo de sorgo e palha de cevada, pode-se destacar o fato de terem, no geral,
concentrações maiores de hemicelulose e lignina do que as fibras convencionais, e
41
também possuem qualidades que lhe conferem a possibilidade de serem
empregadas em diversos usos. Com relação ao teor de celulose, as fibras de folhas
de abacaxi e de bananeira possuem percentuais compatíveis com as fibras
convencionais conferindo-lhes potencial para serem usadas como reforço em
compósitos.
As propriedades das fibras naturais dependem, principalmente, de sua
composição química. Deve-se salientar que devido ao fato de ser um material
natural, cultivado, diversos fatores influem em suas características, tais como a
localidade onde foi produzida, o clima, a variedade da fibra, as propriedades do
solo, a forma como foi cultivada, a maturação, entre outros. Uma das diferenças
entre a engenharia civil estrutural e a geotécnica é que, enquanto a primeira se
baseia em materiais construídos pelo homem e por tanto, com suas propriedades
constantes e bem definidas, a segunda trabalha com solos e rochas, materiais
feitos pela natureza, os quais não apresentam propriedades constantes. Tal como
acontece com o material geotecnico, esses tipos de fibras, por serem elementos
naturais, não apresentam uma uniformidade em suas propriedades como ocorre
com as fibras sintéticas. Segundo (Bledzki; Gassan, 1999 e Sparniaš, 2006), a
composição química, cristalinidade, propriedades de superfície, diâmetro
transversal, forma, tamanho, força e rigidez podem variar de fibra para fibra.
Segundo Thakur e Singha (2010) as propriedades mecânicas das fibras
dependem de fatores como a percentagem de celulose, o grau de polimerização da
celulose e o ângulo microfibrilar. Fibras com alta percentagem de celulose, alto
grau de polimerização e baixo ângulo microfibrilar apresentam uma maior
resistência à tração. Essas fibras apresentam variações nas propriedades
mecânicas, tanto ao longo do comprimento da fibra quanto entre as fibras.
Segundo Santos (2006), um critério para a escolha do tipo adequado de
fibra é o seu módulo de elasticidade. A Tabela 2.5 (Bledzki; Gassan, 1999)
apresenta algumas propriedades mecânicas de diversas fibras sintéticas e naturais.
Os valores característicos das fibras naturais são bem inferiores aos encontrados
para as fibras de vidro (E-vidro) e de carbono. Contudo, como a densidade da E-
vidro é cerca de 45% maior que as demais, pode-se dizer que as fibras naturais
apresentam valores de propriedades mecânicas comparáveis a E- vidro.
42
Tabela 2.5 - Propriedades mecânicas de fibras veget ais e de fibras convencionais usadas como reforço (Bledzki e Gassan, 1999)
Fibra Densidade Alongamento Resistência à Módulo de
Elasticidade (GPa) (g/cm3) (%) tração (MPa)
Coco 1,2 30 175 4,0 - 6,0
Algodão 1,5 - 1,6 7,0 - 8,0 287 - 597 5,5 - 12,6
Juta 1,3 1,5 - 1,8 393 - 773 26,5
Linho 1,5 2,7 - 3,2 345 - 1035 27,6
Cânhamo - 1,6 690 -
Rami - 3,6 - 3,8 400 - 938 61,4 - 128
Sisal 1,5 2,0 - 2,5 511 - 635 9,4 - 22,0
Kraft 1,5 - 1000 40
E-vidro 2,5 2,5 2000 - 3500 70
Carbono padrão 1,4 3,3 - 3,7 3000 - 3150 63 - 67
Neto e Pardini (2006) enumeraram as principais vantagens das fibras
vegetais em sendo:
• baixa massa específica.
• maciez e abrasividade reduzida.
• baixo custo.
• reciclabilidade, atoxicidade e biodegradabilidade.
• estímulo a empregos na zona rural.
• baixo consumo de energia em sua produção.
Como desvantagens, é possível citar:
• acentuada variabilidade em suas propriedades mecânicas.
• sensibilidade a efeitos ambientais (variações de temperatura e umidade).
• presença de seções transversais de geometria complexa e não uniforme.
• propriedades mecânicas modestas quando comparadas às fibras sintéticas (fibra
de carbono, de vidro, etc.).
2.4. Mecanismo de Interação Solo-Fibra – Estudos Experim entais
Este tópico visa demostrar os mecanismos que regem o comportamento do
material compósito, de forma que se possa entender as causas pelas quais a
introdução de fibras pode incrementar a resistência ao cisalhamento de solos.
43
Durante anos, diversos pesquisadores ao redor do mundo concentraram seus
esforços para melhor compreender o funcionamento da estrutura solo-fibra. Há
que se ter em mente a complexidade deste comportamento, o fato de que muitas
são as variáveis que influenciam na resistência desses compósitos. Há que se saber
os esforços que o solo sofrerá, a aplicação a que se destina determinado
compósito, uma vez que uma determinada mistura pode ser adequada para um
certa situação e não ser adequada para outra. A combinação das variáveis que
regem o comportamento do compósito associada ao conhecimento do projetista é
vital para o sucesso de uma obra geotécnica baseada neste tipo de solução, razão a
qual se torna indispensável o conhecimento sobre o comportamento dos
compósitos, o que justifica a importância deste tópico.
McGown et al. (1978) estudaram o efeito da inclusão de diferentes
elementos de reforço em um solo arenoso nos estados denso e fofo. Os autores
observaram que o comportamento tensão x deformação do solo reforçado depende
fundamentalmente das características de resistência e deformabilidade dos
elementos de reforço.
Eles propuseram a divisão de reforço se solos baseada na deformabilidade
do reforço em inclusões extensíveis e não-extensíveis. O elemento de reforço
extensível tem deformação de ruptura maior que a máxima deformação de tração
no solo sem reforço.
Gray e Ohashi (1983) propuseram um modelo teórico para prever o
comportamento de uma areia reforçada com fibras. Os autores executaram ensaios
de cisalhamento direto com areia, nos estados fofo e denso, reforçada com fibras
naturais, sintéticas e metálicas. A partir dos resultados obtidos nos ensaios, eles
chegaram à conclusão que a inclusão da fibra aumenta a resistência ao
cisalhamento de pico e reduz a queda pós-pico. Também foi possível observar a
existência de uma tensão de confinamento crítica onde, abaixo desta, as fibras são
arrancadas e, acima desta, as fibras são alongadas.
A orientação das fibras com relação à superfície de cisalhamento também é
considerada no modelo. Na Figura 2.8 são apresentados resultados de ensaios de
cisalhamento direto realizados pelos autores mencionados anteriormente. Como se
pode observar, a inclinação de 60° em relação ao plano de ruptura representa a
maior contribuição em termos de resistência e a inclinação de 120° representa a
redução da resistência ao cisalhamento.
44
Figura 2.8 – Acréscimo de resistência em função da inclinação da fibra (Gray e Ohashi, 1983)
Uma análise sobre os efeitos da inclusão de fibras na resistência à
compressão simples de um solo residual compactado com diferentes valores de
umidade foi elaborada por Freitag (1986). Ele utilizou fibras de polipropileno com
diâmetros de 0,10mm e 0,20mm. As fibras de polipropileno tinham comprimento
de 2cm e foram adicionadas no teor de 1% em volume. Como resultado, o autor
observou um aumento na resistência à compressão simples (sem confinamento),
em especial, para misturas compactadas com umidades próximas ao valor ótimo e
no ramo úmido da curva de compactação. As curvas tensão x deformação
mostraram que o solo reforçado com as fibras rompiam com uma deformação
bastante superior à deformação do solo não reforçado sendo, portanto, capaz de
absorver maior energia de deformação.
Gray & Maher (1989) analisaram a influência de uma série de parâmetros
das fibras e do solo sobre o comportamento tensão-deformação, no qual as fibras
foram distribuídas de forma aleatória no solo, portanto, evitando a existência de
planos de fraqueza no compósito, sendo este totalmente isotrópico. Perceberam a
existência de uma tensão de confinamento crítica, onde o aumento da relação
largura/diâmetro resulta na redução desta tensão e torna mais efetiva a
45
contribuição da fibra no aumento da resistência ao cisalhamento. Perceberam
também que o crescimento da resistência ao cisalhamento com o aumento do teor
de fibra ocorre até um determinado ponto a partir do qual esta começa a decrescer.
Shewbridge e Sitar (1989) usaram um equipamento de cisalhamento direto
de grande dimensão para avaliar o mecanismo que desenvolve uma zona de
ruptura em um solo arenoso. Para o solo reforçado, a zona de ruptura era mais
larga e aumentava com a concentração, rigidez e aderência entre o solo e o
reforço. Eles concluíram que o aumento da resistência é função das propriedades
da areia (graduação, tamanho e forma das partículas) e da fibra (teor, relação
largura/diâmetro e módulo). Observaram que a resistência diminui com o aumento
do tamanho médio e da esfericidade das partículas de areia, por outro lado, há um
acréscimo da resistência com o aumento do coeficiente de uniformidade da areia,
do teor de fibras, do módulo das fibras e da relação largura/diâmetro.
Maher e Ho (1993) estudaram o comportamento de uma argila acrescida de
diferentes teores de cimento, pretendendo simular um material com diferentes
valores de coesão. Concluíram que o aumento da coesão reduz a contribuição das
fibras para o aumento de resistência de pico do solo.
Maher e Ho (1994) estudaram as propriedades mecânicas e hidráulicas de
um compósito feito de caulinita e fibra, utilizando ensaios de compressão simples,
compressão diametral, flexão e condutividade hidráulica. Os autores utilizaram
fibras de polipropileno, vidro e celulose. Eles observaram que a inclusão de fibras
aleatoriamente orientadas aumentou consideravelmente a resistência e a
ductilidade deste compósito, em especial, para as misturas com baixos teores de
umidade. Perceberam que para um determinado teor de fibras, entre mais curtas
elas sejam, maior será a quantidade de fibras contidas na matriz, e que existe uma
chance maior de haver mais fibras na zona de cisalhamento, o que contribuiria
para o aumento da resistência. Após a ruptura, entretanto, as fibras mais curtas são
mais suscetíveis ao arrancamento, o que ressalva a necessidade de se utilizar
fibras mais longas quando houver a necessidade de se melhorar a ductilidade e a
capacidade de absorção de energia. Um fato importante observado foi que a
introdução de fibras contribuiu para o aumento da permeabilidade do solo
estudado, sobretudo, para maiores teores de fibra.
Fibras de polipropileno aleatoriamente orientadas foram utilizadas para
reforçar dois solos, um argiloso e outro arenoso, em ensaios de laboratório
46
executados por Nataraj et al. (1996). O resultados obtidos mostraram que não
existiu uma significativa variação nos parâmetros de compactação do solo.
Observou-se um aumento na resistência ao cisalhamento para o solo arenoso, em
especial, para os maiores teores de fibra estudados. A inclusão das fibras
propiciou um aumento à compressão simples para os dois tipos de solo.
Um solo argiloso e outro arenoso, ambos reforçados com fibras de
polipropileno foram estudados por Teodoro e Bueno (1998) e Teodoro (1999). Os
autores estudaram o comportamento de misturas com diferentes teores, variando
entre 0,1% a 1%, e comprimentos de fibras entre 10mm a 30mm, fazendo uso de
ensaios triaxiais, compressão simples e cisalhamento direto. Também elaboraram
painéis com solo de matriz argilosa, a fim de se estudar o padrão de fissuramento
deste material ao ser submetido a variações térmicas. Concluíram que a
introdução das fibras contribui para um aumento na resistência ao cisalhamento e
diminui a queda da resistência pós-pico do solo. Em especial, para o solo arenoso,
verificaram que as envoltórias tendem a uma bilinearilidade, à medida que o teor e
o comprimento das fibras aumentam. Eles observaram também que a introdução
das fibras nos painéis executados com o solo argiloso, reduziu o tamanho das
trincas, que não deixaram de se formar.
Os efeitos da introdução de fibras sintéticas com propriedades mecânicas
distintas, aleatoriamente distribuídas, no comportamento de um solo arenoso,
cimentado e não cimentado, foram estudados por Montardo (1999), Montardo et
al. (2002) e Consoli et al (2002). Os autores concluíram que:
• fibras relativamente rígidas (fibras de vidro e PET) exercem efeito mais
pronunciado na resistência de ruptura, ao passo que fibras relativamente
flexíveis (fibras de polipropileno) exercem efeito mais pronunciado no
modo de ruptura e no comportamento último.
• a inclusão de fibras PET ou de vidro aumentou tanto a resistência à
compressão, quanto a resistência à tração da matriz cimentada, enquanto
que as fibras de polipropileno não aumentou estas duas variáveis.
• a inclusão de fibras de polipropileno no compósito cimentado alterou o
comportamento do material na ruptura, que era frágil e passou a ser dúctil,
47
sendo que o uso das fibras PET e de vidro não modificou o modo de
ruptura.
• a rigidez inicial não foi afetada pela inclusão das fibras PET e de vidro,
porém ela é drasticamente reduzida com a inclusão de fibras de
polipropileno.
Specht (2000) estudou o comportamento mecânico, os parâmetros de
resistência e os de deformabilidade, de um solo residual artificialmente
cimentado, reforçado com dois diferentes tipos de fibras poliméricas (um em
forma de filamentos e outra fibrilada), que apresentavam variação em suas
propriedades mecânicas. Foram realizados ensaios sob condições de carga estática
e dinâmica, através dos quais o autor concluiu que as fibras extensíveis (em forma
de filamentos) foram mais efetivas na melhoria das características pós-ruptura do
compósito aumentando de forma expressiva a tenacidade, a ductilidade e a
resistência à fadiga. Ele também percebeu que as fibras de caráter inextensíveis
(fibriladas) foram mais efetivas na redução da deformabilidade e no aumento da
resistência de pico. Foram dimensionadas estruturas de pavimento semi-rígido,
onde se observou uma significativa redução na espessura da camada cimentada
quando da utilização de reforços fibrosos em forma de filamentos.
Feuerharmel (2000) estudou o comportamento de três tipos de solo (uma
argila, uma areia-siltosa e uma areia), artificialmente cimentadas (teor de 7% em
relação ao peso de material seco) e não-cimentadas, reforçadas com fibras de
polipropileno (teor de 0.5%) de dois comprimentos (12 e 36mm); a distribuição
das fibras na massa de solo foi aleatória. O autor concluiu que: (1) a adição de
fibras de polipropileno provocou reduções no módulo de deformação inicial do
solo, sendo que a intensidade das alterações depende do tipo e das características
de cada solo. Para misturas não-cimentadas, os solos menos rígidos foram os mais
afetados enquanto que as alterações na areia foram pequenas; (2) quanto à
resistência ao cisalhamento, o comportamento resistente dos solos não-cimentados
reforçados pode ser dividido em três etapas, uma inicial, onde o comportamento é
controlado basicamente pela matriz de solo, uma etapa intermediária, na qual o
comportamento do material compósito é comandado juntamente pela matriz e
48
pelos elementos de reforço, e uma etapa final, onde o comportamento do material
é comandado exclusivamente pelas fibras; (3) para os solos não-cimentados, cujas
deformações se distribuem por toda a amostra, as fibras constituem uma estrutura
entrelaçada que impõe uma resistência às deformações radiais na amostra,
aumentando assim as deformações de compressão do solo. Este efeito depende da
adesão entre o solo e as fibras, sendo que para a areia, onde esta adesão é inferior
aos demais solos, não se observa alterações significativas na variação volumétrica;
(4) para os solos cimentados, onde as deformações se concentram apenas na
superfície de ruptura, as fibras atuam, em hipótese, de duas maneiras, (a) o efeito
de ancoragem, proporcionado pelas fibras ancoradas nos dois lados da superfície
de cisalhamento e que tende a reduzir a dilatância; (b) a redistribuição de esforços,
que causa a expansão da superfície de cisalhamento, tendendo a aumentar as
deformações volumétricas de expansão.
Casagrande (2001) e Casagrande e Consoli (2002) elaboraram um estudo
utilizando uma areia siltosa reforçada com fibras de polipropileno, no qual
demostraram um constante crescimento da resistência ao cisalhamento, conforme
o aumento da deformação axial, caracterizando um comportamento elasto-plástico
de enrijecimento. Eles concluíram que as fibras contribuíam de forma mais
significativa para o ganho de resistência do compósito a partir de 2,5% de
deformação axial.
Utilizando ensaios triaxias, bem como ensaios de placa, Vendruscolo (2003)
conclui que os parâmetros de resistência e deformação de um solo arenoso
(cimentado e não cimentado) reforçado com fibras, varia em função das
propriedades da matriz, na qual o efeito da adição das fibras é mais enfático para
maiores comprimentos e maiores teores de fibras. Segundo o autor, a influência
das fibras na resistência de pico e última do material depende do diâmetro das
fibras e da distribuição granulométrica do solo.
Consoli et al. (2004) estudou o comportamento de uma areia (cimentada e
não cimentada), reforçada com fibras. Percebeu que para misturas com fibras de
polipropileno, com comprimento de 36mm (o maior dos comprimentos estudados)
houve uma consideravelmente redução do índice de fragilidade da areia
cimentada, que passaram a apresentar uma ruptura frágil ao invés de dúctil. Tal
efeito não foi observado nas misturas com outros tipos de fibra estudados. Isso
demonstra que não é possível estabelecer regras de comportamento sem o
49
conhecimento prévio das propriedades dos materiais envolvidos.
Santos (2004) desenvolveu um equipamento de compressão confinada com
medição de tensão lateral e avaliou o comportamento, sobre a trajetória de tensões
Ko, de uma areia e de misturas de areia-fibra, considerando a influência da adição
de fibras de diferentes comprimentos. Os resultados mostraram que: (1) a inclusão
de fibras torna-se cada vez mais significativa com o aumento das tensões e que a
variação do comprimento das fibras também tem efeito sobre a trajetória de
tensões, sendo maior a influência quanto maior for o comprimento destas; (2) a
tensão lateral diminui com a inclusão de fibras, sendo esta redução cada vez mais
significativa com o aumento das tensões verticais e proporcional ao comprimento
das fibras; (3) a presença de fibras modifica o comportamento tensão-deformação
no carregamento principalmente nas tensões iniciais e praticamente mantém a
mesma forma da curva da areia sem fibras nas tensões maiores e no
descarregamento e (4) os valores de Ko diminuem com a inclusão de fibras e com
o aumento do comprimento das mesmas para todos os níveis de tensão tanto no
carregamento quanto no descarregamento, mantendo-se praticamente constantes
no carregamento e crescendo no descarregamento.
Casagrande (2005) realizou ensaios triaxiais consolidados drenados com
distintas trajetórias de tensões (compressão axial, descarregamento lateral e p ́
constante) e isotrópicos com aplicação de altas tensões em misturas feitos com
areia e fibras de polipropileno, bem como ensaios do tipo ring shear em misturas
de areia e bentonita, com e sem reforço, além de e provas de carga em placa de
0.30 m de diâmetro sobre espessas camadas de areia compactada, reforçada e não
reforçada com fibras. O autor relatou o aumento dos parâmetros de resistência ao
cisalhamento de pico, bem como das resistência pós-pico das matrizes estudadas
após grandes deslocamentos horizontais, sem quedas significativas de resistência
pós-pico no caso da matriz arenosa. Para a matriz de alta plasticidade e altos
índices de vazios, o acréscimo de resistência tende a reduzir com o aumento das
deformações cisalhantes. O efeito da inclusão de fibras foi mais evidente para
baixas tensões efetivas médias iniciais, menores diâmetros, maiores comprimentos
e maiores teores de fibras, sendo seu efeito mais pronunciado para misturas mais
densas. O comportamento carga-recalque do solo arenoso foi significativamente
influenciado pela adição de fibras, aumentando a capacidade de suporte deste e
alterando mecanismos de ruptura.
50
Falorca (2006) conclui através de ensaios de cisalhamento e do tipo ring
shear, que o acréscimo do deslocamento devido ao cisalhamento de um solo
reforçado, acarreta num aumento da resistência ao cisalhamento deste, além de
identificar uma relação entre o aumento da resistência ao cisalhamento dos solos e
da dilatância, quer dizer, quando a dilatância diminui, a resistência ao
cisalhamento deixa de aumentar.
Donato (2007) avaliou a distribuição de tensões em um solo arenoso
reforçado com fibras de polipropileno através de ensaios de prova de carga em
placa circular de 0.30 m de diâmetro, com medidas diretas de tensão pelo uso de
células de tensão total. Além disso, utilizou-se o método dos elementos finitos
(MEF) para simular numericamente a distribuição de tensões dentro de câmaras
de calibração. O autor concluiu que: (1) o comportamento carga-recalque da areia
e das areias reforçadas é similar no início do carregamento, até o momento em que
a mobilização das fibras inseridas na matriz se mostra mais efetiva, a partir de
certo nível de recalque e carga aplicada. (2) a distribuição das tensões verticais é
função do fator de forma das câmaras, onde a câmara com maior fator apresenta
uma maior redução das tensões com o aumento da profundidade analisada.
Curcio (2008) estudou o comportamento hidromecânico e mecânico de
amostras de solo compactado reforçado com fibras de PET reciclado. A adição de
fibras reduziu a magnitude das fissuras de tração. Observou-se que o
comportamento do material compósito com relação à resistência à tração parece
ser inicialmente controlado unicamente pela matriz de solo. À medida que
crescem as deformações, o comportamento passa a ser controlado pela matriz e
pelas fibras. A adição de 1% de fibras, além de favorecer o acréscimo da tensão de
tração máxima do solo, retarda a abertura de fissuras e reduz a magnitude das
mesmas, sem alterar as propriedades desejáveis na compactação e sem influenciar
negativamente a condutividade hidráulica do solo quando utilizadas sob tensão
confinante.
Consoli e Casagrande (2009) estudaram o efeito da densidade relativa da
areia reforçada com fibras de polipropileno submetidas a ensaios de placa,
concluindo que o efeito de inclusão das fibras pode ser mais pronunciado para
densidades mais altas.
Girardello (2010) avaliou o comportamento mecânico de uma areia não
saturada, com e sem reforço de fibras de polipropileno, através de ensaios de placa
51
em densidade relativa de 50% e 90%, ensaios triaxiais e ensaios de sucção. O
melhor resultado foi obtido para o ensaio de placa realizado na maior densidade
relativa. Quanto aos ensaios de sucção, nota-se que a inclusão das fibras não
ofereceu nenhuma influência na magnitude da resistência apresentada devido à
sucção. Quanto aos ensaios de placa, a inclusão aleatória das fibras confere ao
material uma melhora no comportamento carga-recalque, com influência na
mudança dos mecanismos de ruptura. O comportamento carga-recalque não difere
para o solo reforçado e sem reforço. Essa diferença é perceptível a partir do
momento em que a mobilização das fibras que são inseridas na matriz arenosa
começa a se mostrar mais efetivas, que ocorre somente após certo nível de
recalque e carga aplicada.
Lirer (2012) estudou o comportamento de uma areia com pedregulho
misturada com fibras de polipropileno chegando a concluir que a adição das fibras
ao material oferece uma maior influencia ao material para baixas tensões
confinantes. Para grandes deformações o comportamento resistente do material
com reforço e sem reforço é similar, isto quer dizer que a adição das fibras à areia
com pedregulhos não contribui positivamente à resistência do material quando ele
sofre grandes deformações.
2.5. Mecanismo de Interação Solo-Fibra – Estudos Experim entais
Este tópico tem o objetivo de descrever as conclusões de alguns autores
relacionadas a certas mudanças que ocorrem com respeito ao comportamento
mecânico e algumas propriedades dos solos reforçados com fibras, tais como a
compactação, a resistência, a deformabilidade, o modo de ruptura, a variação
volumétrica, a rigidez inicial e a condutividade hidráulica.
2.5.1. Compactação
Ao estudar a influência da adição de fibras de polipropileno na compactação
de um cascalho com areia, Hoare (1979) percebeu que as fibras conferem uma
certa resistência à compactação, resultando em porosidades maiores da mistura,
para as mesmas energias de compactação, sendo este aumento linear em relação à
quantidade de fibra e independente do tipo de compactação empregada.
52
Resultados de ensaios empregando-se dois tipos de reforços diferentes sugeriram
ainda que a influência na compactação é comandada pela interação entre solo e
reforço, atentando para aspectos como a granulometria do solo, forma das
partículas, textura e área superficial do reforço.
Al Wahab e Al-Qurna (1995) avaliaram os efeitos da inclusão de vários
teores de fibra (0%; 0,5%; 1% e 2% em peso do solo seco) na curva de
compactação de uma argila. Os resultados encontrados demonstraram um
decréscimo da densidade e um acréscimo na umidade ótima para a adição de 2%
de fibra, considerados não muito significativos.
Bueno et al. (1996) observaram o mesmo comportamento com relação à
umidade para um solo arenoso, ao contrário do solo argiloso, onde não foi
observada nenhuma alteração na umidade ótima. Em ambos os casos, a densidade
máxima não sofreu alterações com a inclusão de fibras.
Vários outros autores relataram também não ter encontrado nenhuma
alteração significativa com a inclusão de fibras (e.g. Maher e Ho, 1994; Ulbrich,
1997; Consoli et al, 1999; Casagrande, 2001; Heineck, 2002).
Ao compactar um solo laterítico quando reforçado com fibras de sisal
tratadas superficialmente com EPS, Leocádio (2005) observou um aumento
significativo em sua densidade seca máxima. Também pode perceber um aumento
no teor de umidade ótimo, quando se aumentou o teor das fibras, com redução
deste aumento da umidade ótima com o tratamento superficial. O autor justifica
que o tratamento com EPS reduz a absorção de umidade das fibras de sisal.
2.5.2. Resistência ao Cisalhamento de Pico
Através de ensaios de compressão simples e de compressão diametral,
Maher e Ho (1994) concluíram que a inclusão de fibras tem uma influência
significativa nas propriedades mecânicas de argilas cauliníticas. Ele observaram
um aumento do pico de resistência à compressão e à tração, assim como o
aumento da ductilidade do material. Eles também perceberam que o aumento no
teor de fibras aumentou a resistência à tração e à compressão, entretanto, o
aumento no comprimento das fibras analisada pelos autores, diminuiu o ganho de
resistência, tanto à compressão quanto à tração. A umidade do solo no momento
53
da compactação também afeta essas relações, sendo elas mais expressivas para
menores umidades, tal como observado por Andersland e Kattak (1979) e por
Nataraj et al. (1996).
Bueno et al. (1996) elaborou um estudo comparativo entre um material
granular e um coesivo, observando que os solos coesivos são menos sensíveis ao
aumento do comprimento das fibras. Após estudos envolvendo ensaios triaxiais,
concluiu a ocorrência de um acréscimo no ângulo de atrito com a adição do
reforço, sendo este maior quanto maior for a quantidade de fibras.
Ranjan e Charan (1996) observaram que a curva tensão x deformação de
uma areia fina reforçada exibia tendências a crescimento mesmo a deformações
axiais de ordem de 20%. Teodoro (1999) observou um aumento na resistência de
uma areia siltosa reforçada com o aumento no comprimento das fibras de
polipropileno de 0 para 30mm, comportamento este distinto do solo argiloso, que
apresentou um máximo de resistência para fibras de 15mm.
Maher e Gray (1990) utilizaram bolas de vidro com granulometria uniforme
ao invés do solo. Dois diferentes diâmetros de bolas de vidro foram testados, com
0,25mm e 0,31mm. Os autores perceberam que a configuração com maior
diâmetro implicava numa menor contribuição das fibras para a resistência da
mistura.
Muitos autores relatam haver identificado acréscimos na resistência pela
inclusão de fibras ao solo. Alguns constataram um aumento da resistência de
forma linear com o aumento da quantidade de reforço (Gray e Ohashi, 1983; Gray
e Al-Refeai, 1986), enquanto outros constataram um aumento não linear
(Shewbridge e Sitar, 1989; Jewell e Wroth, 1987; Teodoro, 1999).
Muitos pesquisadores tais como (Hoare, 1979; Gray e& Ohashi, 1983;
Bueno et al., 1996; Nataraj et al., 1996; Stauffer e Holtz, 1996). Identificaram a
existência de um aumento no ângulo de atrito, bem como no intercepto coesivo
com a inclusão de fibras e com o aumento do teor de fibras.
Teodoro (1999) e Casagrande (2001) observaram o aumento da parcela
coesiva de uma areia siltosa reforçada, porém, sem verificar quaisquer alterações
relevantes no ângulo de atrito.
Heineck (2002) identificou uma bi-linearidade na envoltória de ruptura de
uma areia siltosa reforçada com fibras. A parte inicial da envoltória possui um
intercepto coesivo praticamente inexistente e um ângulo de atrito que supera o
54
dobro do valor correspondente ao solo sem reforço. Já na segunda parte da
envoltória, acima da tensão confinante crítica, o ângulo de atrito é semelhante ao
do solo sem reforço, entretanto, houve um acréscimo razoável do intercepto
coesivo. A bi-linearidade foi também observada por vários autores (Gray e
Ohashi, 1983; Gray e Al Refeai, 1986; Maher e Gray, 1990; Stauffer e Holtz,
1996; Morel e Gourc, 1997; Kaniraj e Havanagi, 2001). Foi observado ainda que
quanto menor for a rugosidade ou aderência da interface solo-fibra, maior é a
tensão de confinamento crítica. Fibras mais rugosas tendem a ser mais efetivas no
aumento da resistência.
Montardo (1999) e Consoli et al. (2002) perceberam o aumento no ângulo
de atrito de uma areia uniforme cimentada e não cimentada reforçada com vários
tipos de fibra. Eles também identificaram aumentos na coesão, porém, apenas para
a areia não cimentada reforçada com fibras. Resultados semelhantes também
foram obtidos por Heineck (2002) para uma areia reforçada com fibras. Não foi
constatada pelos autores a existência de uma tensão de confinamento crítica para
estes materiais.
Consoli et al. (1999) observaram que quanto maior é a quantidade de
cimento adicionada ao solo, menos pronunciado é o acréscimo de resistência
causado pela adição das fibras.
Para Specht et al. (2002), a alteração dos parâmetros de resistência depende
das características do reforço. Os autores observaram que para uma areia siltosa
cimentada reforçada com fibras extensíveis não houve alteração dos parâmetros
de resistência, por outro lado, considerando fibras inextensíveis, houve um leve
aumento da coesão e do ângulo de atrito da areia siltosa cimentada reforçada com
as fibras mais rígidas.
Omine et al. (1996) concluíram que a inclusão de fibras pode aumentar ou
reduzir a resistência de pico conforme o teor de cimento adicionado a mistura, ou
seja, entre mais ou menos rígido por o compósito, sendo este efeito mais
pronunciado com o aumento no teor de fibra inserido. Eles também puderam
verificar que a resistência aumenta conforme o aumento da esbeltes da fibra, fato
este também relatado por Consoli et al. (1999)
Lima et al. (1996) identificaram um aumento da relação entre a resistência à
tração e a resistência à compressão com a adição de fibras para um solo silto-
argiloso estabilizado com cal. Eles perceberam, através de estudos realizados com
55
ensaios triaxiais, o aumento no angulo de atrito das misturas, sem que houvesse
contudo uma relação direta entre este aumento e o acréscimo no teor de fibra
inserido. Também perceberam que houve um aumento na coesão, com a adição da
fibra, para uma matriz com teor de 4% de cal. Por outro lado, para uma matriz
com 8% de teor de cal, houve um decréscimo na resistência ao se acrescer o teor
de fibra.
Alguns autores (e. g. Bueno et al., 1996; Nataraj et al., 1996; Teodoro,
1999; Heineck, 2002) concordam que há um incremento na coesão devido a
inclusão de fibras no solo.
Andersland e Kattak (1979) observaram a existência de uma grande taxa de
acréscimo de resistência com a deformação, mesmo para níveis elevados de
deformação axial (20%). Comportamento semelhante também foi observado por
Feuerharmel (2000).
Andersland e Kattak (1979), Al Wahab e El-Kedrah (1995), Teodoro (1999)
e Heineck (2002) perceberam, através de análises realizadas com ensaios triaxiais,
a existência de um acréscimo no ângulo de atrito com a adição do reforço, sendo
este maior quanto maior for a quantidade de fibras.
2.5.3. Resistência ao Cisalhamento Pós-Pico
Praticamente todos os trabalhos que analisaram o comportamento de solos
reforçados em termos da resistência concluíram que a adição de fibras reduz a
queda da resistência pós-pico (Gray e Ohashi, 1983; Gray e Al-Refeai, 1986;
Fatani et al., 1991; Ranjan et al., 1996; Consoli et al.; 1997-b, 1999, 2002-b;
Donato et al., 2004, 2007; Casagrande, 2005 e Festugato, 2008).
2.5.4. Deformabilidade
Foi observado por McGown et al. (1988), através de um ensaio de placa de
pequenas dimensões, uma grande parcela de deformação recuperada com o
descarregamento, referente a 20% da deformação total imposta.
McGown et al. (1988), para areias e Maher e Ho (1994) e Nataraj et al.
(1996), para argilas, relataram um aumento no módulo de deformação, tanto
56
maior quanto maior o teor de fibras. Contrariamente, Ulbrich (1997) e Consoli et
al. (1999) obtiveram redução do módulo com a inclusão de fibras, para areias
cimentadas e não cimentadas.
Stauffer e Holtz (1996) relataram que a adição de fibras aumenta as
deformações volumétricas de compressão na ruptura, sendo este aumento mais
pronunciado para uma areia mal graduada que para uma bem graduada (ambas
com mesmo diâmetro D50 dos grãos).
Para Heineck (2002) e Heineck et al. (2003-a), a taxa de deformação onde
as fibras passam a contribuir de forma mais significativa para o acréscimo de
resistência ao cisalhamento depende do tipo de matriz.
Consoli, Casagrande e Coop (2007), estudaram o desempenho de uma areia
reforçada com fibras de polipropileno de diferentes comprimentos, submetida a
grandes deformações cisalhantes mediante a execução de ensaios de ring shear.
Os autores perceberam que quanto maior for o comprimento das fibras de reforço,
maior será o incremento da resistência cisalhante do solo. Foi observado também
que quanto maior for a deformação cisalhante nos ensaios, maior será a
quantidade de fibras rompidas, isto confere a ideia de que as fibras se alongam até
que as deformações do ensaio superem a deformação de ruptura das fibras, porém,
as fibras sofrem deformações plásticas antes de romper.
2.5.5. Modo de Ruptura
O aumento da ductilidade do solo com a adição de fibras é uma observação
feita em caráter unânime pelos vários autores que avaliaram este parâmetro
(HOARE, 1979; McGown et al., 1988; Maher & Ho, 1993; Nataraj et al., 1996;
Consoli et al., 1999), sendo este aumento mais pronunciado quanto maior a
quantidade de fibras.
Montardo (1999) concluiu que a inclusão de fibras de polipropileno no
compósito de matriz cimentada altera significativamente o seu modo de ruptura.
Com a inclusão das fibras o comportamento do material na ruptura, que era frágil,
torna-se dúctil. Estas constatações resultaram da análise dos índices de fragilidade
e da verificação visual da ausência ou presença de planos de ruptura nos corpos de
prova rompidos. Concluiu ainda que a inclusão de fibras PET reduziu
57
sensivelmente o índice de fragilidade da matriz cimentada, mas não foi suficiente
para expressar uma modificação no modo de ruptura da matriz cimentada, e que a
inclusão de fibras de vidro não modificou o modo de ruptura do material.
Specht (2000) avaliou os efeitos da inclusão de fibras poliméricas de
diferentes propriedades mecânicas (uma em forma de filamentos e outra fibrilada
– tipo mesh) num solo artificialmente cimentado e observou que com a inclusão
de fibras mais alongáveis (em forma de filamento) o comportamento do material,
que era frágil, torna-se dúctil. Sendo que para as fibras mais rígidas (tipo mesh)
não se expressa uma modificação no modo de ruptura do material.
Segundo Feuerharmel (2000), a forma de ruptura do solo é grandemente
alterada pela inclusão de fibras de polipropileno, reduzindo a fragilidade dos
solos. A amplitude dessas alterações depende fundamentalmente de uma boa
adesão solo-fibra, que pode ser atingida pela ação de um agente cimentante,
formando uma estrutura cimentada bastante resistente ou por uma combinação
apropriada dos fatores comprimento das fibras e tensões efetivas médias normais
atuantes.
Uma mudança significativa quanto ao modo de ruptura foi verificado por
Donato et al. (2004), onde todas as amostras cimentadas não reforçadas estudadas
exibiram um comportamento frágil na ruptura, enquanto que as amostras
reforçadas com 0,5% de fibras de polipropileno apresentaram uma fragilidade
menos pronunciada, mudando o comportamento de frágil para dúctil.
2.5.6. Variação Volumétrica
A adição de fibras aumenta as deformações volumétricas de compressão na
ruptura, segundo relatos de Stauffer e Holtz (1996), sendo este aumento mais
pronunciado para uma areia uniforme do que para uma areia bem graduada, ambas
com mesmo diâmetro médio (D50).
O aumento da compressibilidade do solo com a inclusão de fibras também
foi observado por Bueno et al. (1996). Segundo Shewbridge e Sitar (1989), a
deformação volumétrica aumenta com o acréscimo da quantidade de reforço,
porém, de forma não linear, similar ao observado por Nataraj et al. (1996).
58
2.5.7. Rigidez Inicial
Montardo (1999) observou uma queda bastante acentuada da rigidez inicial
de uma areia cimentada reforçada com fibras de polipropileno. No entanto, as
fibras de polietileno tereftalato e de vidro não causaram alteração alguma no
módulo.
Portanto, o efeito do reforço fibroso na rigidez inicial do compósito depende
das características do mesmo. Michalowski e Cermák (2003) observaram que a
adição de uma fibra sintética em um solo arenoso causou uma queda da rigidez
inicial, por outro lado, a adição de fibras de aço aumentou a rigidez inicial. Para
Feuerharmel (2000) a intensidade das alterações no módulo de elasticidade
depende também do tipo e das características de cada solo. Estudos realizados
pelo autor em argila e areia siltosa reforçada com fibras de polipropileno
indicaram grande redução do módulo, enquanto que, os resultados de ensaios
realizados em areia reforçada mostraram pequenas alterações no módulo.
Entretanto, considerando misturas cimentadas reforçadas com fibras, as reduções
do módulo foram bastante acentuadas para os três solos analisados.
Os resultados de ensaios dinâmicos utilizando bender elements realizados
por Heineck (2002) não indicaram alteração do G0 do solo arenoso quando da
inclusão das fibras.
2.5.8. Condutividade hidráulica e outras propriedades
O aumento da condutividade hidráulica devido à adição de fibras em solos
argilosos é relatado por vários autores. Maher e Ho (1994) observam um aumento
na condutividade hidráulica para teores de fibra > 1% (polipropileno e vidro). Já
Al Wahab e El-Kedrah (1995) observam um aumento da condutividade hidráulica
em mais de uma ordem de grandeza para 2% de fibra (polipropileno).
Al Wahab e El-Kedrah (1995) observaram também a redução do potencial
de retração e inchamento em torno de 30 a 35% com a adição de fibras, sendo este
efeito mais pronunciado no ramo seco da curva de compactação e menos
pronunciado no ramo úmido.
Bueno et al. (1996) relataram uma redução da permeabilidade de uma ordem
59
de grandeza, causada pela adição de fibras a solos granulares.
Feurharmel (2000) observa que são obtidos valores de condutividade
hidráulica bem mais elevados no momento em que são adicionados fibras e
cimento ao material argiloso, pois com a floculação das partículas de argila, estas,
que antes aderiam às fibras, passam a se aglomerar ao redor de partículas de
cimento, propiciando a segregação das fibras.
Segundo Heineck (2002) e Heineck et al. (2003-b), para todas as matrizes
estudadas, a adição de 0,5% de fibras de polipropileno de 24 mm não causou
mudanças significativas na condutividade hidráulica avaliada.
Curcio (2008) concluiu que a adição de 1% de fibras, além de favorecer o
acréscimo da tensão de tração máxima do solo, retarda a abertura de fissuras e
reduz a magnitude das mesmas, sem alterar as propriedades desejáveis na
compactação e sem influenciar negativamente a condutividade hidráulica de solo
quando utilizadas sob tensão confinante.
2.6. Fibra de Coco
2.6.1. Histórico
O coqueiro (Cocos nucifera L) é uma das frutíferas mais difundidas
naturalmente no globo terrestre, ocorrendo em praticamente todos os continentes.
Em virtude desta dispersão e adaptabilidade, seu cultivo e sua utilização se dão de
forma expressiva em todo o mundo, com os mais variados produtos, tanto de
forma in natura quanto industrializada.
O coqueiro não é uma espécie nativa do Brasil, não estava aqui no momento
da chegada dos portugueses, em 1500. As primeiras referências da presença dessa
espécie em território nacional aparecem no “Tratado Descriptivo do Brasil”,
escrito por Gabriel Soares de Souza em 1587, em um trecho com os seguintes
dizeres: “As palmeiras que dão os cocos se dão bem na Bahia, melhor que na
Índia, porque metendo um coco debaixo da terra, a palmeira que dele nasce dá
coco em cinco e seis anos, e na Índia não dão, estas plantas, frutos em vinte anos”
(Bondar, 1955).
O coqueiro foi introduzido no Brasil no ano de 1553, no Estado da Bahia,
60
procedendo das ilhas de Cabo Verde. A origem remota desse material seria a Índia
ou Sri Lanka de onde cocos teriam sido introduzidos em Moçambique. Esta
hipótese se dá pela semelhança entre o coqueiro do Oeste da África e o coqueiro
Gigante de Moçambique (Nucé de Lamothe, 1983).
O consenso geral dos estudiosos no assunto é de que o coqueiro é originado
do sudoeste do Pacífico (Purseglove 1972; Child 1974; apud Schuiling e Harries
1994 e Ohler, 1984). No entanto, De Candolle, (1895 apud Ohler 1984), reúne
argumentos em favor da origem Asiática, como as correntes marítimas, rota de
navegantes e número de nomes comuns encontrados na Ásia.
O coqueiro encontra-se disseminado nos países tropicais, ao longo da faixa
costeira entre os trópicos de Câncer e Capricórnio, concentrando-se entre as
latitudes 20oN e 20oS. Purseglove (1972, apud Schuiling e Harries, 1994),
especulou que o coqueiro foi introduzido em Madagascar por navios corsários
Malasianos nos primeiros séculos A.D. e de lá atingiu a costa leste da África. Já
Sauer (1967, apud Schuiling e Harries (1994) acredita que a presença mais cedo
do coqueiro nas ilhas desabitadas, a exemplo de Seychelles e Mauricío, sugere
fortemente a dispersão natural via flutuação na água. O fruto pode flutuar durante
dias na água do mar, sem afundar e sem danificar o embrião. A dispersão natural
dos frutos nas correntes marítimas pode ter levado os cocos para praias distantes.
Harries (1981, apud Schuiling e Harries 1994) observou que a variedade de
coqueiro comum do leste da África é de germinação tardia com características
semelhantes ao tipo selvagem do coqueiro do subcontinente Indiano, enquanto a
variedade comum da península da Malásia germina mais cedo, semelhante ao tipo
domesticado. Dessa forma, as teorias de disseminação natural defendida por Sauer
e a introdução realizada com a ajuda do homem podem ser consideradas melhores
que as teorias de competição. Há muito tempo atrás, navegantes polinesianos,
malasianos e árabes desenvolveram um papel importante na distribuição do coco.
Mais tarde, os Europeus contribuíram para a disseminação, conduzindo o coco da
Ásia e Leste da África para o Oeste da África e costa do Atlântico da América e
do Caribe. O acesso ao Atlântico se deu através da Ilha de Santiago ou de Goree,
na península de Cabo Verde, quando Vasco da Gama retornou da Índia e Leste da
África em 1494 (Ohler 1984).
61
2.6.2. Produção e Consumo do Coco Verde
O gênero Cocus é constituído pela espécie Cocus nucifera L. que, por sua
vez, é composta por algumas variedades, entre as quais as mais importantes, do
ponto de vista agronômico, socioeconômico e agroindustrial, são as variedades
Typica (variedade Gigante) e Nana (variedade Anã), que se acredita ter originado
de uma mutação gênica da Gigante (Aragão 2002; Santos et al.,1996).
No Brasil, a principal demanda de plantio da variedade Anã é a cultivar
Verde, para consumo da água do fruto ainda imaturo. Embora esta variedade
apresente também características para ser empregada como matéria-prima nas
agroindústrias para produção de leite de coco, coco ralado e outros, seu mercado é
essencialmente a água-de-coco (in natura ou processada – Figura 2 e Figura 3), a
qual tem maior demanda de consumo para frutos com cerca de sete meses de
idade (Aragão, 2002).
O Brasil é o 4° maior produtor mundial. Estima-se que o país possui uma
área plantada de 100 mil hectares de coqueiro-anão, destinados à produção do
fruto verde para o consumo da água-de-coco.
Cerca de 80% da área plantada com coqueiro situa-se na Ásia (Índia,
Filipinas, Indonésia, Sri Lanka e Tailândia) e o restante distribuída entre África,
América Latina, Oceania e Caribe (Fontes e Wanderley, 2010). A Indonésia é
destacada como o maior produtor mundial de coco, seguido por Filipinas e Índia,
entretanto, em área colhida, a Filipinas destaca-se com uma maior área cultivada
(Tabela 2.6).
62
Tabela 2.6 - Produção e área colhida dos principais países produtores de coco, em 2008. (FAO, 2011 apud Martins e Júnior, 2011)
País Área colhida Produção
(ha) (1.000 t)
Indonésia 2.950.000 19.500.000
Filipinas 3.379.740 15.319.500
Índia 1.940.000 10.894.000
Brasil 287.016 2.759.044
Sri Lanka 394.840 2.210.800
Tailândia 245.725 1.483.927
México 178.500 1.246.400
Vietnã 138.300 1.086.000
Papua Nova Guiné 203.000 677.000
Malásia 174.000 455.408
Outros 1.339.505 5.081.057
Mundo 11.230.626 60.713.136
2.6.3. Solo e Clima para a Produção
O coqueiro é uma planta tropical, de baixas altitudes em relação ao nível do
mar. Requer, portanto, clima quente e grande intensidade solar, qualquer
sombreamento lhe é prejudicial (Assis et al., 2000). Fora da faixa tropical, na orla
do oceano com o clima estável marítimo, pode-se encontrar coqueirais, mas a
produção em frutos é bem pequena devido à destruição da floração pelas baixas
temperaturas nos meses frios. Quanto ao solo, o coqueiro é muito exigente,
necessitando de bastante cálcio e fósforo, daí a sua produção nas areias de praia,
ricas em cálcio com a presença de restos de conchas marinhas. A condição ideal
para o coqueiro é ter o solo leve, permeável, silicoso ou silico-argiloso, com a
camada mínima enxuta de 60 cm a 1 m. A água subterrânea, próxima da
superfície, lhe é desfavorável. Tolera menos ainda águas estagnadas na superfície.
Águas em movimento, ricas em oxigênio, lhe são benéficas e o coqueiro pode ser
plantado na beira do mar e na beira dos córregos (Aragão, 2002).
63
2.6.4. Características da Espécie
O fruto do coqueiro, o coco, é constituído por uma parte externa lisa (o
exocarpo), por uma parte fibrosa e espessa (o mesocarpo); e por uma casca
duríssima e lenhosa (endocarpo) (Figura 2.9). Todas essas partes envolvem a
amêndoa (Esmeraldo, 2006).
Figura 2.9 - Corte longitudinal do coco
O mesocarpo ou casca fibrosa externa do coco é quase que totalmente
destruído no Brasil, no entanto, produz fibras que poderiam ser utilizadas em
diversas aplicações industriais. É formado pelas densas fibras, agregadas pelo
tecido conjuntivo, fibras resistentes às águas salgadas, próprias para cordoaria
naval, tapetes, escovas, etc. A fibra no comércio recebe o nome de coiro ou cairo.
64
O mesocarpo de cocos maduros e secos fornece fibra lenhosa e dura, que dá coiro
ordinário. Os cocos verdes são os que fornecem a melhor fibra celulósica.
A utilização da fibra do mesocarpo é prática antiga. Oriunda da Índia e Sri
Lanka, a fibra de coco começou a ser introduzida na Europa após a chegada dos
portugueses à Índia. Já nos séculos XIII e XIV os árabes usavam cordas dessa
fibra e ensinaram aos navegantes ingleses o seu aproveitamento (Venkataraman e
Rangaswany, 1988).
2.6.5. Propriedades das Fibras de Coco
A casca do coco verde, assim como a do coco maduro, é constituída por
uma fração de fibras e outra denominada de pó. As fibras de coco são materiais
lignocelulósicos obtidos do mesocarpo de cocos e caracterizam-se pela sua dureza
e durabilidade atribuída ao alto teor de lignina, quando comparadas com outras
fibras naturais (Silva, 2006). Esse material apresenta baixa taxa de degradação,
levando mais de 8 anos para completa decomposição (Carrijo et al., 2002).
Corradini et al. (2009) estudaram a concentração de lignina e celulose, bem
como as propriedades mecânicas de cinco cultivares de coqueiro (Cocos nucifera):
Nana 'Anão- Verde'-de-Jequi, 'Anão-Amarelo'-de-Gramane, 'Anão-Amarelo'-da-
Malásia, 'Anão-vermelho'-da-Malásia e 'Anão-Vermelho'-de-Camarões, em quatro
diferentes períodos de maturação, 120, 150, 180 e 210 dias (neste intervalo de
tempo o coco ainda se encontra verde). Os autores relataram que o menor teor de
lignina encontrado foi de 37,2% (±0,8%), enquanto o maior foi de 43,9%
(±0,7%). Com respeito à concentração de celulose, o menor teor identificado foi
de 31,5% (±0,1%) e o maior foi de 37,4% (±0,5%). Em termos de celulose, as
fibras de coco verde apresentaram valores um pouco inferiores se comparados
com os valores encontrados na literatura para a fibra de coco maduro (36-43%)
(Mohanty et al., 2000; Bledzki et al., 1996), e em relação ao teor de lignina, os
valores obtidos são próximos aos valores observados para o coco maduro (41-
45%) (Mohanty et al., 2000). As fibras de coco verde apresentaram menores
teores de celulose e maiores teores de lignina em comparação com outras fibras
lignocelulósicas, tais como fibra de juta e sisal (Mohanty et al., 2000).
Com respeito às propriedades mecânicas estudadas, o módulo elástico (E)
65
variou de 801MPa (±308Mpa) a 1.600 Mpa (±508 Mpa), a tensão de ruptura a
tração (σr) variou de 82Mpa (±18Mpa) a 129MPa (±40Mpa) e ε variou de 25%
(±6%) a 32% (±7%). Os valores de σr e E encontrados por eles são próximos aos
valores mencionados por (Mohanty et al., 2000) para coco maduro, os quais são:
4x103 a 6x103 MPa, 131 a 175 MPa, e 15-40%, para E, σr, e ε respectivamente.
Esses valores de σr e E obtidos para fibras de coco verde são significativamente
menores que os descritos na literatura para outras fibras, como juta e sisal. Isto é
atribuído ao menor teor de celulose das fibras de coco (Mohanty. et al., 2002).
Pereira (2012) estudou propriedades da fibra de coco verde. Verificou que a
densidade dessa fibra é de cerca de 1,40g/cm3 e que sua resistência a tração
simples é de 6,5 MPa, apresentando uma deformação de 10,4mm. Percebeu
também que a absorção de água da fibra era de 4,6% de sua massa após 72 horas
submersa e de 17,6%, após 144 horas submersa.
2.6.6. Aplicações com a Fibra de Coco
A seguir serão citadas algumas das aplicações da fibra de coco na
atualidade.
2.6.6.1. Uso de Fibras de Coco em Compósitos
Existe uma grande quantidade de pesquisas envolvendo o uso de fibra na
elaboração dos mais diversos tipos de compósitos, em especial, se destacam os
compósitos poliméricos. Fibras artificiais são frequentemente utilizadas, contudo,
a necessidade de se empregar materiais ecologicamente corretos tem direcionado
essas pesquisas para as fibras de origem vegetal. Neste cenário, a fibra de coco
aparece com um enorme potencial.
Para Passos (2005), o desenvolvimento de novas tecnologias está
permitindo que compósitos reforçados com fibra de coco, além de outras fibras
vegetais como sisal e juta, estão competindo com os plásticos reforçados com
fibra de vidro.
Segundo Pannirselvam et al., (2005), pode-se destacar algumas vantagens
no uso de compósitos a base de fibras vegetais quando em comparação com as
66
fibras de materiais sintéticos:
• Altas propriedades mecânicas específicas;
• Biodegradabilidade e reciclabilidade;
• Baixa densidade e não-abrasividade;
• Baixo consumo de energia e custo de produção;
• Oferta de empregos rurais;
• Resistência a temperaturas altas (até 200°C) sem perda significativa das
suas propriedades.
As propriedades das fibras podem ser alteradas pela modificação química, o
que permite um crescimento do seu potencial em aplicação tecnológica. A
modificação química convencional consiste na reação de esterificação,
copolimerização superficial, onde a superfície da fibra lignocelulósica pode ser
alterada pelas ligações de ramificação com monômeros vinílicos e a ativação por
plasma, onde um gás ionizado modifica as propriedades da fibra de acordo com
sua natureza Pannirselvam et al., (2005).
A utilização de fibras vegetais em compósitos de fibrocimento também tem
sido estudada para substituição do asbesto, um mineral com propriedade
carcinogênicas, proibido em diversos países, que provoca asbestose, uma doença
respiratória que ocorre devido ao acúmulo de fragmentos deste material nos
pulmões (Passos, 2005).
O novo produto foi desenvolvido a partir de uma mistura de cimento,
resíduos siderúrgicos, fibras vegetais (de bananeira, sisal, coco, eucalipto ou
outras plantas) e sintéticas. Seu nome técnico é fibrocimento vegetal.
Ensaios mecânicos de tração, testes físicos de permeabilidade, densidade e
absorção de água comprovaram a eficiência do produto em substituição ao
fibrocimento tradicional. Além de apresentar algumas vantagens, entre elas, a
maior capacidade de isolamento térmico, leveza e durabilidade equivalente ao
fibrocimento com asbesto. Entretanto, sua maior vantagem é que não oferece
riscos à saúde (Castilhos, 2011)
Outra possibilidade é a produção de compósitos com celulose de papel
usado e fibras de coco para a utilização em coberturas de edificações, substituindo
os compósitos tradicionais (Passos, 2005).
67
2.6.6.2. Fibra da Casca do Coco Verde como Substrato Agrícol a
A fibra da casca de coco tem isso usada e estudada por pesquisadores em
todo o mundo com um substrato agrícola. Carrijo, et al.,(2002) afirma que as
propriedades físico-químicas das fibras apresentam são de boa qualidade, ideais
para o uso no cultivo. Além disso, a grande percentagem de lignina (35-45%) e de
celulose (23-43%) e a pequena quantidade de hemicelulose (3-12%), que é a
fração prontamente atacada por microrganismos, conferem ao substrato de fibra
de coco uma grande durabilidade (Noguera et al., 2000), sendo desta maneira,
recomendável para cultivos de ciclo longo como as ornamentais. É também ideal
para o cultivo de hortaliças sem o uso do solo, pois não sofre o processo de
degradação acelerado causado pelo intensa aplicação de água e fertilizantes.
A comparação da fibra de coco com outros sete tipos de substratos
estudados mostrou uma leve superioridade da fibra de coco em termos absolutos
na produção comercial de tomate, produzindo cerca de 1 tonelada a mais de frutos
comerciais que o pó de serra ou serragem em três anos de avaliação (Carrijo et al.,
2002).
As boas propriedades físicas da fibra de coco, a sua não reação com os
nutrientes da adubação, sua longa durabilidade sem alteração de suas
características físicas, a possibilidade de esterilização, a abundância da matéria
prima que é renovável e o baixo custo para o produtor faz da fibra de coco verde
um substrato dificilmente superável por outro tipo de substrato, mineral ou
orgânico no cultivo sem solo de hortaliças e flores.
2.6.6.3. Adição de Fibras de Coco em Concreto não Estrutual
Diversos estudos sobre adição de fibras em concreto com intuito de
melhoramento das propriedades do concreto convencional foram realizados entre
eles a adição da fibra de coco (Bento et al., 2008).
Ensaios laboratoriais foram realizados para avaliar as vantagens e
desvantagens para a utilização do concreto acrescido de fibras de coco. Para a
análise utilizou-se duas composições de concreto. A primeira havia brita, areia,
cimento, água e fibra de coco. A segunda não possuía a fibra. Foram feitos corpos
68
de provas das duas amostras de concreto submetendo-as a testes de tração e
compressão para então compara-los (Bento et al., 2008).
O concreto composto com a fibra de coco apresentou resultado satisfatório
apenas para a aplicação não estrutural onde não sofre grandes solicitações, pois a
degradação da fibra em relação ao tempo não permite que ele suporte grandes
esforços tanto de compressão como tração. Entretanto ele apresentou boa
propriedade de vedação devido ao baixo módulo de elasticidade, além de
isolamento acústico e térmico (Bento et al., 2008).
2.6.6.4. Adição de Fibras de Coco em Misturas Asfálticas
Com o aumento do volume de tráfego e da carga dos veículos nas rodovias,
a preocupação em desenvolver pavimentos de alta durabilidade e segurança que
atendam os requisitos de custo e beneficio é cada vez mais importante, pois este é
um fator que exerce forte influência na escolha do revestimento (Vale et al.,
2007).
A utilização de uma camada de rolamento com misturas asfálticas mais
resistentes e duráveis tem sido uma alternativa para a redução de custos de
manutenção e operação das vias. Como resposta das pesquisas, obteve-se uma
mistura de graduação descontínua chamada SMA. Esse tipo de mistura asfáltica
tem sido muito utilizado na Alemanha, Bélgica, nos Estados Unidos e no Canadá.
Sua aplicação tem sido realizada principalmente em vias de tráfego intenso,
pesado e aeroportos (Vale et al., 2007).
A mistura SMA é um concreto asfáltico usinado a quente de alto
desempenho estrutural e funcional, é utilizado como camada de aderência em
pista molhada, na diminuição efetiva do borrifo de água pelos pneus, na redução
da reflexão das luzes de faróis em noites chuvosas, e na redução de ruídos nas
áreas lindeiras à via. A espessura de aplicação varia entre 1,5 a 7,0 cm,
dependendo da faixa granulométrica. A formação de pequenos canais devido a sua
macro-textura promove uma drenagem superficial bastante eficiente (Vale et al.,
2007).
A composição da mistura SMA consiste basicamente em uma elevada
quantidade de agregados graúdos (entre 70 a 80%) preenchidos por um ligante
69
asfáltico (6 a 7%) e fibras, que penetram nos espaços vazios formando o
revestimento. Este ligante aumenta o contato entre os grãos, formando um
revestimento asfáltico resistente e impermeável com um volume de espaços
vazios menor que 4% (Vale et al., 2007).
As principais fibras utilizadas na Europa e na América do Norte são as de
celulose e minerais. As fibras de celulose apresentam vantagens em relação às
minerais, devido ao fato de serem produzidas a partir de fontes renováveis (Vale
et al., 2007).
No Brasil, devido a grande quantidade de coco produzida, a pesquisa
utilizou a fibra deste fruto para avaliar sua aplicabilidade quando incorporada ao
revestimento em substituição a celulose. A percentagem de fibra adicionada ao
revestimento asfáltico varia entre 0,3 a 0,4%, apesar das fibras não exercerem
influencia no desempenho da mistura após a compactação. Quando adicionada ela
forma uma película ao redor do granulado retardando a oxidação, a penetração de
umidade e a sua separação e, consequentemente, aumentando a resistência ao
desgaste do concreto asfáltico produzido (Vale et al., 2007).
Foram realizados ensaios de resistência à tração, a fadiga, de escorrimento e
resistência à tração retida por umidade induzida. Os valores encontrados foram
comparados ao revestimento com a fibra de celulose. A fibra de coco apresentou
boa eficiência com relação ao escorrimento, contudo apresentou dificuldade de
trabalhabilidade devido ao seu comprimento, o que levou a concluir que ela não
pode ultrapassar 20 mm de comprimento. Quanto à resistência a tração, o
revestimento apresentou resultados satisfatórios, entretanto, nas análises de fadiga,
os resultados foram equivalentes tanto com as fibras de celulose e coco como sem
a presença delas (Vale et al., 2007).
3 Programa Experimental
3.1. Materiais Utilizados
3.1.1. Solo
Para essa pesquisa utilizou-se um solo maduro, coluvionar, argilo-arenoso,
(Soares, 2005 apud Ramirez, 2012), que foi coletado do Campo Experimental II,
localizado no campus da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. O
solo foi retirado de uma profundidade que varia entre 0 e 1 metro.
Figura 3.1 - Localização do Campo Experimental II P UC-Rio.
Este solo possui características de tonalidade vermelha amarelada, textura
micro-granular e aspecto homogêneo, sendo constituído basicamente por quartzo,
granada alterada, argilominerais (essencialmente caulinita) e óxidos de ferro e
alumínio, como produto do intemperismo dos minerais primários da biotita
gnaisse (Soares, 2005 apud Ramirez, 2012). A Figura 3.2. apresenta uma foto do
solo coluvionar utilizado.
71
O solo estudado foi removido do campo experimental manualmente tendo
sido utilizados pá, enxada e um carrinho de mão. O material foi retirado em um
dia seco em que o solo não apresentava alta umidade, facilitando assim a remoção
e o transporte. Aproximadamente 80 kg deste material foi levado ao Laboratório
de Geotecnia e então, colocado em partes numa estufa a 60 °C, pelo período de 24
horas. Após esse período podia-se perceber que o solo atinge uma umidade
constante e baixa, inferior a 1%. O material então era acomodado em sacolas
plásticas lacradas e guardadas em uma câmara úmida localizada no laboratório,
garantindo assim seu isolamento com a umidade externa.
O solo utilizado neste trabalho já foi amplamente estudo por outros
pesquisadores na Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (Sertã, 1986;
Marinho, 1986; Lins, 1991; Dylac, 1994; Beneveli, 2002; Soares, 2005, Ramirez
2012, Quispe 2013). Tal fato, bem como a proximidade do campo experimental
com o laboratório de geotecnia da PUC-RIO, fazem deste um material muito
conveniente a ser estudado, razão pela qual foi escolhido para essa pesquisa. Sertã
(1986) fez um estudo dos aspectos geológicos e geotécnicos deste material,
contribuindo com um amplo conhecimento sobre suas características. Marinho
(1986), Lins (1991), Daylac (1994), Beneveli (2002) e Soares (2005) fizeram uso
deste material em ensaios especiais e para testar equipamentos desenvolvidos na
PUC-Rio.
Figura 3.2 – Argila utilizada - solo argiloso coluv ionar.
Dylac (1994) elaborou um perfil morfológico que está apresentado na
Figura 3.3.. Durante o processo de peneiramento foi observada a presença de
grãos de quartzo bem como a de matéria orgânica.
72
Figura 3.3 - Descrição morfológica do perfil do Cam po Experimental II (Dylac, 1994)
Dylac (1994) também elaborou a tabela 3.1 na qual resume uma analise
mineralógica realizada anteriormente por Sertã (1986). A análise feita por Sertã
no campo experimental II da PUC ocorreu entre a profundidade de 3,00 m a 3,50
m. Foi notada a presença predominante de alguns minerais como a caulinita, a
gibsita e a goetita.
Tabela 3.1 - Análise mineralógica (Sertã, 1986)
Fração do solo Mineral Quantidade / Observações
Pedregulho Quartzo
Grãos arestados de coloração transparente a leitosos
Granada alterada Alguns fragmentos
Areia
Quartzo Grão arestados
Granada muito alterada Correspodem a aproximadamente
5% da amostra total Agregados Ferruginosos
Magnetita pequenos traços
Silte
Quartzo presença
Caulinita presença
Goetita presença
Argila Caulinita presença marcante
Goetita alguns traços
73
3.1.2. Fibras de Coco
As fibras de coco utilizadas nessa pesquisa são provenientes de uma
parceria entre a Companhia Municipal de Limpeza Urbana (COMLURB) e a
Secretaria de Conservação e Serviços Públicos (SECONSERVA), que realizam a
segregação, coleta e a entrega à ECOFIBRA, empresa responsável pelo
beneficiamento da casca do coco verde.
Um fardo com cerca de 1m3 de fibra de coco seca, soltas e com
comprimentos que variavam entre 8cm e 25cm aproximadamente, que pode ser
visto na figura 3.4, foi dividido em diversas bolas e guardado no laboratório. As
fibras portanto vieram prontas para o uso, sendo necessário apenas corta-las no
tamanho desejado.
Figura 3.4 – Fardo de fibra de coco verde beneficia da pela empresa EcoFibra
Para esse pesquisa, optou-se por ensaiar um pó de fibra moída, bem como
a fibra cortada com comprimento aproximado de 2cm. A moagem da fibra se deu
com uso do moedor manual da marca Botini, que pode ser visto na figura 3.5
74
Figura 3.5 – Moedor de grãos Botini
Já as fibras com comprimento de 2cm foram cortadas com auxilio de uma
tesoura e de um gabarito que auxiliou a realização do corte no comprimento
correto.
Devido a natureza da fibra de coco, não se pode garantir um comprimento
exato para todas as fibras, havendo uma variação de cerca de 2mm para mais ou
para menos em seu comprimento.
Amostras das fibras cortada e moída, usadas para a elaboração das misturas,
podem ser vistas nas figuras 3.6 (a) e 3.6 (b).
(a) (b)
Figura 3.6 – fibra de coco verde cortada utilizada nos corpos-de-prova – (a) cortada; (b) moída.
75
3.1.3. Água
A água utilizada na preparação dos corpos de prova (solo puro e misturas)
para os ensaios triaxiais e ensaios de compactação com o solo argiloso coluvionar
foi proveniente da rede pública de abastecimento da cidade do Rio de Janeiro.
3.1.4. Misturas Solo-Fibra de Coco
O solo foi preparado como consta no item 3.1.1 e a fibra, como no item
3.1.2. As misturas foram calculadas com respeito à massa total do solo seco. As
misturas foram feitas primeiramente para o ensaio de compactação, no qual se
deseja descobrir a umidade ótima de cada mistura. Para a mistura destinada ao
ensaio de compactação, sabe-se a priori que a umidade do solo utilizado, seco na
estufa a 60 °C e armazenado na câmara úmida, é inferior a 1%. Inicialmente,
espalha-se uma massa conhecida de solo em bandeja metálica de grande dimensão
e então, adiciona-se uma quantidade de água correspondente a 20%. É necessário
que o solo contenha pelo menos esse valor de umidade, pois do contrário, torna-se
inviável realizar a mistura do solo com as fibras, uma vez que elas tendem a ser
aglutinar em tufos quando misturadas ao solo seco.
Sabe-se também que a umidade de 20% é bem inferior a umidade ótima,
garantindo assim que o primeiro ponto ensaiado esteja no ramo seco da curva da
curva de compactação. Após adicionada esta quantidade de umidade, a fibra de
coco é introduzida gradativamente na mistura, na quantidade correta em peso,
para que se obtenha o teor de fibra desejado. Esse processo deve ser realizado com
cuidado e a medida que a fibra vai sendo adicionada, a mistura deve ser remexida
afim de se evitar que haja concentrações distintas de fibra em diferentes pontos. A
figura 3.7 mostra o procedimento de mistura do solo e da fibra cortada.
76
Figura 3.7 – Processo de mistura do solo e da fibra
Embora as fibras sejam dispersas de forma aleatória, isto é, não existe uma
orientação preferencial do reforço, e que de fato se deseja que os corpos-de-prova
possuam esta configuração, a natureza do processo compactação ao qual a mistura
é submetida, induz uma tendência das fibras de se orientarem horizontalmente
(Diambra, 2010).
O primeiro ponto da curva de compactação é então realizado com essa
mistura e após isso, uma certa quantidade de água é adicionada a mistura para que
o próximo ponto possa ser executado. Uma vez conhecida a umidade ótima,
através da curva de compactação, esta é utilizada para confeccionar a mistura
utilizada para os corpos de prova a serem usados nos ensaios triaxiais. O
procedimento é similar ao de um único ponto da curva de compactação, com a
diferença de que desta vez o teor de umidade utilizado deve ser o igual ao da
umidade ótima e, portanto, a umidade inicial do solo deve ser levada em
consideração, mesmo sendo ela um valor muito baixo. A diferença entre a
umidade inicial do solo é calculada através de 3 pequenas amostras introduzidas
em um estufa a 110 °C, temperatura suficiente para se remover toda a umidade do
solo. As amostras são pesadas antes e depois de serem introduzidas na estufa, e a
77
diferença de peso corresponde a umidade perdida em cada amostra. A média desse
valor é assumida como a umidade presente no solo utilizado na elaboração das
amostra do corpo de prova. Ao solo com a umidade inicial determinada, é
acrescida uma quantidade de água para este chegue ao valor da umidade ótima, e
uma vez que está umidade se torna constante em toda a massa de solo devido ao
processo manual de mistura, uma certa quantidade de fibra de coco, cuja
quantidade é calculada em relação a massa seca de solo presente, é adicionada.
Garante-se assim uma mistura na umidade ótima e com o teor de fibra que se
deseja avaliar.
As misturas ensaiadas nessa dissertação foram feitas com a fibra moída em
um moedor da marca Botini, exibido na figura 3.5, sendo este tipo de fibra
ensaiado nos teores de 0,5% e 1%. As fibras cortadas foram ensaiada nos teores
0,5%, 0,75%, 1%, 1,25% e 1,5%.
3.2. Quantidade e Cronograma de ensaios
Este trabalho apresentou dois tipos de ensaio. Os ensaios de compactação,
cujo objetivo era descobrir a umidade ótima de cada mistura ensaiada. Esse teor
de umidade então conhecido foi adotado nos ensaios triaxiais drenados realizados
na sequencia.
Os ensaios realizados foram feitos com misturas elaboradas com os
diferentes teores de fibras, sendo elas cortadas ou moídas. Cada combinação de
teor e comprimento teve 1 ensaio de compactação e 3 ensaios triaxiais,
respectivamente com tensões confinantes de 50kPa, 150kPa e 300kPa, como será
detalhado mais a frente.
Foram ensaiados 7 diferentes teores de mistura solo-fibra, sendo 2 teores
com a fibra moída e os outros 5 teores, ensaiados com a fibra cortada com o
comprimento de 2cm. Também foram executados ensaios com o solo puro.
Ao todo, foram realizados por tanto, 8 ensaios de compactação e 24
ensaios triaxiais. Optou-se por não usar nenhum tipo de nomenclatura para
designar os diferentes teores ensaiados. O solo puro será mencionado daqui para
frente simplesmente como solo puro. As misturas serão precedidas pelos nomes
“cortada” ou “moída”.
78
Assim, as 7 diferentes misturas ensaiadas e o solo puro serão expressados
como:
• Solo puro
• Fibra Moída 0,5%
• Fibra Moída 1,0%
• Fibra Cortada 0,5%
• Fibra Cortada 0,75%
• Fibra Cortada 1,0%
• Fibra Cortada 1,25%
• Fibra Cortada 1,5%
3.3. Quantidade e Cronograma de ensaios
Este tópico irá descrever a metodologia utilizada para realizar os ensaios
mecânicos (ensaios de compactação e ensaios triaxiais) no compósito solo-fibra
de coco, cujo objetivo é revelar um pouco das propriedades mecânicas deste
material. Resultados de ensaios de caracterização física do solo utilizado, obtido
por outros pesquisadores, serão citados junto com o resultado dos ensaios
mecânicos no capítulo
3.3.1. Equipamento Utilizado
Todos os ensaios desta pesquisa foram executados no Laboratório de
Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio. 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 a respectiva
marcha.
A câmara triaxial empregada é própria para corpos de prova com diâmetro
de 1,5”. A câmara possui um corpo de acrílico que suporta uma pressão
confinante máxima de 1000 kPa.
79
A célula de carga utilizada é do fabricante ELE International Ltda., com
capacidade máxima de 5000 kN e precisão de 0,1 kN. Para a obtenção dos
deslocamentos foram utilizados LVDT´s da marca Wykwham Farrance, com
cursos de 25 mm e resolução de precisão de 0,01 mm. O transdutores usado na
medida das pressões na câmara, no medidor de variação de volume e das
poropressões são da marca Schaevitz, com variações de ± 2,0 kPa e capacidade
máxima de 1700 kPa.
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 3.8.
Para a gravação dos dados, obtidos por intermédio do transdutor, foi
utilizado o sistema de aquisição de dados composto pelo hardware QuantumX de
oito canais da empresa alemã HBM e pelo software CatmanEasy (Figura 3.9).
Com todo este equipamento, o hardware e software utilizado se
conseguiram realizar e monitorar em tempo real todas as etapas do ensaio.
Figura 3.8 -(a) Caixa leitora de dados ; (b) Medido r de Variação de Volume tipo
Imperial College; (c) Painel de controle das Pressõ es; (d) Pressão confinante; (e) Cilindro de Acrílico; (f) Corpo-de-prova; (g) Válvu las da prensa Triaxial; (h)
Controle para inicio do cisalhamento
80
Figura 3.9 – Software CatmanEasy na etapa de cisalh amento
3.3.2. Preparação dos Corpos-de-Prova
Para a confecção dos corpos de prova do solo argiloso puro e as misturas
solo-fibra, inicialmente compactou-se um corpo cilíndrico, na energia Proctor
Normal, utilizando a umidade ótima e massa específica seca máxima obtida para
cada tipo de mistura e o solo puro. Uma explicação mais detalhada deste processo
pode ser encontrada no apêndice deste trabalho. Obtido o material compactado
(Figura 3.10), este é divido em 3 partes cuja as extremidades são fatias com um
arco aproximado de 120° (Figura 3.11). Molda-se cada uma das 3 partes com
dimensões de 78.2 mm de altura e 38.0 mm de diâmetro em um aparelho de
fabricação própria do laboratório (Figura 3.12). Trata-se de um suporte metálico
com base giratória, similar a um torno e com duas hastes metálicas que tem a
função de gabarito. O corpo-de-prova para o ensaio triaxial é obtido com o auxílio
de uma régua metálica que desliza na superfície do gabarito enquanto a base
giratória é rotacionada, produzindo assim uma amostra com o diâmetro
mencionado. Assim, cada corpo-de-prova compactado garante 3 amostras para o
ensaio triaxial, sendo cada uma delas ensaiadas com diferentes tensões efetivas.
81
Figura 3.10 - Corpo cilíndrico compactado
(a) (b)
Figura 3.11 – Corpo cilíndrico compactado sendo div idio em 3 partes; (a) com fibra moída; (b) com fibra cortada
82
(a) (b) (c) Figura 3.12 – (a) Corpo de prova sendo moldado late ralmente moldagem; (b) Corpo
de prova com a lateral moldada (c) Corpo de prova f inalizado com a altura certa para o ensaio
No momento da elaboração dessas amostras, retiram-se 3 cápsulas com o
solo (Figura 3.13), que são pesadas e posteriormente deixadas na estufa de 110ºC
por 24h afim de se conhecer sua umidade inicial.
Figura 3.13 – Capsulas com mistura de solo-fibra ti rados do moldagem
Antes de fazer a montagem do ensaio triaxial testa-se a membrana (com
ajuda de um molde de aço) para ter a certeza que esta não esteja furada e possa
comprometer o ensaio (Figura 3.14), pesar o corpo de prova para ter seu peso
inicial e verificar o correto funcionamento de cada válvula do equipamento
triaxial (Figuras 3.15)
83
Figura 3.14 – Teste de membrana
(a) (b)
Figura 3.15 – (a) Pesagem do corpo-de-prova para mo ntar na prensa triaxial; (b) Verificação da prensa antes do ensaio
No momento da montagem, deve-se colocar um papel filtro na base do
equipamento triaxial, posicionado sobre uma pedra porosa que apresenta rigidez e
alta permeabilidade. A função do papel filtro é de impedir que pequenos grãos de
solo possam penetrar na estrutura porosa da pedra e assim comprometer sua
permeabilidade (Figura 3.16). Em seguida coloca-se o corpo de prova
cuidadosamente sobre a base do equipamento e, com a ajuda de um molde de aço,
o veste com a membrana (Figura 3.17).
84
Figura 3.16 – Colocação do papel filtro.
(a) (b)
Figura 3.17 – (a) Colocação do corpo-de-prova no eq uipamento triaxial; (b) Colocação da membrana com ajuda do molde de aço.
Uma vez que corpo de prova esteja fixo junto com a membrana, coloca-se
mais um papel filtro e uma pedra porosa no topo do corpo de prova nessa ordem
(Figura 3.18).
Figura 3.18 – Colocação do papel filtro e a pedra p orosa no topo do corpo-de-prova
85
Para finalizar coloca-se sobre a pedra porosa o cap, uma estrutura de
acrílico, rígida e com um orifício pelo qual flui a água que entra ou sai da amostra
durante o ensaio. A membrana é então presa com 4 o-rings à base do aparelho e ao
cap sendo 2 o-rings presos à base e outros 2 presos ao cap. Desta forma, garante-
se o total isolamento do corpo-de-prova com a água usada para se aplicar a tensão
confinante.
Depois, a câmara triaxial é fechada e o corpo-de-prova é submerso em água.
A câmara triaxial não fica totalmente preenchida com água, na verdade cerca de
10% do volume é preenchido com ar. Na parte superior da câmara existe a
conexão com um tubo ligado a uma máquina de ar comprimido que é responsável
por criar a tensão de confinamento dentro da câmera. Uma válvula localizada
junto a parede controla a magnitude da pressão aplicada (Figura 3.19).
(a) (b) (c)
Figura 3.19 – (a) Fixação da membrana ao corpo de p rova com os o-rings; (b) Preenchimento da câmara triaxial com água; (c) Colo cação da conexão de pressão
confinante.
4 Resultados e Análises
Este capítulo apresenta os resultados e as análises dos ensaios descritos no
capítulo 3 para as amostras de solo puro e misturado com a fibra de coco. O
objetivo desta tese é quantificar a melhoria do comportamento do solo misturado
com a fibra quando submetido a um carregamento estático, cuja aplicação prática
seria, por exemplo, no uso de solo de fundações, camadas de aterros sanitários e
aterros sobre solos moles. Assim, a apresentação dos resultados é feita através de
gráficos, que relacionam a variação da tensão desviadora com a deformação axial,
e de envoltórias de resistência do solo.
4.1. Ensaios de Caracterização Física
4.1.1. Densidade Real dos Grãos
A densidade real dos grãos (Gs) do solo puro ensaiado foi encontrada
através da média obtida em quatro ensaios, tendo havido uma variação de 1,2 %.
O resultado encontrado foi um Gs de 2,72. O solo utilizado foi pesquisado
anteriormente. Resultados obtidos por outros pesquisadores podem ser vistos na
tabela 4.1
4.1.2. Limites de Atterberg
Seguindo as normas NBR 6459/1984 – Determinação do Limite de Liquidez
e NBR 7180/1984 – Determinação do Limite de Plasticidade, foi obtido para o
Limite de Liquidez (LL) e para o Limite de Plasticidade (LP) do solo puro,
respectivamente, os valores de 54% e 38%. O índice de plasticidade (IP), definido
como a diferença entre os valores do Limite de Liquidez e do Limite de
Plasticidade, é de 16%
87
Valores para esses índices encontros por outros pesquisadores podem ser
vistos na tabela 4.1
4.1.3. Densidade Real dos Grãos
O ensaio de análise granulométrica do solo argiloso forneceu um
comportamento comparável com o obtido em pesquisas precedentes. As
porcentagens de material passantes na peneira #200 e retidas nesta, são parecidas.
O solo argiloso coluvionar da campo experimental da Puc é classificado como
CH, sendo uma argila arenosa.
A Tabela 4.1 apresenta um resumo da distribuição granulométrica obtida
em pesquisas anteriores. A curva granulométrica do solo argiloso utilizado neste
trabalho é apresentado na Figura 4.1.
Tabela 4.1 - Caracterização Física do solo argiloso coluvionar do Campo Experimental II da PUC-Rio (Ramirez, 2012)
Autor Prof. (m) Gs Ped. + Areia (%)
Silte (%)
Argila (%)
LL LP IP SUCS
Sertã (1986)
1.00 - 1.45 2,75 26,25 73,75 71 35 36 MH
2.00 - 2.45 2,73 28,13 71,87 75 49 26 MH
3.00 - 3.45 2,74 45,63 54,37 72 45 27 MH
Marinho (1986) 3.60 2,75 35 3 62 65 38 27 MH
Lins (1991) 2.00 - 2.40 2,74 34 4 62 78 32 46 MH
3.00 - 3.40 2,74 34 4 62 73 34 39 MH
Dylac (1994) 3.00 2,77 24 5 71 70 30 40 MH
6.00 2,76 31 6 63 82 43 39 MH
Beneveli (2002) 1.50 2,76 33 9 59 56 31 25 CH
Soares (2005) 1.00 2,74 41 5,5 53,5 54 28 26 CH
Ramirez (2012) 2.00 2,72 36,4 10,8 52,7 53 39 14 CH
88
Figura 4.1 - Distribuição granulométrica do solo ar giloso
4.2. Ensaios de Caracterização Mecânica
4.2.1. Ensaios de Compactação Proctor Normal
As figura 4.2 e 4.3 apresentam a curva de compactação Proctor Normal do
solo puro e misturado com os teores de fibra moída, bem como a do solo puro e
misturado com os teores de fibra cortada. A Tabela 4.2 apresenta os valores de
umidade ótima (wótm) e do peso específico máximo (γdmáx). Foi possível perceber
que a introdução da fibra, seja ela cortada ou moída, contribui para a diminuição
do peso específico da mistura.
Para o caso das duas misturas com fibra moída, as curvas de compactação
foram bem parecidas e apresentaram densidade máxima próxima a 1,52 g/m3,
contra cerca de 1,57 g/m3 da densidade máxima do solo puro. Quanto a umidade
ótima, o solo puro, bem como a mistura de 1%, apresentaram valores parecidos,
cerca de 24,5% enquanto a mistura com 0,5% apresentou um valor discretamente
maior, de 25%.
Com respeito à compactação das misturas com fibras cortadas, pode-se
dizer, baseando-se nos resultados dos ensaios, que a inclusão das fibras diminui a
densidade da mistura com respeito ao solo puro. Contudo, não foi possível
89
estabelecer uma relação direta entre o aumento do teor de fibra e a diminuição da
densidade, quer dizer, uma amostra com um maior teor de fibra não é
necessariamente menos densa que uma amostra com um menor teor de fibra.
Também não foi possível estabelecer uma relação direta entre a variação do
teor de fibras e o valor da umidade ótima. A amostra compactada com 0,75% de
teor de fibra apresentou uma umidade ótima inferior a do solo puro. A amostra
com 1,0% de fibra apresentou uma umidade ótima similar a do solo puro e as
demais amostras apresentaram umidades ótimas maiores que a do solo puro. Os
valores de densidade máxima encontradas para as fibras cortadas variam entre
1,48 g/m3 e 1,55 g/m3, ou seja, entre 0,02 g/m3 e 0,09 g/m3 a menos que a
densidade máxima do solo puro, enquanto a umidade ótima para essas misturas
variam entre 23% e 26%, ou seja, 1,5% a mais e a menos do que a umidade ótima
do solo puro. Chama a atenção o fato de as curvas de compactação com as fibras
cortadas tenderem a ser assimétricas, fugindo um pouco do formato parabólico,
característico em resultados de ensaios de compactação.
Figura 4.2 – Curvas de compactação do solo puro e d a fibra moída
90
Figura 4.3 – Curvas de compactação do solo puro e d a fibra cortada
Tabela 4.2 – Resultados dos ensaios de compactação Proctor Normal para o solo e misturas de solo-fibra
Teor de fibra Densidade máx. (g/cm3) Umidade ótima (%)
Solo Puro 1,575 24,5
Fibra moida 0,5% 1,520 25,0
Fibra moida 1,0% 1,510 24,4
Fibra cortada 0,5% 1,550 25,2
Fibra cortada 0,75% 1,490 23,4
Fibra cortada 1,0% 1,485 24,0
Fibra cortada 1,25% 1,540 26,0 Fibra cortada 1,50% 1,520 25,8
4.2.2. Ensaios Triaxiais CID
São apresentados aqui os resultados dos ensaios triaxiais, realizados em
amostras do solo puro e em misturas com a fibra de coco moída nos teores 0,5% e
1,0%, e também, as misturas de solo com fibra cortada nos teores de 0,5%, 0,75%,
1,0%, 1,25% e 1,5%. Todas as misturas foram submetidas a ensaios triaxiais CID,
em compressão axial, confinados nas tensões de 50kPa, 150kPa e 300kPa. Serão
apresentadas, mais precisamente, os resultados na forma de gráficos de tensão
desviadora x deformação axial, deformação volumétrica x deformação axial e a
91
trajetória de tensões efetivas. As trajetórias de tensões efetivas são obtidas com o
valor da tensão desviadora para uma deformação axial arbitrada em 15%, uma vez
que as curvas obtidas nos gráficos de tensão desviadora x deformação axial para a
fibra cortada não apresentaram um pico de ruptura, fazendo-se necessário a
adoção de uma porcentagem de deformação padrão escolhida para que fosse feita
a comparação dos parâmetros de resistência obtidos em cada teor ensaiado.
Ressalta-se também que os ensaios triaxiais realizados foram encerrados ao atingir
uma deformação axial de 18%. A partir das trajetórias de tensões efetivas se
obtém as envoltórias de resistência no diagrama p’ x q, conhecido como diagrama
de Lambe, para cada mistura e para o solo puro, com a qual se pode determinar os
parâmetros de resistência do solo, que são α’, a’, φ’ e c’. A metodologia
estabelecida para esse ensaio foi descrita no apêndice dessa pesquisa. As equações
A.4 e A.5 do apêndice mostram como se determina os valores de p’ e q, com os
quais se obtém os parâmetros de resistência α’ e a’, e também mostram as
equações A.6 e A.7 que correlacionam esses aos parâmetros de resistência φ’ e c’.
Nos gráficos das figuras 4.4, 4.6, 4.8, 4.15, 4.17 e 4.19, que apresentam curvas da
tensão desviadora (σd) versus deformação axial (εa), pode-se perceber a
existência de uma linha preta vertical passando sobre a deformação
correspondente a 15%, cujo objetivo nada mais é do que facilitar a visualização
dos pontos das curvas, que serviram como referência para se obter os valores
utilizados nas envoltórias de resistência das amostras ensaiadas.
Além disso, será feita uma análise com o objetivo de avaliar o quanto a
tensão efetiva influencia na interação entre as duas fases do compósito.
As figuras 4.4, 4.6 e 4.8 apresentam curvas da tensão desviadora (σd) x
deformação axial (εa), de misturas do solo com fibra moída, confinadas nas
tensões efetivas de 50kPa, 150kPa e 300kPa, respectivamente. As figuras 4.5, 4.7
e 4.9 apresentam curvas da variação volumétrica (εv) x deformação axial (εa), de
misturas do solo com fibra moída, confinadas nas tensões efetivas de 50kPa,
150kPa e 300kPa, respectivamente.
92
Figura 4.4 - Gráfico σd (kPa) x εa (%) para fibra moída com tensão confinante de 50kPa
Figura 4.5 - Gráfico εv (%) x εa (%) para fibra moída com tensão confinante de 50kPa
93
Figura 4.6 - Gráfico σd (kPa) x εa (%) para fibra moída com tensão confinante de 150kPa
Figura 4.7 - Gráfico εv (%) x εa (%) para fibra moída com tensão confinante de 150kPa
94
Figura 4.8 - Gráfico σd (kPa) x εa (%) para fibra moída com tensão confinante de 300kPa
Figura 4.9 - Gráfico εv (%) x εa (%) para fibra moída com tensão confinante de 300kPa
Pode-se perceber pelo gráfico da figura 4.4, que para uma deformação de até
2% a relação σd x εa entre o solo puro e os dois teores é bem parecida. A partir
dessa deformação, a mistura com 0,5% de fibra começa a apresentar uma
95
resistência superior a do solo puro e a da mistura com 1%. A partir dos 3% de
deformação, a mistura com 1% de fibra também começa a apresentar uma
resistência inferior ao solo puro (e portanto, pior também do que a mistura com
0,5% de fibra). Com 15% de deformação, valor arbitrado para se realizar a análise
das envoltórias de resistência do solo nessa dissertação, pode-se perceber que a
mistura com 0,5% de fibra apresentou uma resistência superior ao solo puro, que
por sua vez, apresentou um resultado superior a da mistura com 1%. Em contraste
a esses resultados, os ensaios de σd x εa com tensão confinante de 150kPa,
apresentados na figura 4.6, demonstraram uma maior resistência para a mistura
com teor de fibra de 1%. Percebe-se que com meio por cento de deformação essa
mistura já se mostra superior ao solo puro e à mistura com 0,5% de fibra. Com
essa mesma deformação a mistura com 0,5% começa a apresentar um
comportamento discretamente menos resistente do que o do solo puro, e que
persiste até os 8% de deformação, momento em que esta mistura começa a superar
o solo puro. Entretanto, até o fim deste ensaio, o que ocorreu com 18% de
deformação, a mistura com 1% de fibra se mostrou mais resistente. Na figura 4.8,
que apresenta o gráfico da tensão desviadora x deformação axial para uma tensão
confinante de 300 kPa, a mistura com 1% de fibra apresenta inicialmente um
comportamento menos resistente que as demais, contudo, por volta dos 4% de
deformação, essa mistura começa a superar a mistura com 0,5% de teor de fibra e,
por volta dos 8% de deformação, ela passa a superar também a amostra de solo
puro, passando a se a mistura com maior resistência. O solo puro apresenta
inicialmente o melhor comportamento, porém, a partir dos 8% de deformação é
superado pela mistura com 1% de teor fibra e, a partir dos 11%, é superado pela
mistura de 0,5% de teor de fibra.
O gráfico da figura 4.5, que relaciona a variação volumétrica e a deformação
uniforme axial para os ensaios com 50 kPa de tensão confinante, mostra que a
mistura com 1% de teor de fibra sofre uma contração volumétrica durante o
cisalhamento até por volta dos 6% de deformação. O volume do corpo de prova se
mantém constante até os 10% de deformação e a partir daí começa a sofrer uma
expansão até o final do ensaio. Contudo, o volume de água que entra na amostra
nas deformações finais é inferior ao volume de água que sai da amostra nas
deformações iniciais. As amostras com solo puro e a mistura com 0,5% de teor de
fibra apresentam uma curva de deformação volumétrica versus deformação axial
96
bem similar. Ambas as amostras sofrem uma contração volumétrica até os 4% de
deformação, sendo está contração significativamente menor do que a medida na
amostra com 1% de teor de fibra. A partir dai começa a ocorrer uma expansão
volumétrica. Por volta dos 8% de deformação o volume de ambos os corpos-de-
prova voltam a ser iguais ao que era antes de se iniciar o cisalhamento. As
amostras seguem expandindo até o final do ensaio.
Relacionando os gráficos das figura 4.4 e 4.5, pode-se observar que tanto
para o solo puro como para os dois teores de fibra moída, o momento em que o
solo para de se contrair volumetricamente coincide aproximadamente com o
momento em que a tensão desviadora passa a se tornar constante, a medida que os
corpos-de-prova se deformam. Nota-se que até às deformações adotadas não foi
possível verificar um pico de ruptura na curva tensão desviadora versus
deformação axial. Observando os corpos-de-prova cisalhados, pode-se perceber a
inexistência de um plano de falha.
A figura 4.7 apresenta o gráfico da variação volumétrica e a deformação
axial para os ensaios com 150 kPa de tensão confinante. As 3 curvas referentes ao
solo puro e aos 2 teores de fibra moída ensaiados apresentaram um resultado
muito parecido, tanto no formato da curva como em seu dimensionamento. Ambas
as curvas começaram a se contrair volumetricamente de forma mais acentuada
durante as deformações iniciais e, gradativamente, foram se estabilizando. Por
volta dos 12% de deformação, ambas as curvas pararam de se contrair, contudo,
até o final desses ensaios, não houve expansão volumétrica. Pode-se notar que o
crescimento da tensão desviadora ocorreu durante o período de contração
volumétrica. À medida que os corpos-de-prova paravam de se contrair, a tensão
desviadora ao longo do ensaio parava de crescer.
O gráfico da figura 4.9 apresentou um comportamento similar ao gráfico da
figura 4.7. As 3 curvas começaram a se contrair volumetricamente de forma mais
acentuada nas deformações iniciais e, gradativamente, foram se estabilizando,
sendo que o solo puro sofreu uma contração volumétrica mais discreta que as duas
misturas. Nenhum dos 3 ensaios sofreu expansão volumétrica até o final da fase
de cisalhamento. Assim como no gráfico da figura 4.7, pode-se notar que a tensão
desviadora diminui sua taxa de crescimento à medida que o corpo de prova
diminui sua contração volumétrica.
97
Com respeito às envoltórias de resistência obtidas a partir das trajetórias de
tensões e dos parâmetros de resistência do solo obtidos da própria envoltória, viu-
se que praticamente não houve variação do angulo de atrito. Com respeito à
coesão, a mistura com 1,0% de teor de fibra apresentou um resultado muito
próximo ao do solo puro, enquanto que a mistura com 0,5% de teor de fibra
apresentou uma coesão um pouco superior. Os resultados dessas análises podem
ser vistos na tabela 4.3 e no gráfico 4.14. Os gráficos com as envoltórias de
resistência obtidas para o solo puro e para as misturas com 0,5% e 1,0% de fibra
moída, são apresentados nas figuras 4.10, 4.11 e 4.12, respectivamente, bem como
suas trajetórias de tensões efetivas. O gráfico da figura 4.13 reúne as envoltórias
dos 3 ensaios.
Figura 4.10 - Gráfico p ‘x q com envoltória do solo puro
98
Figura 4.11 - Gráfico p ‘x q com envoltória do solo reforçado com 0,5% de fibra moída
Figura 4.12 - Gráfico p ‘x q com envoltória do solo reforçado com 1,0% de fibra moída
99
Figura 4.13 - Gráfico p ‘x q com envoltórias do sol o do solo puro e misturas com fibra moída.
Figura 4.14 – Parâmetros de resistência das envoltó rias para as misturas com fibra moída
100
Tabela 4.3 – Parâmetros de resistência das envoltór ias para as misturas com fibra moída
Teor de Fibra (%) c' (kPa) ϕ' (graus)
0 27,66 25,32
0,5 35,31 25,01 1 26,68 25,91
As figuras 4.15, 4.17 e 4.19 apresentam curvas da tensão desviadora versus
deformação axial, de misturas do solo com fibra cortada, confinadas nas tensões
efetivas de 50kPa, 150kPa e 300kPa, respectivamente. As figuras 4.16, 4.18 e
4.20 apresentam curvas da variação volumétrica versus deformação axial, de
misturas do solo com fibra cortada, confinadas nas tensões efetivas de 50kPa,
150kPa e 300kPa, respectivamente.
101
Figura 4.15 - Gráfico σd (kPa) x εa (%) para fibra cortada com tensão confinante de 50kPa
Figura 4.16 - Gráfico εv (%) x εa (%) para fibra cortada com tensão confinante de 50kPa
102
Figura 4.17 - Gráfico σd (kPa) x εa (%) para fibra cortada com tensão confinante de 150kPa
Figura 4.18 - Gráfico εv (%) x εa (%) para fibra cortada com tensão confinante de 150kPa
103
Figura 4.19 - Gráfico σd (kPa) x εa (%) para fibra cortada com tensão confinante de
Figura 4.20 - Gráfico εv (%) x εa (%) para fibra cortada com tensão confinante de 300kPa
Pode-se observar no gráfico da figura 4.15 que até 1% de deformação, o
solo puro e a mistura com 1,25% de teor de fibra apresentaram as maiores
resistências, enquanto que a mistura com 0,5% de teor de fibra apresentou
inicialmente a menor resistência. Aos 5% de deformação, a mistura com 0,5% de
fibra superou a mistura com 0,75% de teor de fibra e o solo puro. Com 15% de
deformação, que é a faixa arbitrada para se fazer a análise das curvas e estimar as
104
envoltórias de resistência, o solo puro apresentou a menor resistência enquanto
que a mistura com 1,5% de teor de fibra (o teor máximo ensaiado) apresentou a
maior resistência. A mistura com 1% de fibra apresentou um resultado superior a
mistura com 1,25% e a mistura com 0,5% apresentou resistência um pouco maior
que a mistura com 0,75%. Para as curvas dos ensaios com 150 kPa de tensão
confinante, apresentadas no gráfico da figura 4.17, pode-se perceber que para 2%
de deformação o solo puro não está entre as curva com maior resistência. Nesta
fase do ensaio, é a mistura com 1,5% de teor de fibra que mais se destaca. Com
15% de deformação, as misturas com 1,5%, 1,25% e 1% de teor de fibra
apresentam praticamente o mesmo valor de tensão desviadora. O Solo puro
apresenta uma resistência bem inferior, enquanto que as misturas com 0,5% e
0,75% de teor de fibra apresentam valores de resistência similares e
intermediários. Já para os gráficos com curvas confinadas com 300 kPa,
apresentadas no gráfico da figura 4.19, para os 2% iniciais de deformação,
observa-se que o solo puro e a mistura com 1,5% de teor de fibras apresentam
resistência similares, contudo, após 15% de deformação o solo puro apresenta a
menor resistência e a mistura com 1,5% de teor de fibra apresenta a maior
resistência. Pode-se observar que com 15% de deformação, quanto maior o teor de
fibras maior a resistência do solo, exceto, pelo fato da mistura com teor com 1%
de fibra ter apresenta um desempenho superior a mistura com teor de 1,25%.
No gráfico da figura 4.16 é possível perceber que a curva do solo puro
sofreu a menor contração volumétrica, que por volta dos 4% de deformação a
amostra para de se contrair e então passa a expandir e, que por volta dos 8% de
deformação o volume da amostra se iguala ao volume original (o que foi relatado
mais acima na análise do gráfico da figura 4.5). As demais curvas, pertencentes às
amostras reforçadas com fibra sofreram uma maior contração volumétrica. A
amostra de solo reforçada com 1% de fibra, em especial, não contraiu tanto quanto
as demais e inclusive, após 5% de deformação ela apresentou uma suave expansão
volumétrica que persistiu até o final do cisalhamento. As amostras com 0,5% de
teor de fibra e 0,75% de teor de fibra apresentaram curvas bem parecidas, a
contração volumétrica foi mais pronunciada do que a da mistura com 1% de fibra
e, além disso, não houve expansão. Com aproximadamente 10% de deformação,
esses corpos de prova pararam de se contrair e seus volumes permaneceram
constantes até o fim do ensaio. Já as amostras com 1,25% e 1,5% de teor de fibra
105
foram as que apresentaram a maior contração volumétrica e, sobretudo, seguiram
se contraindo até o final do ensaio. No gráfico da figura 4.18 nota-se que o
comportamento da mistura com 0,5% de teor de fibra foi praticamente idêntico ao
do solo puro, sendo essas duas curvas as que apresentaram a menor variação
volumétrica. Essas curvas apresentaram uma contração volumétrica, de forma
mais abrupta no começo do ensaio e diminuindo esta tendência gradativamente até
que com cerca de 12% de deformação axial, o volume de ambas as amostras parou
de variar. As demais curvas também apresentaram contração volumétrica, de
forma mais intensa no começo do ensaio e tendendo a estabilidade, porém, mesmo
no fim do ensaio, com cerca de 18% de deformação axial, ainda apresentavam
uma pequena taxa de contração. Da mesma forma, no gráfico da figura 4.20, o
solo puro e a mistura com 0,5% de teor de fibra foram as curvas que apresentaram
a menor contração, seguida das curvas dos ensaios com 0,75% e 1% de teor de
fibra e por fim, das curvas com 1,25% e 1,5% de teor de fibra, que foram as que
apresentaram a maior contração volumétrica. Para as curvas deste gráfico,
confinadas com 300 kPa, até o final do ensaio todas as amostras apresentavam
uma pequena taxa de contração.
Com respeito às envoltórias de resistência obtida a partir das trajetórias de
tensões, e dos parâmetros de resistência do solo obtidos das envoltórias de
resistência das misturas com fibras de coco cortadas, apresentados nas figuras
4.22, 4.23, 4.24, 4.25 e 4.26, com teores de fibra de 0,5%, 0,75%, 1,0%, 1,25% e
1,5% respectivamente, viu-se que o angulo de atrito variou de forma crescente e
discreta, tendo o solo puro um valor de 25,17° enquanto que o teor com 1,5% de
fibra apresentou o valor de 31,03°. A coesão não apresentou um comportamento
linear, a mistura com teor de 1% de fibra foi superior à mistura com 1,25%
enquanto a mistura com 0,5% de fibra foi superior à mistura com 0,75%.
Contudo, o solo puro apresentou o menor valor, 29,83kPa enquanto a mistura com
o teor de 1,5% de fibras apresentou o melhor resultado, com uma coesão de
87,53kPa. Os resultados e as variações do angulo de atrito e da coesão para estes
ensaios podem ser vistos na tabela 4.4 e no gráfico da figura 4.28. É importante
ressaltar que compósitos fibrosos como esses geram muitas vezes envoltórias
curvilíneas. Contudo, para que se possa chegar aos parâmetros de resistência do
solo, aproximamos essas envoltórias para retas.
106
A figura 4.21 apresenta o gráfico da envoltória obtida para o solo puro, é o
mesmo gráfico exibido na figura 4.10.
Figura 4.21 - Gráfico p ‘x q com envoltória do solo puro
107
Figura 4.22 - Gráfico p ‘x q com envoltória do solo reforçado com 0,5% de fibra cortada
Figura 4.23 - Gráfico p ‘x q com envoltória do solo reforçado com 0,75% de fibra cortada
108
Figura 4.24 - Gráfico p ‘x q com envoltória do solo reforçado com 1,0% de fibra cortada
Figura 4.25 - Gráfico p ‘x q com envoltória do solo reforçado com 1,25% de fibra cortada
109
Figura 4.26 - Gráfico p ‘x q com envoltória do solo reforçado com 1,5% de fibra cortada
Figura 4.27 - Gráfico p ‘x q com envoltórias do sol o do solo puro e misturas com fibra cortada
110
Figura 4.28 – Parâmetros de resistência das envoltó rias para as misturas com fibra cortada
Tabela 4.4 – Parâmetros de resistência das envoltór ias para as misturas com fibra cortada
Teor de Fibra (%) c' (kPa) ϕ' (graus)
0 29,83 25,17
0,5 54,37 25,69
0,75 42,1 28,48
1 67,77 29,47
1,25 63,69 28,45 1,5 86,08 29,39
A figura 4.29 exibe as fases de cisalhamento de um ensaio triaxial com
corpo-de-prova feito com fibra moída e de um ensaio com corpo-de-prova feito
com fibra cortada.
111
Figura 4.29 - mostra corpos de prova cisalhados com a fibra moída e com cada um dos teores das fibras cortadas.
A figura 4.30 mostra um corpo de prova com fibra moída cisalhado, além de
um corpo de prova com fibra cortada, para cada um dos 5 teores ensaiados.
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
Figura 4.30 – Corpos de prova cisalhados; (a) com f ibra moída; (b) com 0,5% de fibra cortada; (c) com 0,75% de fibra cortada; com 1,0% de fibra cortada; (d) com
1,25% de fibra cortada; (f) com 1,5% de fibra corta da.
112
Com a finalidade de se entender a influência da variação da tensão efetiva
no funcionamento da relação solo/fibra, fez-se uma análise averiguando em
quantos por cento as tensões desviadoras (obtidas para 15% de deformação) das
misturas solo/fibra são maiores do que a tensão desviadora para o solo puro, sendo
esta análise feita para cada uma das 3 tensões efetivas estudadas. Por exemplo,
considerando o ensaio com tensão efetiva de 50 kPa e mistura com 0,5% de teor
de fibra, foi obtido um valor de 265,9 kPa na tensão desviadora. Esse valor pode
ser visto na tabela 4.5, que apresenta o valor das tensões desviadoras de todos os
ensaios com fibra cortada, no instante em que a deformação axial era de 15%.
Para essa mesma deformação, o valor da tensão desviadora para o solo puro foi de
173,6 kPa. A tensão desviadora obtida na mistura com 0,5% de fibra é, portanto,
53,1% maior do que a tensão obtida no solo puro. Este é o valor, em porcentagem,
que foi utilizado no gráfico da figura 4.31 e que também pode ser visto na tabela
4.6. Para a mistura com teor de 0,75% de fibra, por exemplo, também para 50 kPa
de tensão efetiva, o valor da tensão desviadora para 15% de deformação foi de
251,3 kPa, ou seja, 44,7% maior do que o valor obtido para o solo puro, que é de
173,6 kPa.
Tabela 4.5 – Tensões desviadoras para 15% de deform ação axial (em kPa)
Teor de fibra ensaiado
Confinamento 0% 0,50% 0,75% 1,00% 1,25% 1,50%
50kpa 173,6 265,9 251,3 365,6 302,6 475,5
150kpa 331,7 496 532,2 696,3 704,9 691,2 300kpa 605,1 676,9 843,9 955,1 909,5 1131,4
Tabela 4.6 – Porcentagem de incremento no valor da tensão desviadora dos compósitos com fibra cortada, com respeito ao solo puro (em %)
Teor de fibra ensaiado
Confinamento 0% 0,50% 0,75% 1,00% 1,25% 1,50%
50kpa 0 53,1 44,7 110,5 74,3 173,9
150kpa 0 49,5 60,4 109,9 112,5 108,4 300kpa 0 11,9 39,5 57,8 50,3 87
Sobre essa análise, pode-se observar uma alternância entre as curvas para
tensões efetivas de 50 kPa e 150 kPa. Entretanto, pode-se perceber que a curva
referente aos ensaios com 300 kPa se situa constantemente abaixo das outras duas
113
curvas, o que sugere que o ganho de resistência conferido pela introdução da fibra
de coco é proporcionalmente menor para os ensaios tensões efetivas maiores.
Figura 4.31 – Influência do confinamento na capacid ade da fibra de confeirir resistência ao compósito
Casagrande (2005) estudou o comportamento mecânico de camadas de um
solo residual areno-siltoso reforçado com a adição de fibras de polipropileno
distribuídas aleatoriamente na massa de solo, sob carregamento estático. Realizou
ensaios triaxiais adensados drenados a fim de se estudar o comportamento do solo
residual e de misturas solo-fibra em termos de tensão-deformação-resistência.
Assim como foi demonstrado nos resultados dessa pesquisa, concluiu que a
adição de fibras de polipropileno provocou um grande aumento na coesão do
material, mantendo seu ângulo de atrito praticamente inalterado. Segunda a
autora, as fibras proporcionam um emaranhado que envolve e “vincula” os grãos
do solo, promovendo um efeito de ancoragem que se traduz no aumento da coesão
do solo residual. O gráfico da figura 4.28 é coerente com esta observação.
Também concluiu que o aumento do teor de fibra no solo aumenta a sua
resistência. Verificou que cada curva apresenta uma taxa de acréscimo de tensão
de desvio própria, deixando em aberto a discussão sobre a tendência dessa taxa
114
para mesmos teores de fibra com a variação da tensão confinante. O gráfico da
figura 4.27 também mostra que existe um aumento de resistência entre as
amostras reforçadas com a fibra de coco, em relação à amostra de solo puro.
Com relação à deformação volumétrica, verificou que o comportamento
inicial foi de contração para todos os teores estudados, sendo esse comportamento
mais acentuado para maiores teores de fibra. O mesmo pode se observar ao
analisar os gráficos das figuras 4.16, 4.18 e 4.20.
Essas comparações sugerem que a fibra de coco confere ao compósito,
propriedades similares às que outras fibras sintéticas, como a de polipropileno,
estudada há mais tempo, também conferem.
5 Considerações Finais
5.1. Conclusões
Os resultados obtidos com os ensaios de compactação e triaxiais realizados
permitiram que se chegasse a algumas conclusões a respeito das propriedades
mecânicas do solo argiloso reforçado com fibras de coco verde.
Os compósitos apresentaram um comportamento próprio devido à influência
da fibra, sendo este, muito mais significativo para a fibra cortada do que para a
fibra moída. Pode-se dizer que existe uma expectativa bem favorável quanto ao
uso deste resíduo na constituição de um material geotécnico, tendo em vista a
melhoria das propriedades mecânicas obtidas nessa pesquisa, quando comparadas
ao solo puro.
Dentre as conclusões, podemos citar que, baseado nos resultados dos
ensaios de compactação, pode-se perceber que tanto para a fibra moída, quanto
para a fibra cortada, houve uma redução do peso específico das misturas com
respeito ao solo puro. Os resultados sugerem que a inclusão das fibras aumentam
discretamente a umidade ótima das misturas com fibras cortadas.
Com respeitos aos ensaios triaxiais, a influência das fibras moídas foi
discreta. Para os dois teores ensaiados, pôde-se observar que não houve prejuízo
na resistência ao cisalhamento ao se agregar a fibra. As envoltórias de resistência
dessas misturas apresentaram parâmetros de resistência similares ao do solo puro,
tendo o teor de 0,5% um desempenho discretamente superior ao teor de 1,0%
Esses resultados indicam que a fibra de coco verde moída pode ser
misturada ao solo, contribuindo para diminuição da geração de resíduo, sem que
haja diminuição da resistência do solo.
Os ensaios triaxiais com a fibra cortada demonstraram um bom potencial
para o emprego deste material como reforço geotécnico. Dentre todos os teores
testados, o teor mais alto (1,5%) foi o que apresentou os melhores resultados de
116
resistência ao cisalhamento. As curvas tensão desviadora versus deformação axial
não apresentam picos de ruptura. O material apresenta um comportamento dúctil.
Notou-se um aumento de 4° no ângulo de atrito da mistura de 1,5% de teor
de fibra, com respeito ao solo puro. Também se notou um aumento bastante
significativo na coesão do solo reforçado. O teor com 1,5% de fibra apresentou
uma coesão 188% na coesão maior em comparação com a amostra de solo puro.
Embora não tenha havido uma linearidade com relação ao aumento do teor de
fibra e as melhorias dos parâmetros de resistência do solo, pode-se afirmar que o
aumento do teor de fibra aumenta a resistência do solo, para a faixa de
porcentagem de teor de fibra estudada.
As análises sugerem que para tensões efetivas muito elevadas (>300 kPa), a
contribuição que as fibras conferem à resistência ao cisalhamento do compósito é
menor do que a baixas tensões de confinamento. Isso pode ser visto no gráfico da
figura 4.26
Observou-se que a fibra cortada agrega um incremento significativo na
resistência mecânica do solo, sugerindo, portanto que a fibra de coco verde tem
grande potencial para ser utilizada como reforço geotécnico de baixo custo e com
aspectos ambientalmente corretos, uma vez que se trata de um resíduo urbano
abundante.
5.2. Sugestões para pesquisas futuras
A seguir, apresentam-se algumas sugestões para ampliar o conhecimento e
prosseguir com os estudos sobre o reforço de solos com a inserção de fibras de
coco verde:
• Realizar ensaios de permeabilidade nos compósitos solo-fibra e nos
solos puros, para poder apreciar a influência da presença da fibra de
coco na condutividade hidráulica;
• Realizar tanto ensaios triaxiais convencionais de compressão, bem
como triaxiais de extensão em misturas solo-fibra, para verificação
de diversos tipos de comportamento;
117
• Realizar ensaios com teores mais altos de fibra cortada, uma vez que
os resultados dessa pesquisa sugerem que o teor ótimo seja superior
a 1,5%, valor máximo adotado neste trabalho.
• Realizar ensaios com fibras de diferentes comprimentos a fim de se
aumentar o conhecimento sobre o comportamento mecânico dos
compósitos que utilizam esse reforço
• Realizar ensaios com outros tipos de solo, a fim de se investigar a
interação da fibra de coco com diferentes matrizes.
• Estudar e testar diferentes substâncias e tratamentos que podem ser
utilizados para prolongar a vida útil da fibra de coco.
• Desenvolver modelos de previsão de comportamento resistência-
deformação, sendo este de muita importância para a simulação
numérica de obras geotécnicas.
• Realizar estudo em verdadeira grandeza em compósitos solo-fibra de
coco, para avaliação de comportamento de deformação, resistência e
recalque em amostras de grandes dimensões.
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A Apêndice
A.1. Métodos e Procedimentos de Ensaios
Este tópico irá descrever a metodologia utilizada para realizar os ensaios
mecânicos (ensaios de compactação e ensaios triaxiais) no compósito solo-fibra
de coco, cujo objetivo é revelar um pouco das propriedades mecânicas deste
material.
A.1.1. Ensaios de Compactação Proctor Normal
Os ensaios de compactação foram realizados para o solo argiloso e nas
misturas solo-fibra, com o intuito de se determinar a umidade ótima de
compactação (wótm) e o peso específico aparente seco máximo (γdmáx) dos
materiais e das misturas. Estes ensaios são realizados segundo as diretrizes da
norma NBR 7182 da ABNT, utilizando-se a energia de compactação Proctor
Normal e com reuso de material. Após secagem do solo em estufa a 60°C, inicia-
se o processo de destorroamento deste, passando-o posteriormente pela peneira
#4, adotando-se o procedimento descrito pela norma NBR 6457 (ABNT, 1986). A
preparação se consiste em remover a umidade do solo pelo período de 24 horas
em uma estufa a 60ºC. Em seguida retira-se o material da estufa e o deixa alcançar
a temperatura ambiente. Adiciona-se uma determinada quantidade de água ao
material de modo que a mistura adquira certa umidade, porém, abaixo da umidade
ótima. Previamente, sabe-se que a umidade ótima do solo usado neste estudo é
entorno de 26%. Nos ensaios desta pesquisa utilizou-se uma quantidade de água
correspondente a umidade de 20% como valor para o primeiro ponto da curva de
compactação. Após acrescentar água ao solo argiloso (puro e com as diversas
133
porcentagens de fibra), mistura-se bem o material de forma que a umidade seja a
mesma em todo o solo ensaiado.
Coloca-se então certa quantidade da mistura dentro do molde cilíndrico
(cilindro Proctor), de dimensões 10 cm x 12,7 cm (diâmetro x altura). Aplica-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, escarifica-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. Isto acontece devido à utilização de um colarinho
complementar, o qual garante que se obtenha 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
calcular sua massa específica úmida. O cilindro é então cortado e, de seu interior,
se retiram três amostras de solo que são acomodadas em capsulas com o peso
conhecido. A massa de solo úmida é então pesada e em seguida colocada em uma
estufa com temperatura de 110ºC pelo período de 24 horas. Após estarem secas,
as capsulas são retiradas da estufa e quando alcançam a temperatura ambiente, são
pesadas novamente. Através da diferença de peso entre as capsulas com o solo
seco e com o solo úmido, obtém-se o valor da umidade utilizada para este ponto
da curva de compactação. O valor da umidade adotado é uma média da úmida
obtida das 3 amostras de solo que foram extraídas.
Posteriormente, o cilindro de solo ensaiado é totalmente desagregado e
uma quantidade de água correspondente a aproximadamente 2% de umidade é
acrescida à mistura. Realiza-se uma nova compactação e obtém-se um novo par de
valores de umidade (ω) e peso específico seco (γd). Este processo é repetido pelo
menos 5 vezes, e de modo que se obtenha ao menos dois pontos da curva de
compactação no ramo seco e dois pontos da curva no ramo úmido. Caso
necessário, pode-se realizar mais ensaios e assim obter uma curva com mais de 5
pontos. Após se determinar o peso específico e a umidade referente a cada ponto
ensaiado, plota-se um gráfico de peso específico seco versus umidade, tendo-se
134
assim a curva de compactação. Os valores de γdmáx e wótm são aqueles que
correspondem ao topo da curva de compactação, cuja forma se assemelha a uma
parábola com concavidade para baixo. Esse ensaio é repetido para cada uma das
porcentagens de fibra ensaiada e também para o solo puro. Os valores de γdmáx e
wótm encontrados são usados na elaboração dos corpos-de-prova utilizados nos
ensaios triaxiais CID.
A.1.2. Ensaios Triaxiais
As obras geotécnicas, como barragens e estruturas de fundações têm se
validado de resultados de ensaios triaxiais para a avaliação do desempenho destes
materiais, uma vez que estas são obras que são solicitadas excencialmente por
carregamentos estáticos. Destaca-se que o ensaio triaxial estático permite a
simulação de condições de campo variadas e a determinação do comportamento
mecânico dos solos, segundo diferentes níveis de tensões.
Os ensaios de laboratório visam reproduzir nos corpos de prova as
solicitações que o maciço de solo poderá ser submetido no campo. Objetiva-se,
com isso a obtenção de parâmetros mecânicos de resistência e deformabilidade,
que possam representar o comportamento do material em métodos de análise.
Os ensaios triaxiais permitem o controle efetivo das tensões confinante e
axial, sob condições axissimétricas aplicadas no corpo de prova (Spannenberg,
2003). O ensaio triaxial dito convencional segue uma trajetória de carregamento
axial. Neste tipo de trajetória, a tensão axial (σa) é aumentada, enquanto a tensão
confinante (σc) é mantida constante. A execução do ensaio pode ser dividida em
duas fases: adensamento e cisalhamento.
Os ensaios triaxiais são classificados de acordo com as condições de
drenagem nas fases de adensamento e cisalhamento. São três os tipos de ensaios
descritos por Lambe (1951): não adensado e não drenado (UU) com drenagens
fechadas durante todo o ensaio, também conhecido como um ensaio rápido; o teor
de umidade do corpo-de-prova permanece constante e as tensões medidas são
tensões totais; adensado e não drenado (CU) com drenagem permitida durante o
processo de adensamento, e impedida durante a fase de cisalhamento, também
conhecido como ensaio adensado rápido; não se altera a umidade do corpo-de-
135
prova e as tensões medidas nesse ensaio são totais o pode-se ter as tensões
efetivas, se forem feitas medidas de pressões neutras após o adensamento inicial; e
o adensado e drenado (CD) em que as fases de adensamento e cisalhamento são
realizadas sob condições drenadas, conhecido como ensaio lento; aplica-se a
tensão confinante e espera-se que o corpo-de-prova adense, a seguir, a tensão
axial é aumentada lentamente para que a água sob pressão possa percolar para fora
do corpo-de-prova, até a ruptura; desta forma a pressão neutra durante o
carregamento permanece praticamente nula e as tensões totais medidas são as
tensões efetivas. O procedimento deste ultimo tipo de ensaio é descrito no capitulo
3 deste trabalho. A nomenclatura utilizada para classificar estes ensaios vem da
língua inglesa. A letra “C” dos ensaios CD e CU se referem a “consolidate”, a fase
de consolidação, que no Brasil é conhecida como fase de adensamento. As letras
“D” e “U” estão associadas respectivamente a “Drained” e “Undrained”, em
referência a fase de cisalhamento que no primeiro caso permite a drenagem de
água no interior do corpo de prova e no segundo caso não permite a drenagem. O
ensaio UU é a abreviação “Uncosolidate Undrained”, já que neste tipo de ensaio
não ocorre o adensamento da amostra e não existe drenagem na fase de
cisalhamento.
Nesta pesquisa realizou-se ensaios triaxiais drenados. A consolidação do
corpo de prova ocorreu de forma isotrópica, isto é, as tensões aplicadas nas
direções x, y e z na fase de adensamento são idênticas. Ensaios triaxiais drenados
com essa característica são conhecidos como (CID) “Consolidate Isotropic
Drained”.
Segundo Bishop e Henkel (1962), os corpos de prova devem ter uma relação
altura/diâmetro igual a 2,0, podendo variar entre 1,5 e 2,5. Estes limites visam
minimizar os efeitos de atrito nas extremidades do corpo de prova, mantendo uma
condição adequada de esbeltez.
Os cálculos de tensão desviadora (σa – σc), devem ser efetuados supondo
que o corpo de prova, ao se deformar, mantém o formato de um cilindro reto.
136
A.1.2.1. Procedimento de saturação dos corpos de prova
As técnicas de saturação utilizadas para os corpos de prova de solo argiloso
e misturas solo-fibra foram de saturação por percolação de água através da
amostra e de saturação por contrapressão. No caso da percolação, aplicou-se uma
diferença de carga de 7 kPa entre a base e o topo da amostra, sendo maior a tensão
aplicada na base, de modo que o sentido do fluxo fosse ascendente. Na saturação
por contrapressão, elevava-se a pressão no topo e na base da amostra de forma que
essa permaneça com uma tensão de 10kPa abaixo da tensão de confinamento. Este
valor é suficiente para que haja um fluxo de água para o interior da amostra uma
vez que a tensão no topo e na base é superior a tensão interna da amostra. O fato
da pressão de confinamento ser maior do que a tensão aplicada das extremidades
do corpo-de-prova garante que a membrana continue comprimindo a amostra.
Passado algum tempo, nota-se que o fluxo de água cessa, o que significa que a
pressão no interior da amostra se igualou à pressão aplicada no topo e na base.
Isso significa também que as bolhas de ar no interior da amostra foram
comprimidas, aumentando assim a saturação do corpo-de-prova.
Para verificar se o grau de saturação apresentava nível satisfatório, calcula-
se o parâmetro B de Skempton, por meio da seguinte equação:
Equação A.1
onde:
∆u: excesso de poropressão gerado,
∆σc: acréscimo de tensão confinante aplicado.
Para as amostras ensaiadas foram considerados valores de B aceitáveis
maiores ou iguais a 0,95. Caso se constate que o parâmetro B não alcançou o valor
de 0,95, a tensão de confinamento é aumentada em 50kPa e novos procedimentos
de percolação e de contrapressão são realizados.
O tempo necessário para se saturar os corpos-de-prova foram de
aproximadamente 24 horas, não havendo nenhuma exceção.
137
A.1.2.2. Adensamento e Cálculo do t 100
Após a saturação do corpo de prova, inicia-se a fase de adensamento.
Durante 24 horas foram coletados dados de variação de volume.
Com estes dados se traça o gráfico variação de volume (ml) x raiz do tempo
(min0,5). Segundo a recomendação de Head (1986), prolonga-se o trecho retilíneo
inicial até que este encontre 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.
A.1.2.3. Velocidade de cisalhamento e etapa de Cisalhamento
Como os ensaios triaxiais foram drenados, a expressão utilizada foi a
seguinte (Head, 1986):
Equação A.2
onde:
ν: velocidade máxima de cisalhamento em mm/min,
L: altura do corpo de prova em mm,
εf: deformação axial estimada na ruptura em %,
tf: tempo mínimo de ruptura em minutos.
Onde o tf para o ensaio triaxial (CID) é:
Equação A.3
Head (1986) aponta que: “se o valor calculado de tf é menor que 120
minutos (2 horas) o atual tempo de ruptura não deveria ser menor que 2 horas”.
A inclusão das fibras não alterou a velocidade do adensamento que, para uma
mesma tensão efetiva, foram muito similares para todas as misturas e para o solo
138
puro. Assim, adotou-se um tempo tf = 120 minutos porque todos os ensaios (com
solo argiloso e misturas solo-fibra) tiveram um tempo de ruptura menor do que
120 minutos. O objetivo de definir uma velocidade suficientemente lenta para a
aplicação da compressão axial é permitir a total drenagem da água do corpo de
prova sem gerar excesso de poropressão.
Como os gráficos de adensamento foram praticamente idênticos, para o solo
puro e para todas as misturas solo-fibra ensaiadas, optou-se por apresentar aqui
apenas as curvas de um único teor, o das amostras com 1,0% de fibras cortadas,
como exemplo. Os gráficos de adensamento, entretanto, variam dependendo da
tensão efetiva adotada no ensaio. As figuras A.1, A.2 e A.3 ilustram o gráfico de
adensamento para o teor de 1% de fibra, respectivamente com as tensões efetivas
de 50kPa, 150kPa e 300kPa. Nos gráficos, as retas R1 e R2 são prolongamento
dos trechos retilíneos da curva de adensamento. O ponto de interseção dessas retas
representa a raiz do tempo t100, sobre o eixo (x).
Figura A.1 – Curva de adensamento para amostra com 1% de fibra cortada
(tensão efetiva de 50kPa)
139
Figura A.2 – Curva de adensamento para amostra com 1% de fibra cortada
(tensão efetiva de 150kPa)
Figura A.3 – Curva de adensamento para amostra com 1% de fibra cortada
(tensão efetiva de 300kPa)
Definiu-se que a ruptura estimada para os corpos de prova ocorreria para
uma deformação axial de 5%, valor que foi adotado na equação A.2. A velocidade
máxima (ν) calculada foi a mesma para todos os ensaios (0,033 mm/min). A
prensa triaxial opera o cisalhamento em algumas velocidades que variam em
função de um par de engrenagens, as quais podem ser substituídas por outras de
diâmetros diferentes. Com isso, pode-se obter velocidades distintas para cada
combinação de engrenagem adotada. A velocidade mais próxima e imediatamente
abaixo da que foi calcula na equação A.2 é a de 0,030 mm/min, tendo sido por
tanto a velocidade adotada.
Para os cálculos, foi adotado 15% de deformação axial como deformação
máxima para todos os ensaios.
140
Para os ensaios triaxiais, os invariantes de tensão q (tensão de desvio) e p’
(tensão efetiva média normal) foram calculados com as formulações de Lambe.
Utilizaram-se os parâmetros de resistência do solo α’ e a’, obtida no espaço p’
versus q, para que a partir destes, se calculassem os parâmetros de resistência no
espaço Mohr Coulomb (φ’ e c’). As formulações de Lambe e as equações que
correlacionam α’ e a’ com φ’ e c’ definem-se como:
Equação A.4
Equação A.5
Equação A.6
Equação A.7
Onde:
α’: inclinação da envoltória de resistência no espaço p’x q.
a’: intercepto com o eixo q da envoltória de resistência no espaço p’x q.
φ’: inclinação da envoltória de resistência no espaço σ x τ (Mohr-
Coulomb).
c’: intercepto da envoltória de resistência no espaço σ x τ (Mohr-Coulomb)
141
A.1.2.4. Análises de Resistência
Para obter a tensão de ruptura pode-se analisar o pico das curvas tensão
versus deformação traçadas em função da diferença de tensões principais (σ1 e
σ3) ou da relação σ1/σ3 dependendo da finalidade do ensaio. De acordo com
Head (1986), a relação σ1/σ3 é preferencialmente utilizada nas argilas, em ensaios
não drenados, em que a tensão desviadora continua a aumentar para grandes
deformações. O autor citada acima ressalta que 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. A
Figura A.4 apresenta os critérios para se determinar a ruptura.
Figura A.4 – Diferentes critérios para definição de ruptura. (Head, 1986 apud Dias, 2007)
A resistência ao cisalhamento dos solos é afetada por diversos fenômenos
entre os quais podemos destacar a tensão de confinamento, o atrito e a coesão.
A resistência por atrito é função da tensão normal no plano de deslizamento
relativo de cada partícula. A superfície de contato real entre dois corpos constitui
142
apenas uma parcela da superfície aparente de contato, dado que em um nível
microscópico, as superfícies dos materiais são efetivamente rugosas.
Considerando que o coeficiente de atrito deve ser governado pelo que ocorre nos
pontos reais de contato, as características de rugosidade e de adsorção da
superfície da partícula serão relevantes para controlar a resistência que se
desenvolve. A rugosidade governa o tamanho das protuberâncias superficiais, que
em geral são diferentes, quer se considerem partículas grossas ou finas. Por outro
lado, a adsorção de água e de outras substâncias, tende a afetar a natureza e
tamanho da área de contato entre partículas (Dias, 2007).
Segundo Dias (2007) a coesão consiste na parcela de resistência de um solo
que existe independentemente de qualquer tensão aplicada, além disso, existem
várias origens para a coesão nos solos, por exemplo a cimentação entre partículas
proporcionada por carbonatos, sílica, óxidos de ferro e que respondem muitas
vezes por altos valores de coesão; outras são as forças de atração e repulsão
causadas pelos fenômenos eletrostáticos e eletromagnéticos.
De acordo com Dias (2007) existe um tipo de coesão que não tem ligação
com cimentação ou com atrações químicas, essa, chamada de aparente, que ocorre
em solos não saturados, provocada pela pressão neutra negativa.
A.1.2.5. Critério de Ruptura
O estudo da resistência ao cisalhamento dos solos é a análise do estado de
tensões que provoca a ruptura do mesmo. Entre os diversos critérios, o mais
aplicado para solos é o critério de Mohr e de Coulomb.
O critério de Coulomb pode ser expresso pela equação:
τ = c + tgφ * σ Equação A.8
Onde: τ = tensão de cisalhamento;
σ = tensão normal existente no plano de ruptura;
φ e c = constantes do material.
143
A ruptura nesse critério ocorre quando a tensão de cisalhamento atinge o
valor expresso pela equação A.8, que é ilustrado na Figura A.5 (a)
O critério de Mohr é expresso pela envoltória dos círculos relativos a
estados de ruptura como pode ser observado na Figura A.5 (b). A ruptura ocorre
quando a tensão de cisalhamento atinge esta envoltória. Como as envoltórias
curvas são de difícil aplicação, frequentemente elas são substituídas por retas que
melhor se ajustem às curvas.
Fazendo-se uma reta com a envoltória de Mohr, seu critério de resistência
fica análogo ao de Coulomb, justificando a expressão Critério de Mohr-Coulomb,
costumeiramente empregado na Mecânica dos Solos.
(a) (b) Figura A.5 – Representação dos Critérios de ruptura: (a) de Coulomb; (b) de
Mohr. (Dias, 2007)