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.

24

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.

38

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.

39

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)