Avaliação do comportamento pós-fissuração de um solo granular

com reforço de fibra de coco aleatoriamente distribuida

Juan Manuel Girao Sotomayor

Pontifícia Universidade Católica, Rio de Janerio, Brasil, girao.sotomayor@aluno.puc-rio.br

Michéle Dal Toé Casagrande

Pontifícia Universidade Católica, Rio de Janerio, Brasil, michele_casagrande@puc-rio.br

Lucas Mendes Repsold

Pontifícia Universidade Católica, Rio de Janerio, Brasil, lucasrepsold@aluno.puc-rio.br

RESUMO: Foi avaliado o comportamento pós-fissuração de um solo granular utilizando como

reforço fibras de coco. Foi analisada a variação do recalque de uma seção transversal do solo

granular puro e com reforço, quando submetidos a ensaios de carga em placa rígida circular em

verdadeira grandeza. Foram comparadas as curvas tensão versus recalque, permitindo avaliar o

acréscimo de resistência durante a fase de pós-fissuração, mostrando um comportamento strain-

hardening do material compósito, influenciado pela adição de fibras de coco na matriz de solo.

Realizou-se uma exumação dos ensaios para comparar as variações nos mecanismos de ruptura. Os

resultados foram comparados com pesquisas de reforço de solo que utilizaram fibras sintéticas,

demostrando concordância com os resultados obtidos. Os ensaios demostraram que a fibra de coco

pode ser utilizada para a diminuição de recalques diferenciais com grande inibição da propagação

de fissuras, podendo ser aproveitadas em aterros de conquista sobre solos moles e em coberturas de

aterros sanitários, dando um fim mais nobre a esse material que normalmente é descartado em

grandes quantidades após o consumo do fruto.

PALAVRAS-CHAVE: Reforço de fibra de coco, ensaio de carga em placa, verdadeira grandeza,

curvas carga-recalque, distribuição aleatória.

1 INTRODUÇÃO

Mundialmente, a proposta ecológica de

conservar e resguardar os recursos naturais são

um estímulo ao desenvolvimento de novas

classes de materiais. Neste cenário, aparecem os

compósitos totalmente reciclados, reforçados

com fibras vegetais que podem proporcionar

propriedades de grande valor, como a melhoria

da resistência mecânica e da leveza do solo.

As fibras vegetais, além de serem de fontes

renováveis, possuem baixo custo quando

comparadas com as fibras sintéticas. No caso

das fibras de coco, que são rejeitos em países

tropicais, seu aproveitamento gera vantagens

também no que diz respeito à diminuição da

quantidade de lixo sólido.

O reforço do solo, feito a partir das fibras de

coco, nasce como uma proposta de emprego

para materiais reciclados, sendo tais fibras

procedentes de resíduos de cocos gerados pelo

consumo da água do coco verde, encontrada em

grandes quantidades nas regiões costeiras.

Segundo o Instituto Brasileiro de Geografia e

Estatística (IBGE), por meio do Levantamento

sistemático da produção agrícola de 2010

(LSPA), a produção de coco, em toneladas, no

Brasil, saltou de 1.300.000, no ano 2000, para

quase 2.000.000 de toneladas em 2010, sem

dados estatísticos até 2014. Esta crescente

quantidade de coco propicia o emprego das

fibras para distintos fins. Dentre eles a inclusão

destas por meio da adição em matrizes de solo

vem sendo bastante estudadas, pois sua

aplicação pode melhorar as propriedades

mecânicas dos compósitos finais.

O uso das fibras vegetais em materiais

compósitos não é novidade, pois os países em

desenvolvimento vêm gerando pesquisas,

segundo a disponibilidade de fibras existentes

nesses países. No Brasil, temos o Centro de

Pesquisas e Desenvolvimento (CEPED),

localizado em Camaçari, Bahia, como pioneiro

no estudo sistemático de fibras, que iniciou seu

trabalho em 1980, com a avaliação de fibras de

sisal, coco, bambu, piaçava e bagaço de cana

de-açúcar para a produção destes compósitos.

O presente trabalho visa produzir uma

contribuição às pesquisas que investigam a

viabilização do uso de fibras orgânicas,

especificamente de fibras extraídas da casca do

coco, usadas como material de reforço, com o

objetivo de produzir uma utilização razoável

dessas fibras, que são jogadas no lixo após seu

consumo massivo nas cidades costeiras do

Brasil.

2 OBJETIVO

Investigar a melhora da resistência ao recalque

da areia com adição de fibras de coco. A

comparação será realizada entre uma areia sem

reforço e com reforço distribuído

aleatoriamente.

3 MATERIAIS E EQUIPAMENTOS

3.1 Materiais

As fibras de coco são provenientes de uma

parceria entre a Companhia Municipal de

Limpeza Urbana e a Secretaria de Conservação

de serviços públicos que realizam a coleta e

entrega a ECOFIBRA, empresa responsável

pelo beneficiamento da casca de coco verde no

Rio de Janeiro.

As fibras com diferentes comprimentos

foram recebidas em fardos. Com a finalidade de

comparação com pesquisas que utilizaram

fibras sintéticas, (estabeleceu-se) utilizar um

comprimento standard de fibra de 50 mm.

Portanto, as fibras foram retiradas dos fardos,

desfiadas e cortadas manualmente. Foi utilizado

um volume de fibra de 0,5% do peso seco da

matriz, valor este determinado também para fins

comparativos.

A matriz utilizada foi uma areia com brita

proveniente do canteiro Areal da divisa em

Santa Cruz, no Rio de Janeiro. Não apresentou

matéria orgânica, a densidade real dos grãos é

de 2,642, o índice de vazios máximo de 0,70 e o

mínimo de 0,50 e porcentagem de finos de

2,2%.

As misturas foram produzidas em betoneira

de 400l. Para atingir uma mistura uniforme,

primeiro colocou-se uma parte da areia

espalhando água na superfície para evitar

poeira, logo as fibras foram colocadas

manualmente cobrindo a superfície da areia,

depois colocava-se outro volume de areia sob o

mesmo procedimento. Após ligada a betoneira

colocava-se o suficiente volume de água para

obter a umidade de ensaio.

A caixa de ensaios apresenta uma seção

quadrada de 1,4m de lado por 1,5m de altura. A

mistura foi colocada em camadas de 10 cm de

espessura para controlar a umidade de 10% e a

densidade relativa de 50% até atingir 1,2m de

altura estabelecida para que o bulbo de pressões

não gerasse efeitos sobre as paredes e o fundo

da caixa.

3.2 Equipamentos

O sistema de reação e transmissão de carga

baseou-se em um pórtico de aço com carga de

trabalho de 1000 kN desenvolvido pelo

Laboratório de Estruturas e Materiais da

Pontifícia Universidade Católica de Rio de

Janeiro.

A aplicação da carga foi feita mediante

macaco hidráulico de 600 kN de carga máxima

conectado com uma bomba manual. Para

monitorar a carga aplicada utilizou-se um

transdutor de carga KYOWA com 250 kN de

capacidade modelo NI9237, finalmente se

utilizou uma placa de aço circular de 0,30m de

diâmetro e 1 polegada de espessura colocada

sobre a última camada da mistura.

Para registrar os recalques foram colocados

cinco transdutores de deslocamento (TD) do

tipo Gefran com curso de 100 mm de serie

NI9205, três dos quais foram colocados sobre a

placa separados à 120º para controlar a

horizontalidade, enquanto que os outros dois

foram colocados fora da placa em uma distancia

de 5 a 15 cm para registrar os recalques da

mistura nas proximidades do carregamento.

Os transdutores de carga e deslocamento

foram conectados a um sistema de aquisição de

dados da National, modelo Cdaq 9174, que

possui 4 canais para os registros de carga e 16

canais de 0-10 volts para armazenar os registros

de recalques.

Utilizando o programa LEM-PUC

desenvolvido na plataforma de software

LABVIEW 2011 pela PUC-RIO, foi possível

registrar, armazenar e gerar as curvas de carga

versus recalque para cada ensaio.

4 ENSAIOS DE CARGA EM PLACA

Devido as variantes condições meteorológicas e

os custos de montagem para fazer um ensaio de

placa em campo se preferiu realizar o ensaio no

laboratório em verdadeira grandeza sob

condições controladas. As caraterísticas dos

ensaios são apresentadas na tabela 1 a seguir.

Tabela 1. Ensaios de carga em placa circular.

N° Material w

(%)

Densidade

Relativa

(%)

Teor de

fibras

(%)

1 Areia 10 50 -

2 Areia

/fibra

10 50 0,5

No primeiro ensaio a areia foi carregada sem

reforço para determinar o comportamento do

material. No segundo, definiu-se a influência da

adição de fibra de coco, as mudanças no

mecanismo de ruptura e principalmente a

mudança no comportamento carga versus

recalque.

A velocidade dos ensaios foi variável porque

foi preciso garantir que os grãos da areia não

entrassem dentro da mola dos transdutores de

deslocamento.

5 RESULTADOS E ANALISES

5.1 Resultados dos ensaios

Os ensaios terminavam quando a placa

apresentava rotações devido a mistura embaixo

dela ficar deformada e rígida, a ponto de não

conseguir seguir recalcando. Os transdutores

sobre a placa registraram essas rotações

mediante as diferenças entre seus registros.

A seguir, apresentam-se as curvas carga

versus recalque do ensaio 1 (areia sem reforço),

considerando que os transdutores de

deslocamento TD-1 e TD-2 ficam a 15 e 5cm

do bordo da placa respetivamente.

(a) (b)

Figura 1. Recalque fora da placa – Ensaio 1:sem fibra

Na Figura 1(a), se observa que a 15 cm da

placa não ocorre nenhum recalque enquanto que

a 5 cm a areia desce junto com a placa até uma

carga de 20 kN depois da qual começa-se

elevando até 1,5 mm por acima do nível inicial,

obedecendo a uma ruptura localizada.

Na Figura 1(b), o recalque da placa apresenta

uma tendência parabólica aproximadamente até

30 kN, depois é linear, produto de uma

proporcionalidade entre deformação e o

incremento de carga. Esse atuar é próprio dos

solos granulares devido a massa do solo não ter

uma ruptura bem definida porque os grãos

continuam se arranjando e absorvendo energia.

Esse estado é compatível com um ensaio de

campo de carga em placa, onde a espessura do

solo é maior e o solo não tem uma ruptura

severa mas continua se deformando.

A seguir apresentam-se as curvas carga

versus recalque do ensaio 2, considerando que o

transdutor de deslocamento TD-2 fica a 5 cm

mas o TD-1 foi movimentado a 10cm do bordo

da placa com a finalidade de obter registros.

(a) (b)

Figura 2. Recalque fora da placa – Ensaio 2:com fibra

Na Figura 2(a), pode-se notar que a 5 cm da

placa a mistura recalca uniformemente com

uma tendência parabólica que não muda com o

incremento da carga, enquanto que a 10 cm a

mistura inicialmente não recalca até 20 kN,

depois do qual o recalque é quase linear.

Na Figura 2(b), o recalque da placa

inicialmente possui uma tendência parabólica

até uma carga de 30 kN depois a curva é linear.

É importante mencionar que neste ensaio a

carga admitida pela mistura foi quase o dobro

do que o ensaio 1. Esse efeito de absorver mais

energia é dado pela adição das fibras devido

elas diminuírem a propagação das fissuras

dentro da areia, servindo de pontes de

transferência de energia entre as partes do solo

ligadas pela fibra.

Compreendendo que as fibras fornecem uma

importante resistência adicional, se realizou um

ensaio complementar para determinar se uma

distribuição da fibra diferente da aleatória pode

gerar um maior acréscimo da resistência ao

recalque da areia. Baseando-se na premissa

anterior realiza-se o ensaio 3 no qual se coloca a

fibra entre as camadas de solo como se fosse

uma manta entre cada camada. Para este ensaio

os transdutores de deslocamento TD-2 e TD-1

mantiveram as posições anteriores. Nos

registros apresentados na Figura 3(a) nota-se

que o comportamento dos recalques é diferente

quando comparado com os ensaios 1 e 2. Pode-

se observar que inicialmente o recalque

descreve também uma parábola, mas com um

maior recalque para um valor de carga igual do

que os ensaios anteriores, até uma carga de 20

kN depois da qual a tendência é quase linear.

O recalque apresentado pela placa na figura

3(b) também expõe uma tendência diferente do

que os ensaios anteriores com uma mudança no

comportamento a partir de uma carga de 30 kN.

(a) (b)

Figura 3. Recalque fora da placa – Ensaio 3:manta de fibra

Para realizar comparações posteriores com

outras pesquisas é melhor trabalhar com curvas

tensão versus recalque, apresentadas na Figura

4, na qual pode-se ver que independente da

tendência, o ponto em comum entre as curvas

corresponde a uma tensão de 430 kPa. Portanto

a matriz absorve a energia até esse estágio de

tensão e após ele inicia a mobilização das

fibras.

Figura 4. Comparação curvas tensão versus recalque

O aporte da distribuição é avaliado desde o

início da mobilização das fibras na fase de pós-

fissuração da matriz aproximadamente a partir

de uma tensão de 430kPa. Nota-se que com o

incremento da tensão a manta de fibra de coco

consegue diminuir notavelmente o recalque

quando comparada com a distribuição aleatória.

5.2 Exumação dos ensaios

Outro trabalho feito durante a colocação da

mistura, foi o espalhamento de uma camada de

areia pigmentada de azul entre cada camada

para observar os recalques no final de cada

ensaio.

Depois de cada prova de carga foi retirado

um painel da caixa de ensaios, permitindo o

corte vertical da mistura até o eixo de

carregamento com a finalidade de visualizar a

resposta da mistura frente ao aumento de

tensões. A figura 5 mostra o comportamento da

areia para cada ensaio.

(a) (b) (c)

Figura 5. Recalque: (a) sem fibra (700 kPa), (b) fibra

aleatória (1400kPa), (c) fibra em manta (1200 kPa)

Pode-se notar uma grande diferença na

distribuição das tensões mediante a deformação

da areia. Como as exumações foram feitas no

fim de cada ensaio, o nível de deformação

corresponde a um determinado nível de tensão,

que em nenhum caso foi igual. Portanto, os

recalques mais visíveis aparecem na base da

camada 11, mas a tensão suportada pela areia

reforçada para esse recalque foi o dobro do

ensaio da areia pura.

Os mecanismos de ruptura para cada ensaio

também merecem especial atenção devido

mostrarem a resposta da massa para

determinada tensão. Portanto, sua mudança é

um indicador de que a mobilização das fibras

influi no comportamento da mistura frente ao

aumento de tensões. A figura 6 exibe o

comportamento da areia ao redor do eixo de

carregamento ao final de cada ensaio.

(a) (b)

Figura 6. Recalque: (a) puncionamento (areia com fibra),

(b) localizada (sem fibra).

Demostrou-se uma mudança no mecanismo

de ruptura da areia com fibra, enquanto que a

areia sem fibra apresenta uma ruptura

localizada bem caraterizada pelo empolamento

da areia ao redor da placa, a areia com fibra não

apresenta essa movimentação mostrando que a

energia fica dentro da mistura retida pelo

mecanismo de transferência de tensões dado

pelo atrito existente entre a fibra e a matriz.

A fissuração superficial também é um

indicador de como a mistura comporta-se como

massa e como a liberação de energia começa a

manifestar-se mediante fissuras quando a areia

não possui a tenacidade suficiente para absorver

essa energia.

Na figura 7 apresentam-se os níveis de

fissuração atingidos com a finalidade de

visualizar a forma, tamanho e quantidade das

fissuras ao final de cada ensaio.

(b) (b) (c)

Figura 7. Fissuras: (a) sem fibra (700 kPa), (b) fibra

aleatória (1400 kPa), (c) fibra em manta (1200 kPa)

No caso do ensaio de areia sem fibra, pode-

se observar que para um nível de tensão de 700

kPa, as fissuras aparecem paralelas à

circunferência da placa, começando desde a

base da camada até a superfície da areia,

alcançando aberturas de até 2 cm de espessura

aparecendo depois fissuras perpendiculares

devido ao fato de que nas fissuras radiais se

concentram as tensões que tentam se propagar

superficialmente para todas as direções.

No caso da areia com fibra aleatória é

totalmente diferente. Como se mostra na Figura

7, para o dobro de tensão, a abertura das

fissuras chega à menos de 2cm devido as fibras

de coco encontrarem-se ancoradas nos

segmentos de areia que tentam se separar,

servindo de pontes que continuam transferindo

as tensões pela mistura. Neste caso, não

aparecem fissuras perpendiculares às fissuras

concêntricas, pois internamente as fibras

absorvem energia distribuindo as tensões em

uma área maior.

Nota-se no caso da areia com fibra que as

fissuras se espalham concentricamente à placa,

mas a quantidade das fissuras é maior com a

manta de fibra.

6 COMPARAÇÃO COM ESTUDOS

ANTERIORES

Para fazer uma comparação sobre a aptidão

das fibras de coco quando comparados com

fibras de polipropileno, foram utilizados como

referência as pesquisas feitas por Casagrande

(2005) e Donato (2007). Ambas as pesquisas

utilizaram o mesmo diâmetro de placa para o

carregamento (0.30m), sistema de reação

(250kN), teor de umidade (10%), densidade

relativa (50%), espessura das camadas (0,10m)

e teor de fibra (0,5%), enquanto que no

comprimento de fibra Casagrande (2005) e

Donato (2007) utilizaram 24mm e 50mm

respectivamente, ambas em matrizes de areia

fina.

A Figura 9 apresenta as curvas tensão-

recalque dos estudos mencionados com os

resultados deste trabalho. Nota-se que a adição

de fibra gera uma redução aproximada de 50%

dos recalques quando comparado sem reforço.

A tendência das curvas tensão-recalque quando

submetidas a grandes carregamentos é similar,

observando que a diferença entre as curvas pode

ser produzida pelo efeito do material. A areia

grossa impõe mais resistência ao deslocamento

do que a areia fina, por outro lado, o

comprimento de fibras utilizado por Casagrande

(2005) de 24 mm é menor do que o utilizado no

presente trabalho, fato que, sendo comparado

com as curvas apresentadas por Donato (2007)

que também utilizou areia fina, demostra que o

comprimento da fibra é um fator preponderante

no incremento da resistência. Os mecanismos

de ruptura localizada para a areia sem reforço e

ruptura por puncionamento para a areia com

reforço de fibra de coco corroboram com os

resultados obtidos por Casagrande (2005) e

Donato (2007) os quais apresentaram a mesma

resposta reforçando a areia com fibras de

polipropileno. Pelos resultados obtidos é

possível afiançar a teses de que a fibra de coco

é um material que pode competir com as fibras

sintéticas para determinados níveis de

carregamento como os apresentados nesta

pesquisa.

Figura 9. Comparação entre estudos

7 CONCLUSÕES

A adição de fibra de coco como material de

reforço de solo melhora o comportamento

tensão-recalque do compósito e influi na

mudança do mecanismo de ruptura, de uma

ruptura localizada a uma ruptura por

puncionamento;

As curvas tensão versus recalque,

demostraram o ganho de resistência ao

cisalhamento da areia misturada com fibra de

coco. Observa-se que a mobilização das fibras

impede a propagação das fissuras;

Areia sem reforço mostrou trincas de tração

verticais que se propagaram da base para o topo

da camada. Na borda da placa, as fibras

mudaram o comportamento, a ruptura ocorreu

por faixas de cisalhamento ao redor da placa

permitindo que as tensões se espalhassem por

uma área maior na interface da camada

subjacente;

A manta de fibra conseguiu uma melhor

distribuição das tensões, diminuindo os

recalques enquanto que a inserção aleatória de

fibras inibiu a propagação das fissuras;

A manta demostrou ser um bom

complemento para materiais granulares que

apresentam pouca resistência à tração atuando

como um elemento de confinamento e

permitindo distribuir as tensões locais. Essa

caraterística acrescenta a capacidade de suporte

e de estabilidade;

A inibição de fissuras nas zonas afastadas da

placa comprova que as fibras aleatórias

distribuem as tensões em uma área maior

evitando a concentração de tensões na área de

carregamento.

Areia reforçada com fibras de coco possui

qualidades adequadas para empregos tanto em

liners de cobertura de aterros sanitários como

também em aterros de conquista sobre solos

moles, aprimorando a diminuição das

deformações diferenciais excessivas

ocasionadas nestes aterros.

AGRADECIMENTOS

À Prefeitura do Rio de Janeiro, através da

funcionária Teresinha Dias, por terem nos

cedido as fibras para o desenvolvimento desta

pesquisa.

A todos os funcionários do Departamento de

Engenharia Civil da PUC-Rio.

A Michéle Casagrande, pelas orientações

recebidas nesta pesquisa.

À CAPES e à PUC-Rio, pelos auxílios dados.

REFERÊNCIAS

CASAGRANDE, M.D.T., Comportamento de solos

reforçados com fibras submetidas a grandes

deformações. Tese (Doutorado em Engenharia) –

Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil da

UFRGS Porto Alegre, 2005.

DONATO, M. Medidas diretas de tensão em solo

reforçado com fibras de polipropileno. Tese

(Doutorado em Engenharia) – Escola de Engenharia,

Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil da

UFRGS. Porto Alegre, 2007.

INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E

ESTATÍSTICA http://artigos.ibge.gov.br/artigos-

home/estatistica