ENSAIOS DE PERMEABILIDADE À ÁGUA EM AMOSTRAS DE EPS PARA O USO GEOTÉCNICO José Orlando Avesani Neto Instituto de Pesqusias Tecnológicas do Estado de São Paulo – IPT, São Paulo, Brasil, avesani@ipt.br Benedito de Souza Bueno Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo – EESC/USP, São Carlos, Brasil, bsbueno@sc.usp.br RESUMO: O poliestireno expandido (EPS), conhecido popularmente como isopor®, tem uma recentemente utilização no cenário geotécnico brasileiro como material de baixa massa específica, com utilizações previstas em aterros leves sobre solos moles, redutor de empuxos em taludes e muros, proteção de infra-estruturas em centros urbanos, entre outros. Deste modo, ainda não há experiência consolidada deste material em ensaios do ponto de vista da engenharia geotécnica neste país. Este trabalho apresenta os primeiros dados da investigação sobre ensaios de permeabilidade à água. Os testes foram conduzidos em um permeâmetro de parede rígida com altura de água constante ou variável, dependendo da permeabilidade do corpo de prova. As amostras utilizadas tinham massas específicas de 10, 20 e 30 kg/m³ de material virgem e 10 kg/m³ contendo 30% de material reciclado. Os resultados mostraram que as amostras possuem uma grande amplitude de valores de permeabilidade sensivelmente variável com a massa específica e com a composição (virgem ou reciclado) do material. PALAVRAS-CHAVE: Geoexpandido, Geofoam, Poliestireno Expandido (EPS), Permeabilidade à Água. 1 INTRODUÇÃO O poliestireno expandido (EPS) é um material polimérico extremamente utilizado na indústria, desde a alimentícia até a farmacêutica. Na engenharia civil, em especial na construção civil, ele pode ser utilizado como isolante térmico e acústico, na absorção de impactos e recalques ou em preenchimentos e acabamentos do ponto de vista arquitetônico. Porém, este material também pode ser empregado na engenharia geotécnica como aterro leve, como redutor de empuxo em taludes e obras de solo reforçado, como protetor de obras de infra-estruturas enterradas (galerias e tubulações), como sub-base para pavimentos e como aterro de encontro de pontes. Neste universo da engenharia geotécnica, o EPS é tratado como um geossintético denominado geoexpandido ou geofoam. Para esta aplicação, esse material é manufaturado em blocos de

formatos prismáticos. Por ser um material de baixa massa específica (com uma relação de cerca de 100 vezes inferior à de solos e cerca de 50 vezes inferior a água, conseqüência de seu processo de fabricação) e possuir uma resistência mecânica relativamente alta, sua utilização como aterro é bem difundida, principalmente em regiões com solo de fundação de baixa capacidade de carga (solos moles), por exemplo. Destas características, espera-se que o geofoam resista às cargas como aterro e não comprometa o solo de fundação. Nessas aplicações, os blocos de EPS sofrem solicitações dos mais variados tipos. Dessa forma, se torna necessário o estudo da resposta do material frente a estas diferentes solicitações (STARK et al, 2004). Ensaios mecânicos (como compressão simples, cíclica e triaxial, fluência, cisalhamento direto e de interface) já foram

exaustivamente explorados em publicações de vários autores de diversos continentes. Destes destacam-se os trabalhos de Avesani Neto (2008), Bueno (2005), Stark et al (2004), Duskov (1997) e Horvath (1994). Dentre os ensaios hidráulicos, o estudo que mereceu mais atenção foi a absorção de água, com resultados de laboratório em Avesani Neto (2008) e Duskov (1997), e com menções em Stark et al (1994). Porém, a permeabilidade é um assunto que carece de maiores estudos. Assim, um programa experimental foi realizado com o objetivo de avaliar a resposta de amostras de EPS em ensaios de permeabilidade à água. Com este procedimento, verificou-se um estudo comparativo do comportamento da permeabilidade com a massa específica do material, objetivando determinar relações cabíveis de previsão do comportamento do material, ampliando o seu estudo e ajudando a compreender o comportamento de EPS. Para informações mais detalhadas sobre este programa de ensaio, e sobre outros ensaios mecânicos e hidráulicos realizados em blocos de EPS, recomenda-se a consulta de Avesani Neto (2008). 2 ENSAIOS DE LABORATÓRIO 2.1 Amostras As amostras de EPS utilizados nesta pesquisa foram classificados de acordo com sua massa específica. Foram tomados valores destas de forma a se abranger a maior parte dos valores utilizados nas práticas de projeto da atualidade (entre 10 e 30 kg/m³). Foram escolhidos também blocos de EPS com materiais reciclados (10 kg/m³ com 30% de reciclado) tentando antecipar materiais com propriedades que possam ter utilidade futura. Todos os corpos de prova de EPS utilizados em todos os ensaios foram preparados previamente. Nessa etapa de preparação, as amostras foram devidamente medidas e pesadas de acordo com a ASTM C 303 (1996). A Tabela 1 exibe todas as estatísticas das medições feitas em todos os corpos de prova

ensaiados. Nota-se que os valores de massa específica possuem uma pequena variação entre as amostras, sendo essa variação perfeitamente aceitável na realização dos ensaios. Tabela 1. Estatística dos corpos de prova de EPS utilizados no ensaio.

Massa Específica (kg/m³) EPS

Máx. Mín. Média

Desvio Padrão

Variação (%)

10 (reciclado) 15,40 12,00 13,03 0,58 4,42

10 13,10 10,30 11,69 0,65 5,58 20 25,50 20,70 22,18 1,18 5,34 30 38,60 30,30 33,19 1,95 5,88

Antes da realização de todos os ensaios cada amostra foi colocada em uma sala climatizada com temperatura de 23 °C e umidade relativa do ar de 50 % por um período não inferior a 24 horas. O formato das amostras ensaiadas foi cilíndrico, com 50 mm de altura e 75 mm de diâmetro. 2.2 Ensaio de Permeabilidade à Água O ensaio de permeabilidade foi realizado de maneira análoga àqueles realizados com amostras de solo. A montagem da câmara é exibida na seqüência da Figura 1. Na Figura 1a, o fundo da câmara de ensaio foi preenchido de brita, com um valor de condutividade hidráulica elevada, para se drenar facilmente a água que percola pelo corpo de prova. Acima desta camada de brita com cerca de 1/3 da altura da câmara foi colocado uma camada de parafina para auxiliar a impermeabilização da lateral e para servir de “berço” para a camada de bentonita. Na Figura 1b o corpo de prova, com altura de cerca de 1/3 da altura da câmara, já foi posicionado de modo a se encaixar entre o “berço” de parafina e em contato direto com a camada de brita para permitir o fluxo de água. A Figura 1c exibe a camada de bentonita cuidadosamente colocada de modo a se evitar um fluxo de água indesejável por fora da amostra e fluxos preferenciais nos contatos bentonita / amostra e bentonita / parede da câmara. Após a camada de bentonita, colocou-se mais uma camada de parafina, de acordo com a Figura 1d para se aumentar a eficiência da

impermeabilização das laterais e se evitar contato da argila com a camada superior de brita (Figura 1e). Esta camada de brita, que tem cerca de 1/3 da altura da câmara, possui a função de promover uma regularização do fluxo pela câmara. Por fim, colocou-se a tampa da câmara com a entrada de água para se aplicar o fluxo (Figura 1f).

Figura 1. Etapas de montagem da câmara de ensaio de permeabilidade. A câmara de ensaio utilizado nestes esnsaios estava de acordo com as especificações da norma brasileira NBR 14545, de 2000 e NBR 13295, de 1995. As dimensões desta são 20 cm de altura e 15 cm de diâmetro. A Figura 2 exibe a configuração utilizada para este ensaio, com todas as camadas e suas respectivas espessuras.

Figura 2. Configuração de camadas e espessuras da câmara de ensaio de permeabilidade. Com a câmara de ensaio pronta, aplica-se um gradiente hidráulico que desenvolve o fluxo e a saturação. A Figura 3 exibe a câmara posicionada no aparato, saturada e pronta para a realização do ensaio, e a Figura 4 o painel de leitura das cargas de água aplicadas ao corpo de prova.

Figura 3. Câmara pronta para a realização do ensaio de permeabilidade.

Figura 4. Equipamento para a medição das cargas hidráulicas. Todos os ensaios foram analisados tanto por carga de água constante como variável. Duas réplicas foram realizadas para cada ensaio com os corpos de prova, totalizando três ensaios para cada amostra de uma dada massa específica. Em todos os testes, o valor do gradiente de água foi de 30 m/m. 3 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS 3.1 Ensaio de Permeabilidade à Água A massa específica é a propriedade mais significativa e importante do geofoam de EPS. Além desta sua importância, a obtenção do seu valor é realizada de maneira muito simples. Devido a estas características, a correlação entre os resultados de vários testes (compressão, cisalhamento, absorção de água e permeabilidade à água), com a massa específica é a melhor forma de analisar o material e tentar caracterizar e prever o seu comportamento. Desta forma, tentou-se relacionar estas duas grandezas de interesse neste trabalho (permeabilidade e massa específica). A Tabela 2 exibe os resultados dos ensaios de permeabilidade com quatro amostras de massa específica diferentes de EPS. Para cada amostra deixou-se um tempo mínimo de 48 horas para total saturação do corpo de prova, e para se obter uma estabilização do fluxo. Na determinação da permeabilidade, realizou-se um total de 3 ensaios por amostra na obtenção

deste parâmetro. Tabela 2. Resultados dos ensaios de permeabilidade à água.

Massa específica nominal (kg/m³)

Massa específica medida (kg/m³) k (cm/s)

10 (reciclado) 13 1,4E-02 10 11,7 3,7E-03 20 22,2 2,2E-03 30 33,2 1,3E-06

Observa-se pela Tabela 2, mais uma vez, a influência da massa específica nas propriedades do material. O valor da permeabilidade é inversamente proporcional à esta característica. Nota-se também a grande faixa da permeabilidade em relação ao valor da massa específica. Com variação desta de 10 para 30 kg/m³ (3 vezes), há uma variação de 3,66 x 10-3 para 1,32 x 10-6 (cerca de 1.000 vezes). Para uma melhor análise dos resultados, gerou-se um gráfico com estes valores, e por meio dele, tentou-se obter uma relação entre a permeabilidade e a massa específica. Este gráfico com a correlação pode ser observado na Figura 5.

Figura 5. Resulado do ensaio de permeabilidade e correlação obtida.

Nota-se da Figura 5 que a amostra com material reciclado, apesar de possuir uma massa específica superior, tem um valor de permeabilidade maior. Isso se deve a composição do material com uma porosidade maior. Porém, se considerarmos apenas a permeabilidade dos materiais virgem, há uma relação bem estabelecida com esta propriedade e a massa específica.

Destes resultados, podem-se obter utilizações com diferentes funções com o material. Desta grande variedade de permeabilidades obtidas para as diferentes massas específicas possíveis, podem-se prever utilizações desde barreiras impermeabilizantes até drenos. 4 CONCLUSÃO Foram realizados diversos ensaios de permeabilidade à água em amostras de EPS de 10 (virgem e contendo material reciclado), 20 e 30 kg/m³ visando o estudo, a caracterização e a avaliação do material para seu emprego na Engenharia Geotécnica. As principais conclusões desse artigo são:

• A massa específica possui influência significativa no valor da permeabilidade à água do EPS;

• Há uma boa correlação entre a permeabilidade do material e sua massa específica;

• Existe uma vasta gama de valores de permeabilidade à água observados nos ensaios, dos quais o material pode ter um comportamento semelhante a uma camada impermeabilizante ou de drenagem;

• A composição (virgem ou contendo reciclado) do material exerce grande influência na porosidade e conseqüentemente na permeabilidade do EPS.

AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pelo financiamento do mestrado do primeiro autor e ao Departamento de Geotecnia, e em especial ao Laboratório de Geossintéticos, ambos da Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (EESC – USP) pelo suporte técnico e infra-estrutura.

REFERÊNCIAS ASTM C 303 (1996). Standard Test Method for

Dimensions and Density of Performed Block – Type Thermal Insulation. In: Annual book of ASTM standards. New York.

Avesani Neto, J. O. (2008). Caracterização do Comportamento Geotécnico do EPS através de Ensaios Mecânicos e Hidráulicos. Dissertação de Mestrado da Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 227 p.

Bueno, B. S. (2005). Avaliação Experimental do Comportamento Mecânico de Amostras de EPS. Relatório Técnico. Laboratório de Geossintéticos, Departamento de Geotecnia EESC – USP. 13p.

Duskov, M. (1997). Materials Research on EPS20 and EPS15 under Representative Conditions in Pavement Structures. Geotextiles and Geomembranes. n. 15, pp. 147 – 181.

Horvath J. S. (1994). Expanded polystyrene (EPS) Geofoam: An introduction to material behaviour. Geotextiles and Geomembranes, 13:263–280.

NBR 13292 (1995). Ensaio de permeabilidade à carga constante. Associação Brasileira de Normas Técnicas. ABNT. Rio de Janeiro.

NBR 14545 (2000). Determinação do coeficiente de permeabilidade de solos argilosos a carga variável. Associação Brasileira de Normas Técnicas. ABNT. Rio de Janeiro.

Stark, T. D., Arellano, D., Horvath, J. S. and Leshchinsky, D. (2004). Geofoam applications in the design and construction of highway embankments. NCHRP Web Document 65 (Project 24 – 11). TRB of the National Academies.