A Durabilidade dos GeossintĂŠticos Margarida Pinho Lopes e Maria de Lurdes Lopes
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Director da Colecção Monografias . Professor Luís Andrade Ferreira Projecto gráfico . Incomun Impressão e acabamentos . Norprint 1. edição . 2010 Depósito legal n.º 313695/10 ISBN . 978-972-752-120-3 © Margarida Pinho Lopes e Maria de Lurdes Lopes . 2009 © Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Rua Dr. Roberto Frias . 4200-465 Porto http://feupedicoes.fe.up.pt a
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Índice
Considerações iniciais . 11 CAPÍTULO 1
Geossintéticos . 17 1.1. Introdução . 19 1.2. Geossintéticos. Definições . 19 1.3. Resenha histórica . 20 1.4. Materiais constituintes . 23 1.4.1. Considerações gerais . 23 1.4.2. Composição química . 23 1.4.3. Tipos de polímeros utilizados na manufactura de geossintéticos . 35 1.4.4. Comparação entre polímeros . 37
1.5. Tipos de geossintéticos e processos de fabrico associados . 38 1.5.1. Introdução . 38 1.5.2. Produção do polímero com os aditivos . 38 1.5.3. Componentes dos geossintéticos . 40 1.5.4. Geotêxteis . 41 1.5.5. Geogrelhas . 45 1.5.6. Georredes . 48 1.5.7. Geomembranas . 48 1.5.8. Geocompósitos . 50
1.6. Funções dos geossintéticos . 53 1.6.1. Drenagem . 55 1.6.2. Filtragem . 55 1.6.3. Protecção . 56 1.6.4. Reforço . 57 1.6.5. Separação . 58 1.6.6. Controlo de erosão superficial . 59 1.6.7. Barreira de fluidos . 59 1.6.8. Considerações gerais . 60
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1.7. Aplicações de geossintéticos . 61 1.7.1. Introdução . 61 1.7.2. Principais aplicações . 61 1.7.3. Considerações finais . 65 CAPÍTULO 2
Normalização e ensaios em geossintéticos. Propriedades dos geossintéticos . 67 2.1. Introdução . 69 2.2. Normalização e ensaios em geossintéticos . 69 2.2.1. Considerações iniciais . 69 2.2.2. Normas. Introdução . 71 2.2.3. Organismos de normalização . 72 2.2.4. Normas ISO . 81 2.2.5. Normas CEN . 84 2.2.6. Normas ASTM . 96 2.2.7. Normas com origem em diferentes organismos de normalização . 102 2.2.8. Considerações finais . 104
2.3. Propriedades dos geossintéticos . 105 2.3.1. Considerações iniciais . 105 2.3.2. Propriedades físicas . 105 2.3.3. Propriedades hidráulicas . 110 2.3.4. Propriedades mecânicas . 113 2.3.5. Propriedades relativas à durabilidade . 121 2.3.6. Considerações finais . 127 CAPÍTULO 3
Durabilidade dos geossintéticos . 129 3.1. Introdução . 131 3.2. Durabilidade dos geossintéticos . 131 3.2.1. Conceito . 131 3.2.2. Formas de avaliação . 133 3.2.3. Alterações físicas e químicas . 136
3.3. Agentes e mecanismos de degradação . 137 3.3.1. Considerações iniciais . 137 3.3.2. Calor e temperatura . 140 3.3.3. Oxidação . 141 3.3.4. Agentes atmosféricos e foto-oxidação . 148 3.3.5. Radiação de ionização . 153 3.3.6. Fluidos . 154 3.3.7. Agentes biológicos . 156 3.3.8. Fogo . 157
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3.3.9. Envelhecimento físico . 158 3.3.10. Tensões e acções mecânicas . 159 3.3.11. Sinergia entre agentes de degradação . 164 3.3.12. Considerações finais . 165
3.4. Durabilidade dos polímeros utilizados em geossintéticos . 165 3.4.1. Considerações iniciais . 165 3.4.2. Polietilenos . 165 3.4.3. Polipropilenos . 166 3.4.4. Poliésteres . 167 3.4.5. Poliamidas . 168 3.4.6. Policloretos de vinilo . 169
3.5. Metodologias para avaliar a durabilidade dos geossintéticos . 169 3.5.1. Considerações iniciais . 169 3.5.2. Metodologias de aceleração . 170 3.5.3. Oxidação . 170 3.5.4. Agentes atmosféricos . 174 3.5.5. Fluidos . 178 3.5.6. Agentes biológicos . 180 3.5.7. Acções mecânicas . 180 3.5.8. Guia de durabilidade de geotêxteis e produtos relacionados, ISO TR 13434: 1998 (NP ISO TR 13434) . 182
3.6. Durabilidade de geossintéticos – algumas conclusões relevantes emanadas de estudos . 183 3.6.1. Introdução . 183 3.6.2. Condições de serviço . 184 3.6.3. Ensaios laboratoriais . 190 3.6.4. Ensaios laboratoriais e condições reais . 197 3.6.5. Considerações finais . 197 CAPÍTULO 4
Danificação durante a instalação em obra de geossintéticos . 199 4.1. Introdução . 201 4.2. Danificação durante a instalação em obra dos geossintéticos . 201 4.2.1. Conceito . 201 4.2.2. Formas de minimizar a DDI . 203
4.3. Mecanismos de danificação mecânica . 206 4.3.1. Considerações iniciais . 206 4.3.2. Abrasão . 207 4.3.3. Aparecimento de fendas e separação de material (“splitting”) . 208 4.3.4. Punçoamento . 208 4.3.5. Rotura em tensão . 210 4.3.6. Corte de fibras . 210 4.3.7. Rasgamento . 212 4.3.8. Considerações finais . 212
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4.4. Principais consequências da DDI . 214 4.4.1. Considerações iniciais . 214 4.4.2. Alterações do aspecto visual dos geossintéticos . 215 4.4.3. Efeito nas propriedades a curto prazo . 222 4.4.4. Efeito nas propriedades a longo prazo . 234
4.5. Factores que influenciam a DDI . 242 4.5.1. Considerações iniciais . 242 4.5.2. Influência do tipo de geossintético . 244 4.5.3. Influência do tipo de solo . 250 4.5.4. Influência das condições de instalação . 251
4.6. Avaliação da danificação durante a instalação . 252 4.6.1. Considerações iniciais . 252 4.6.2. Aplicações de separação e filtragem . 253 4.6.2. Ensaios . 259 4.6.3. Aplicações de barreira de fluidos . 260 4.6.4. Aplicações de controlo de erosão . 262 4.6.5. Aplicações de reforço . 266 4.6.6. Campanha de ensaios realizada em Portugal . 280 4.6.6. Considerações finais . 281
Considerações finais . 283 Referências bibliográficas . 287
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A aplicação de geossintéticos em obras de engenharia civil tem vindo a aumentar continuamente, bem como a variedade das suas aplicações. Como exemplos de estruturas em que estes materiais são aplicados podem referir-se: aterros reforçados, muros de suporte, taludes muito inclinados, aterros para deposição de resíduos perigosos, aterros para deposição de resíduos domésticos e industriais, estruturas de controlo de erosão e de protecção costeira. As razões para o crescimento da aplicação de geossintéticos são inúmeras, salientando-se as seguintes: trata-se de materiais de fácil e rápida instalação; podem evitar a utilização de materiais naturais com baixa ocorrência; evitam o recurso a estruturas de dimensionamento complicado; permitem a utilização de solos que tradicionalmente não seriam considerados adequados, quer como materiais de aterro, quer como materiais de fundação de estruturas diversas; e têm vindo a ser introduzidos no mercado a preços relativamente baixos. Em suma, de um modo geral, são materiais com custos menores e mais versáteis quando comparados com as metodologias e materiais tradicionais. Saliente-se ainda, além do que já foi referido, que estes materiais permitem um maior controlo do impacte ambiental e que a sua adequação técnica é tal que há casos em que a sua utilização é imposta regulamentarmente. No início da aplicação de geossintéticos, nos anos 70, o rápido sucesso da sua aplicação conduziu a uma grande preocupação: manter a confiança da indústria da construção, minimizando os riscos de rotura através da adopção de valores conservativos para os coeficientes de segurança e para as metodologias de dimensionamento. A investigação desenvolvida durante os últimos 30 anos permite, hoje em dia, compreender muito melhor o comportamento destes materiais e das estruturas onde são aplicados, possibilitando prever a construção de estruturas mais económicas e tecnicamente mais eficientes no futuro. A durabilidade dos geossintéticos constitui ainda hoje a maior limitação à aplicação destes materiais. Para minimizar esta limitação utilizam-se no dimensionamento dos geossintéticos coeficientes de redução que representam os vários agentes e mecanismos de degradação que afectam a sua durabilidade. De facto, o dimensionamento destes materiais requer que fique assegurado que os geossintéticos funcionem durante um determinado tempo de serviço mantendo valores mínimos para determinadas propriedades. Na ausência de experiência de longo prazo na utilização de
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geossintéticos é necessário fazer previsões, que têm que ser baseadas na avaliação das mudanças de determinadas propriedades durante curtos períodos de tempo. Para responder às exigências cada vez maiores do mercado, têm sido continuamente desenvolvidos novos materiais, muitas vezes apenas através de pequenas alterações na composição dos materiais e da inclusão de aditivos especiais. No entanto, estas alterações podem conduzir a mudanças significativas nos mecanismos de degradação destes materiais. Então, é importante avaliar a durabilidade dos geossintéticos existentes no mercado e dos novos materiais. Note-se que, para a maioria das aplicações de geossintéticos é suficiente assegurar um nível mínimo de durabilidade, pelo que as comissões de normalização (tanto na Europa como nos EUA) definiram ensaios simples que permitem verificar essa durabilidade mínima. No entanto, as aplicações de geossintéticos como material de reforço estão excluídas, já que é fundamental calcular a redução de resistência provocada pelos principais agentes e mecanismos de degradação. Apesar de, usualmente, a durabilidade de um material estar associada à sua longevidade, no que diz respeito aos geossintéticos, as suas propriedades podem ser alteradas instantaneamente pelo seu manuseamento e/ou processos de instalação, já que, quando os geossintéticos são colocados no solo, ocorre danificação mecânica. É então importante avaliar de forma realista os efeitos da danificação durante a instalação nos geossintéticos, para que estes materiais não sejam exageradamente sobredimensionados, com todas as consequências que isso acarreta. Dado que, apesar de os geossintéticos serem aplicados há já algumas décadas, ainda há um grande desconhecimento sobre esta técnica, procurou-se expor de forma detalhada as várias questões associadas à utilização destes materiais. Assim, é feita uma introdução geral aos geossintéticos, apresentando-se os materiais, as funções que podem exercer e as principais aplicações (Capítulo 1). A crescente aplicação dos geossintéticos tem implicado um investimento significativo no estabelecimento de normas com exigências e procedimentos de ensaio, em geral, associadas às propriedades dos geossintéticos (Capítulo 2). As questões associadas à durabilidade dos geossintéticos são também apresentadas (Capítulo 3). Aqui, referem-se os principais agentes e mecanismos de degradação dos geossintéticos e as questões relativas aos polímeros mais utilizados nestes materiais; apresentam-se as metodologias de ensaio para avaliar as questões associadas à durabilidade e algumas conclusões emanadas de
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estudos. Finalmente, referem-se as questões relativas à danificação induzida durante a instalação (DDI) dos geossintéticos em obra, apresentando-se os principais mecanismos de danificação associados, as consequências possíveis e os factores que a influenciam, bem como as metodologias para fazer a sua avaliação (Capítulo 4).
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A aplicação de geossintéticos é relativamente recente e, embora cada vez mais generalizada e, por vezes, imposta regulamentarmente, existe ainda muita desconfiança da parte de algumas das entidades envolvidas, em particular relativamente à eficácia e adequação destes materiais. Muitos dos textos aqui incluídos foram preparados no âmbito da tese de doutoramento de Pinho-Lopes (2006) e no decorrer desse trabalho e ao longo dos últimos anos, verificou-se que, em Portugal, existe um grande desconhecimento sobre os geossintéticos e as suas propriedades, sobre as principais funções e aplicações e sobre as normas de ensaio associadas a estes materiais. Mais ainda, durante a construção de aterros experimentais realizada durante a tese referida, para avaliar o efeito real da danificação durante a instalação em obra de geossintéticos, verificou-se a falta de sensibilidade, associada ao desconhecimento referido, para lidar tecnicamente com os geossintéticos. Além disso, o trabalho laboratorial e os pedidos de ensaios recebidos no Laboratório de Geossintéticos da FEUP têm demonstrado que a comunidade técnica procura informação inteligível e actualizada em língua portuguesa, que nem sempre encontra. Por todas estas razões, optou-se por preparar esta publicação com um conjunto significativo de informações sobre os geossintéticos e o que se relaciona com a sua utilização. Assim, ao longo dos capítulos deste livro incluem-se informações relativas: à caracterização dos materiais (para incluir em especificações); à realização de ensaios para a sua aceitação enquanto materiais de construção adequados, que cumprem as condições definidas nos cadernos de encargos das obras; à sua durabilidade, contabilizando os vários agentes de degradação que a afectam, com particular destaque para a danificação que os geossintéticos sofrem durante a sua instalação em obra. Considerou-se que a publicação destes conteúdos seria uma boa oportunidade para contribuir para a divulgação destes assuntos na comunidade técnica e científica portuguesa e, consequentemente, apoiar o sucesso técnico da aplicação destes materiais, com todas as vantagens técnicas, económicas e ambientais que lhes estão associadas.
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