Uso do poliestireno expandido (EPS) em aterros de solos moles

ARTIGO DE REVISÃO 

SILVA, Gabriela Santos ^[1], NASCIMENTO, José Gustavo M. ^[2], ALMEIDA, Matheus Jardim Maciel ^[3], MARQUES, Cláudia Scoton Antonio ^[4]

SILVA, Gabriela Santos. Et al. Uso do poliestireno expandido (EPS) em aterros de solos moles. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 03, Ed. 10, Vol. 04, pp. 48-64 Outubro de 2018. ISSN:2448-0959

RESUMO

É essencial o entendimento sobre infraestrutura de transporte, onde define-se os métodos utilizados no desenvolvimento de uma obra, em especial no Brasil já que possui uma ampla dimensão continental. No qual tem-se uma participação de 60% da movimentação total de cargas. E possui uma extensão com cerca de 1,7 milhões de Km. Além de transportar produtos e passageiros, deve estar em ótimas condições de uso, garantindo o conforto e segurança a todos. Um dos problemas encontrados em obras de infraestrutura é a construção de aterro sobre solos moles. Construir sobre solos de baixa resistência pode levar a problemas de recalque, entre outros, e trocar este solo pode ter um custo elevado. Existem diversos métodos construtivos de aterro, mas vários aspectos devem ser analisados como, viabilidade econômica, dificuldades geotécnicas da região etc. A adoção do melhor método somente será definida a partir de ensaios de campo e laboratório, pois serão capazes de retratar as condições do solo, possibilitando a previsão adequada do seu comportamento quando submetido ao carregamento imposto pelo aterro ou pelas estruturas que o sustentem. Uma das técnicas construtivas é a utilização de materiais leves como o poliestireno expandido (EPS), um “isopor” com grau de dureza elevado, peso específico muito baixo, mas com alta resistência à compressão. Diante do exposto, este trabalho busca estudar o uso do EPS em aterros sobre solos moles. Para atingir este objetivo será feita uma pesquisa bibliográfica sobre a utilização do EPS em obras rodoviárias no mundo e no Brasil.

Palavras-chaves: Solos Moles, Aterros, Poliestireno Expandido (EPS).

1. INTRODUÇÃO

Os solos moles são compostos por sedimentos argilosos com valores de SPT (Standard Penetration Text) ≤ 4, ou seja, argilas moles ou areias argilosas fofas de deposição recente. Com origem fluvial, encontram-se em diversos países, mas com maior frequência no Brasil e em regiões litorâneas extensas.

Estes tipos de solos possuem algumas características desfavoráveis como: baixa resistência ao cisalhamento e alta compressibilidade. Portanto, aterros construídos sobre solos moles precisam de atenção nas questões de estabilidade.

Uma das técnicas construtivas em aterros sobre solos argilosos é a aplicação de materiais leves que resultam na diminuição das tensões do aterro sobre a camada de argila mole. Dentre os materiais leves, o poliestireno expandido (EPS), é um tipo de “isopor” com grau de dureza maior do que o convencional.

Uma técnica recente foi implantada no Brasil que consiste no uso de blocos de poliestireno expandido (EPS) na construção de aterros rodoviários. O método é utilizado a décadas em outros países. Geralmente é indicado para aterros onde o solo de fundação e de baixa resistência.

A técnica baseia-se na troca parcial do aterro convencional executado por terra, areia, cinza, pedras e etc. por blocos de EPS com alta densidade. Com fácil manuseio, extremamente leve, resistente a compressão e a resistência mecânica, não deteriorável, os blocos de Poliestireno Expandido é um material plástico que consiste de pequenas partículas com estrutura micro celular, com 98% de ar e peso específico de 1% relacionado aos solos, porém contém boas propriedades mecânicas. Desse modo, quando devidamente aplicado, pode reduzir as possibilidades de deformações das camadas moles do terreno (MACCARINI, 2012).

Os solos moles apresentam algumas características desfavoráveis como alta compressibilidade e baixa resistência ao cisalhamento para serem usados em aterros. Por essa razão, aterros construídos sobre estes solos precisam receber mais atenção para as questões de estabilidade. Dessa forma, pergunta-se: quando devidamente aplicado, o EPS pode reduzir as possibilidades de deformações das camadas moles do terreno?

Este trabalho se justifica, pois, embora no Brasil a execução de aterros rodoviários com blocos de poliestireno expandido (EPS) tenha um histórico recente a técnica consiste na substituição parcial do aterro tradicional (terra, cinza, areia, pedras etc.) por blocos de EPS de alta densidade.

O EPS é fácil de manipular, biologicamente inerte, extremamente leve e com alta resistência mecânica, sobretudo à compressão, dessa forma, quando devidamente aplicado, pode reduzir as possibilidades de deformações das camadas moles do terreno, reduzindo o custo de execução de aterros e, facilitando a execução deste tipo de aterro em rodovias (MACCARINI 2012, spp.).

O objetivo desse trabalho é analisar, por meio da revisão bibliográfica, o uso de blocos de poliestireno expandido (EPS) para estabilização de aterros sobre solos moles e mostrar como é feito a execução desse método inovador.

2. ATERROS

Segmentos de rodovia cuja implantação requer depósito de materiais provenientes de cortes ou de empréstimos no interior dos limites das seções de projeto (Off sets) que definem o corpo estrada, o qual corresponde à faixa terraplenada (DNIT, 2009).

2.1 CLASSES DE ATERROS

• Classe I: Normalmente essa classe de aterros fica próxima a estruturas rígidas, geralmente encontro de pontes, viadutos. A extensão mínima do aterro deve ser de 50m para cada lado da interseção.
• Classe 2: São aterros com altura superior a 3 m, próximos a estruturas sensíveis
• Classe 3: Aterros mais baixos, com altura inferior a 3 m e longe de estruturas sensíveis.

2.2 INVESTIGAÇÃO DE CAMPO

Os estudos geotécnicos em rodovias, implantados sobre solos moles devem ser executados sobre critérios bem rígidos. O conhecimento do perfil do subsolo ao longo da construção, bem como o das características gerais (resistência ao cisalhamento, parâmetros de compressibilidade) são de extrema importância para o desenvolvimento do projeto. Nas investigações geotécnicas deve ser feito o detalhamento dos perfis longitudinal e transversal para permitir soluções adequadas para casa caso do projeto. Para grandes aterros é recomendável sondagem a percussão piloto no ponto mais baixo do eixo. Se o resultado constar a existência de camadas com baixa resistência, deverá ser executada mais sondagens ao longo do eixo a cada 100 m. Para aterros de pequeno porte, é recomendado no mínimo 3 sondagens. A norma que regulamenta as sondagens é a NBR-6484, além dos perfis individuais dos furos de sondagem, será desenhar a seção geotécnica com base nos dados topográficos e nos resultados de sondagem ao longo do eixo (MARANGON, 2009).

2.2.1 AMOSTRAGEM E ENSAIOS DE LABORATÓRIO

A amostragem do solo de fundação deverá ser realizada de acordo com a norma ABNT NBR 9820. As amostras deverão ter diâmetro mínimo de 100 mm e coletadas com amostrador de pistão estacionário com acionamento mecânico ou hidráulico do tipo Osterberg. O objetivo é a obtenção de pelo menos uma amostra a cada dois metros para camadas com espessura maior ou igual a 3 m; uma amostra a cada 0,5 metro para camada com espessura menor do que 3 m (DNER-PRO 381/98 p. 01/34):

• caracterização completa (limite de liquidez, limite de plasticidade, umidade, peso específico;
• análise granulométrica por sedimentação, todos conforme as normas DNER e ABNT);
• ensaio de adensamento, conforme norma DNER-IE 005/94;
• ensaio triaxial UU (não adensado, não drenado).

2.2.2 FASE DE ESTUDO E VIABILIDADE

As investigações geotécnicas nesta fase devem compreender estudos de escritório a partir de documentação existente, incluindo:

• Mapas topográficos, geológicos e pedológicos;
• Interpretação de fotos aéreas;
• Estudos geotécnicos existentes na região;
• Bibliografia geológico-geotécnica existente.

2.3 SOLO MOLE

Nomenclatura atribuída à consistência de solo predominantemente argiloso, com o valor do N – SPT entre 3 e 5, segundo a NBR 7250. Trata-se de solo de origem sedimentar (aluvionar), com resistência ao cisalhamento extremamente baixa, saturado (NA elevado), relativamente homogêneo em toda a profundidade do depósito. São solos muitíssimo compressível (característica relativa à sua capacidade de deformar). Os solos ditos “muito mole” (N – SPT entre 0 e 2) apresentam todas as características destacadas acima, porém em condições de comportamento ainda mais desfavorável. A estes solos é comum se referir também como “solo mole”, de uma forma generalizada (MARANGON, 2009).

Ainda segundo MaraNgon (2009, p.46): “a construção de aterros sobre solos moles requer do engenheiro uma série de conhecimentos técnicos que abrangem desde as fases de investigação do terreno e de elaboração do projeto geotécnico propriamente dito, até as de execução e de controle de obra”

É muito comum na construção de rodovias, a criação de um aterro, que nas obras convencionais são feitos de terra. O desenvolvimento desses aterros sobre solos com características moles ou orgânicos, conhecidos como terrenos de argila, mangue ou com origem fluvial, exige um estudo específico sobre o assunto.

Tanto nos projetos convencionais quanto nos especiais de aterros sobre argila mole, a análise de estabilidade deve ser desenvolvida de acordo com o cálculo da altura máxima admissível do aterro para a resistência média não drenada; Definição do talude do aterro, para o qual se recomenda a inclinação de 1(V):2(H), e de sua resistência, mediante a utilização; e a análise de estabilidade utilizando métodos de fatias e com o apoio de programas de computador

Diante do exposto o Poliestireno Expandido (EPS), surge como uma alternativa.

2.4 FASE DE PROJETO EM SOLOS MOLES

Ao iniciar um projeto é indispensável identificar o depósito de solos moles e sua extensão e suas propriedades geotécnicas. Definindo as quantidades e qualidades, todos os esforços de investigação deverão estar nessa fase. A primeira fase do estudo é objetiva e constará o perfil geotécnico através de sondagens a percussão segundo a norma ABNT NBR 6484. As sondagens a percussão normalmente são executadas em um intervalo inferior a 100 m, somente naqueles aterros maiores que 100 m de extensão, obtendo assim um projeto geotécnico. Em aterros menores que 3 m de espessura a remoção da camada é viável economicamente, eliminando o problema. Quando o aterro possuir mais que 3 m o recomendado é estudar outros métodos para não retirar essa camada, por conta do custo elevado que pode chegar, necessitando assim de um estudo geotécnico mais detalhado.

2.5 POLIESTIRENO EXPANDIDO

EPS é a sigla internacional do Poliestireno Expandido, de acordo com a definição da norma DIN ISSO-1043/78. O material foi descoberto em 1949 pelos químicos Fritz Stastny e Karl Buchholz, quando trabalhavam nos laboratórios da Basí, na Alemanha. No Brasil, é mais conhecido como “Isopor”, marca registrada da Knauf que designa, comercialmente, os produtos de Poliestireno Expandido vendidos por esta empresa (ABRAEX, 2000).

O Poliestireno é um plástico celular rígido com variedade de formas e aplicações, muito utilizado na construção civil por se mostrar uma boa capacidade de isolamento térmico, leveza e baixo custo, também é muito utilizado para a confecção de caixas térmicas para o armazenamento de bebidas e alimentos. Existem diversos tipos de EPS, mas o utilizado para a construção de aterros sobre solos mone é o expandido, que nada mais é que uma espuma semi rígida, plástico polimerizado na presença do agente expansor. Durante o processo o material é aquecido, ele se volatiza, gerando as células.

2.6 UTILIZAÇÃO DO POLIESTIRENO EXPANDIDO (EPS).

Em construções de aterros rodoviários com resistência baixa a cisalhamento e compressão em solos moles, existe a alternativa da utilização de blocos de poliestireno expandido (EPS). Apresentando boas propriedades mecânicas, reduz a pressão superficial, diminuindo as deformações nas camadas. O sistema já é utilizado em países como Noruega, Japão, Chile, Venezuela. No Brasil essa tecnologia tem um histórico recente em obras rodoviárias.

2.6.1 CONTROLES DE EXECUÇÃO

Antes do início da obra se faz necessário a verificação da resistência, densidade e geometria dos blocos de EPS. Superfície nivelada, soldagem adequada das pérolas são características essenciais no controle de execução. A pesagem e medição dos blocos também são importantes para verificação do peso e volume, sem esquecer dos ensaios de absorção de água, deixando-os em imersão total não pode ultrapassar 7%.

Os blocos de EPS possuem a inconveniência de ser facilmente flutuáveis pela sua leveza, por isso há a necessidade da colocação de peso sobre o montante no canteiro de obras devido aos terrenos possuírem propriedades mecânicas e resistências baixas (solos moles), não esquecendo do vento, que também pelo fato do baixo peso, corre-se o risco de ser carregado pelo vento ou até mesmo por atos vandalísticos.

O armazenamento dos blocos durante a execução da obra é de extrema importância, pois os raios UV podem alterar suas propriedades.

As peças de EPS são cortadas na indústria a fio quente antes de irem para o canteiro de obras. É recomendável que elas fiquem guardadas por pouco tempo para garantir a estabilidade dimensional, ficando de 15 a 20 dias no máximo.

Tendo em vista que líquidos, como solventes, gasolina, óleo e outros produtos químicos que são normalmente transportados nas rodovias podem atacar o EPS, é fundamental que o conjunto dos blocos do aterro seja coberto por manta geossintética para evitar que acidentes com veículos que transportam esses materiais provoquem danos na estrutura do EPS e, consequentemente, do aterro (MACCARINI 2002 apud NAKAMURA, 2012, s.p.).

2.6.2 MÉTODO EXECUTIVO DE ATERRO COM BLOCOS DE EPS

Sondagem e projeto: A Sondagem geotécnica e realizada antes do projeto de aterro, onde é feita a medição da resistência do solo com o método Standard Penetration Test (SPT). Logo após a sondagem, as características dos blocos são definidas como por exemplo a densidade e o posicionamento. Normalmente e utilizado um tamanho padrão do EPS para evitar cortes e melhor produtividade.

Figura 1 – Sondagem a Percussão Piloto (SPT)

• Preparação do terreno: A camada base que os blocos serão colocados devem ter em torno de 10 cm e estar totalmente nivelada, com grau de elevação de 0,25%. Talvez poderá ser necessário o rebaixamento do lençol freático, para evitar que os blocos flutuem por conta do empuxo hidrostático em épocas de cheia
• Montagem: Os blocos são encaixados manualmente, de forma ordenada em juntas de amarração, seguindo o projeto. Não deve sobrar vãos entre os blocos, todas as camadas devem estar niveladas e as juntas não podem se coincidir. Conectores metálicos devem ser fixados entre as camadas na vertical e na horizontal, para dar mais estabilidade ao conjunto. É recomendado a utilização de areias sobre as peças para evitar o deslocamento.

Figura 2 – Montagem dos blocos

• Proteção: Logo após a montagem, uma geomembrana de polietileno de alta densidade (PEAD) é inserida para evitar possíveis ataques químicos, e ainda é lançado aproximadamente 60 cm de terra compactada sobre a geomembrana onde será executado o pavimento de maneira convencional.

Figura 3 – Geomembrana (PEAD)

• Confinamento: Os blocos devem ser confinados por muros de contenção laterais, aterro convencional, vala escada ou sistemas de geotêxtil, para dissipar as cargas nas camadas de EPS. Quando as tensões ultrapassam o limite plástico do material, é necessária uma camada de proteção mecânica com solo de no mínimo 30 m ou uma laje de concreto armado de 15 cm.

Figura 4 – Muros de Contenção Laterais.

• Medição e inspeção: A medição do sistema é feita pelas peças usadas no conjunto, em metros cúbicos. Os blocos devem apresentar superfície nivelada e boa soldagem das pérolas (flocos de EPS que formam as peças). É recomendável que uma amostra dos blocos seja pesada e medida para verificar o peso e o volume. Conforme ensaios, a absorção de água pelo material não deve ultrapassar 7% após sete dias de imersão total.

Figura 5 -Passo a passo das etapas de execução do aterro

2.7 ESTABILIDADE DE ATERROS COM EPS

De uma forma geral, alguns aspectos devem ser ressaltados:

• Ruptura por cisalhamento (solo – fundação – EPS – pavimento)
• Flutuabilidade do EPS e dos materiais acima

2.7.1 RUPTURA POR CISALHAMENTO (SOLO – FUNDAÇÃO – EPS – PAVIMENTO).

O solo mole tem a função de resistir aos esforços impostos. Na Engenharia considera-se a corrente de cálculos de resistência do EPS, com o atrito entre os blocos garantindo mais resistência do que a matéria EPS. O entrosamento existente entre camadas de blocos é o principal mecanismo que recebe os esforços horizontais. Sobre o coeficiente de atrito entre os blocos, segundo (MACCARINI, 2013).

O NCHRP (National Cooperative Highway Research Program) dos Estados Unidos propõe utilizar um valor de 30⁰ para simular a resistência ao cisalhamento na interface EPS/EPS. Experimentos de laboratório, realizados pelo EDO (EPS Construction Method Development Organization) do Japão, indicaram um valor de coeficiente de atrito de 0,64 ou um ângulo de 32,5⁰ levemente superior ao proposto pelo NCHRP. (MACCARINI, 2013).

Existem algumas técnicas com o intuito de aumentar a resistência entre os blocos, são elas:

• Amarração dos blocos deve ser executada de forma cuidados, não deixando espaços vazios entre os blocos;
• Utilização de grampos entre os blocos, os quais causam um acréscimo de 40 a 50% sobre o coeficiente de atrito, assim como mostra a figura abaixo

Figura 6 – Grampo “tupiniquim”

2.8 ELABORAÇÃO DE PROJETO

A primeira fase da elaboração do projeto é o dimensionamento total da estrutura, garantidos segurança para os mecanismos de ruptura como: deslizamento na base, tombamento, capacidade de carga da fundação e ruptura global.

O dimensionamento e a fase seguinte, leva-se em consideração a resistência mecânica deles (compressão, tração, flexão, cisalhamento e fluência). É nessa etapa que é realizada a modulação do aterro de modo a evitar as continuidades verticais e horizontais nas juntas dos blocos.

Relacionado as dimensões dos blocos, geralmente eles têm geometria retangular como 4m x 1,20 m x 0,50 m e 2 m x 1 m x 1,20 m. A tolerância admitida é mais ou menos 0,5% e sobre o formato de 0,5%/L, com densidade entre 20 e 30 kg/m³.

2.9 METODOLOGIA

Pesquisa é definida como: (…) procedimento racional e sistemático que tem como objetivo proporcionar respostas aos problemas que são propostos. A pesquisa desenvolve-se por um processo constituído de várias fases, desde a formulação do problema até a apresentação e discussão dos resultados. (GIL, 2006, p. 17).

Gerhardt e Silveira (2009), uma pesquisa só inicia se houver uma questão para a qual se deseja buscar a resposta, assim pesquisar, é buscar ou procurar a solução para alguma coisa.

Para realizar os objetivos propostos nesta pesquisa foi feito uma pesquisa bibliográfica sobre aterros rodoviários com a utilização do Poliestireno Expandido (EPS), procurando um maior conhecimento do assunto:

A pesquisa bibliográfica, ou de fontes secundárias, abrange toda bibliografia já tornada pública em relação ao tema de estudo, desde publicações avulsas, boletins, jornais, revistas, livros, pesquisas, monografias, teses, material cartográfico etc., até meios de comunicação orais: rádio, gravações em fita magnéticas e audiovisuais: filmes e televisão (MARCONI & LAKATOS, 2003, p.183).

Foram utilizados dados primários e secundários de fontes técnico-científicas como livros; teses e dissertações; normas e manuais; revistas periódicas e sites da internet.

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Escolha da melhor técnica a ser utilizada em aterros de solos moles, deve ser baseada na alise do perfil geológico, analisando o comportamento da camada de argila não deixando para trás o tempo e os custos de determinada obra.

Desde 1972 o Poliestireno Expandido tem sido a melhor escolha em outros países como por exemplo no Japão, Noruega e Chile por apresentar bons resultados devido a sua baixa resistência mecânica e alta compressibilidade.

Uma análise comparativa entre o aterro convencional e o de EPS podemos perceber que a segunda opção é bem mais vantajosa que a primeira, entretanto existe um fator no qual ainda não deixou o método se popularizar aqui no Brasil, que é o alto custo. A técnica só é viável se o aterro for bem alto, ou próximo de uma região produtora do material, como as usinas termelétricas que produzem o rejeito denominado cinza volante. A figura 2 apresenta essa comparação.

Figura 7 – Análise comparativa entre aterro convencional e EPS

Imagem 1 – Análise comparativa entre aterros

Hoje no Brasil, o EPS já está ganhando seu espaço no setor da construção civil, já existem algumas rodovias onde foi utilizado essa técnica inovadora, como por exemplo um trecho da BR 101 no estado de PE. Os blocos de EPS foram colocados na cabeceira da ponte em 5 camadas de 90 metros de extensão, em área de 1.430 m². Foram utilizados 1.400 blocos, cobertos por um filme plástico (PEAD) protegidos por concreto, sobre o qual se aplicou uma camada menor de aterro tradicional. Após essa etapa, outro pavimento de concreto foi colocado, com cerca de   44 cm concluindo assim toda estrutura.

Figura 8 – Rodovia BR101

4. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Pode-se concluir que o método do uso do Poliestireno Expandido (EPS) em aterros de solos moles apresentou-se vantajoso em algumas características como: resistência, deformação e tempo de execução.

Quanto ao seu custo, inicialmente mostra-se elevado em relação ao convencional, mas com as vantagens que o método apresentou ao longo deste estudo, pode-se considerá-lo economicamente viável.

Notou-se também que é um método alternativo e inovador para a construção de aterros sobre solos moles, mas pouco usual no Brasil. Acredita-se que com este estudo e com demais pesquisas nesta área o método poderá se tornar usual no Brasil.

Assim acredita-se que o objetivo desta pesquisa foi alcançado, pois proporcionou ao seu investigador se tornar conhecedor e divulgador do uso do EPS em aterros rodoviários sobre solos moles.

REFERÊNCIAS

ABRAEX, 2000. Associação Brasileira de Poliestireno Expandido. Disponível em:

<http://www.abrapex.com.br/01OqueeEPS.html >. Acessado em 4 abr. 2017.

DNIT – Normas Terraplanagem – Aterros – Especificação de Serviço. Disponível em <http://www1.dnit.gov.br/normas/download/terraplenagem_%20aterros.pdf> Acessado em 04 abr.2017.

GERHARDT, T. E.; SILVEIRA, D. T. Métodos de pesquisa. SEAD/UFRGS. Porto Alegre: Editora da UFRGS, 2009. Disponível em: <http://www.ufrgs.br/cursopgdr/downloadsSerie/derad005.pdf>. Acessado em: 30 mar.2017.

GIL, A.C. Como elaborar projetos de pesquisa. 4º ed. São Paulo: Atlas, 2006.

MACCARINI, M. Construçao de Aterro sobre solos moles com utilização de EPS. Disponível em <https://www.abms.com.br/links/bibliotecavirtual/geosul2013criciuma/2013-maccarini.pdf Acessado em 04 abr. 2017.

MARANGON, M. Geotecnia de Fundações. Disponível em <http://www.ufjf.br/nugeo/files/2009/11/togot_Unid02.1GeotFund-aterroSolosMoles.pdf> Acessado em 04 abr.2017.

MARCONI, M. A; LAKATOS, E.M. Fundamentos de metodologia cientifica. 5 ed- São Paulo: ATLAS, 2003.

NAKAMURA J, (2012) Fundações e Contenções. Disponível em <http://infraestruturaurbana.pini.com.br/solucoes-tecnicas/22/artigo275118-2.aspx>. Acessado em 03 abr.2017.

PINTO, C. S. (2000) Curso Básico de Mecânica dos Solos. Ed. Oficina de Textos.

^[1] Graduanda do Curso de Engenharia Civil das Faculdades Integradas de Santa Fé do Sul/SP.

^[2] Graduanda do Curso de Engenharia Civil das Faculdades Integradas de Santa Fé do Sul/SP.

^[3] Bacharel em Engenharia Civil pelas Faculdades Integradas de Santa Fé do Sul/SP.

^[4] Docente do Curso de Engenharia Civil das Faculdades Integradas de Santa Fé do Sul/SP.

Recebido: Setembro, 2018.

Aprovado: Outubro, 2018.