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/ Artigo # 17 : Reforço e Impermeabilização de Solo com Nanosílica Ativa

L. Filgueiras
Author – Construtora G MAIA, Belo Horizonte, Brasil

 L. Oliveira
Autor – Construtora G MAIA, Belo Horizonte, Brasil

RESUMO:

Nesse estudo de caso iremos descrever o procedimento executivo de injeção com nanosílica, sendo uma das características impermeabilizar e conferir propriedades mecânicas a camadas profundas do substrato. Também iremos descrever resumidamente os estágios encontrados da nanosílica no mercado e parâmetros de ensaios realizados até hoje como reforço para solos argilosos e arenosos.

Para esse projeto executado pela construtora G Maia foi necessário injetar volume de nanosílica suficiente para preencher aproximadamente 100 mil litros de vazios no solo.

Previamente houve a execução do sistema de rebaixamento do lençol freático, composto por tubos de respiro, poços, ponteiras filtrantes, sistema de bombeamento, trincheira de brita com geotêxtil, para rebaixamento do nível freático e tratamento do maciço.

A camada a ser impermeabilizada estava à 15 metros de profundidade, o acesso se deu através de poços de alívio executados previamente.

INTRODUÇÃO:

A nanotecnologia foi definida por Drexler et al. ( SAID 2012 ) como “o controle da estrutura da matéria com base no controle de molécula por molécula dos produtos e subprodutos”. A nanotecnologia pode ser considerada como um dos temas mais modernos nas áreas da ciência e tecnologia. Por ter grande potencial de mercado e impacto econômico, a necessidade de exploração neste campo e suas aplicações têm crescido significativamente nas últimas décadas.

Um dos produtos mais utilizados é a nanosílica, sendo largamente utilizada no mundo por melhorar as propriedades mecânicas do concreto, aumentando o grau de adensamento e/ou diminuindo a porosidade da matriz sólida.

Ghazi et al. (2011) investigou o efeito da adição de nanosílica na resistência à compressão da argila
estabilizado com 6% de cimento. Os resultados mostram um aumento na resistência das amostras contendo 0,5, 1 e 2% de nanosílica. Adição de 2% de nanosílica aumentou a resistência de 1645 para 2346 kPa , ou seja, 42,6%.

Nos últimos 20 anos, o nano material tem sido amplamente utilizado em várias disciplinas devido às suas características únicas.

No campo da engenharia geotécnica, os nano materiais têm sido cada vez mais utilizados para melhorar as propriedades dos materiais compósitos.

Nos últimos 20 anos, a nanotecnologia tem evoluído como uma área interdisciplinar, e tem atraído grande interesse. Pham e Nguyen (2014) descobriram que a adição de nanopartículas resulta na redução dos índices de deformação. Mohammadi e Niazian (2013) indicou que o uso de nanoargila aumentou o limite líquido e plástico da argila significativamente e a resistência ao cisalhamento do solo.

Os efeitos da nanosílica aplicado em estudos geotécnicos vem sendo desenvolvidos em pesquisas e aplicados em campo, possibilitando resultados positivos no controle de deslocamento e tensões, parâmetros de cisalhamento, resistência à compressão, redução da permeabilidade e vazios.

Em publicação de artigo realizada por A. Haddad (2015), é apresentado um aumento nos parâmetros da resistência de solo argiloso com baixa plasticidade, com acréscimo da porcentagem de nanosílica em grãos em peso do solo. As amostras foram realizadas com 0,5, 0,7 e 1,0 % de nanosílica.

A

A coesão e o ângulo de atrito interno das amostras aumentam com o acrescimo de nanosílica, consequentemente a resistência axial e cisalhante são elevadas. Proporcionalmente, houve maior eficiência no aumento do ângulo de atrito quando comparado a coesão.

No mesmo estudo é apresentado curva tensão x deformação para as amostras de solo estabilizadas com o acrescimo de nanosilica. Vale lembrar que o ensaio é realizado sem o confinamento da amostra.

B

Tambem é apresentado os valores de módulo de elasticidade das amostras de solo com os teores de nanosílica e a relação entre as tensões cisalhantes e normais.

C

O modo de ruptura do solo estabilizado com nanosilica em grãos é apresentado na figura A em comparação com a amostra de referência B, sem acrescimo de nanosílica.

D

O artigo descreve dois mecanismos para justificar o aumento de resistência das amostras com nanosílica. O primeiro devido a força do gel formado pela nanosílica ,conferindo as partículas da argila uma ligação superior à desenvolvida pela água absorvida na superfícies das partículas.

E

O segundo mecanismo para ganho de resistência está relacionado à quantidade de ligações que o gel viscoso possibilita entre as particulas de argila em comparação ao estado natural do solo. Essa caracteristica possibilita que um maior numero de partículas esteja em contato. O resultado do ensaio de cisalhamento direto demonstra que o valor de coesão do solo, com o acréscimo de nanosílica,  é superior  a coesão natural.

F

Isso significa que a interface efetiva da área de contato entre as partículas de argila aumenta com o aumento da porcentagem de nanosílica, o que melhora a resistência dessa união e fricção associada. Semelhante resultados também foram obtidos por Landman et al. (2014).

O tratamento do solo com nanosílica melhora a capacidade de suporte do solo, manipula os assentamentos, diminui a possibilidade de liquefação, reduzir a condutividade hidráulica, e a porosidade (Kazemian e Huat, 2009).

A reação da nanosílica com o solo, quando bem manipulada, tem velocidade elevada, sendo algo muito útil em senários onde existe uma necessidade de acelerar processos construtivos.

A injeção de materiais compostos é uma prática comum em obras de engenharia, utilizada para correção e tratamento de solos e maciços rochosos.

            De uma forma geral as injeções em solos podem ser classificadas de acordo as finalidades:

Nesse estudo de caso iremos descrever superficialmente o procedimento de injeção com nanosílica dispenso em solução aquosa, estabilizado, com adição de ativador, cuja finalidade é impermeabilizar e melhorar as propriedades mecânicas.

CARACTERÍSTICAS DOS MATERIAS CONSTITUINTES:

Para esse projeto, em função das características do problema, a estratégia adotada foi injetar o material de tratamento. Em virtude desse procedimento, foi avaliado os formatos de nanosílica disponíveis no mercado para o reforço. Foram encontrados três estados físicos:

Levando em consideração que a camada do material a ser tratado estaria à 15 metros de profundidade e controlando a tensão gerada pela injeção, a equipe técnica da construtora G Maia optou de forma assertiva pela solução de nanosílica ativa em solução aquosa.

Outro fator relevante para escolha da estrutura da nanosílica foi a possibilidade de controlar o tempo de reação do produto, através da adição do componente gelificante.

O composto é uma dispersão aquosa com 30% em peso de partículas nanométricas, e com viscosidade próxima à da água. Estas nano partículas são aniônicas e apresentam elevada área superficial. Em virtude do reduzido tamanho de suas partículas mantém-se perfeitamente disperso e estabilizado garantindo a constância de suas propriedades.

A Nanosílica deve ser transportado e armazenado a uma temperatura de 5-35 ° C (40-95ºF).

Atenção especial deve ser dada ao componente gelificante, cuja função é ativar a reação. Quanto maior for sua quantidade, mais rápido aumenta a viscosidade.

O composto se comporta bem em ambientes úmidos, atingindo maiores resistências quando depositado em ambientes saturados.

A estrutura química e ligações dos componentes antes e depois da homogeneização é descrita resumidamente abaixo. Os dados descritos estão relacionados a nanosílica utilizada pela construtora G Maia nesse case.

G

A formação inicial do gel entre os elementos ocorre de acordo com o gráfico abaixo, consequentemente a viscosidade da mistura começa a aumentar ao longo do tempo.

H

Dependendo da proporção dos componentes temos diferentes intervalos de tempo para que ocorra aumento da viscosidade e formação de estrutura rígida.

I

Sendo a curva azul com maior quantidade de componente gelificante e a curva laranja menor.

Outro fator que influência muito o tempo de reação do gel é a temperatura ambiente . É preciso prever a condição térmica, horário de aplicação ao longo do dia, prevendo eventuais variações. Quanto maior a temperatura, menor será o tempo que a mistura terá formação em gel, ou seja, menor o tempo disponível para aplicação do produto.

Um aumento de 10º Celcius reduz o tempo de aplicação pela metade.

 

J

 

RESISTÊNCIA A ESFORÇOS NORMAIS:

Atualmente já existem diversas pesquisas pioneiras e empresas nacionais e internacionais desenvolvendo execuções com injeções de nanosílica ativa. Na maioria dos casos voltados para consolidação de frentes de escavações em túneis. A construtora G Maia mantem constante pesquisa, ensaios e parcerias com diferentes laboratórios e distribuidores.

Serão apresentados alguns procedimentos executados pela construtora G Maia e ensaios realizados com nanosílica ativa estabilizada, com adição de acelerador, para diferentes tipos de solos.

A força de compressão se desenvolve ao longo do tempo, nas primeiras idades e também em períodos maiores, de acordo com a proporção dos componentes e fatores externos. É apresentado curva apenas com o gel formado pela ativação da nanosílica e com a nanosílica ativa com acrescimo de areia.

K

Com 30 dias atingimos entre 1,0 e 1,4 MPa de resistência à compressão.

 

L

 

Para 1 ano chegamos a valores entre 2,2 e 3,0 MPa de resistencia à compressão, atingindo maiores valores ao longo do tempo.

O Soil Mechanics and Foundation Engineering apresenta estudo técnico, com ensaios de compressão com corpo de prova cilindricos não confinados. Para formação dos corpos de prova são adicionados diferentes proporções de nanosílica em grãos em conjunto com argila com alto teor de umidade.

 

M

 

Os valores do ensaio de compressão chegam a 1,7 MPa com teor de 5 % de nanosilica. Também foi verificado a deformação axial em função de carregamento constante.

N

Com a utilização da nanosílica na proporção de 5% houve uma redução de 30 % na deformação axial.

PROCEDIMENTO EXECUTIVO – INJEÇÃO DE NANOSÍLICA:

Para o procedimento executivo a construtora G Maia utilizou sistema de drenagem para injeção da nanosílica ativa estabilizada, com adição de acelerador no time e proporção correta, criando mecanismo que possibilitasse fluidez durante o processo.

O

O canteiro de obra foi montado com toda estrutura necessário atendendo aos critérios técnicos que o processo exigia.

Outro fator importante é a homogeneidade da mistura dos componentes A e B. Foi desenvolvido mecanismo para possibilitar homogeneização necessária, lembrando que excesso de agitação quebra as ligações do gel, descaracterizando as propriedades mecânicas do produto.

P

O produto foi aplicado para preencher os vazios de uma seção de trincheira abaixo da superfície do terreno.

Seções de inspeção foram utilizadas para sinalizar o avanço da injeção ao longo do material a ser tratado. A equipe de campo monitora a todo o momento a quantidade de produto aplicado, controlando seu desenvolvimento.

Q

Foram realizados testes de permeabilidade no material final após a aplicação. O composto ocupou o espaço entre os vazios, impermeabilizando a camada, além de conferir maior resistência de suporte ao perfil.

R

 

CONCLUSÃO E CONSIDERAÇÕES FINAIS:

Por ser um material muito fluído, em forma líquida, com viscosidade de 7 cP, a bomba injetora utilizou pressões baixas sem maiores problemas nas tubulações e para fundações mais sensíveis. Essa metodologia é ideal para situações na qual a pressão de injeção deve ser reduzida, a fim de não comprometer os parâmetros geotécnicos do solo.

O tratamento com nano-sílica leva a um aumento nas forças de ligação e intertravamento entre partículas do agregado. Além disso, o gel viscoso preenche os vazios das partículas e bloqueia a mitigação da água no solo.

A Mistura e agitação devem ser controladas e realizado apenas o necessário. Mistura excessiva destruirá o gel em desenvolvimento.

A acréscimo de força resistente é continua a se desenvolver ao longo do tempo. O gel é durável ao longo do tempo, experiência de campo apresentam resultados de 15-20 anos atrás.

Os parâmetros de ensaio demonstram que o tratamento do maciço com adição de nanosílica proporciona aumento de coesão e ângulo de atrito. Possibilitando sua utilização como reforço do solo, estabilização de material para escavação e conferindo impermeabilização da camada, através do preenchimento dos vazios.

O procedimento de execução completa envolve mais fatores técnicos que os descritos superficialmente nesse artigo. Devendo ser executados por mão de obra capacitada com experiencia comprovada. A construtora G Maia executa e desenvolve estudos constantes em novas tecnologias.

A Nanosílica é um produto amigo do meio ambiente e não é classificado como perigoso.

REFERÊNCIAS:

[1] SAID, A. M.; ZEIDAN, M. S.; BASSUONI, M. T.; TIAN, Y. Properties of concrete incorporating nano-silica. Construction and Building Materials, n. 36.

[2] Ghazi et al., 2011 H. Ghazi, M.H. Baziar, S.M. MirkazemiAssessment of the improvement of the behavior of soil strength in the presence of nanoscale additive Assas Journal of Science and Technology, 1 (1) (2011

[3] Pham H, Nguyen QP (2014) Effect of silica nanoparticles on clay swelling and aqueous stability of nanoparticle dispersions. J Nanopart Res

[4] Mohammadi M, Niazian M (2013) Investigation of nano-clay effect on geotechnical properties of Rasht clay. J Adv Sci

[5] A. Haddad (2015) Effect of Nano-SiO2 on the Geotechnical Properties of Cohesive Soil

[6] Landman J, Paineau E, Davidson P, Bihannic I, Michot LJ, Philippe AM, Petukhov AV, Lekkerkerker HNW (2014) Effects of added silica nanoparticles on the nematic liquid crystal phase formation in beidellite suspensions. J Phys

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