Evaluation of the behaviour of a fibre-reinforced cemented sand under unconfined cyclic loading

Abstract

Soils are the common denominator between all civil engineering endeavours. However, they are also the most variable construction material, presenting heterogeneous and complex characteristics unique to each location. In being so, frequently soil characteristics do not attend to the necessities of the engineering design. The insertion of cement to the soil matrix provides an increase in strength and rigidity of the material, whereas, fibre addition provides an increase in ductility, reducing post-peak loss in strength. The behaviour of these composites under unconfined cyclic conditions, for different stresses, is not completely known in an experimental level and even less is known in a theoretical model level. In this sense, this research aims to experimentally analyse the mechanical behaviour of fibrereinforced cemented sand under unconfined cyclic loading conditions, and to propose a qualitative constitutive model for predicting its behaviour for cyclic unconfined compression of the same composite. In order to do so, an experimental program was planned for a silty sand (Botucatu sandstone residual soil), early strength Portland cement – PC – Type III, and polypropylene fibres 24 mm long and 0.023 mm thick. Three different dry unit weights (γd) (18, 19 and 19.7 kN/m3), three cement contents (3, 5 and 7%) and 0 and 0.5% of fibres were chosen. The planned tests are divided in: monotonic loading – flexural tensile tests and 5 dosages of unconfined compressive and split tensile tests. For cyclic testing (unconfined compression – CUC and fatigue – CF), a benchmark mixture (18 kN/m3; 5% cement) was chosen for three different applied loads (90, 80 and 70%) and two fibre percentages (0 and 0.5%). The monotonic phase of the experimental program provided the maximum load values used in the cyclic portion of the research in respect to the η/Civ of the mixture. From the CUC tests, there was an increase in the number of cycles (N) with the decrease of applied load. However, the values of N decreased with fibre insertion when compared to the applied percentages unreinforced specimens. Since the maximum load for soil-cement-fibre composites was higher, fibre-reinforced specimens were tested with the same maximum loads as the unreinforced ones. Then, there was a great improvement in behaviour for all applied loads with fibre insertion. The shear modulus (G) data showed a decrease in total values for the fibre-reinforced specimens. There was a significant decrease in G during the initial cycles. Combinations that did not reach failure for the given parameters presented a slight increase in G after the initial loss; this could be attributed to the decrease in void ratio during testing. Fatigue testing also showed an increase in Nf with decrease in loading. However, fibrereinforced specimens had dramatically lower results, which could be due to anisotropy imposed by fibre insertion. Finally, a qualitative model was made to describe the behaviour of decrease in axial strain due to cyclic degradation of G of for CUC tests.

Os solos são o denominador comum entre todos os empreendimentos de Engenharia Civil. Entretanto, eles também são o material de construção mais variável, apresentando características heterogêneas e complexas únicas para cada local. Sendo assim, frequentemente as características do solo não atendem às necessidades do projeto de engenharia. A inserção do cimento na matriz do solo proporciona um aumento da resistência e rigidez do material, enquanto que a adição de fibras proporciona um aumento da ductilidade, reduzindo a perda de resistência pós-pico. O comportamento destes compósitos sob condições cíclicas não confinadas, para diferentes tensões, não é completamente conhecido em nível experimental e menos ainda é conhecido em nível de modelo teórico. Neste sentido, esta pesquisa visa analisar experimentalmente o comportamento mecânico da areia cimentada reforçada com fibras sob condições de carga cíclica não confinada, e propor um modelo constitutivo qualitativo para prever seu comportamento para compressão cíclica não confinada do mesmo compósito. Para isso, foi planejado um programa experimental para uma areia siltosa (solo residual de arenito de Botucatu), cimento Portland - CP - Tipo V (ARI), e fibras de polipropileno de 24 mm de comprimento e 0,023 mm de espessura. Foram definidos três pesos específicos aparentes secos (γd) (18, 19 e 19,7 kN/m3), três teores de cimento (3, 5 e 7%) e 0 e 0,5% de fibras. Os testes planejados são divididos em: carregamento monotônico – 5 dosagens de ensaios de resistência à compressão simples e compressão diametral para validar o uso de dados apresentados por Festugato (2011) e testes de tração na flexão. Para ensaios cíclicos (compressão não confinada - CUC e fadiga - CF), foi escolhida uma mistura de referência (18 kN/m3; 5% de cimento) para três cargas aplicadas diferentes (90, 80 e 70%) e duas porcentagens de fibras (0 e 0,5%). A fase monotônica do programa experimental forneceu os valores máximos de carga utilizados na porção cíclica da pesquisa em relação ao η/Civ da mistura. Nos testes CUC, houve um aumento no número de ciclos (N) com a diminuição da carga aplicada. Entretanto, os valores de N diminuíram com a inserção de fibras quando comparados com as porcentagens aplicadas de amostras não reforçadas com fibras. Como a carga máxima para compósitos solo-cimento-fibra foi maior, as amostras reforçadas com fibras foram testadas com as mesmas cargas máximas que as não reforçadas com fibras. Houve uma grande melhoria no comportamento para todas as cargas aplicadas com inserção de fibras. Os dados do módulo de cisalhamento (G) mostraram uma diminuição nos valores totais para as amostras reforçadas com fibra. Houve um decréscimo significativo no G durante os ciclos iniciais. Compósitos que não foram levados a ruptura para os parâmetros indicados apresentaram um ligeiro aumento em G após a perda inicial. Os ensaios de fadiga também mostraram um aumento na Nf com diminuição da carga. Entretanto, as amostras reforçadas com fibras tiveram resultados drasticamente menores, o que poderia ser devido à anisotropia imposta pela inserção de fibras. Finalmente, foi desenvolvido um modelo qualitativo para descrever o comportamento da deformação axial devido à degradação cíclica de G de para testes cíclicos de compressão não confinada.