Desenvolvimento e análise do comportamento de solo tratado com polímero orgânico : propriedades mecânicas, microestruturais e análise de ciclo de vida

Abstract

Devido às propriedades de baixa resistência mecânica da areia, os métodos de estabilização química são amplamente utilizados para melhorar as propriedades do solo visando atender às práticas da engenharia geotécnica. No entanto, a maioria dos aditivos tradicionais ocasionam problemas ambientais. Neste estudo, sintetizou-se um polímero a partir do glicerol (PGI) e foi utilizado sob duas condições de estado físico (semissólido e líquido) como um estabilizador de solo para melhorar a areia. Para avaliar a eficácia do polímero orgânico como aditivo na areia, executou-se dois projetos de experimentos. No projeto 1 uma série de ensaios de resistência à compressão simples (RCS), resistência à tração por compressão diametral (RTCD) e módulo cisalhante inicial (G0) foram realizados na areia reforçada com diferentes concentrações dos polímeros e com o cimento Portland. No projeto 2, foram realizados ensaios de condutividade hidráulica e triaxiais. As propriedades microestruturais foram investigadas com imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) e difração de raios-X (DRX). Uma avaliação do ciclo de vida ambiental e econômico foi realizada para analisar a sustentabilidade da amostra com maior desempenho de impermeabilidade. Os resultados obtidos no projeto experimental 1 foram submetidos a análise estatística e indicaram que para o polímero semissólido, o comportamento mecânico é otimizado quando adotado 30% de polímero, 0% de cimento e temperatura de cura 23ºC. Por outro lado, a otimização para o polímero solubilizado indicou 20% de polímero, 20% de cimento e temperatura de cura 23ºC. No projeto 2, constatou-se baixa condutividade hidráulica para as amostras investigadas, com resultados entre 10-7 m/s e 10-10 m/s, e os ensaios triaxiais apresentaram parâmetros de resistência próximo aos encontrados na literatura para este tipo de material. A análise microestrutural indicou o desenvolvimento de uma membrana polimérica, que envolve as partículas de areia e as interligam formando uma estrutura estável. Por fim, o cimento Portland apresentou maiores impactos ambientais negativos por consumir maior quantidade de matéria-prima tradicional de fonte esgotável. Em todas as categorias de impactos ambiental o PI (polímero orgânico industrial) apresentou resultados superiores ao PGI, exceto para ecotoxicidade terrestre. O custo total do PGI foi superior ao cimento Portland, principalmente devido ao alto custo de aquisição do ácido isoftálico. O valor do PI se apresentou quatro vezes maior que o valor do PGI.

Due to the low strength properties of sand, chemical stabilization methods are widely used to improve soil properties in order to meet geotechnical engineering practices. However, most traditional additives cause environmental problems. In this study, a polymer was synthesized from glycerol (PGI) and used in two physical states (semi-solid and liquid) as a soil stabilizer to improve sand. To evaluate the effectiveness of the organic polymer as an additive in sand, two experimental designs were carried out. In project 1, a series of simple compressive strength (RCS), diametral compressive tensile strength (RTCD) and initial shear modulus (G0) tests were performed on sand reinforced with different concentrations of polymers and with Portland cement. In project 2, hydraulic and triaxial conductivity tests were carried out. The microstructural properties were investigated using scanning electron microscopy (SEM) images, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and X-ray diffraction (XRD). An environmental and economic life cycle assessment was carried out to analyze the sustainability of the sample with the highest impermeability performance. The results obtained in experimental project 1 were submitted to statistical analysis and indicated that for the semi-solid polymer, the mechanical behavior is optimized when adopting 30% polymer, 0% cement and curing temperature of 23 ºC. The optimization for the solubilized polymer indicated 20% polymer, 20% cement and curing temperature of 23 ºC. In project 2, low hydraulic conductivity was found for the investigated samples, with results between 10-7 m/s and 10-10 m/s, and the triaxial tests showed resistance parameters close to those found in the literature for this type of material. The microstructural analysis indicated the development of a polymeric membrane, which involves the sand particles and interconnects them, forming a stable structure. Finally, Portland cement had greater negative environmental impacts because it consumes a greater amount of traditional raw material from an exhaustible source. In all categories of environmental impacts the PI (industrial organic polymer) presented superior results to the PGI, except for terrestrial ecotoxicity. The total cost of PGI was higher than that of Portland cement, mainly due to the high cost of purchasing isophthalic acid.