Comportamento mecânico de uma areia cimentada : análise experimental e micromecânica

Abstract

Em virtude da necessidade de novas obras de infraestruturas, por muitas vezes, em locais onde o solo não atendia às necessidades básicas exigidas por elas, originam-se problemas de ordem geotécnica, os quais foram resolvidos por meio de misturas solo-cimento. O presente trabalho teve como objetivo o estudo de propriedades mecânicas e elásticas de misturas de areia e cimento, sendo este dividido em duas abordagens: experimental e micromecânica. Para a execução da abordagem experimental, além da execução de ensaios de resistência a compressão simples e medidas de parâmetros de rigidez ao longo do tempo, foi desenvolvido um minicone e também uma câmara triaxial de grandes proporções com os quais foram executados ensaios. A abordagem micromecânica foi realizada através da aplicação da teoria da homogeneização. Para avaliar as propriedades elásticas do compósito foram utilizados os modelos Mori-Tanaka e Auto-Consistente, enquanto que a obtenção da resistência homogeneizada foi baseada na teoria do estado limite. Os ensaios experimentais demostraram que os módulos medidos e a resistência à compressão simples possuem comportamentos semelhantes em relação ao aumento de sua magnitude. Os ensaios de prospecção do minicone demostraram que a tensão de confinamento influencia até corpos de prova cimentados. Ainda foram observadas relações entre o módulo de cisalhamento, a resistência à compressão simples e a resistência média de ponta. Os resultados obtidos através da abordagem micromecânica, quando confrontados com os resultados experimentais, apresentaram diferenças irrelevantes tanto para a resistência quanto para os módulos. Baseados nos resultados obtidos através desse trabalho concluiu-se que o comportamento das misturas areias-cimento é regido pelo índice oriundo da razão entre a porosidade e a quantidade volumétrica de cimento. Também foi comprovado o potencial da micromecânica como ferramenta de modelagem de misturas areia-cimento.

The necessity of new infrastructure earthworks in areas where the soil does not present the required mechanical properties originates problems of geotechnical order. These problems can be solved through the improvement of mechanical characteristics of the materials by reducing porosity through compaction, as well as the addition of cementitious materials such as Portland cement. This research aimed to evaluate the mechanical properties of sand-cement mixtures through two approaches: experimental and micromechanics. In the experimental approach were carried out unconfined compression tests and bender elements measurements over time in sand-cement specimens varying the porosity and the cement content. Furthermore, a mini-cone (MCPT) and a triaxial chamber of large proportions were developed, in which MCPT tests have been carried out under distinct confining pressures and distinctive sand-cement mixtures. In these tests, the variation of porosity and cement content was evaluated. The experimental results were analyzed from the perspective of the recently developed porosity-cement index. The results have shown that the porosity-cement index controls the mechanical properties of sand-cement mixtures from very small strains to failure. The micromechanical approach was performed by the theory of homogenization. To evaluate the elastic properties of the sand-cement composite, the Mori-Tanaka and self-consistent models were used, while the homogenized shear strength was obtained based on the limit state theory. The results obtained by the micromechanical approach, when compared with the experimental results, showed irrelevant differences to both strength and stiffness.