Parede Diafragma
1 – Histórico
Na origem da técnica de construção de paredes diafragmas aparece o trabalho
pioneiro da indústria de perfuração de poços petrolíferos. Apesar do efeito estabilizador das
lamas nas perfurações ser conhecidas desde 1900 na indústria petroleira, a primeira
publicação sobre o assunto só aparece em 1913. A bentonita foi introduzida nos sistema de
lama em 1929.
Progressos técnicos consideráveis só ocorreram no início dos anos 40. Os primeiros
diafragmas de concreto armado surgem na Itália nos anos 50; primeiro como funções de
impermeabilização, mais tarde como obras de contenção.
No Brasil a primeira parede diafragma foi executada pela FRANKI para o Edifício do
Pelletron, na Universidade de São Paulo em 1969.
2 – A Lama de Escavação
A lama de escavação é uma suspensão em água doce de uma argila especial –
bentonita – da família dos montmorilonitas de sódio (alcalina).
A concentração coloidal da mistura água + bentonita é obtida pela expressão:
Cc
=
Peso da bentonita
x
100 ( em percentagem ) .
1000 l de água
Normalmente o peso da bentonita está compreendida em 30 kgf e 100 kgf , em
função da viscosidade e da densidade que se deseja obter da lama.
A suspensão da lama bentonítica é estável e os fatores que governam a estabilidade
são os seguintes:
-
as partículas dispersas devem ter diâmetros médios inferiores a
0,1 µ
para
poderem apresentar movimento browniano;
-
as partículas devem possuir cargas elétricas superficiais que impeçam a
aglomeração das mesmas.
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A lama bentonítica apresenta como característica principal a propriedade da
tixotropia, ou seja, um comportamento fluído quando agitada mas é capas de formar um gel
quando em repouso.
As principais funções da lama durante a escavação são:
a) - suportar a face da escavação;
b) - formação de um selo para impedir a perda da lama no solo;
c) - deixar em suspensão partículas sólidas do solo escavado, evitando que elas se
depositem no fundo da escavação.
Especificações da bentonita
Requisitos
Valor
- Resíduos em peneira nº 200
= 1%
- Teor de umidade
= 15 %
- Limite da liquidez
= 440
- Velocidade Marsh 1500/1000 da suspensão a 6° em água destilada
= 40
- Decantação da suspensão a 6% em 24 horas
= 2%
- Água separada por pressofiltração de 450 cm³ da suspensão
a 6% nos primeiros 30 minutos, a pressão de 0,7 MPa
= 18 cm³
- pH da água filtrada
7 a 9
- Espessura do “cake” no filtroprensa
= 2,5 mm
Parâmetros para a lama bentonítica
Parâmetros
Valores
Densidade
1,025g /cm³ a 1,10g / cm³
Densímetro
Viscosidade
30 s a 90 s
Funil Marsh
pH
7 a 11
Papel de p H
Cake
1,00 mm a 2,00 mm
Filter press
Teor de areia
até 3 %
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Equipamento para ensaio
Baroid sand content ou similar
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3 – Ação Estabilizante da Lama
Dentre os vários fatores que contribuem para a estabilização do talude escavado,
destacamos os seguintes:
-
Pressão hidrostática exercida pela lama;
-
Resistência ao cisalhamento do gel;
-
Aumento da resistência ao cisalhamento do solo na zona penetrada pela lama
(cake);
-
Forças eletro-osmoticas.
Na parcela correspondente a pressão hidrostática da lama devemos comparar com o
empuxo ativo exercido pelas paredes da escavação em uma análise de estabilidade.
A uma profundidade Z é necessário que a tensão normal, horizontal, exercida pela
lama seja maior que a tensão normal, horizontal, exercida pelo solo e devida ao seu peso
próprio + tensão normal, horizontal, exercida pelo solo e devida sobrecarga + tensão normal,
horizontal, exercida pela água.
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Assim, para melhorar a condição de estabilidade da escavação, pode-se atuar nas
duas parcelas de tensões horizontais, a saber:
Tensão Resistente
- Aumentar a altura da coluna de lama. Elevando o topo da mureta guia
em relação ao nível do terreno.
- Aumentar a densidade lama. Adicionando na lama substâncias que
aumentem a sua densidade.
Tensões Atuantes
- Rebaixamento do nível do lençol freático. Altura mínima ideal 2,00 m
entre topo do nível da lama e o nível do lençol freático.
- Evitando sobrecargas sobre o terreno próximo a escavação.
No trecho próximo ao nível do terreno a ação estabilizadora da lama não é muito
eficaz devido a grande e constante variação do seu nível, bem como devido ao peso dos
equipamentos de escavação, por isto deve-se usar uma estrutura de concreto armado para
sustentação do solo - a mureta guia.
As medidas de resistência do gel indicam as propriedades tixotropicas de lama.
A pressão exercida pela lama é sempre maior do que a pressão exercida pela água
em qualquer profundidade da escavação, então a lama penetra nos vazios do solo, e na
medida em que a resistência a essa penetração aumenta a lama vai ficando em repouso e
vai adquirindo rigidez suficiente para a formação de uma película que colmata às partículas
do solo (cake) dando-lhes, assim, um aumento de resistência ao cisalhamento.
Esta penetração não é necessariamente uniforme, dependendo do tipo de solo, do
índice de vazios, da viscosidade da lama e diferença de pressão entre a lama e a água do
solo. Isto representa um importante fato: o selo é formado dentro do solo e evita também a
perda de lama através do solo.
Tão logo, em poucos segundos, o “cake” é coberto por uma fina camada de partículas
de bentonita na superfície da escavação, chamado filme protetor e neste estágio oferece
completa resistência a futuras penetrações da lama no solo bem como melhor distribui para
o solo a pressão hidrostática exercida pela lama.
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A formação do filme protetor é realizada por um processo eletro-osmótico.
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4 – Fases de Execução
Para a execução da parede diafragma são realizadas várias operações que
interligam-se entre si e cada uma deve ser planejada com antecedência para que não haja
imprevistos.
Podemos destacar as seguintes fases bem definidas, a saber:
a) - Execução da mureta guia;
b) - Fabricação da lama;
c) - Escavação;
d) - Troca da lama;
e) - Colocação da armadura;
f) - Concretagem.
Execução da mureta guia
A execução da parede diafragma é precedida pela execução de muretas guias, que
tem por objetivo:
-
definir o caminhamento da parede, servindo de guia para a ferramenta de
escavação “clamshell”;
-
impedir o desmoronamento do terreno próximo a superfície devido a grande e
permanente variação do nível de lama; devido a entrada e saída do clamshell na
escavação;
-
Garantir uma altura de lama compatível com o nível do lençol freático ( h = 2,00m).
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Fabricação da lama
A lama é preparada numa instalação especial denominada central de lama.
A mistura é feita no misturador de alta turbulência. A bentonita apresenta um
inchamento muito acentuado quando na presença de água, por isto antes da utilização da
lama na escavação é necessário um período de pelo menos 12 horas para que seja atingido
o total inchamento da bentonita. Este tempo é chamado maturação. Durante a maturação da
lama, esta, deve ser mantida em agitação.
A lama deve ir até o local da escavação usando-se tubulações metálicas com engate
rápido ou mangueiras de plástico rígido.
Escavação
Antes do início da escavação é indispensável à execução de testes na lama para
saber se ela está em condições de ser utilizada, tendo em vista o tipo de solo a ser atingido
durante a escavação. Normalmente estes testes na lama consistem no controle da
densidade, viscosidade, do “cake”, e do pH.
A escavação é executada pela penetração da ferramenta de escavação - clamshell –
e o corte do solo é realizado pelo movimento vertical das mantíbulas do clamshell.
A medida em que o solo vai sendo retirado é introduzida simultaneamente mais lama.
É fundamental para a estabilidade das paredes, que sempre seja mantido o nível da lama,
dentro da escavação, o mais alto possível.
Se ocorrer uma perda acentuada da lama no solo, tal que não permita manter o nível
estável da lama, a escavação deverá ser interrompida imediatamente para uma análise do
motivo que está provocando a anormalidade constatada.
A escavação deve ser levada até a profundidade prevista no projeto.
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Troca da lama de escavação
Terminada a fase de escavação, a lama que se encontra dentro da vala escavada
apresenta grande quantidade de sólidos (grãos de areia) em suspensão (25% a 30%).
Na fase de concretagem a lama deve possuir um teor máximo de areia da ordem de
3% em volume, tendo em vista que um teor de areia elevado pode acarretar o perigo de
misturar as partículas de areia contidas na lama com o concreto. Por esta razão deve ser
procedida a troca da lama utilizada durante a escavação.
A troca da lama pode ser realizada de duas maneiras, a saber:
a) - Com Substituição: a medida em que a lama utilizada na escavação vai sendo
retirada pela parte inferior, com a utilização de bombas submersas ou
por
processo utilizando-se “air-lift”, a lama nova vai sendo introduzida na cava
pela parte superior.
b) - Com Circulação: a lama utilizada vai sendo retirada pela parte inferior é
bombeada através de desarenadores onde por processos mecânicos a areia que
se encontra em suspensão é retirada da lama. A lama então desarenada volta
para a cava. Esta operação se denomina desarenação.
Concluída a operação de troca da lama efetua-se a limpeza do fundo da escavação
para se ter certeza de que não houve deposição de partículas de areia no fundo da
escavação.
Colocação da armadura
A armadura é constituída por barras longitudinais e estribos montados em forma de
gaiolas. A gaiola da armadura é içada e mergulha na escavação cheia de lama bentonita
com auxílio de guindaste auxiliar.
Em função da operação de manobra e içamento é indispensável que a gaiola da
armadura tenha ferros de enrijecimento para garantir a sua rigidez, bem como alças de
içamento e posicionamento da mesma após o mergulho na escavação.
No detalhamento do projeto das gaiolas das armaduras deve sempre ser levado em
conta que a concretagem é submersa, por isto os ferros longitudinais devem ter
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espaçamento mínimo de 10 cm e um recobrimento mínimo de 4 cm para se garantir um
perfeito envolvimento pelo concreto; bem como no trecho central da gaiola deve ser previsto
um espaço de 30 cm a 60 cm para a descida do tubo de concretagem.
O recobrimento das barras longitudinais deve ser assegurado por meio de roletes
espaçadores colocados a cada 3 m² de área e em ambos os lados das gaiolas da armadura.
Concretagem
O processo de concretagem utilizado na execução das paredes diafragma é o
submerso, ou seja, aquele executado de baixo para cima de uma maneira contínua e
uniforme.
Tal processo necessita de uma técnica especial apropriada afim de não permitir a
mistura do concreto, que vai sendo lançado, com a lama bentonítica existente na escavação.
O processo consiste em mergulhar um tubo de concretagem - tremonha - constituído
por elementos emendados por rosca até o fundo da escavação. Para evitar que a lama, que
se encontra dentro do tubo, se misture com o concreto lançado, coloca-se uma bola plástica
no interior do tubo que funcionando como um êmbolo que expulsa a lama pelo peso próprio
da coluna de concreto.
O concreto é lançado através de funil colocado na extremidade superior da
tremonha. A medida em que o concreto vai sendo lançado na tremonha e penetra na
escavação pela parte inferior, a lama tixotrópica sendo menos densa vai subindo a qual é
recolhida por intermédio de bombas que a conduzem aos tanques de acumulação na central
de lama.
O tubo da tremonha à medida que o concreto vai subindo dentro da escavação, vai
sendo levantado, tendo-se o cuidado, deixar a extremidade sempre mergulhada no concreto
com um comprimento de no mínimo 2,00m.
A operação de concretagem é controlada por um operador que tem a qualquer
momento o volume de concreto lançado, a velocidade de lançamento, a altura do concreto
dentro da escavação, etc; para que se tenha uma perfeita segurança durante a concretagem
submersa.
O fornecimento do concreto deve ser contínuo e não se deve permitir interrupção por
período de tempo superior a 20 minutos o que pode acarretar danos a continuidade do fuste
concretado da parede.
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A concretagem deve ser levada até uma cota superior a cota prevista da ordem de
30 cm a 50 cm para o arrasamento da parede, porque o concreto que se encontra em
contato com a bentonita apresenta uma baixa resistência a compressão o qual deverá ser
removido posteriormente durante o preparo do topo da parede para execução da viga de
coroamento.
O concreto utilizado na concretagem submersa tem como característica principal
uma alta plasticidade – slump test entre 18 e 22. O consumo de cimento mínimo é de 400
kgf / m³ e os agregados utilizados são areia e brita 1. Normalmente se utiliza um aditivo Plastment VZ - cuja finalidade é dar maior trabalhabilidade ao concreto e retardar o início da
pega do concreto.
O traço normalmente utilizado do concreto para o rendimento de 1,0 m³ é o seguinte:
COMPONENTES
EM PESO
EM VOLUME
Cimento Portland
400 kgf
290,0 litros
Areia
720 kgf
570,0 litros
Brita nº1
980 kgf
630,0 litros
Água
240 litros
240,0 litros
Plastiment VZ
1,2 litros
1,2 litros
A lama que fica em contato direto com o concreto é contaminada pelo hidróxido de
cálcio, o que provoca um aumento da viscosidade, da resistência do gel, da perda do fluído
e do pH, em alguns casos chega a provocar a floculação da lama. O tratamento da lama
neste caso exige a utilização de aditivos especiais que exigem para sua aplicação a
complementação de outros aditivos na sua maioria importados; na prática, como o volume
de lama contaminado pelo concreto é pequeno a melhor solução consiste em joga-la fora.
Para a concretagem de painéis iniciais e sequenciais pequenos ( l = 2,50m ) é usado
apenas um tubo de concretagem. Para painéis sequenciais grandes ( l > 2,50m ) e painéis
de canto devem ser usados dois tubos de concretagem.
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5 – Divisão dos Painéis da Parede Diafragma
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6 – Vantagens do Emprego
O sucesso deste processo se deve a diversos fatores. O primeiro é a multiplicidade de
suas aplicações, incluindo:
-
Elemento de contenção de água e terra em escavações provisórias ou
permanentes.
-
Elementos impermeabilizantes (diafragma plástico), visando o controle da
percolação em escavações, diques, barragens, reservatórios, etc.
-
As paredes podem ainda receber cargas verticais.
Outros fatores são as vantagens do processo, destacando-se:
-
Execução sem as vibrações e o barulho inerente à cravação de estacas;
-
Possibilidade de atravessar camadas do solo de grande resistência;
-
As paredes diafragma possuem, como elemento de suporte de escavações,
grande resistência e pequena deformabilidade, o que as coloca como solução
mais indicada para suporte de escavações próximas a prédios existentes;
-
Redução do rebaixamento do lençol d’água atrás do escoramento (e
consequentemente dos recalques de prédios próximos) através da colocação da
instalação de rebaixamento no interior da escavação;
-
Execução rápida;
-
Frequentemente mais econômico devido a incorporação das paredes à estrutura
permanente.
Na incorporação das paredes com as lajes e vigas da estrutura podemos usar duas
formas distintas.
a) - Executar um corte na parede até expor a armadura existente. Executar uma viga
especial de ligação, com algumas barras horizontais passando por trás (e eventualmente
soldadas) das barras verticais existentes na parede.
b) - Instalando-se chumbadores com argamassa expansiva em furos abertos na parede.
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7 – Diafragma Plástico
O diafragma plástico é executado com a lama de escavação constituída pela mistura
de cimento, bentonita, água e com agregação de uma certa quantidade de solo incorporada
a mistura durante o processo de escavação.
A escavação é executada pelo método dos painéis alternados, sendo que quando da
escavação dos painéis secundários, deverá haver uma escavação de no mínimo 50 cm, em
cada extremidade do painel primário do material de diafragma plástico já executado,
garantindo-se a continuidade da função impermeabilizadora do diafragma.
A seqüência de preparo da mistura final é a seguinte:
a) Preparação de uma mistura bentonita – água com 60 kgf de bentonita por m³,
usando misturador de alta turbulência.
b) Preparação de mistura cimento – água, na proporção de 400 kgf por m³, e usandose retardador de pega (em geral 0,1% a 0,2% do peso de cimento) de preferência
da família dos lignosulfitos, especialmente para retardar o início de pega.
c) Mistura em partes iguais das duas misturas acima, obtendo-se, por m³, 30 kgf de
bentonita e 200 kgf de cimento.
d) Durante a escavação do painel, serão, pela ação do próprio processo incorporados
cerca de 50 kgf a 100 kgf de solo em cada m³ de mistura.
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