As qualidades das resinas expansivas Uretek Geoplus®

    Iván Arrieta Carril, Geólogo - Diretor Técnico e de Produção da Uretek Espanha
    Iván Arrieta

     

    A Uretek trabalha há mais de 30 anos na reabilitação de estruturas com injeções de resina. As tecnologias e resinas que utilizamos são patenteadas pela nossa empresa e são únicas, inovadoras, económicas, rápidas e minimamente invasivas.

    Gostaríamos de vos dar a conhecer as principais caraterísticas da nossa família de resinas Uretek Geoplus®.

    RESINAS DE POLIURETANO EXPANSIVAS

    O Grupo Uretek desenvolveu uma tecnologia inovadora de consolidação dos solos através da injeção de resina nos mesmos, Uretek Deep Injections®, utilizando a resina de poliuretano expansiva Geoplus®, que aplica com sucesso há mais de 30 anos.

    Trata-se de um sistema de injeção em profundidade no solo de uma resina especial de poliuretano expansivo de última geração, Uretek Geoplus®, marca registada da Uretek, que é obtida a partir da mistura de dois componentes, essencialmente polióis e isocianatos, comercialmente conhecidos por Geoplus® A e Geoplus® B.

    As resinas de poliuretano expansivas são produzidas pela reação exotérmica entre um poliol e um isocianato, misturados em proporções volumétricas definidas, de acordo com as especificações do fabricante.

    A reação química para a síntese dos poliuretanos foi descoberta pela Bayer em 1947.

    Durante a reação química, é gerada uma grande quantidade de dióxido de carbono, que provoca a expansão volumétrica da mistura e a formação de uma estrutura esponjosa, na qual as bolhas de gás ficam presas. A produção de dióxido de carbono requer a presença de água, que reage com o grupo isocianato; na ausência de água, é utilizado um líquido agente de expansão quimicamente inerte com uma baixa temperatura de ebulição, que vaporiza, consumindo parte do calor de polimerização.

    Num período de tempo muito limitado (vários segundos), a mistura endurece, passando de líquido a sólido. O tempo de reação, que depende da resina específica e da utilização de catalisadores, entre outros fatores, é influenciado pela temperatura dos componentes misturados.

    Ao controlar a temperatura dos componentes, é possível acelerar ou abrandar o tempo de reação.

    A pressão exercida durante a expansão e a densidade final da resina depende da capacidade de expansão do gás contido nas bolhas antes da cura.

    CARACTERÍSTICAS DA RESINA URETEK GEOPLUS

    A estrutura microscópica da resina Uretek Geoplus® utilizada pela Uretek (Canteri, 1998), em condições de expansão livre, corresponde a uma densidade igual a 37 kg/m3. A densidade da mistura no estado líquido é igual a 1070 kg/m3, muito próxima da densidade da água, 1000 kg/m3. Nestas condições, o volume expansivo é igual a 30 vezes o volume original da mistura (Dei Svaldi et al, 2005; Buzzi et al, 2008; Buzzi et al, 2010).

    Favaretti et al., 2004; Dei Svaldi et al., 2005; Foti e Manassero, 2009, efectuaram numerosos ensaios laboratoriais com a resina de poliuretano expansiva Uretek Geoplus® para determinar as suas principais propriedades físicas e mecânicas.

    A resina expandida e endurecida apresenta um coeficiente de permeabilidade de K=10-8 m/s. Este valor corresponde praticamente à permeabilidade de um solo argiloso. Em solos com uma estrutura não coesiva, a resina reduz a permeabilidade e evita a ocorrência de fenómenos de erosão mecânica por dispersão e dissolução (tubificação).

    A resistência mecânica da resina expandida e endurecida depende do grau de expansão. Para pesos específicos entre 0,5 e 3,3 kN/m³, foram determinados valores de resistência de 0,2 a 6,0 MPa.

    O módulo de elasticidade da resina Uretek Geoplus® é comparável ao de qualquer tipo de solo em que é colocada uma fundação. Pode variar entre 10 e 80 MPa, consoante a densidade obtida após a polimerização da resina.

    Resina

     

    A UTILIZAÇÃO DA RESINA URETEK GEOPLUS® PARA CONSOLIDAR O SOLO

    Assim, pode concluir-se que, após a injeção da resina de poliuretano expansiva Uretek Geoplus®, o volume de solo tratado não modifica as caraterísticas de rigidez e distribuição de forças em profundidade sob a área tratada. Por outras palavras, não há criação de “pontos duros” no solo, e o procedimento Uretek Deep Injections® pode ser considerado adequado em intervenções parciais ou localizadas.

    A injeção de resina de poliuretano expansivo Uretek Geoplus® é adequada para todos os tipos de solos, tanto granulares como coesivos, e para todos os tipos de fundações superficiais: sapatas isoladas, sapatas corridas e ensoleiramento geral.

    A resina é injetada no solo em estado líquido. Quase instantaneamente, é desencadeada uma reação química que implica um aumento de volume e uma mudança de estado de líquido para sólido. A pressão de expansão da resina pode atingir os 10.000 kPa. A reação começa e termina muito rapidamente. Assim, a resina atinge as suas caraterísticas físico-químicas finais em poucos segundos.

    Quando a resina penetra no solo, aumentando de volume, comprime o solo em todas as direções, expansão radial, favorecida pelas vias de menor resistência. A expansão da resina continua até que o solo impeça a continuação da compressão radial. Nessa altura, a única possibilidade de expansão é uma deslocação ascendente do terreno.

    A injeção continua em cada ponto até se observar o início de um princípio de levantamento da estrutura.

    Quando este princípio de elevação é observado, significa que a ação consolidante é dirigida para cima e que esta é a direção de menor resistência, enquanto o solo circundante tem resistências mais elevadas em relação à diminuição da carga da estrutura, o que mostra que o terreno de fundação foi suficientemente compactado para resistir não só ao aumento das cargas estáticas, mas também às que se desenvolvem com o levantamento.

    A consolidação do terreno de fundação é acompanhada por um levantamento inicial da estrutura (décimos de mm), o que permite verificar a eficácia do método em tempo real.

    A injeção é efetuada enquanto a resina ainda se encontra no estado líquido, mas já na fase de expansão. Esta resina tem as seguintes caraterísticas:

    • Força de expansão máxima de 10.000 kPa, o que produz, como foi demonstrado, uma maior densificação do solo, juntamente com a obtenção de pressões de equilíbrio significativamente mais elevadas e, portanto, valores de Nspt mais elevados em comparação com o uso de outros tipos de resinas caracterizadas por uma menor capacidade de expansão.
    • Reação estável e controlada
    • Módulo de elasticidade semelhante ao dos solos
    • Leve, não carrega solo
    • Resistência à compressão muito superior à necessária

    Após a reação química, a resina transmite uma ação de pré-compressão ao terreno, que induz uma diminuição do índice de vazios. E em poucos instantes, aumenta até 10-15 vezes o seu próprio volume, desenvolvendo uma pressão máxima de até 10.000 kPa.

    A força de expansão gerada pela reação química diminui com o aumento do grau de expansão da resina. Isto significa que o grau de expansão é “auto-regulável”, dependendo do confinamento e da resistência encontrada.

    A rapidez da reação de expansão e solidificação não permite que a resina se afaste mais de 2 metros do ponto de injeção. A expansão da resina continua até que o solo em torno da injeção esteja compactado em todas as direções, de modo que rejeite qualquer compressão adicional, fazendo com que a resina se expanda em direção à área menos comprimida do solo, que normalmente é em direção à superfície do solo na “direção vertical ascendente”.

    Consolidação do solo de fundação

     

    ANALISAMOS A FAMÍLIA DE RESINAS URETEK GEOPLUS®

    Uma forma plausível de quantificar e avaliar objetivamente as caraterísticas desta resina consiste em analisar o seu comportamento em função das suas caraterísticas:

    • Propriedades mecânicas.
    • Propriedades químicas.
    • Durabilidade.
    • Comportamento face aos ciclos de humidade e seca.
    • Propriedades mecânicas.

    PROPRIEDADES MECÂNICAS

    1. Resistência à compressão não confinada
    Dependendo da densidade das amostras, verifica-se que o material tem uma resistência à compressão entre 0,2 e 6,0 MPa, Figura 1. Os resultados obtidos não se referem à resistência à rutura, uma vez que o ensaio não determinou a rutura das amostras, mas sim uma grande deformação horizontal.

    GráficoA análise dos resultados obtidos mostra que, à medida que a densidade da resina Uretek Geoplus® aumenta, a resistência à compressão aumenta rapidamente. É de notar que, para valores reduzidos da densidade da resina, a resistência à compressão é bastante elevada e capaz de superar as tensões presentes num terreno.

    A partir das curvas de deformação à compressão, foram calculados os módulos de elasticidade (E) correspondentes a três percentagens de deformações (0,33, 0,67 e 1%). Os resultados obtidos para o módulo de elasticidade oscilam entre 15 e 80 MPa, perfeitamente comparáveis com o módulo de elasticidade de um solo arenoso “de comportamento geotécnico granular”.

    Assim, da análise dos resultados obtidos, pode concluir-se que um solo granular sujeito a tratamento com resina expansiva de poliuretano apresenta um grau de rigidez homogéneo em todo o volume de solo, não se verificando uma redistribuição anómala das tensões aplicadas.

    Os resultados dos ensaios de resistência à compressão não confinada parecem ter uma correlação direta com a densidade da amostra analisada. Verificou-se que amostras com densidades baixas, de cerca de 0,1 g/cm3 (100 kN/m3), correspondem a resistências à compressão tão baixas como 105 kPa.

    Para as amostras cuja densidade do material da espuma variava entre 0,15 e 0,21 g/cm3, as resistências à compressão variavam entre 448 e 470 kPa, respetivamente.

    Expansividade em condições edométricas

    Nas amostras recolhidas, foram obtidos valores de pressão de expansividade entre 0,20 MPa e 10,0 MPa para densidades entre (γ = 0,5 kN/m3 e 10,0 kN/m3).

    O grau de expansão da resina Uretek Geoplus®, injetada no terreno, situa-se entre 200 e 2000 % do volume inicial, sendo o peso específico da resina injetada normalmente entre 0,7 e 3,5 kN/m3.

    O estado de tensão do solo intervencionado determina a pressão de expansão à qual a resina completa a reação de polimerização.

    O peso volúmico sólido da resina, bem como o seu grau de expansão volumétrica, medido no final do processo, são ambos função deste valor de pressão.

    No caso de a reação de polimerização ocorrer num ambiente não confinado (ao ar livre), a resina de alta pressão de expansão consolida-se a uma densidade igual a 0,4 kN/m3 com um grau de expansão volumétrica igual a 30 vezes o seu volume original.

    2. resistência à tração monoaxial

    Para as aplicações atuais do produto, a resistência à tração tem uma importância relativa. Em comparação com os solos naturais, a resina polimerizada tem uma resistência à tração igual à resistência à compressão.

    O ensaio de tração foi realizado em amostras com uma secção transversal reduzida (25 mm), de acordo com a norma UNI 8071. Os valores de resistência à tração determinados para densidades de 0,7 a 5,0 kN/m³ situaram-se entre 0,5 a 8,0 MPa.

    3. Deformação

    Nos ensaios de compressão edométrica, foi determinado o comportamento de deformação da amostra com densidades entre 1 e 3 kN/m³. Durante os ensaios, foi possível delimitar claramente o campo de deformação elástico-linear do campo plástico e determinar as chamadas tensões máximas sustentáveis, sob as quais a deformação plástica ainda não ocorre.

    Para além disso, foi possível calcular os módulos de elasticidade válidos para o campo elástico. A Tabela 2 mostra os resultados para as três densidades de referência.

     
    PROPIEDADES UNIDADES VALORES OBTENIDOS
    Densidade kN/m3 1,0 2,0 3,0
    Tensão máxima N/mm2 0,77 2,20 5,30
    Deformação 0/00 50 40 90
    Módulo de deformação N/mm2 15,4 55,0 58,9

     

    4. Módulo de elasticidade

    O valor do módulo de elasticidade calculado, com base numa deformação vertical de 1 por cento, varia entre 10 e 90 MPa.

    5. Permeabilidade

    A resina Geoplus® pode ser considerada quase impermeável e praticamente estanque.

    PROPRIEDADES QUÍMICAS

    1. Toxicidade

    Com estes resultados, pode concluir-se que as injeções de resina expansiva de poliuretano Uretek Geoplus® não têm qualquer impacto toxicológico no ambiente.

    2. Resistência aos fungos e bactérias

    Os resultados mostram que tem um excelente desempenho contra a colonização por fungos (bolores) e bactérias.

    3. Resistência ao ataque químico

    Apenas em 2 casos (ácido nítrico concentrado e ácido sulfúrico concentrado) não é possível falar de resistência, uma vez que o material foi completamente destruído pelo contacto com estes dois ácidos concentrados. No entanto, estes compostos químicos são muito ativos e podem destruir quase todos os materiais, incluindo o metal.

    4. Compatibilidade ambiental

    Consequentemente, com estas observações, as injeções com a resina Uretek Geoplus® não têm qualquer impacto no ambiente.

    5. Durabilidade

    O teste de envelhecimento acelerado não mostrou nenhuma perda significativa de propriedades. Com base nestes resultados, espera-se que a vida útil da resina Uretek Geoplus® possa exceder os 60 anos.

    6. Comportamento em ciclos de humidade/seca.

    A comparação dos efeitos da alteração da humidade e da injeção de resina com elevada capacidade de expansão no solo mostrou que são bastante semelhantes em termos de aumento da rigidez, mas a maior densidade do solo comprimido pela injeção de resina impede variações volumétricas elevadas.

    A substituição da água do solo por resina reduz significativamente os processos de retração causados pela perda de água em períodos secos, reduzindo o quantidade natural de água.

    Além disso, a influência da expansão da resina num solo homogeneíza os processos de absorção/libertação de água do solo, os efeitos do estado de tensão sob a fundação e a redução da permeabilidade.

    RESUMO DAS PROPRIEDADES DA RESINA URETEK GEOPLUS

    As principais caraterísticas desta resina são:

    • Pressão de expansão/elevada capacidade de expansão: a pressão máxima de expansão da mistura bicomponente é de até 10.000 kPa e diminui à medida que aumenta o grau de expansão, até atingir um estado de equilíbrio no solo.
      Foi estudada a evolução dos valores de NSPT e, como se pode observar, as injeções de resina Uretek produzem uma maior densificação do solo, juntamente com o facto de atingirem pressões de equilíbrio, P*, de valor significativamente superior e, portanto, valores de NSPT mais elevados em comparação com o uso de outro tipo de resina, caracterizado, por outro lado, por uma menor capacidade de expansão.
    • Grau de expansão: o grau de expansão, em função da resistência do solo, situa-se entre 200 e 2000 % do volume inicial injetado.
    • Resistência mecânica: a resistência mecânica da resina expandida e endurecida depende do grau de expansão. Para pesos específicos entre 0,5 e 3,3 kN/m³, foram determinados valores de resistência de 0,2 a 6,0 MPa.
    • Módulo de elasticidade: O módulo de elasticidade calculado, com base numa deformação vertical de 1 %, varia entre 10 e 90 MPa.
    • Estabilidade ao longo do tempo: as intervenções de injeção têm uma garantia de 10 anos. No entanto, os anos de experiência confirmam que o material injetado é resistente para além deste período de garantia.
    • Peso específico: o peso específico da resina injetada depende do grau de expansão e situa-se entre 150 e 300 kg/m³.
    • Permeabilidade: a resina expandida e endurecida tem um coeficiente de permeabilidade de 10-8 m/s. Este valor corresponde à permeabilidade de um solo argiloso. Nos solos com estrutura granular, a resina reduz a permeabilidade e evita a ocorrência de fenómenos de erosão mecânica por dispersão e dissolução.

    Amostras de resina

     

    INJEÇÃO DA RESINA URETEK GEOPLUS

    A resina Uretek Geoplus® é injetada no solo em estado líquido. A resina atravessa o solo aumentando de volume, comprimindo-o em todas as direções, a favor da direção que oferecem menor resistência. Quando o levantamento é observado, significa que a ação consolidante é dirigida para cima e que esta é a direção que oferece a menor resistência, enquanto o solo circundante tem resistências mais elevadas em relação à diminuição da carga da estrutura.

    A injeção continua, em cada ponto, até se observar o início do levantamento da estrutura. O levantamento é o único elemento que permite verificar, em tempo real, a eficácia da injeção.

    Para controlar o “levantamento” da estrutura, são utilizados equipamento de nivelamento a laser, com uma precisão de 0,1 mm, para detetar micro deslocamentos verticais durante a injeção. Estes instrumentos permitem controlar a estrutura em tempo real.

    A interrupção ou paragem da injeção de resina é determinada com base nesta monitorização, o que permite controlar os levantamentos, evitando movimentos indesejados da estrutura durante a injeção.

    Cada intervenção é controlada com um nível laser, a fim de detetar qualquer movimento vertical da estrutura intervencionada. A precisão alcançada é de 0,1 mm.

    A eficácia da injeção é comprovada pelos registos nos sistemas de controlo.

    A reação da estrutura indica que a compactação obtida pela injeção da resina em profundidade é suficiente. A injeção é realizada de forma intermitente.

    São igualmente efetuados ensaios de penetração DPM30 antes e depois da injeção para verificar e quantificar a melhoria obtida.

    Uma vez terminada a injeção, a atividade normal da zona intervencionada pode ser restabelecida.

    GARANTIAS DA RESINA URETEK GEOPLUS

    • Avis Technique 3/15-796: documento análogo (CSTB-França) ao Documento de Aptidão Técnica (assimilável ao DIT-Espanha).
    • Relatório “Estado da arte das injeções de resina expansiva de poliuretano GEOPLUS®” elaborado no âmbito do acordo entre a Universidade Politécnica de Madrid e a Uretek Soluciones Innovadoras SLU, para a execução do projeto “Investigação do método de injeção de resina de poliuretano expansiva em diferentes tipos de solos”.
    • Relatórios e estudos em diferentes países que aprovam o sistema. Presente em mais de 60 países, com mais de 100.000 casos em todo o mundo.