39.ª RAPv/13.º ENACOR

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1 39.ª RAPv/13.º ENACOR Recife/PE - BRASIL - 16 a 19 de setembro de 2008 PROPRIEDADES MECÂNICAS DE DOIS SOLOS LATERÍTICOS ESTABILIZADOS COM CAL, CIMENTO E SILICATO DE SÓDIO AVALIADOS POR MEIO DE ENSAIOS DE COMPRESSÃO SIMPLES Joaquim Mário Caleiro Acerbi 1 ; Maria Elisa Borges Rezende 2 RESUMO: O uso de aditivos químicos em solos destinados à pavimentação visa melhorar as suas características mecânicas e o seu comportamento sob a ação da água. O objetivo deste trabalho foi de estudar o efeito da adição de estabilizantes químicos (cimento e silicato de sódio; cal e silicato de sódio) nas propriedades mecânicas e na absorção de água em dois solos lateríticos da região de Uberlândia, MG. Os solos foram submetidos a ensaios de caracterização a fim de determinar seus índices físicos. Foram ensaiados corpos de provas com 0%, 5% e 10% de cal misturados com um solo argiloso e 0%, 5% e 10% de cimento com um outro solo arenoso, a dosagem de silicato de sódio utilizada foi sempre de 5%, para os dois solos. Foram moldados corpos de prova cilíndricos com 120mm de altura e 100mm de diâmetro, os quais foram curados em câmara úmida por 7 e 28 dias. Após cada período de cura os corpos de prova foram submetidos ao ensaio de compressão simples. O ensaio de absorção de água foi realizado aos 7 dias. Os melhores resultados de resistência à compressão simples e com menores porcentagens de absorção de água foram conseguidos para o solo arenoso estabilizado com 5% de cimento e 5% de silicato de sódio; e 10% de cimento e 5% de silicato de sódio. O solo argiloso estabilizado com 10% de cal e 5% de silicato de sódio apresentou resultado satisfatório quando testado aos 28 dias de cura. Os resultado sugerem um uso bastante promissor na estabilização de solos lateríticos combinando cimento e silicato de sódio para solos arenosos, ou cal e silicato de sódio para solos argilosos. PALAVRAS-CHAVE: solo-cal, solo-cimento, silicato de sódio, resistência à compressão. ABSTRACT. The application of chemical stabilizers in soil aims improving mechanical characteristics and water influence. The objective of this work was study the effect of chemical additives, lime, and cement, associated or not with sodium silicate, on mechanical properties in two lateritic soils of Uberlândia, MG, Brazil. The soils were submitted to tests to determine its main soil mechanics indexes. The lime and cement rates mixture were 0%, 5% and 10%, and the sodium silicate rate was 5%. Cylindrical specimens with 120 mm height and 100 mm diameter were molded and cured in a humidity chamber for 7 and 28 days. After, specimens were submitted to compressive tests and Water absorption tests. Goods results were obtained for both soils, but the best results were obtained for the sandy soil when cement was added to sodium silicate. The results showed a promising use of sodium silicate to improve strength of soils when added with lime to clayey soil and with cement to sandy soil. KEY WORDS: soil-cement, soil-lime, sodium silicate, compressive strength. 1 Professor da Faculdade de Engenharia Civil Universidade Federal de Uberlândia acerbi@ufu.br 2 Professora da Faculdade de Engenharia Civil Universidade Federal de Uberlândia melisa@ufu.br

2 INTRODUÇÃO A estabilização do solo corresponde a qualquer processo, natural ou artificial, pelo qual um solo, sob efeito de carregamento externos, se torna mais resistente à deformação e ao deslocamento, quando comparado ao solo original. Pode-se optar por uma estabilização natural ou mecânica pela substituição ou acréscimo de um material de uma certa faixa granulométrica, fazendo-se uma estabilização granulométrica, ou escolher elementos químicos que misturados ao solo, promovam reações químicas que melhorem as suas propriedades geotécnicas. Sendo que esse processo, conhecido como de estabilização química, consiste basicamente na adição de um ou mais compostos ao solo como objetivo de melhorar seu comportamento constitutivo. Dentre as técnicas de estabilização química citam-se a de solo-cimento, a do solo-cal, a do solo-betume, a do solo-resina, a estabilização com cinza volantes ( fly ash ) e escórias de alto forno ( blast furnace slag ), a estabilização com o emprego com sais (cloretos), ácidos (ácido fosfórico), lignina, silicatos de sódio ( water glass ), aluminatos de cálcio, sulfatos de potássio, óxidos de ferro e cinzas pozolânicas de turfas, entre outros, segundo Guimarães (2002). Então, geralmente, já é de conhecimento das pessoas que pesquisam e trabalham na área técnica de pavimentação e construção civil, que a cal e o cimento são aditivos químicos empregados com vistas à estabilização de solos, melhorando suas propriedades de resistência mecânica e diminuindo a sua deformação quando submetido a carregamento, inclusive com normas específicas de avaliação de resistência e cura, NBR 12024, NBR Por sua vez, o tratamento com silicato de sódio favorece as reações do quartzo com os estabilizados alcalinos, tais como a cal e o cimento Portland, melhorando ainda mais as características de resistência e deformação, Ren & Kagi (1995). Então, através de pesquisa bibliográfica e por constatação empírica e prática, nota-se que a presença ou não de aditivos, além da granulometria, da classificação do solo, e as condições de execução, melhoram muito o comportamento dos solos utilizados com bases, sub-bases ou subleitos em pavimentação de rodovias e vias urbanas. Independentemente do uso, os solos devem apresentar certas propriedades físicas e mecânicas relacionadas à estabilidade volumétrica, resistência e durabilidade. Os solos argilosos, em geral, não apresentam essas propriedades e uma das alternativas é promover sua estabilização. A estabilização com a cal é o método comumente aplicado em solos que contém uma significativa fração argila, sendo que o cálcio, principal componente da cal, ataca quimicamente parte das argilas e até mesmo o quartzo, resultando na formação de silicatos e aluminatos hidratados de cálcio, de notável capacidade cimentante pozolânica, Guimarães (2002). Geralmente, as reações envolvidas sãos as de floculação/aglomeração, seguidas das trocas iônicas entre as argilas e a cal, que resultam na alteração de suas propriedades geotécnicas, como o aumento do limite de o plasticidade, diminuição do limite de liquidez e do índice de plasticidade, aumento do teor de umidade ótima e diminuição da massa específica seca, e aumento da resistência, durabilidade e estabilidade volumétrica. Posteriormente, ocorre a formação de composto químicos sílicoaluminosos pelo a ataque da cal aos minerais argilosos e ao quartzo, e simultaneamente, ocorrem os fenômenos de carbonatação, com ataque do anidrido carbônico, presente no ar e na água de infiltração, Web (1992) e Guimarães ( 2002).

3 Os resultados da estabilização variam dependendo da natureza dos minerais de argila e são melhores sob alta concentração de silicatos de alumínio, sílica e hidróxido de ferro, Mendonça et al, (1998). Por outro lado, o tratamento do solo com álcalis fortes favorece as reações do quartzo com os estabilizadores alcalinos, tais como a cal e o cimento portland, podendo a resistência inicial ser muito aumentada, Freire (1976). Segundo Freidin e Erell (1995), O silicato de sódio ( Na SiO 2 3), o carbonato de sódio ( Na CO 2 3) e o hidróxido de sódio ( NaOH )são álcalis usualmente associados ao cimento e à cal com a finalidade de estabilização química dos solos. Assim, com base nessa premissa, e nestes autores, o álcali, silicato de sódio, foi escolhido inicialmente para ser usado neste estudo de estabilização de um solo argiloso misturado com cal e de outro solo arenoso misturado com cimento, principalmente porque ele reage com os sais solúveis de soluções aquosas para formar silicatos de cálcio gelatinosos insolúveis, e esse silicato de cálcio hidrata agentes cimentantes, melhorando a estabilidade do solo, preenchendo seus vazios e expulsando a água do solo. O cimento é uma substância alcalina composta basicamente de silicatos e aluminatos de cálcio que, por hidrólise, dão origem a compostos cristalinos hidratados e gel. Os silicatos e aluminatos liberam hidróxido de cálcio durante a reação com água e os cristais que se formam apresentam formas alongadas prismáticas de monossilicatos de cálcio hidratados e de aluminatos hidratados. Durante o processo de hidratação forma-se uma estrutura de cristais responsáveis pela resistência típica das pastas, argamassas e concreto, Taylor (1992). Então, o objetivo do trabalho foi e de verificar o efeito da adição de elementos químicos, estabilizantes de solos, inicialmente cal, e, posteriormente, cal e silicato de sódio para um solo fino, silto areno argiloso; e inicialmente cimento, e cimento e silicato de sódio para um solo mais granular, arenoso, através da determinação da resistência à compressão simples, e de seu comportamento com relação à absorção d água. Em trabalhos futuros serão utilizados os álcalis carbonato de sódio e hidróxido de sódio misturados ao solo argiloso com cal, ao solo arenoso com cimento, substituindo o silicato de sódio para uma análise comparativa do desempenho de cada álcalis. MATERIAIS, MÉTODOS E RESULTADOS A parte experimental deste trabalho foi realizada nos laboratórios de geotecnia e de materiais da Faculdade de Engenharia Civil da Universidade Federal de Uberlândia (UFU), Uberlândia, MG. Foram estudados dois solos lateríticos do município de Uberlândia, MG, que através de uma identificação inicial táctil visual foram classificados como um solo fino, silto-areno-argiloso (será referenciado como solo argiloso), e um solo mais granular, como areia siltosa( denominado simplesmente de solo arenoso). Os solos foram submetidos a testes, em conformidade com as normas específicas da ABNT, para os ensaios de caracterização, umidade natural, distribuição granulométrica, peso específico dos sólidos, limites de liquidez e plasticidade, pesos especifico aparente seco máximo e umidade ótima de compactação, o ensaio de Proctor normal, cujas curvas obtidas são mostradas a seguir, nas figuras 1 e 2.

4 PESO ESPECÍFICO SECO (kn/m3) x TEOR DE UMIDADE (%) Peso Específico seco (kn/m3) 16, , , , , Teor de Umidade (%) Peso Específico Seco (kn/m3) para adição de 0% de cal Peso Específico Seco (kn/m3) para adição de 5% de cal Peso Específico Seco (kn/m3) para adição de 10% cal Figura 1. Curvas de compactação para solo argiloso natural e para solo adicionado com 5% e 10% de cal. PESO ESPECÍFICO SECO (kn/m3) x TEOR DE UMIDADE (%) 21 Peso Específico seco (kn/m3) Peso Específico Seco (kn/m3) para adição de 0% de cimento Peso Específico Seco (kn/m3) para adição de 5% de cimento Peso Específico Seco (kn/m3) para adição de 10% cimento Teor de Umidade (%) Figura 2. Curvas de compactação para solo arenoso natural e para solo adicionado com 5% e 10% de cimento. O resultados das características geotécnicas dos solos utilizados são apresentados na tabela 1, abaixo.

5 TABELA 1 Caracterização dos solos utilizados Índices físicos Arenoso Argiloso Umidade natural 3,25% 16,65% Massa específica dos grãos 26,5kN/m 3 28,9kN/m 3 Limite de Liquidez (LL) NP 49,78% Limite de Plasticidade (LP) NP 34,23% Índice de Plasticidade (IP) NP 15,55% Distribuição Granulométrica Pedregulho (> 2mm) 0% 0% Areia (0,06 2 mm) 69,21% 34,37% Silte(0,002-0,06 mm) 21,98% 36,76% Argila (<0,002 mm) 8,81% 28,87% Porcentagem (< 0,074 mm) 31,87% 66,61% (passante na peneira 200) Compactação no Proctor Normal 0% (natural) 19,75 kn/m 3 15,85 kn/m 3 Peso específico 5% cimento 19,85 kn/m 3 - aparente máximo 10% cimento 19,90 kn/m 3 - ( kn/m 3 ) 5% cal - 15,74kN/m 3 10% cal - 15,63kN/m 3 0% (natural) 10,80% 24,50% Umidade ótima 5% cimento 10,40% - de Compactação 10% cimento 10,10% - 5% cal 25,76% 10% cal - 27,05% Descrição visual-táctil dos solos Areia Siltosa Silte areno argiloso Classificação Unificada SM CL Classificação pelo Sistema rodoviário A3 A7-5 (HRB

6 Como aditivos químicos foram utilizados: Cal cálcica hidratadas (CH-I) de acordo com a NBR 7175, (ABNT 1992); Cimento Portland (CPII E 32 ) de acordo com a norma NBR 11578, (ABNT 1991);e Silicato de sódio alcalino de composição química 63% de óxido de silício (SiO2), 18% de óxido de sódio (Na2O) e uma relação sílica:álcalis de 3,5: 1. Para os ensaios de compressão simples foi utilizada a máquina universal de ensaios do laboratório de matérias da Faculdade de Engenharia Civil. Para obtenção das curvas de compactação, e para a obtenção de corpos de prova para os ensaios de compressão, os teores de cimento (5% e 10%), utilizados na mistura com o solo arenoso, e os teores de cal (5% e 10%) utilizados na mistura com o solo argiloso, foram adicionados às massas secas de solo arenoso e solo argiloso, respectivamente. Cada mistura foi devidamente homogeneizada. O silicato de sódio (5%) foi medido em relação ao peso da mistura que estava sendo preparada e diluído na água de amassamento que correspondeu à diferença entre os teores de água ótima e a natural do solo para cada um dos casos analisados. Corpos de prova com 120 mm de altura e 100 mm de diâmetro foram moldados de acordo com a NBR 12024, (ABNT 1990a). Para os ensaios de compressão simples, foram moldados dois (2) corpos de prova para cada solo natural, para cada mistura solo-cal, solo-cimento, e para cada mistura de solo cal com silicato de sódio e solo cimento e silicato de sódio, para ruptura a sete (7) dias e vinte e oito (28) dias, num total de quarenta (40) corpos de prova. Após a moldagem os corpos de prova foram submetidos à cura em câmara úmida (temperatura = 22ºC +/- 2ºC e umidade relativa de 90%+/-) por sete (7) e vinte e oito (28) dias. Após esse período os corpos de prova foram rompidos à compressão simples, sendo que quatro horas antes do rompimento, foram imersos totalmente em água, conforme prescrição da NBR 12025, (ABNT 1990b), com exceção para os corpos de prova sem aditivo (testemunhas), que foram rompidos diretamente sem imersão em água. A resistência à compressão simples foi calculada individualmente para cada corpo de prova, dividindo-se a carga de ruptura pela sua área transversal. Em seguida calculou-se a resistência média. Para os testes de absorção de água foram moldados dois (2) corpos de prova para cada mistura, num total de vinte (20) corpos de prova. Os ensaios de absorção foram feitos após um o período de cura de sete (7) dias em câmara úmida. Os corpos de prova sem aditivo químicos durante os testes de absorção se desfaziam assim que eram imersos na água. Estes ensaios de absorção foram executados com o procedimento de imersão total em água, durante 24 horas. Isso, após um período de cura de sete dias. Os corpos de prova eram pesados antes e depois da imersão em água, anotando-se suas massas úmida e saturada. Posteriormente, foram secos em estufa a 105ºC, até a constância de peso, para determinação se suas massas secas. A diferença percentual entre a massa saturada e a massa seca correspondeu ao valor de sua capacidade total de absorção d água. A absorção parcial correspondeu à diferença de percentagem de água entre a amostra saturada e amostra após o período de cura em câmara úmida, antes da imersão total em água. Os valores médios de resistência à compressão e capacidade de absorção parcial e total dos corpos de prova utilizados são apresentados nas tabelas 2 e 3, respectivamente.

7 Porcentagens dos materiais nas misturas (mistura soloaditivo) Tabela 2 Valores médios da resistência à compressão simples. 7 dias de cura em câmara úmida Resistência à Compressão Simples RCS (MPa) Solo argiloso 28 dias de cura em câmara úmida 7 dias de cura em câmara úmida Solo arenoso 28 dias de cura em câmara úmida 0% de cal * 1,42 1, % de cal 0,65 0, % de cal 0,88 0, % de cal % de S.S. 0,85 1,07 10% de cal % de S.S. 1,62 2,31 0% de - - 1,25 1,42 cimento* 5% de cimento - - 0,62 1,28 10% de - - 1,82 2,81 cimento 5% de cimento % de S.S.** 1,38 2,45 10% de - - cimento + 5% de S.S.** 3,11 3,65 * cura ao ar livre. S.S.** silicato de sódio. Porcentagens dos materiais estabilizantes (mistura solo-aditivo) Tabela 3 Valores médios de absorção d água Absorção d água (%) (Imersão em tanque após cura em câmara úmida por 7 dias) Solo argiloso Solo arenoso Parcial Total Parcial Total 5% de cal 2,1 27, % de cal 1,8 28, % de cal + 5% de S.S.** 1,6 25, % de cal + 5% de 1,5 23,8 - - S.S.** 5% de cimento - - 1,84 10,06 10% de cimento - - 2,04 9,88 5% de cimento + 5% de - - 0,85 11,66 S.S.** 10% de cimento + 5% de S.S.** 0,5 11,26 * solos sem nenhuma adição sofreram amolecimento e descaracterização geométrica, (se desfaziam) durante a imersão na água. S.S.** silicato de sódio

8 ANÁLISE DOS RESULTADOS Observando-se os resultados expostos na tabela 2, constata-se que os valores de resistência à compressão simples aumentam com o tempo de cura e com o aumento da teor adição de elementos químicos estabilizantes, cal, cimento e a combinação dos dois elementos com o silicato de sódio. Os melhores resultados foram encontrados para o solo arenoso estabilizado com 10% de cimento e 5% de silicato de sódio. É importante e interessante notar que os dois solos sem adição, quando curados ao ar livre, no ambiente de laboratório, apresentaram valores elevados para a resistência à compressão simples, sendo que o solo argiloso se apresentou mais resistente do que o solo arenoso. Atribuímos tal comportamento ao alto grau de ressecamento das amostras, e ao efeito de sucção interna devido às tensões superficiais que se formam internamente em solos não saturados, criando uma coesão aparente alta, principalmente em solos mais finos. Esse efeito foi possível por que as amostras não foram imersas em água durante quatro horas, conforme prescreve a NBR 12025, (ABNT 1990). Os corpos de prova sem adição praticamente se desfaziam assim que eram imersos, embora o solo argiloso se apresentou mais estável, demorando mais para amolecer e perder consistência. Em termos de resistência à compressão simples, para o solo fino, somente a adição de 10% de cal e 5% de silicato de sódio, para cura de 28 dias, 2,31MPa, atendeu a especificação da norma NBR 08491, (ABNT 1992a), que prescreve uma resistência mínima de 2,0 MPa para tijolos prensados de solo-cimento. Para o solo arenoso, mais granular, a adição somente de 10% de cimento, já garante uma resistência maior do que a indicado pela norma NBR 08491, (ABNT 1992a) onde se observou uma resistência de 2,81MPa, aos 28 dias de cura. Mas é importante salientar que a adição de silicato de sódio proporciona um aumento significativo na resistência à compressão simples, 2,45 MPa, aos 7 dias; e 3,65Mpa, aos 28 dias, quando comparadas com as amostras moldadas inicialmente com 5% e 10% de cimento, para o solo arenoso. Para as amostras com 5% e 10% de cal, para o solo argiloso, verifica-se um aumento expressivo de resistência quando se adiciona silicato de sódio à mistura. Na análise do comportamento da absorção d água, tabela 3, o solo fino apresenta uma capacidade de absorção bem mais acentuada quando se comparado com o solo arenoso, devido à alta porosidade desse material, principalmente quando tratado com cal, e devido à sua própria mineralogia que atrai as moléculas de água. O material mais granular atende a especificação da norma NBR 08491, (ABNT 1992a) que estabelece, como valor máximo, o valor médio de 20%, e nenhum valor superior a 22%, para absorção de água, o que já não ocorre com o material mais fino. Assim, somente os corpos de prova de solo arenoso estabilizadas somente com cimento, ou com cimento e silicato de sódio, apresentam resultados médios satisfatórios com relação à absorção d água, atendendo o preconizado pela NBR 08491, (ABNT 1992a).

9 CONCLUSÕES O solo arenoso com 10% de teor de cimento associado a 5% de silicato de sódio produziu os melhores resultados em termos de resistência à compressão simples, embora a capacidade de absorção de água seja um pouco maior do que a mistura só com cimento. Os maiores valores de resistência à compressão simples, 3,65 Mpa, foram obtidos para esse caso, 10% de cimento e 5% de silicato de sódio, aos 28 dias. De um modo geral, os valores de resistência à compressão simples aumentaram com acréscimo do teor de cimento, e mais ainda com adição simultânea de cimento com silicato de sódio, para o solo arenoso.comportamento semelhante acorreu para o acréscimo do teor de cal, e de cal com silicato de sódio, para o solo argiloso. O silicato de sódio afetou fortemente o comportamento mecânico dos dois solos ensaiados promovendo ganhos consideráveis na compressão simples. Outros estudos serão necessários para verificar o comportamento do ganho de resistência a mais longo prazo, principalmente para a mistura solo mais fino com cal, devido às reações pozolânicas possíveis de ocorrer, e que poderão melhorar o desempenho mecânico ao longo do tempo. O comportamento quanto à absorção de água também deverá ser mais bem estudado, principalmente com relação a solos mais finos. O bom comportamento mecânico dos corpos de prova sem adição química se deveu basicamente ao efeito de ressecamento do solo e ao efeito combinado de sucção interna, típico de solos lateríticos não saturados. Com relação ao preconizado pela norma NBR (ABNT 1992b), com relação à resistência à compressão simples, solo argiloso, somente aqueles corpos de prova tratados com 10% de cal e 5% de silicato de sódio atenderam a especificação de resistência à compressão maior do 2,0 Mpa, aos 28 dias, atingindo um valor médio de 2,31Mpa, embora apresente um valor de 1,62 Mpa, aos sete dias de cura. Os resultados da resistência à compressão simples para o solo argiloso estabilizados somente com cal (5% e 10 %) estão coerentes com os estudos iniciados pelos autores em janeiro de 2000, e apresentados na 10ª Reunião de Pavimentação Urbana, ocorrido em Uberlândia, MG, de 08 a 11 de agosto.

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