Aula 05 SOLO CAL. Eng. Civil Augusto Romanini (FACET Sinop) Sinop - MT 2016/1

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1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO CAMPUS DE SINOP FACULDADE DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGIAS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL TÉCNICAS DE MELHORAMENTO DE SOLOS Aula 05 Eng. Civil Augusto Romanini (FACET Sinop) Sinop - MT 2016/1

2 Conceito inicial O uso de misturas solo cal é recorrente a cerca de 5000 anos. Na Roma antiga o uso para fins rodoviários ocorre a cerca de 2000 anos. Os Estados Unidos da América em 1924 e a antiga União Soviética em 1926, também utilizaram a técnica solo-cal. A partir da Segunda Guerra Mundial ocorreu uma padronização do processo e sua respectiva utilização: USA: a utilização consistia na melhoria de cascalhos argilosos e tratamento de subleitos para funcionar como sub-base. Europa: utilizado para melhorar a trabalhabilidade de solos muito úmidos África : melhoria na existência e tratamento da expansão de solos. No Brasil, o uso ocorreu apenas a partir da década de /03/2016 2

3 Conceito inicial A utilização de cal em misturas é semelhante a utilização do cimento. Tendo assim, nomenclaturas semelhantes: Estabilização do subleito: 3 a 6%. Estabilização da base ( sub- base e reforço): 2 a 4% Modificação de solos pela adição do cal: umidade excessiva Estabilização profunda: injeção de cal sob pressão (controle da expansão de solos instáveis) Colunas de solo-cal: diminuem os recalques. Lime Slurry Pressure Injectios LSPI: forma uma rede de sustentação. Solo cal: 5% a 6% - Predomínio da pozolanização. Solo melhorado com cal: modificação na plasticidade e sensibilidade a água. 03/03/2016 3

4 Conceito inicial De acordo com o grau de estabilização e em função dos materiais utilizados, Little (1995) classifica a estabilização com cal em três técnicas descritas na continuação: Estabilização do Subleito: refere-se à estabilização in loco de solos finos do subleito ou materiais de empréstimo utilizados como sub-bases, como por exemplo, argilas e siltes de baixa capacidade de suporte. Essa técnica permite obter uma plataforma de trabalho para a construção das próximas camadas de pavimentos, e em alguns casos pode ser considerada como uma camada estrutural que contribui para o alivio de tensões e deformações. Para obter o teor ótimo de cal a ser utilizado nessa técnica são utilizados ensaios laboratoriais empíricos. Estabilização da Base: essa técnica implica a melhora da resistência do solo, considerado inapropriado a princípio para a construção de bases de pavimentos. Os materiais utilizados podem ser misturas de agregados graúdos com argila, agregados sujos ou outros materiais com excessos de finos passando na peneira de No. 40. O teor de cal utilizado é determinado em laboratório através de ensaios que permitam avaliar o ganho de resistência. 03/03/2016 4

5 Conceito inicial Modificação dos solos: nessa técnica objetiva-se melhorar a trabalhabilidade dos materiais por meio da adição de pequenas quantidades de cal. A modificação dos solos é empregada nos casos em que pretende-se: Facilitar a compactação em áreas muito úmidas; Facilitar o passo da construção através de subleitos moles; Prover uma plataforma de trabalho para as camadas subsequentes; Tratar o solo para facilitar a adição de outros agentes estabilizantes, como cinzas ou cimento Portland. Segundo Baptista (1976), a estabilização de solos com cal é um método que visa melhorar permanentemente as características do solo, aumentar a resistência à ação da água e incrementar a capacidade de suporte. Os materiais componentes deste método são: a cal, o solo e a água. A estabilização com cal é mais efetiva em solos que apresentam elevado conteúdo de argilas, especialmente se são do tipo montmorillonita. De modo geral, as areias não reagem com a adição de cal hidratada devido à ausência de argilo minerais. Contudo, misturas de solo areia e até solo agregado podem ser estabilizadas com cal, desde que apresentem quantidades adequadas de argilas reativas. 03/03/2016 5

6 Conceito inicial Cales Utilizadas: Virgem (viva) Riscos Operacionais Hidratada(extintas) Residual Economia X Qualidade Hidráulica Cal de carbureto Não aceita no mercado Melhor Cal? 03/03/2016 6

7 Conceito inicial Cales Utilizadas: Melhor Cal? Cal Hidratada Calcítica Hidratada(extintas) Cal Hidratada - Dolomítica 03/03/2016 7

8 Reações Troca catiônica - Floculação Partícula de argila Face negativa da partícula de argila Íons de sódio Espaçamento original Água dipolar Íons de cálcio Redução do espaço depois da reação com água na camada. 03/03/2016 8

9 Reações Troca catiônica - Floculação 03/03/2016 9

10 Reações Reações Pozolânicas 03/03/

11 % de Hidróxido de cálcio Solo-Cal Reações Reações Pozolânicas Cal externa Cal Interna Cimento externo Cimento interna Dias ( Escala Log) Ganho de partículas de cálcio em uma argila com grumos estabilizado com 3% de cal e 3% de cimento. 03/03/

12 Reações Cal Viva CaO Hidratação Troca iônica Cimento Natural Cimentação Carbontação Carbontação 03/03/

13 Aplicações A aplicação da técnica solo cal pode ser como agente estabilizante principal ou secundário (Benefícios e mecanismos de estabilização como as trocas iônicas, carbonatação e pozolanização.) São fatores que influenciam: Propriedades naturais do solo Mineralogia Minerais que favoreçam as reações pozolânicas ( montimorilonita) Solos tropicais Baixa ocorrência dos grupos minerais, e acidez. 03/03/

14 Aplicações A aplicação da técnica solo cal pode ser como agente estabilizante principal ou secundário (Benefícios e mecanismos de estabilização como as trocas iônicas, carbonatação e pozolanização.) São fatores que influenciam: Propriedades naturais do solo Tipo e teor de cal Tempo e condições de cura Reatividade do solo Compactação Temperatura e umidade Matéria orgânicas Solos argilosos 03/03/

15 Aplicações Propriedades naturais do solo Em geral utilizada em solos argilosos Quanto mais plástico for o solo, maiores os benefícios devidos à adição de cal Solos de granulometria média, moderadamente fina e fina Efeitos plasticidade, trabalhabilidade expansibilidade, resistência 03/03/

16 Aplicações Tempo e condições de cura Temperaturas inferiores a 16ºC 18ºC retardam as reações enquanto que temperaturas superiores aceleram-nas. 03/03/

17 Aplicações Reatividade do solo Quando há presença de matéria orgânica ela pode reagir com o solo, normalmente se esta porcentagem for maior que 1%. Influencia o normal e eficaz o desenvolvimento da ação de cimentação. Efeito de máscara, provocado pelos cátions orgânicos sobra as partículas de argila e reduzindo a dissolução da sílica e alumina. Quando os solos são reativos, o ganho de resistência na energia Proctor normal é maior que 345 kpa. Quando os solos são não-reativos, o ganho de resistência na energia Proctor normal é menor que 345 kpa. O melhoramento da trabalhabilidade ocorre com adição de Cal, mesmo ocorrendo um menor ganho na RCNC e no ISC. 03/03/

18 Dosagem Lima, Röhm e Bueno: o Solos reativos: compressão simples (energia Proctor Normal); o Melhoramento da trabalhabilidade com menor ganho de resistência: compressão simples (energia Proctor Normal) + parâmetros obtidos no ensaio CBR; Outros métodos: o Método do Ph: tem como princípio básico adicionar quantidade de cal suficiente para assegurar um ph de 12,4 para a ocorrência das reações pozolânicas (Eades e Grim); SOLOS TROPICAIS 03/03/

19 Dosagem Método de Eades e Grim Amostras de 20g, passante na peneira de 0,42 mm % de cal 2%, 3%, 4%, 5% e 6% Mistura 20g solo + % cal ml água Após 1h de cura mede-se o ph da mistura Teor de cal de projeto ph 12,40 ou12,30 03/03/

20 Dosagem Método do Departamento de Rodovias da Califórnia DIFERENTES TEORES AASHTO-180 Kneading Compactor 60<Valor R<80 Finalidade Teor de Cal: C + 1% 03/03/

21 Dosagem Método do Departamento de Rodovias de Illinois RCNC AASHTO T-99 Cura: 48 horas a 48,9ºC RCNC Solo+3% de Cal>RCNC Solo Natural Maior quanto? 345 kpa! RCNC Solo+3% de Cal>RCNC Solo Natural Teor de Projeto Base: 1030 kpa Sub Base : 690 kpa Caso não atenda, acrescentar 0,5% a 1% 03/03/

22 Dosagem Método do Departamento de Rodovias da Lousiana Base: RCS mínima de 690 kpa. Sub-base: RCS mínima 345 kpa. Ciclo de cura das misturas compactadas: sete dias em câmara úmida; oito horas de secagem à temperatura de 60 C; resfriamento por oito horas; ensaio de capilaridade imersa por 10 dias, com pressão de confinamento de 6,9 kpa (AASHTO-212). Após o ciclo de cura os corpos de prova são ensaiados a compressão simples. Modificação do subleito Método do ph (Eades e Grim) + Redução do IP a 10% Teores: 3, 5, 7 e 10% Mistura, Secagem e determinação do LL e LP Não especifica resistência mínima 03/03/

23 Dosagem Método do Departamento de Rodovias de South Dakota Determinação do teor ótimo de cal através de método similar ao método proposto por Eades e Grim Mede-se o desenvolvimento de resistência através do ensaio CBR (AASHTO T- 99) CBR SOLO NATURAL > 3 ou 4 CBR MISTURA 03/03/

24 Dosagem Método do Departamento de Rodovias do Texas (TxDOT) Critério de Resistência: Método da Lousiana Cura: 7 dias em câmara triaxial à temperatura ambiente. Secagem: Em temperatura menor que 60º C, por cerca de 6 horas, perdendo de 1/3 até ½ umidade de moldagem. Resfriamento do corpo de prova por 8 horas. Ação Capilar: Atuando sob uma pressão de confinamento de 6,9 kpa ( 10 dias) Rompimento: AASHTO T /03/

25 Dosagem Método do Departamento de Rodovias da Virgínia Moldagem de vários corpos de prova em vários teores de cal, os quais tiveram seus parâmetros de compactação determinados através do ensaio AASHTO T-99 Cura durante 72 horas a uma temperatura de 48,9 C (umidade elevada em recipiente fechado) Rompimento dos corpos de prova em compressão simples RESISTÊNCIA MÍNIMA > 1050kPa 03/03/

26 Dosagem Método de Thompson Para serem utilizadas como camadas de base ou sub-base as misturas solo-cal devem apresentar ganhos na resistência a compressão simples em relação ao solo natural de pelo menos 34,5 N/cm² RESISTÊNCIA MÍNIMA BASE > 1050 kpa 03/03/

27 Dosagem Método de Thompson O teor de cal para (b) pode ser de 5% ou valor determinado no ensaio PH 03/03/

28 Dosagem Método de Thompson Ensaios de IP conduzidos 1 horas após a mistura solocal-água 03/03/

29 Dosagem Método de Thompson Uma estimativa do teor ótimo de cal pode ser obtido através do ensaio de PH. 03/03/

30 Dosagem Método de Thompson Depende do objetivo da estabilização 03/03/

31 Dosagem Método de Thompson A cura dos corpos de prova para o ensaio CBR, antes da imersão, é opcional, dependendo do objetivo da estabilização 03/03/

32 Dosagem Método de Thompson As considerações sobre a expansão têm grande importância nos subleitos modificados com cal. 03/03/

33 Dosagem Método de Thompson 03/03/

34 Dosagem Método de Thompson RCNC 1 (a) Solo natural (b) Solo+cal; cura por 48h a 490 C Incremento de resistência 345 kpa Solo não reativo (solo melhorado com cal) > 345 kpa Solo reativo (mistura solo-cal) 1 O teor de cal para (b) pode ser 5% ou valor determinado no ensaio ph

35 Dosagem Método de Thompson Método de Thompson 345 kpa Solo não reativo (solo melhorado com cal) IP % de cal Análise de IP PORCENTAGEM DE CAL DE PROJETO 4 (a) % acima da qual acréscimos de cal não resultam em redução do IP (b) % de cal que resulta em redução aceitável de IP TESTES OPCIONAIS 5 (a) ISC (b) Expansão ISC 2 Ensaios IP conduzidos 1h após a mistura solo-cal-água 4 Depende do objetivo da estabilização 5 Cura dos cp s, antes da imersão, é opcional. Expansão é importante nos subleitos PORCENTAGEM DE CAL DE CAMPO Adição de 0,5 a 1,0% acima do teor de projeto para suprir perdas construtivas, distribuição desigual, etc.

36 Dosagem Método de Thompson Método de Thompson >345 kpa Solo reativo (mistura solo-cal) PORCENTAGEM DE CAL DE PROJETO % acima da qual acréscimos de cal não resultam em acréscimo significativo de resistência RCNC % de cal VERIFICAÇÃO DA RCNC DA MISTURA Conforme Tabela Análise de RCNC 6 Uma estimativa do teor ótimo de cal pode ser obtida com o ensaio ph de Eades e Grim

37 Método de Thompson Uso previsto RCNC residual 1 kpa RCNC (imersão 8 dias) 2 kpa Modificação do subleito Sub-base (Pavimento rígido) 140 Sub-base (Pavimento flexível) Espessura (m) 3 0,254 0,203 0, Base Após o primeiro inverno 2 RCNC mínima após o final da cura no campo 3 Espessura total sobre a sub-base (dist. tensões Boussinesq) 4 Resistência à flexão a ser utilizada no dimensionamento

38 Dosagem Método de Thompson Método de Thompson >345 kpa Solo reativo (mistura solo-cal) PORCENTAGEM DE CAL DE PROJETO % acima da qual acréscimos de cal não resultam em acréscimo significativo de resistência RCNC % de cal Análise de RCNC VERIFICAÇÃO DA RCNC DA MISTURA Conforme Tabela AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES DE PROJETO DA MISTURA Conforme correlações a seguir 6 Uma estimativa do teor ótimo de cal pode ser obtida com o ensaio ph de Eades e Grim

39 5. Solo-cal Dosagem Método de Thompson

40 Dosagem Método de Thompson Método de Thompson >345 kpa Solo reativo (mistura solo-cal) PORCENTAGEM DE CAL DE PROJETO % acima da qual acréscimos de cal não resultam em acréscimo significativo de resistência RCNC % de cal Análise de RCNC VERIFICAÇÃO DA RCNC DA MISTURA Conforme Tabela AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES DE PROJETO DA MISTURA Conforme correlações a seguir 6 Uma estimativa do teor ótimo de cal pode ser obtida com o ensaio ph de Eades e Grim PORCENTAGEM DE CAL DE CAMPO Adição de 0,5 a 1,0% acima do teor de projeto para suprir perdas construtivas, distribuição desigual, etc.

41 Dosagem Uso Previsto Modificação do Subleito Sub-Base Resistência Residual 1 Exigida (N/cm²) Resistência à Compressão Necessária para várias Condições de Serviço Previstas 2 Imersão 8 dias (N/cm²) Ensaio Cíclico de Gelo-Degelo 3 3 Ciclos (N/cm²) 13,8 34,5 34,5 Pavimento Rígido 13,8 34,5 34,5 Pavimento Flexível 4 Espessura Espessura total do pavimento sobre a subbase, obtida da distribuição de tensões propostas 25,4 cm 20,7 41,4 41,4 20,3 cm 27,6 48,3 48,3 12,7 cm 41,4 62,1 62,1 Base 68,9 5 89,6 89,6 7 Ciclos (N/cm²) 62,1 34,5 62,1 34,5* 68,9 41,4* 75,8 51,7* 89,6 68,9* Ciclos (N/cm²) 82,7 82,7 89,6 96, /03/

42 Durabilidade Principais métodos de avaliação: Perda de peso (forças de retração, molhagem e secagem) Perda de resistência ( forças de expansão, gelo-degelo) No Brasil para avaliação da durabilidade de solos estabilizados usam como base ensaios de molhagemsecagem 03/03/

43 Durabilidade Principais métodos de avaliação Principais métodos de avaliação por molhagem e secagem: Método da ABCP Método de Iowa Método proposto por Marcon 03/03/

44 Durabilidade Método de Iowa 6 cp s (0,05m diâmetro por 0,05m altura), curados em câmara úmida durante 14 dias Metade dos cp s são submetidos a ciclos de molhagem e secagem Metade fica curando em câmara úmida 03/03/

45 Durabilidade Método de Iowa Ciclos de 48h 24h de imersão em água destilada e 24h de secagem ao ar Ao final dos ciclos (6 ou 12) cp s são imersos por 24h RCNC Avaliação é feita com base no coeficiente de durabilidade Cd Cd > 80% 03/03/

46 Durabilidade Método de Marcon,1977 Mínimo de 6 cp s, curados em câmara úmida durante 90 dias Metade dos cp s são submetidos a ciclos de molhagem e secagem Metade fica curando em câmara úmida 03/03/

47 Durabilidade Método de Marcon, períodos de secagem ao ar livre 13 dias secagem 13 dias molhagem 13 dias secagem 13 dias molhagem 13 dias secagem 13 dias molhagem 12 dias secagem 03/03/

48 Durabilidade Método de Marcon,1977 Cp s são imersos em água por 24h RCNC Cd > 80% 03/03/

49 Estudo de Casos 06 - Estudo com vistas a pavimentação de um solo de Sinop com cal - Machado e Crispim Estudo da estabilização de um solo com cal de um solo de Sinop - Simioni e Crispim Análise do processo de cura de solo-cal em câmara enriquecido com CO2 - Silva e Crispim Avaliação da durabilidade por molhagem e secagem e da capacidade de suporte de solos estabilizados em Sinop-MT - Ferreira e Crispim Efeito da adição de cal e cinza de casca de arroz nas propriedades mecânicas de um solo tropical - Pimentel e Benatti Resistência à tração de solos estabilizados com cal e cimento em Sinop-MT - Rosas e Dalla Riva /03/

50 Solos para Fins Rodoviários: Técnicas Disponíveis e Estudo de Caso Dirigido à Estabilização Solo-Cal de Três Solos de Ilha Solteira SP p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) Universidade Federal de Viçosa, Viçosa-MG. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE CIMENTO PORTLAND. Dosagem das misturas solocimento: normas de dosagem e métodos de ensaios. São Paulo, p. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 11578: Cimento Portland Composto. Rio de Janeiro, p.. NBR 12023: Solo-cimento Ensaio de Compactação. Rio de Janeiro, 1992a. 6p.. NBR 12024: Solo-cimento Moldagem e cura de corpos de prova cilíndricos. Rio de Janeiro, 1992b. 5 p.. NBR 12025: Solo-cimento Ensaio de Compressão Simples de corpos de prova cilíndricos. Rio de Janeiro, p.. NBR 13555: Solo-cimento Determinação da absorção d água. Rio de Janeiro, p.. NBR 6457: Amostras de Solo Preparação para Ensaios de Compactação e Ensaios de Caracterização. Rio de Janeiro, p.. NBR 6459: Solo Determinação do limite de liquidez. Rio de Janeiro, 1984a. 6 p.. NBR 7175: Cal hidratada para argamassas - Requisitos. Rio de Janeiro, p.. NBR 7180: Solo Determinação do limite de plasticidade. Rio de Janeiro, 1984b. 3 p. com cal e cimento Projeto de Pesquisa FAPEMAT Edital PAPPE 002/2012. (não publicado 03/03/

51 Obrigado pela atenção. Perguntas? 03/03/