Caracterização de Solos Lateríticos para Utilização em Pavimentos de Baixo Custo na Cidade de Canindé/CE

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1 Caracterização de Solos Lateríticos para Utilização em Pavimentos de Baixo Custo na Cidade de Canindé/CE Carla Beatriz Costa de Araújo Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, Brasil, Silvrano Adonias Dantas Neto Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, Brasil, RESUMO: Os solos lateríticos são encontrados nas regiões de clima tropical e ocorrem em grande parte do território brasileiro. Este tipo de solo possui características próprias que não são contempladas pelos sistemas tradicionais de classificação dos solos. Para suprir esta lacuna surge a metodologia MCT (Miniatura, Compactado, Tropical) desenvolvida para caracterizar solos tropicais com fins de utilização em pavimentos de baixo custo. Para o desenvolvimento deste trabalho foram coletados solos em uma jazida localizada na cidade de Canindé, no interior do estado do Ceará, para os quais foram realizados ensaios de caracterização segundo as metodologias tradicionais e segundo a metodologia MCT, visando sua utilização na pavimentação de baixo de custo nas vias locais, uma vez que a utilização deste material pode gerar economia e desenvolvimento em uma região carente de investimentos e infraestrutura. Para caracterização do material, foram realizados os ensaios de acordo com as normas DNER 258/94 (Solos compactados em equipamento miniatura Mini-MCV) e DNER 256/94 (Solos compactados com equipamento miniatura determinação da perda de massa por imersão), além de ensaios ensaio oedométricos simples com inundação para verificação do potencial de colapso da amostra compactada no ramo seco e no ramo úmido da curva de compactação. A partir dos ensaios realizados e utilizando a norma DNER 259/96 (Classificação de solos tropicais para finalidades rodoviárias utilizando corpos-de-prova compactados em equipamento miniatura) foi feita a caracterização do material segundo a metodologia MCT, sendo classificado como um solo LA, uma areia com finos de comportamento laterítico, e a amostra não apresentou potencial de colapso pela metodologia utilizada, podendo a jazida localizada em Canindé ser utilizada como sub-base ou reforço de subleito em pavimentos de baixo custo na região. PALAVRAS-CHAVE: solos lateríticos, metodologia MCT, colapso. 1 INTRODUÇÃO Os solos lateríticos, característicos de regiões de clima tropical úmido, possuem características peculiares devido às condições geológicas nas quais são formados, e em consequência apresentam uma composição mineralógica diferenciada. Boa parte do território brasileiro está em uma zona clima tropical, surgindo então a necessidade de estudos sobre o comportamento peculiar dos solos lateríticos para diferentes finalidades, e sobre metodologias que sejam apropriadas para avaliar a qualidade destes solos. Ao se introduzir conceitos de mecânica dos solos para a solução de problemas ligados à construção rodoviária no Brasil, foram detectadas discrepâncias entre as previsões e o comportamento real dos solos nas obras. Estas discrepâncias têm sido atribuídas, em grande parte, às peculiaridades dos solos brasileiros (ocorrência, constituição, formação, propriedades, índices e condições ambientais), que são diferentes das condições encontradas nas regiões de clima temperado onde foram desenvolvidos os sistemas de classificação de solos tradicionais (NOGAMI e VILLIBOR, 1995). Nogami e Villibor (1981) desenvolveram a

2 metodologia MCT (Miniatura, Compactado, Tropical) para caracterizar os solos tropicais com fins de utilização em pavimentos de baixo custo. Segundo Nogami e Villabor (1988) a maior amplitude de propriedades consideradas na metodologia MCT é necessária para que se possa utilizar adequadamente os nossos solos, de peculiaridades essencialmente tropicais, e assim, com segurança, reduzir o custo das obras rodoviárias. Os solos de comportamento laterítico, desde que sejam compactados em condições específicas previamente determinadas, adquirem resistências altas e uma excelente capacidade de suporte, podendo apresentar pequena perda dessa capacidade quando imersos em água (GODOY, 1997). Assim, este trabalho tem por objetivo avaliar via emprego da metodologia MCT as características lateríticas de um solo na cidade de Canindé/Ce para fins de utilização em pavimentos de baixo custo na região. Adicionalmente, faz também a avaliação do potencial de colapso do solo quando compactado no ramo seco da curva de compactação, uma vez que este procedimento pode conferir ao mesmo uma estrutura metaestável, e trazer prejuízo para o desempenho dos pavimentos. como lateritas (SANTOS, 2006; RESCHETTI JUNIOR, 2008). O processo de laterização faz com que a fração argilosa dos solos lateríticos seja constituída essencialmente de argilo-minerais do grupo caulinita e de hidróxidos e óxidos hidradatados de ferro e/ou alumínio. A estabilidade em presença de água das agregações se dá pela combinação desses componentes, pois o recobrimento dos argilominerais pelos hidróxidos e óxidos hidratados reduz a capacidade de adsorção de água pelos argilo-minerais e ainda, atuam como agentes cimentantes naturais entre as partículas. As frações de areia e silte são compostas principalmente por quartzo, agregações lateríticas (concreções lateríticas) e, em menor escala, por minerais pesados (SANTOS, 2006; SUAREZ, 2008). Os solos lateríticos e sub-tropicais cobrem aproximadamente uma rede de 28 milhões de metros quadrados, isto é, cerca de 19% da superfície da Terra, sendo que pelo menos 66% desta área corresponde a solos vermelhos tropicais (Figura 1). No Brasil, os solos lateríticos encontram-se distribuídos em quase todo território (mais de 80%), e no Nordeste Brasileiro se encontra na faixa litorânea, como pode ser observado na Figura 2 (MÉLO, 2011). 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Solos Lateríticos O solo laterítico é uma variedade de solo do horizonte superficial laterítico, típico das partes bem drenadas das regiões tropicais úmidas (VILLIBOR e NOGAMI, 2009). Os solos lateríticos são materiais formados a partir do processo intenso de intemperização em solos residuais de zonas tropicais e úmidas, onde as elevadas temperaturas e abundantes precipitações produzem a infiltração da água no solo provocando a lixiviação de partículas finas e alguns cátions básicos, deixando no solo as partículas pesadas como o ferro e o alumínio. Estas partículas formam vínculos cimentantes entre as partículas do solo, dando origem às partículas de maiores dimensões, conhecidas Figura 1. Distribuição de solos lateríticos em termos mundiais (Charman, 1988 apud Bernucci, 1995). Os solos lateríticos encontram-se na natureza, geralmente não saturados, com índice de vazios elevado, e consequentemente pequena capacidade de suporte. Entretanto, a partir do processo de compactação pode apresentar propriedades satisfatórias para emprego em

3 diversas obras na engenharia (FREIRE et. al, 1999). Figura 2. Ocorrência de solos de comportamento laterítico no Brasil (Villibor e Nogami, 2009) não apresentam comportamento lateríticos (N). Nestes dois grupos são incluídos ainda os seguintes tipos de solos (subgrupos): Areias lateríticas (LA); Solos arenosos lateríticos (LA ); Solos argilosos lateríticos (LG ); Areias não lateríticas (NA); Solos arenosos não lateríticos (NA ); Solos sedimentares não lateríticos (NS ); Solos argilosos não lateríticos (NG ). A classificação do solo pode ser obtida através do ábaco mostrado na Figura 3. Observa-se que a classificação dos solos pela metodologia MCT é feita a partir de dois coeficientes, c que está associado as argilas do solo, e o índice e que está relacionado ao caráter laterítico do solo (NOGAMI e VILLIBOR, 1995). 2.2 MCT (Miniatura, Compactado, Tropical) Segundo Nogami e Villibor (1988), o princípio geral que norteia a metodologia MCT é de que para uma melhor utilização de solos compactados, principalmente para obras rodoviárias, há necessidade de determinar as suas propriedades mecânicas e hidráulicas em corpos de prova devidamente compactados. A metodologia MCT envolve um conjunto de ensaios e procedimentos, utilizando corposde-prova de dimensões reduzidas (50 mm de diâmetro), destinados à classificação e determinação das propriedades mecânicas e hidráulicas de solos tropicais, como também a avaliação da erodibilidade quando utilizados em obras viárias. Os principais ensaios dessa metodologia são: ensaio de Mini-MCV (Mini Moisture Condition Value), ensaio de perda de massa por imersão, compactação em equipamento miniatura (Mini-Proctor), Mini- CBR nas condições de corpo de prova com e sem imersão em água, ensaio de expansão e contração (MÉLO, 2011). Nesta classificação, foram propostos dois grupos de solos: os que podem apresentar comportamento lateríticos (L); e os solos que Figura 3. Ábaco de classificação MCT (Nogami e Villibor, 1995) O coeficiente c, é denominado coeficiente de deformabilidade, sendo obtido através do ensaio Mini-MCV. Este é calculado como o coeficiente angular da parte mais inclinada e retilínea da curva Mini-MCV, correspondente à condição de Mini-MCV =. O índice e é calculado a partir do coeficiente d (inclinação da parte retilínea do ramo seco da curva de compactação, correspondente a 12 golpes do ensaio de mini MCV) e da perda de massa por imersão Pi (porcentagem da massa desagregada em relação à massa total do ensaio quando submetida à imersão em água), dado pela expressão: e' 20 Pi d' 0 3 (1)

4 2.3 Colapsividade dos Solos Lateríticos Segundo Mendonça (1990), o colapso é a redução brusca de volume de um solo quando este sofre um aumento no seu teor de umidade e/ou um acréscimo de tensões. A redução de volume é considerada brusca quando ocorre a uma velocidade superior à velocidade de adensamento de um solo argiloso saturado. Os solos onde este fenômeno ocorre possuem estrutura macroporosa metaestável, onde o esqueleto da estrutura é formado por ligações temporárias entre os grãos minerais do solo. As ligações temporárias entre os grãos do solo podem ser formadas por: pontes de argilas ou coloides, que possuem a sua vez uma micro estrutura onde se manifesta predominantemente forças de superfícies o vínculos de natureza cimentante, derivados da presencia de cátions como Na, Ca, Mg, Fe ou outros; óxidos de ferro, ou alumínio, situação tipicamente que ocorrem em solos lateríticos; ou tensões devido à presença de meniscos capilares nos solos (NUNEZ, 1975 apud MOTTA, 2006). Segundo Rohlfes Júnior (1996), os solos lateríticos (residuais) em geral apresentam-se na condição de saturação parcial. Os perfis de variação do teor de umidade, e consequentemente de sucção, apresentam uma variabilidade no tempo e no espaço devido à grande heterogeneidade e às condições climáticas. Estes solos, em geral, podem ser muito compressíveis, mas apresentam deslocamento praticamente instantâneos, após a aplicação do carregamento. Os solos lateríticos são solos, que pela sua estrutura, composição, e formação, apresentam as condições necessárias à formação de uma estrutura metaestável com potencial de colapso. A magnitude do recalque com a inundação depende do grau de saturação e do nível de tensões existentes no momento do colapso (DIAS, 1987 apud ROHLFES JÚNIOR, 1996). Embora o mecanismo de colapso possa ser muito complexo (pelo menos a nível microestrutural), há uma tendência no meio técnico em identificar solos colapsíveis partindo de ensaios simples e de uso corriqueiro em laboratórios de mecânica dos solos, como é o caso, por exemplo, dos ensaios oedométricos (FERREIRA, 1995 apud SOUZA NETO, 2004). Segundo Souza Neto (2004), a avaliação da colapsibilidade de um solo por meio de ensaios edométricos tem a vantagem de levar em consideração as tensões atuantes e quantificar o potencial de colapso, sendo extensível a qualquer formação e tipo de solo. A identificação e classificação dos solos colapsíveis pode ser feita a partir da proposta de Jennings e Knight (1957), que utiliza o ensaio oedométrico simples, para o cálculo do potencial de colapso dos solos, a partir da variação do índice de vazios ( e) obtida durante a inundação de um corpo de prova no ensaio oedométrico. O potencial de colapso segundo esta metodologia é calculado como: e PC 0(%) (2) 1 e i Onde: PC potencial de colapso, em percentagem; e variação do índice de vazios devido à inundação do corpo-de-prova; ei índice de vazios do corpo-de-prova na tensão sv antes da inundação. A partir do valor de PC, a classificação é feita de acordo com a Tabela 1 (Jennings e Knight, 1957). Tabela 1. Classificação da colapsividade dos solos, Jennings e Knight (1957) PC (%) Classifcação 0 a 1 Sem problemas 1 a 5 Problemas moderados 5 a Problemático a 20 Problemas graves Maior que 20 Problemas muito graves 3 MATERIAIS E MÉTODOS 3.1 Solo O solo utilizado para realizar os ensaios foi coletado em uma jazida localizada em Canindé/Ce. A Figura 4 mostra o material devidamente preparado para a realização dos

5 ensaios. O material possui densidade real dos grãos de 2,64, limite de liquidez de 34%, limite de plasticidade de 24% (IP = %). A curva granulométrica por peneiramento é apresentada na Figura 5 e o gráfico para obtenção do limite de liquidez é apresentado na Figura 6. imersão). A classificação do material foi feita de acordo com a norma DNER 259/96 (Classificação de solos tropicais para finalidades rodoviárias utilizando corpos-deprova compactados em equipamento miniatura) Ensaio oedométrico Para a identificação do potencial de colapso do solo, foi utilizado o ensaio oedométrico simples para amostras compactadas em duas condições: uma amostra compactada no ramo úmido, e outra amostra compactada no ramo seco. Foram utilizados, para a definição das condições ótimas de compactação do solo, os resultados obtidos no ensaio Mini-MCV para 12 golpes. A inundação dos corpos de prova ocorreu após a estabilização dos recalques com a aplicação da carga de 200 kpa, conforme a proposta de Jennings e Knight (1957). Após a nova estabilização dos recalques, deu-se continuidade ao ensaio, com os acréscimos de tensão. O ensaio foi realizado até a tensão de 800 kpa. Figura 4. Amostra do material ensaiado % que passa ,01 0,1 1 Diâmetro dos grãos (mm) Figura 5. Granulometria por peneiramento UMIDADE (%) 40 4 RESULTADOS 4.1 Metodologia MCT A partir da Figura 7 é possível observar a variação da altura dos corpos-de-prova com logaritmo do número de golpes para cada uma das umidades. Através desta figura obteve-se o coeficiente c de 0, NÚMERO DE GOLPES 0 Figura 6. Limite de Liquidez 3.1 Métodos Metodologia MCT Para caracterização do material foram realizados os ensaios de acordo com as normas DNER 258/94 (Solos compactados em equipamento miniatura Mini-MCV) e DNER 256/94 (Solos compactados com equipamento miniatura determinação da perda de massa por an=an-4an (mm) Mini MCV w=11,59 w=13,86 w=16,40 Figura 7. Curva Mini-MCV 0 w=20,14 w=23,28

6 A Figura 8 apresenta o gráfico da família de curvas de compactação construídas com pontos de umidade variável e energia de compactação constante (4, 6, 8, 12, 16 e 24 golpes). O coeficiente d foi calculado como a inclinação da parte retilínea do ramo seco da curva de compactação, correspondente a 12 golpes, foi encontrado o valor de 42,64. r(g/cm³) 1,93 1,89 1,85 1,81 1,77 15 umidade (%) Figura 8. Curva umidade de compactação Na Figura 9 são apresentados os valores de perda de água por imersão em água correspondentes aos valores de Mini-MCV para cada um dos corpos-de-prova ensaiados. Obteve-se para as amostras ensaiadas uma perda por imersão (Pi) igual a 160%. Pi 200% 180% 160% 140% 120% 0% 80% Mini MCV Figura 9. Perda de massa por imersão A partir dos valores de d, c e Pi e utilizando a Equação 1, obteve-se e igual a 1,27. Desta forma, considerando o ábaco apresentado na Figura 3, observa-se que o solo encontra-se classificado no limite dos grupos (LA e NA ). Segundo a norma CLA-259/96 deve-se considerar laterítico o solo que: A curva de perda de massa por imersão Pi, em função do Mini-MCV a 15, tiver inclinação negativa (Figura 9); A curva Mini MCV x umidade de compactação tiver diminuição da inclinação para Mini MCV crescentes (Figura ). Com isto, classificou-se o solo segundo a metodologia MCT como um solo LA, ou seja, uma areia com finos de comportamento laterítico. umidade de compactação (%) Mini MCV 0 00 Figura. Curva Mini MCV x umidade de compactação Segundo o sistema de classificação HRB (Highway Research Board) o solo estudado enquadra-se no grupo A-4, que tem como característica solos silto-argilosos de baixa plasticidade com comportamento precário para o emprego em pavimentos. Porém, segundo a classificação MCT, o material ensaiado apesar de não ser recomendado para o uso com base de pavimentos econômicos nas regiões tropicais, podem ser utilizados como sub-base e reforço de subleito, já que possuem elevada capacidade de suporte e módulos de resiliência elevados. 4.2 Ensaio oedométrico A Figura 11 apresenta os resultados dos ensaios oedométricos simples realizados, através das curvas log (s) x e para os dois corpos de prova foram compactados na umidade ótima e no ramo seco da curva de compactação.

7 0,39 0,37 Ramo seco utilizada como sub-base ou reforço de subleito de pavimentos de baixo custo na região. 0,35 0,33 e 0,31 0,29 0,27 Inundação 0,25 0,3 0,8 1,3 1,8 2,3 2,8 log(s) Figura 11. Curvas log (s) x e para o ensaio oedométrico simples com amostras compactas no ramo seco e na umidade ótima O potencial de colapso para a classificação de solo foi calculado segundo através da Equação 2. Para o solo no ramo seco e no ramo úmido foram obtidos valores de PC de 0,025. Segundo critérios de classificação (Tabela 1) o solo não apresenta problemas de colapso. Convém salientar que solos lateríticos, em sua estrutura natural, podem apresentar uma estrutura metaestável, e se na condição de não saturação, forem carregados e posteriormente saturados, podem apresentar potencial de colapso significativo. Os resultados da Figura 11 mostram apenas que mesmo numa situação de compactação aquém da desejada, o processo de compactação para o solo estudado não confere ao mesmo uma estrutura metaestável capaz de possibilitar o colapso. 5 CONCLUSÕES Através dos ensaios realizados foi possível caracterizar o solo da jazida na cidade de Canindé, segundo a classificação MCT, como LA, areia com finos de comportamento laterítico. Nos ensaios oedométricos realizados, observou-se que mesmo nas condições de compactação feitas no ramo seco, as amostras de solo laterítico não apresentou potencial de colapso. A partir dos resultados obtidos, pode-se concluir que a jazida analisada pode ser REFERÊNCIAS Bernucci L. B. (1995) Considerações sobre o dimensionamento de pavimentos utilizando solos lateríticos para rodovias de baixo volume de tráfego. Tese de Doutorado. Escola Politécnica da USP Universidade de São Paulo. DNER - Departamento Nacional de Estradas de Rodagem. (1996) CLA-259/96. Classificação de solos tropicais para finalidades rodoviárias utilizando corpos-de-prova compactados em equipamento miniatura. (1994) ME-256/94. Perda de massa por imersão. (1994) ME-258/94. Solos compactados em equipamento miniatura - Mini-MCV. Freire, E. P., Rodrigues, G. E. e Soares, Y. V. (1999) Colapsividade da Argila Laterítica de Alfenas. Revista Universidade Alfenas, Alfenas, 5: Godoy, H. (1997) Identificação e Classificação Geotécnica de Latossolos do Estado de São Paulo pelo Método das Pastilhas MCT. Tese de Doutorado. Instituto de Geociênciais Universidade de São Paulo. Jennings, J. E. B. e Knight, K. (1957) The Additional Settelment of Foundations due to a Collapse of Structure of Sandy Subsoils on Wetting. Proceedings, IV Int. Conf. on Soil Mech. and Found. Engineering. Vol. 1, pp Londres. Mélo, V, da S. (2011) Classificação e Estabilização de Solos Lateríticos do Estado da Paraíba e do Rio Grande do Norte. Dissertação de Mestrado. Centro de Tecnologia e Recursos Naturais Universidade Federal de Campina Grande. Mendonça, M. B. (1990) Comportamento De Solos Colapsíveis Da Região De Bom Jesus Da Lapa Bahia. Tese de Doutorado. COPPE, Universidade Federal do Rio de Janeiro. Motta, E. de Q. (2006) Análise do Colapso de um Solo Compactado Devido à Inundação e à Interação Solo- Líquido Contaminante. Dissertação de Mestrado. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil Universidade Federal de Pernambuco. Nogami, J. S., Villibor, D. F. (1995) Pavimentação de Baixo Custo com Solos Lateríticos. Editora Villibor, São Paulo, SP. (1988) Estado atual da metodologia MCT de estudos geotécnicos de solos. Anais do Simpósio sobre Novos Conceitos em Ensaios de Campo e Laboratório em Geotécnica. COPPE/UFRJ, Rio de janeiro, vol.1, pg.239/250. (1981) Uma Nova Classificação de Solos para Finalidades Rodoviárias. Anais do Simpósio Brasileiro de Solos Tropicais em Engenharia. Separata. Rio de Janeiro, RJ. Reschetti Junior P. R. (2008) Avaliação do

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