Análise de Solo Através de Ensaios de Laboratório para a Confecção de Tijolos de Solo-Cimento-Resíduos de Madeira

Transcrição

1 Análise de Solo Através de Ensaios de Laboratório para a Confecção de Tijolos de Solo-Cimento-Resíduos de Madeira Judy Norka Rodo de Mantilla, Sandra Regina da Silva, Edgar V. Mantilla Carrasco Escola de Engenharia, Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG, Belo Horizonte, Brasil RESUMO: Apresenta-se o estudo de dois solos visando sua adequação às características necessárias para a confecção de tijolos de solo-cimento-resíduos de madeira. Os solos foram caracterizados por meio de ensaios geotécnicos de granulometria, limites de liquidez e de plasticidade e compactação Proctor Normal. Os solos naturais foram corrigidos granulométricamente para que fosse obtido um solo predominantemente arenoso e outro argiloso. Para a confecção dos tijolos foi utilizado o cimento CPIII E-32-RS e serragem extraída de peças de Eucalyptus. Devido à importância da pressão para a confecção dos tijolos, a moldagem dos corpos-de-prova foi feita monitorando-se a carga aplicada com uma célula de carga, sendo realizado também o controle da pressão de moldagem dos tijolos com um manômetro. Ao serem produzidas, em laboratório, as condições de confeção dos tijolos foi possível uma análise mais realista possibilitando estabelecer uma relação entre a pressão de compactação e a tensão de ruptura. PALAVRAS-CHAVE: Solo-cimento, Ensaios de laboratório, Compactação, Pressão de moldagem. 1 INTRODUÇÃO A terra crua, nome popular dado ao solo, vem sendo utilizada pelo homem há milênios. Está presente em qualquer parte do mundo. É comum encontrar construções históricas que resistem ao tempo, comprovando a durabilidade deste material. A Figura 1 mostra a Grande Muralha da China, construída há quatro mil anos atrás, utilizando originalmente somente terra batida. Posteriormente, foi coberta por pedras e tijolos, o que deu à mesma a aparência de uma grande parede de pedra (Minke, 2000). Figura 1. A Grande Muralha da China (Abril, 2005). Segundo Lopes (2002), as primeiras construções brasileiras utilizavam os processos construtivos do tipo pau-a-pique; taipa de mão, barro armado ou pau-a-pique; adobes; tijuco e outros. O adobe ou taipa de pilão era normalmente usado em paredes externas e as divisões internas e paredes do piso superior construídas com taipa de mão, devido ao fato de ser ele, um material mais leve (Lopes, 2002). O emprego de solo-cimento em habitações no Brasil foi iniciado em 1948, com a construção das casas do Vale Florido, na Fazenda Inglesa em Petrópolis, Rio de Janeiro (ABCP, 1985). No final da década de 1950, a mistura de solo e cimento estava totalmente aprovada no Brasil, passando a ser difundida como nova alternativa para baratear as construções. Visando minimizar a presença de fissuras os egípcios, já na antiguidade, utilizavam fibras vegetais como reforço na fabricação de adobe, considerado matriz frágil (Carvalho e Beraldo, 2000 apud Beraldo et al., 2002). O grande avanço dos materiais reforçados com fibras ocorreu juntamente com o desenvolvimento da Industria Mecânica, Naval, Aeronáutica e Bélica desde a II Guerra Mundial, apesar de terem sido inicialmente

2 desenvolvidos, produzidos e utilizados na construção civil (Agopyan, 1993). 2 METODOLOGIA 2.1 Solo, Solo-Cimento e Resíduos Neste trabalho foram utilizados dois solos representativos de um solo predominantemente arenoso e de um argiloso. Para a obtenção de um solo com granulometria equivalente ao de um solo arenoso foi feita uma correção granulométrica do solo natural proveniente da área de empréstimo da obra de construção da Faculdade de Farmácia no Campus da UFMG, acrescentando-se areia média a fina (solo homogeneizado 01). O solo representativo de um argiloso - proveniente de um talude do Departamento de Engenharia Mecânica no campus da UFMG - foi obtido através de seu peneiramento na peneira de malha # 0,6mm (solo homogeneizado 02). Para a mistura de solo-cimento utilizou-se o cimento Portland do tipo CP III-32-RS, por ser este disponível na região. Para o estudo dos resíduos foram coletadas sobras de peças de madeira, denominadas de serragem, de Eucalyptus grandis e Eucalyptus cloeziana. Esta serragem foi peneirada para que somente fossem utilizados os resíduos contidos entre as peneiras # 4 (4,75 mm) e # 10 (2,0 mm). 2.2 Moldagem de Corpos-de-Prova Para a determinação da resistência à compressão de corpos de prova de solo e de solo-cimento, foram moldados corpos-de-prova, CPs, com as dimensões em milímetros 50x100 (diâmetro x altura), através da aplicação de pressão por camadas, método conhecido como pisoteamento. Para controle da qualidade dos CPS foi adotado o conceito do Grau de Compactação (Equação 1), onde se tem a razão entre a massa específica aparente seca do corpode-prova cilíndrico que será moldado para ensaios de resistência e a massa específica aparente seca máxima obtida no laboratório através do ensaio de compactação. G ρ dcp, c = 100 (1) ρdmáx, Valores do grau de compactação superiores a 95 % não só asseguram as melhores qualidades dos CPs, como também garantem o melhor acabamento. Regiões menos compactadas serão pontos enfraquecidos em paredes executadas com tijolos de solo-cimento, podendo também se soltar em placas. O controle da compactação dos tijolos é, neste sentido, de fundamental importância para a boa aparência da parede (CEPED, 1999). Segundo Barbosa e Mattone (2002), a porcentagem de água e a quantidade de material a serem utilizadas na prensa são determinadas a partir de um processo de otimização feito com base na máxima densidade seca. Normalmente essa umidade não é exatamente aquela obtida no ensaio de compactação Proctor Normal. Nele, a partir de uma compressão dinâmica, são obtidas a densidade seca máxima e a umidade a ser adotada. Na prensa, a compactação é praticamente estática, não havendo nenhum empecilho quanto a este diferencial. Caso a umidade ótima do Proctor Normal seja conhecida, é a partir dela que se iniciará a determinação da umidade da mistura. As propriedades mecânicas dos solos, de maneira geral, apresentam melhorias significativas quando este é misturado com cimento e submetido a processos de compactação. As prensas de mercado para fabricação de tijolos oferecem uma pressão diferente da obtida durante a moldagem dos CPs com parâmetros de compactação do ensaio Proctor Normal. Devido a isso os resultados obtidos na prática não representam o que é prescrito nas normas. Para minimizar esse problema, foi feito o controle da moldagem dos CPs através da instrumentação do moldador com um transdutor de deslocamentos (DT) posicionado acima da haste de aplicação de carga, para controle da espessura de cada camada compactada, e com uma célula de carga, situada na base, para obtenção da pressão de moldagem, (Fig. 2).

3 Figura 2. Aparelhagem para moldagem de CPs. Para a verificação da influência da variação da pressão de compactação na ruptura, alguns CPs de solo, solo-cimento e solo-cimentoresíduos foram moldados considerando a pressão exercida pelas prensas convencionais de tijolos, que conforme pesquisado oferecem pressões de 1,5 a 2,0 MPa. A pressão definida admitida para tal avaliação foi 2,0 MPa. Os CPs de solo-cimento foram curados em câmara úmida com umidade relativa em torno de 100% e temperatura de 23 ± 0,2 ºC durante sete dias. Após a cura, os CPs permaneceram imersos em recipientes com água durante 4 horas. 2.3 Dosagem dos Corpos-de-Prova DT Célula de Carga A seqüência que apresentou melhor resultado na homogeneização da mistura dos materiais foi solo, cimento, resíduos de madeira e por último água. A porcentagem de cimento foi definida a partir de valores utilizados na prática. Desta forma, adotou-se a proporção de 10% de cimento em relação à massa de solo seco (no caso da mistura solo-cimento-resíduos, a proporção foi definida em relação à soma da massa do solo seco e da massa do resíduo). Já a quantidade de água a ser adicionada foi definida a partir do teor de umidade ótimo, do ensaio de compactação Proctor Normal realizado com a mistura solo-cimento. A porcentagem de resíduos foi determinada em relação à massa de solo seco. Foram testados quatro teores de resíduos diferentes (0,5%; 1%; 2% e 3%) dos quais, mediante seu comportamento mecânico determinar-se-ia a dosagem ótima. Os traços utilizados são mostrados na Tabela 1. Tabela 1. Traços de resíduos utilizados para o estudo. cimento: solo seco: resíduo seco de madeira % 0% 0,5% 1% 2% 3% Resíd uo Traço 1:9: 0 1:8,95: 0,05 1:8,9: 0,10 1:8,8: 0,2 1:8,7: 0,3 2.4 Ensaios de Caracterização e de Compressão Simples Foram realizados ensaios geotécnicos de granulometria, limites de liquidez e de plasticidade, compactação Proctor Normal e compressão simples, segundo prescrições das normas da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), nos solos naturais e nos solos homogeneizados, sendo os resultados apresentados no item 3. Os CPs foram ensaiados em prensas com carga contínua e sem choques. As máquinas de ensaio possuiam rótulas, para uma melhor distribuição do carregamento vertical e axial aplicado. A velocidade de ensaio para compressão simples nos solos (Figura 3a) foi de 0,017 mm/s. Para os ensaios de compressão simples em CPs de solo-cimento e solocimento-resíduos de madeira (Figura 3b), a velocidade de aplicação da carga foi de 1 mm/min. (a) CP de solo (b) CP de solo-cimento Figura 3. Ensaios de compressão simples em CPs. 3 RESULTADOS As Tabelas 2, 3 e 4 mostram os resultados dos solos obtidos nos ensaios geotécnicos de massa específica dos grãos e limites de liquidez e de

4 plasticidade, distribuição granulométrica e compactação Proctor Normal e compressão simples, respectivamente. Tabela 2. Ensaios de massa específica dos grãos e limites de consistência dos solos. Solo ρ s LL (%) LP (%) IP (%) Farmácia 2,685 41,0 31,5 9,5 Mecânica 2,660 50,0 36,0 14,0 Homog. 01 2,690 35,0 25,0 10,0 Homog. 02 2,690 50,5 39,5 11,0 Obs.: ρ s = Massa específica dos grãos; LL= Limite de Liquidez; LP = Limite de Plasticidade; IP = Índice de Plasticidade. Tabela 3. Ensaios de granulometria dos solos. Granulometria (%) Solo pedregulho areia silte argila Farmácia 3,7 34,2 41,6 20,5 Mecânica 0,0 46,5 22,8 30,7 Homog. 01 0,0 69,1 21,3 9,6 Homog. 02 0,0 36,8 20,8 42,4 Obs.: segundo a escala granulométrica da ASTM. Tabela 4. Ensaios de compactação e de compressão simples. Solo w ot. (%) ρ d,máx σ s, PN (kpa) σ s, Tijolo (kpa) Farmácia 20,9 1, ,22 324,36 Mecânica 22,1 1, ,24 272,24 Homog ,5 1, ,08 106,33 Homog ,1 1, ,72 247,06 Obs.: w ot. = Teor de umidade ótimo; ρ d,máx = Massa específica aparente seca máxima; σ s, PN = resistência à compressão simples em CPs moldados com a energia Proctor Normal; σ s, Tijolo = resistência à compressão simples em CPs moldados com a pressão referente às prensas de tijolos (2,0 MPa). As curvas de distribuição granulométrica dos solos, cujas porcentagens das frações constituintes estão descritas na Tabela 3, podem ser visualizadas na figura 4. Os resultados apresentados na Tabela 5 da densidade seca dos CPs, do grau de compactação (GC), da pressão de moldagem e da tensão de ruptura dos CPs (σ s ), referem-se a CPs moldados com os mesmos parâmetros da compactação Proctor Normal, exceto as linhas marcadas que referem-se aos CPs moldados com a pressão de moldagem padrão dos tijolos de solo-cimento, adotada igual a 2,0 MPa. % que passa da amostra total 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0,075 0,15 0,30 0,42 0,60 1,20 2,00 4,80 9,50 Areia Farmácia Mecânica 19,0 25,0 38,0 50,0 Solo Homogeneizado 01 Solo Homogeneizado 03 0,001 0,01 0, Diâmetro dos grãos (mm) Figura 4. Curvas granulométricas dos solos estudados. Tabela 5. Resultados dos ensaios em corpos-de-prova de solo natural e homogeneizado. Tipo de Corpo -deprova Densidade seca GC (%) Pressão moldage σ s (MPa) solo m (MPa) 1 1,572 97,7 1,27 0, ,574 97,8 1,22 0, ,577 98,0 1,14 0, ,563 97,1 1,02 0, ,570 97,6 1,04 0, ,574 97,8 1,11 0, ,567 97,4 1,05 0, ,572 97,7 1,05 0, ,598 99,3 1,47 0, ,597 99,3 1,32 0, ,596 99,2 1,28 0, ,606 99,8 1,46 0, ,593 99,0 1,42 0, ,597 99,3 1,47 0, ,595 99,1 1,46 0, , ,2 2,03 0, , ,1 2,01 0, ,633 99,9 2,04 0, ,632 99,9 2,01 0, ,631 99,8 2,02 0, ,611 99,6 2,15 0, ,600 98,9 1,88 0, ,604 99,2 1,93 0, ,615 99,9 2,09 0, , ,1 2,05 0, , ,0 2,10 0, , ,2 2,14 0, ,613 99,8 2,14 0,284 Farnácia Mecânica (Cont. Tabela 5) Tipo Corpo de -deprova solo Densidade seca GC (%) Pressão moldagem (MPa) σ s (MPa)

5 Homogeneizado 01 (solo Farmácia + areia) Homogeneizado 02 (solo Mecânica peneirado na # 0,6 mm) 1 1,808 97,3 2,30 0, ,831 98,5 2,59 0, ,835 98,8 2,96 0, , ,1 4,08 0, , ,1 4,46 0, , ,8 4,09 0, , ,5 4,52 0, ,843 99,2 3,25 0, , ,2 3,58 0, ,857 99,9 3,74 0, , ,1 3,63 0, ,849 99,5 3,47 0, , ,4 2,05 0, , ,0 2,06 0, ,786 99,4 2,10 0, , ,0 2,11 0, , ,2 2,05 0, ,482 99,8 1,10 0, , ,0 1,02 0, ,468 98,9 0,94 0, ,476 99,4 0,99 0, ,481 99,8 1,11 0, ,475 99,4 1,20 0, ,482 99,8 1,14 0, ,479 99,6 1,03 0, , ,8 2,04 0, , ,8 2,06 0, , ,2 2,06 0, , ,5 2,09 0, ,515 99,6 2,05 0, ,517 99,7 2,08 0, ,507 99,0 2,09 0, ,512 99,4 2,06 0,254 Obs.: Densidade seca dos CPs dos solos (linhas em branco CPs moldados com os parâmetros da compactação Proctor Normal, linhas em negrito CPs moldados com a pressão padrão de tijolos de solocimento igual a 2,0 MPa), GC = Grau de compactação (ρ d,cp / ρ d,máx ), σ s = tensão de ruptura do solo. Conhecendo-se a massa específica seca máxima (ρ d,máx ) equivalente à pressão dos tijolos (obtida a partir das médias das densidades secas dos CPs) e a umidade na qual os corpos-de-prova foram moldados (a mesma da compactação Proctor Normal), pode-se afirmar que existe uma energia de compactação diferente da Proctor Normal que corresponda a este par de valores. É portanto, admissível adotar a especificação do grau de compactação (CG = 100 ± 5 %) para avaliar a eficiência da moldagem dos corpos-de-prova. A análise dos valores apresentados na Tabela 5 mostra que os corpos-de-prova foram moldados adequadamente. Ensaios de compactação Proctor Normal foram executados também para a mistura solocimento para determinar a massa específica aparente seca máxima e o teor de umidade ótimo, parâmetros que servem de base para a confecção dos tijolos. Com estes parâmetros foram moldados alguns corpos-de-prova donde se determinou a pressão equivalente à compactação Proctor Normal (PN). Corpos-deprova foram moldados na umidade ótima da compactação Proctor Normal e com a pressão das prensas dos tijolos (T). O controle das alturas possibilitou a determinação da densidade (massa específica seca máxima) do corpo-deprova equivalente a esta pressão. Os resultados da compactação em CPs de solo-cimento estão mostrados na Tabela 6. Tabela 6. Massa específica aparente seca máxima e teor de umidade ótimo em solo-cimento. Solo Proctor Normal (PN) Tijolo (T) ρ dmáx w ot. (%) ρ dmáx w ot. (%) Homog. 1,846 13,1 1,776 13,1 01 Homog. 02 1,523 25,1 1,544 25,1 Solo Homog. 01 A Tabela 7 apresenta os valores médios das pressões utilizadas para a moldagem dos corpos-de-prova de solo e solo-cimento. Notar que a pressão utilizada para a confecção de corpos-de-prova com a pressão do tijolo foi de aproximadamente 2,0 MPa para todas as misturas. Para o solo Homog. 01 esta pressão é inferior à necessária para a moldagem de CPs com os parâmetros do ensaio de compactação Proctor Normal. Já para o solo Homog. 02 a pressão referente ao ensaio Proctor Normal mostrou-se menor ou aproximadamente igual à pressão de moldagem dos tijolos. Acredita-se que esta diferença entre as pressões possa influenciar de alguma forma na resistência dos compósitos. Tabela 7. Pressão de compactação, em MPa, dos corposde-prova de solo e solo-cimento. Proctor Normal (PN) Tijolo (T) Solo Solo- Solo Solo- cimento cimento 3,55 3,39 2,07 2,05

6 Solo Homog CONCLUSÃO 1,07 2,05 2,07 2,05 Acredita-se que exista uma faixa granulométrica que contemple a maioria dos solos existentes com características satisfatórias para a confecção de tijolos de solo-cimento. A escolha dos solos com características referentes aos limites superior e inferior desta faixa, permitiu o estudo e determinação das características físicas e mecânicas deles. O conhecimento destas características limites possibilita uma estimativa de resultados para outros solos contidos nesta faixa. A maioria dos construtores de solo-cimento existentes no mercado desconhece a importância da análise das características do solo empregado na resistência dos tijolos. Sendo assim, a determinação e o estudo das características do solo proporcionaram a otimização e melhoria da resistência uma vez que foram consideradas as vantagens naturais de cada tipo de solo melhorando-as com o acréscimo de cimento. O conhecimento das características e parâmetros do solo possibilita sua utilização racional. Através do estudo da relação entre a pressão de moldagem proporcionada pelas prensas convencionais de tijolos e a pressão correspondente à compactação Proctor Normal, verificou-se que na maioria das vezes não são atendidos os parâmetros de compactação. O ensaio de compactação no solo e no solocimento fornece parâmetros necessários para a dosagem e resistência otimizadas. A utilização de pressões inferiores à correspondente à energia Proctor Normal reduzirá a capacidade mecânica do tijolo. Em oposição, verificou-se também que é possível conseguir melhorias na resistência e na consistência do material ao se aplicar pressões maiores. Confirmou-se, portanto que a pressão, em conjunto com a densidade, são variáveis de grande importância para a otimização da resistência. Ao Programa de Usos Múltiplos de Florestas Renováveis da Secretaria de Estado de Ciência e Tecnologia de Minas Gerais CONECIT, pelo apoio financeiro através da FAPEMIG. REFERÊNCIAS Abril (2005). Enciclopédia Brasileira Almanaque. CD- ROM. Ed. Abril, Brasil. Agopyan, V. (1993). O emprego de materiais fibrosos na construção civil. Anais do Simpósio Internacional sobre materiais reforçados com fibras para a construção civil, EPUSP, São Paulo. p American Society for Testing and Materials - ASTM. (1993) Standard classification of soils for engineering purposes (Unified soil classification system). D , Annual Book of ASTM Standards, v Philadelphia, PA. 11p. Associação Brasileira de Cimento Portland ABCP. (1985). Solo-cimento na habitação popular. São Paulo. 14p. ilus. 30cm. Barbosa, N.; Mattone, R. (2002). Construção com terra crua. Anais do I Seminário Ibero Americano de Construção com terra. 16 a 18 de setembro. Salvador, BA. Brasil. Beraldo, A. L. et al. (2002). Compósitos à base de resíduos vegetais e cimento Portland. VIII Encontro Brasileiro em Madeiras e em Estruturas de Madeira. Uberlândia. Julho. CEPED Centro de Pesquisa e Desenvolvimento. (1999). Manual de construção com solo cimento MT-5. Thaba, Camaçari, Bahia. Convênio CEPED / BNH / URBIS / CONDER / PMC / OEA / CEBRACE. 114 p. il. 4ª edição. Lopes, W. G. R. (2002). A taipa de mão no Brasil. I SIACOT I Seminário Ibero-Americano de construção com terra, Anais setembro. Salvador, Ba, Brasil. Minke, G. Earth (2000). Construction Handbook The building material earth in modern architecture. Publiched by: Wit Press Southampton, Boston. E- mail: witpress@witpress.com. Home page: AGRADECIMENTOS