CARACTERÍSTICAS DO SOLO PARA EXECUÇÃO DE TAIPA - PARTE I

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1 CARACTERÍSTICAS DO SOLO PARA EXECUÇÃO DE TAIPA - PARTE I Jorge de Brito, Professor Associado c/ Agregação IST 1. Introdução Nesta edição da coluna, pretende-se fornecer indicações sobre a forma de seleccionar / corrigir / estabilizar solo natural para execução de construções em terra crua, com particular incidência na taipa natural e estabilizada com cimento [1]. 2. Caracterização dos solos O solo representa o produto final de um processo físico e químico de alteração das rochas, de onde resulta uma camada com partículas minerais e vazios contendo água e/ou ar. Enquanto que as partículas minerais formam a fase sólida, o preenchimento dos vazios constitui as fases líquida e gasosa, já que o seu preenchimento é efectuado por matéria líquida ou gasosa (normalmente água e ar). A natureza da rocha mãe e o processo de alterações ao qual esteve exposta determinam as características físicas e químicas de cada solo. O solo pode apresentar características bastante diversificadas em áreas relativamente próximas ou até entre os vários substratos. Perante esta diversidade e complexidade na selecção dos melhores solos para a construção, o conhecimento dos constituintes minerais da fase sólida e a sua interacção com as fases líquida e gasosa permite definir a estrutura da terra e, desta forma, antever o desempenho de um determinado solo. A fase gasosa constitui a matéria gasosa presente no solo, normalmente ar que ocupa os vazios entre a matéria sólida. Nos solos em estado normal, a matéria gasosa e a líquida ocorrem em simultâneo, podendo, em situações extremas, ser os vazios preenchidos por um só material [2]. A fase líquida, que corresponde à presença de matéria líquida, pode ser dividida em três tipos: água livre, que ocupa os vazios do solo e que evapora quando submetida a uma secagem em estufa (105 ± 3 ºC); água capilar, que fica retida junto aos pontos de contacto das partículas sólidas devido às forças capilares (forças de tensão superficial) e que, da mesma forma que a água livre, se evapora quando submetida a uma secagem em estufa (105 ± 3 ºC); e a água adsorvida, que se apresenta em forma de película envolvendo sobretudo as partículas de dimensão inferior a 0,002 mm e que só evapora a temperaturas superiores a 300 ºC. A água adsorvida é determinante no comportamento dos materiais finos, principalmente as argilas [2]. A fase sólida é constituída por partículas minerais com diferentes dimensões e em proporções variáveis. A sua classificação, que se baseia nas proporções relativas das dimensões das partículas, estabelece os materiais constituintes do solo, como a gravilha, a areia, o silte e a argila (Quadro 1). O comportamento de cada um dos materiais atrás referidos face às fases líquida e gasosa define a estrutura da terra.

2 Quadro 1 - Dimensões, em mm, dos constituintes do solo [3] Os materiais constituintes do solo apresentam comportamentos diferentes quando expostos a diferentes graus de humidade. A maior ou menor tendência dos materiais para modificarem as suas características na presença de humidade, classifica-os em instáveis ou estáveis. Genericamente, identificam-se os materiais com dimensão superior a 0,002 mm como estáveis (silte, areia e gravilha) e os materiais de dimensão inferior como instáveis (argilas). No entanto, com a diminuição da dimensão das partículas, os materiais apresentam maior plasticidade e capacidade de retenção da água e menor permeabilidade: gravilhas: partículas de dimensão entre os 60 mm e os 2 mm; as suas características não sofrem alterações perceptíveis quando em contacto com a água; areias: partículas de dimensão entre os 2 mm e os 0,06 mm; apresentam pouca coesão mas um elevado grau de resistência interna pela fricção das partículas; quando humedecidas, a tensão das partículas de água que ocupam os vazios eleva a sua coesão; siltes: partículas de dimensão entre os 0,06 mm e os 0,002 mm; enquanto secos, apresentam pouca coesão e grau de resistência interno por fricção inferior ao das areias; quando humedecidos, têm uma boa coesão; argilas: partículas de dimensão inferior a 0,002 mm; as suas características colocam-nas na categoria dos materiais instáveis, mas são também o elemento de maior importância na definição da estrutura do solo, pelas suas propriedades coloidais; apresentam como principais características a sua forma lamelar e uma película de água absorvida envolvente, o que lhes confere uma elevada força de atracção e capacidade de coesão aos solos. A complexidade do comportamento das argilas em contacto com a água resulta da existência de diferentes tipos de minerais argilosos e do tipo de estrutura dos mesmos minerais na argila. Os minerais de argila mais presentes nos solos são dos grupos da caulinite, da montmorilonite e da ilite. A caulinite é constituída por duas camadas unidas, uma tetraédrica de sílica e outra octaédrica de alumínio, ferro ou magnésio, formando unidades estruturais que se empilham sucessivamente. A forte ligação entre unidades (forças inter-moleculares do tipo ligações de hidrogénio) impede a entrada de partículas, nomeadamente as de água, para o seu interior. A montmorilonite é composta de uma unidade estrutural com duas camadas tetraédricas de sílica unidas por uma camada octaédrica. As unidades empilhadas encontram-se separadas por moléculas de água, originando elevados valores de expansão e retracção de acordo com o aumento ou diminuição da humidade. A ilite tem uma unidade estrutural igual à da montmorilonite. No

3 entanto, a substituição dos iões de sílica por iões de alumina na sua estrutura origina unidades empilhadas com a presença de iões de potássio entre ligações. Os iões de potássio diminuem o número de moléculas de água, logo são menos susceptíveis à expansão e retracção, registando valores intermédios em relação à caulinite, mais estável, e a montmorilonite, mais instável [2]. A estrutura dos minerais de argila pode ser de dois tipos, consoante a resultante das forças entre partículas seja atractiva ou repulsiva. Quando a resultante das forças é predominantemente repulsiva, designa-se de estrutura dispersa (Fig. 2, à esquerda). As partículas distanciam-se e dispõem-se paralelamente entre si, podendo originar estruturas com elevados teores em água. Quando as forças resultantes são de atracção, designa-se de estrutura floculada (Fig. 2, à direita). As partículas têm tendência a aproximar-se e a formar uma estrutura do tipo castelo de cartas. Esta estrutura não possibilita teores em água tão elevados como a estrutura dispersa. Apesar de os minerais de argila serem instáveis, com forte poder de retenção da água, elevada plasticidade e adesividade, tenacidade no estado seco e variação de volume na presença da água e em processos de secagem, as suas propriedades como ligante têm um papel fundamental na agregação dos solos. É por esta razão que a sua presença na terra utilizada em construções, desde que em percentagens correctas e devidamente densificadas por compressão (diminuindo a porosidade), permite obter comportamentos mecânicos satisfatórios. A caracterização do solo é fundamental para uma correcta utilização das diversas técnicas de construção em terra. Para avaliar as características de um solo e melhorar a técnica a utilizar, é necessário não só a identificação do tipo de solo disponível, mas sobretudo determinar o seu comportamento face a diferentes teores em água (o solo não é utilizado com o mesmo teor em água nas diversas técnicas). Figura 2 - Estrutura dispersa (à esquerda) e floculada (à direita) [2] 3. Granulometria 3.1 Curva granulométrica ideal A definição da curva granulométrica ideal continua a ser objecto de pouco consenso pois, para além da distribuição ideal das partículas pela sua dimensão, a diversidade de comportamentos que os minerais de argila podem assumir na presença da água e a utilização de múltiplas técni-

4 cas e processos de construção em terra originaram a apresentação de valores relativamente díspares em vários estudos e pesquisas. De forma abrangente, podem-se definir duas curvas granulométricas correspondendo aos limites de tolerância inferior e superior. Deste modo, é possível avaliar se a distribuição das partículas se encontra dentro do intervalo de tolerância. Em todo o caso, esta avaliação não é de todo determinante para caracterizar um solo. Numa análise exclusivamente formal e dimensional das partículas, pode-se constatar que o aumento da resistência mecânica e do comportamento dos solos face ao desgaste está directamente relacionado com a diminuição dos seus vazios, de forma a potenciar o contacto entre as partículas. Teoricamente, é possível ter um solo sem vazios, desde que as partículas sejam esféricas e as suas dimensões se distribuam de acordo com a fórmula de Fuller: p = 100 ( d / D ) n em que: p - proporção das partículas de um determinado diâmetro; d - diâmetro das partículas para um valor determinado p; D - maior diâmetro das partículas; n - coeficiente de classificação. Quando as partículas são perfeitamente esféricas, o valor de n é igual a 0.5. No entanto, na construção em terra, um valor de n entre 0.20 e 0.25 é mais apropriado, dependendo da forma das partículas. Na realidade, é virtualmente impossível encontrar solos naturais que apresentem a distribuição ideal [4]. Nos últimos anos, com estudos e pesquisas abrangendo um cada vez maior número de técnicas de construção em terra, os investigadores da área têm apresentado valores limites de acordo com a especificidade de cada técnica, seja o BTC, o adobe, a taipa natural ou a taipa estabilizada. 3.2 Granulometria para taipa natural O trabalho de Vasilios Maniatidis e Peter Walker (2003) [4] possibilita a comparação das proporções propostas por investigadores de referência da construção em taipa. Os quadros comparativos apresentam, num caso, os limites inferiores para a distribuição das partículas (Fig. 3, à esquerda) e, no outro, os limites superiores (Fig. 3, à direita) para a construção em taipa natural. Apesar de a diferença de valores propostos e da larga variedade de solos utilizados na construção em taipa natural, é possível estabelecer critérios mínimos para a definição granulométrica dos solos: de acordo com Hughes (1983), não se deve construir com elementos de gravilha e areia, uniformes, sem material fino ou agentes estabilizadores; o solo para as paredes de taipa deve incluir, sempre, os seus quatro elementos constituintes (McHenry, 1984); idealmente, o solo deve ter uma proporção elevada de areia e gravilha, algum silte e argila suficiente para agir como colóide (Keable, 1996); segundo Norton (1997), qualquer elemento com dimensão superior a 5-10 mm deve ser retirado; trabalhos experimentais, com provetes cilíndricos de taipa natural, indicam que a introdução de gravilha de maiores dimensões diminui a resistência à

5 compressão (Patty & Minium); no entanto, nenhum solo pode ser considerado ideal sem se levar em consideração todas as características que definem a sua estrutura (Saxton, 1995). As propostas tendem a convergir para uma proporção de 30% de material fino e 70% de material grosso (Berglund, 1986; Dayton, 1991; Easton, 1996). Da mesma forma, é possível estabelecer um valor de 20 a 25% como percentagem mínima do combinado argila / silte (material fino) e um valor máximo de 30 a 35%. Para o combinado areia / gravilha (material grosso), os valores mínimos situam-se entre 50 e 55%, enquanto os valores máximos estão compreendidos entre 70 e 75%. Algumas divergências de valores podem ser explicadas com base na diferença de limites para cada um dos constituintes do solo, como é caso de Alley (1948). Figura 3 - Proporções mínimas (à esquerda) e máximas (à direita) para taipa natural 3.3 Granulometria para taipa estabilizada com cimento Ainda de acordo com [4], e comparando os limites inferiores e superiores propostos para a distribuição das partículas de um solo estabilizado com cimento (Fig. 4 e 5, respectivamente) com os valores correspondentes no solo natural, pode-se constatar que as proporções de material grosso tendem a ser superiores quando se trata de solos estabilizados com cimento. Figura 4 - Proporções mínimas para taipa estabilizada com cimento [4]

6 Figura 5 - Proporções máximas para taipa estabilizada com cimento [4] Em termos abrangentes, as proporções apresentadas são coincidentes, ou seja, um solo apropriado para a estabilização com cimento deve ter uma percentagem significativa de areia e gravilha, mais de 50%, e de preferência cerca de 75%, e baixas percentagens de argila e silte, normalmente valores inferiores a 25%. As proporções apresentadas, quer para a taipa natural, quer para a taipa estabilizada com cimento, devem ser utilizadas como referências alargadas na selecção dos solos.