Na adição de cal a um solo fino, faz com que as propriedades físicas deste solo sofram alterações, havendo uma melhoria na plasticidade, trabalhabilidade e na variação de volume. No entanto, nem todos os solos apresentam melhoria de resistência e durabilidade, vai depender de algumas variáveis influenciáveis, são estes: o tipo de solo, o tipo e a quantidade de cal, período e condições de cura, temperatura.
2. 6.2.1 Granulometria
A adição de cal ao solo de granulometria fina resulta, primeiramente, na floculação e aglomeração das partículas argilosas, produzindo um solo mais grosso, mais permeável e mais friável, (GUIMARÃES, 2002). O referido autor ainda comenta que, uma argila com 10% de cal, após 14 dias de “cura” passa a ter granulometria de silte e, depois de 240 dias, a granulometria de areia. Assim, quanto mais fino e argiloso for inicialmente o solo, maior será a influência da cal na sua granulometria.
A adição de cal ao solo proporciona uma alteração considerável em sua textura. Tal fato se deve, principalmente, à capacidade da cal em flocular e aglomerar as partículas devido ao aumento da concentração eletrolítica e redução da espessura da camada dupla difusa, visto que a cal possibilita um equilíbrio da deficiência de carga da partícula de argila. Este fenômeno foi observado por Silva Junior (2010) que estudou uma argila expansiva com elevado percentual de partículas menores do que 0,002 mm (52%) e constatou que a adição de cal (9%) permite um aumento no percentual de partículas de textura mais grossa.
Os processos de formação do solo são os responsáveis pela organização dos constituintes e que se traduz, pela estrutura do solo. A estrutura do solo é “a constituição física de um material expressada pelo tamanho, forma e arranjo das partículas sólidas e vazios, incluindo as partículas primárias que formam as partículas compostas, e estas propriamente”, (BREWER, 1976). A microestrutura pode ser observada por microscopia óptica sobre lâminas delgadas e também por microscopia eletrônica de varredura. Nóbrega (1981) adicionou 5% de cal a um latossolo e observou os efeitos desta adição do ponto de vista mecânico e micromorfológico (através de microscopia ótica e microscopia eletrônica de varredura) e mineralógico. O efeito que a cal trouxe nas características micromorfológicas é verificado na Figura 2.11 (a), onde se observa os microagregados, após a compactação com adição de cal, que os grãos se acomodam com a energia aplicada deixando entre si vazios, com o aumento da imagem percebe-se que além dos vazios dessa acomodação existe uma microporosidade a nível de borda, oriunda da ação da cal em contato com o plasma, esta reação promove a neoformação de assembleias cristalinas neoformadas, Figura 2.11 (b, c).
Figura 2.11 – Eletromicrografia (a) Latossolo compactado após adição de cal; (b) Preenchimento de vazios interagregados; (c) Assembleia cristalina neoformada. (V – vazios;
M – Microagregado; AC – Assembleia cristalina), (NÓBREGA, 1981).
2. 6.2.2 Plasticidade
A adição de cal aos solos modifica os limites de consistência, esta adição aos solos argilosos faz diminuir rapidamente o índice de plasticidade do solo, reduzindo os problemas às construções advindos dos solos argilosos.
Hilt e Davidson (1960) observaram que o limite de plasticidade (WP) de solos argilosos aumenta com a adição da cal. Esse efeito foi mais acentuado em solos contendo montmorilonita, sendo que aqueles contendo caulinita foram menos afetados.
Estudos realizados por Castro (1969) mostraram que a adição de cal é indicada para os solos com alta plasticidade. Concluiu-se que os solos que tem como principal argilomineral a ilita e a montmorilonita são mais beneficiados em relação à plasticidade quando comparados com solos de argila caulinita. Em relação ao tempo de cura necessário para que se desse a redução da plasticidade situou-se entre 0 e 2 dias para cal cálcica e para cal domomítica nos primeiros quatro dias.
Blandl (1981), concluiu que a rápida mudança que a adição de cal traz aos limites de consistência do solo dá-se devido às transformações estruturais e floculação do material. Quanto maior for à fração coloidal do solo e a atividade da argila, tanto maior será a diminuição do Limite de Liquidez (WL).
A adição de cal a um solo argiloso causa um imediato aumento do (WP), (BELL, 1988). No entanto observando os resultados obtidos por Thomé (1994), Figura 2.12, o WP apresentou uma pequena redução até 4% de cal, isso ocorreu porque até este teor a cal foi utilizada para neutralizar a matéria orgânica, em seguida o (WP) passou a aumentar. Com o teor de 11% o (WP) passou a diminuir, de acordo com Hilt e Davidson (1960) isso ocorreu porque esse teor de cal (11%) foi o necessário para atingir o que é chamado de “ponto de fixação da cal”, até esse ponto a cal contribui para a melhoria na trabalhabilidade do solo.
Figura 2.12 – Limites de Atterberg em função do teor de cal com um dia de cura, (THOMÉ, 1994).
Lima et al (1993) afirmam que em geral o limite de liquidez aumenta nos solos com menor plasticidade. Eles verificaram reduções de até 80% no índice de plasticidade de argilas plásticas. Também, comentam que sensíveis reduções do índice de plasticidade, quando ocorrem, processam-se poucas horas após a adição de cal, com ressalva de que toda a variação na plasticidade em geral ocorre no intervalo de dois a três dias.
Goosen et al (2006), afirma que o acréscimo de cal aumenta o limite de plasticidade e diminui os limites de liquidez e o de contração, conforme pode ser observado na Figura 2.13. Diamond e Kinter (1965) argumentam que mesmo em solos que o WL aumenta com o teor de cal, o acréscimo não é maior que o WP, resultando numa redução do IP
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Teo r d e Um id ad e ( % ) Teor de Cal (%) WL WP IP
Figura 2.13 – Efeito da cal sobre os limites de consistência, (GOOSEN et al, 2006).
2. 6.2.3 Compactação
Vários estudos relativos a mistura solo-cal revelaram um menor peso específico aparente seco máximo que o solo natural, para uma mesma energia de compactação, enquanto que a umidade ótima aumenta.
Mitchell e Hooper (1961) pesquisando o efeito do tempo de espera entre a mistura e a compactação verificaram que a espera de 24 horas diminui o peso específico aparente seco máximo (γd) em relação a amostra que foi compactada após a mistura.
TRB (1987) também afirma que à medida que o teor de cal em uma mistura solo-cal aumenta, o (γd) continua diminuindo. Além disso, a umidade ótima (wot) aumenta com o acréscimo do teor de cal.
Lima et al, (1993) afirma que os solos estabilizados com cal viva apresentam, em geral, uma umidade ótima ligeiramente mais elevada do que aqueles tratados com cal hidratada, para uma mesma energia de compactação. No que se refere ao peso específico seco, o tipo de cal parece não exercer influência significativa.
Bell (1996) relata que no tratamento de solos cauliníticos são obtidos valores maiores do peso específico aparente seco máximo seco, do que em solos onde há a presença de argilosminerais expansivos.
Osinubi (1998) ao estudar a influência do retardamento no tempo de espera entre a mistura e a compactação, constatou uma tendência na diminuição do (γd) à medida que o tempo de espera aumenta. Também foi observada uma redução na umidade ótima da mistura, esse resultado pode ser atribuído as trocas catiônicas e a floculação das partículas de argila, que ocorrem simultaneamente, deste modo diminuindo a água disponível no sistema. De acordo com o autor, em materiais compactados imediatamente após a mistura, a mudança nas características de compactação é principalmente devida à alteração na granulometria do solo; quando ocorre uma demora na compactação, os produtos de hidratação se unem às partículas tornando necessária à ruptura dessas agregações para que o solo seja compactado satisfatoriamente, o que pode não recuperar sua total resistência.
Os resultados obtidos por Lovato (2004), Tabela 2.7, confirmam o relatório do TRB (1987) que constatou que a adição de cal ao solo proporciona uma redução no peso específico aparente seco máximo e um aumento na umidade ótima de compactação, em relação ao solo no estado natural, devido ao fenômeno de floculação das partículas do solo quando a cal é adicionada. Com o aumento do índice de vazios a estrutura floculada será forte para resistir a compactação, o que reduz o γd do solo. Quanto mais vazios no solo, mais água será necessária para preenchê-los, resultando em uma umidade ótima maior.
Tabela 2.7 – Características da compactação do solo e das misturas, (LOVATO, 2004). Material Peso Específico Aparente
Seco Máximo (kN/m³) Umidade Ótima (%)
Solo - natural 17,62 17,4
Solo - Cal (3% cálcica) 16,64 18,5
Solo - Cal (4% cálcica) 16,6 18,2
Solo - Cal (5% cálcica) 16,62 18,7
Solo - Cal (3% dolomítica) 16,87 17,2
Solo - Cal (4% dolomítica) 16,85 18,2
2. 6.2.4 Expansão
A expansão e a contração de um solo são normalmente reduzidas quando o solo é tratado com cal. A cal tende, pela floculação das partículas, a reduzir as mudanças de volume apresentadas pelos solos. A diminuição da expansão é atribuída à redução da afinidade por água das argilas saturadas pelo íon cálcio e pela formação de uma matriz cimentante. Valores de expansão medida no ensaio CBR em solos tratados com cal variam, mas é comum se observar reduções na expansão para menos de 0,1%, em comparação com 7% a 8% do solo não tratado, (TRB, 1987).
Os autores Herrin e Mitchell (1961) afirmaram que a cal influencia a expansão dos solos e que sua adição, até certo teor, causa redução nas suas variações volumétricas. Acima do teor ótimo, observam-se reduções muito pequenas. E que, quanto mais expansivo for o solo, maior é a influência da cal na redução das variações volumétricas.
Goosen et al (2006), constataram o que é apresentado na literatura quando ensaiou em laboratório um solo (com Limite de Liquidez de 67,8%; Limite de Plasticidade e 22,2%; Índice de Plasticidade de 45,6%; fração de argila ( < 0,002 mm ) de 33% e alta atividade (1,38) ), e observou nos resultados que o acréscimo de cal diminui a pressão de expansão do solo, conforme se observa na Figura 2.14, e que o tempo de cura influencia diminuindo, para cada teor de cal, a pressão de expansão.
Figura 2.14 – Efeito da cal e do tempo de cura na pressão de expansão, (GOOSEN et al, 2006).
2. 6.2.5 Resistência
A resistência de solos estabilizados com cal é obtida utilizando ensaios como: compressão simples, compressão triaxial e o ensaio de Índice de Suporte Califórnia (ISC) ou CBR (Califórnia). Sendo mais comum a utilização do ensaio de compressão simples. Os ensaios de CBR, apesar de utilizado, não são recomendados para avaliar a resistência curada destas misturas. No entanto, a resistência de misturas solo-cal dependerá de fatores como: tipo de solo e cal, teor de cal, tempo e temperatura de cura, (TRB, 1987).
Eades e Grim (1960) pesquisaram, através de ensaios de compressão simples, o aumento de resistência de um solo contendo caulinita, ilita e montmorilonita. Constataram que o aumento de resistência, para solos com caulinita, inicia com a adição dos primeiro teores de cal, enquanto que para solos contendo ilita e montmorilonita são necessários adicionar 4 a 6 % de cal para que ele se desenvolva. Isto se dá porque, no caso das argilas contendo ilita e montmorilonita, é necessário que haja uma saturação das camadas pelo íon cálcio para que se inicie o ataque ao argilomineral. E no caso das caulinitas, o aumento da resistência começa devido ao ataque do cálcio nas arestas da partícula.
Ormsby e Kinter (1973) estudaram a relação entre resistência de mistura solo-cal e o tipo de cal utilizada. Observaram que para solos contendo como principal argilomineral a caulinita, a adição de cal cálcica confere maiores resistências a compressão simples do que a mistura com cal dolomítica. Para solos com principal argilomineral a montmorilonita os melhores resultados são obtidos com a cal dolomítica.
Bell (1996) constatou um rápido aumento inicial na Resistência de compressão simples (RCS) de um solo contendo montmorilonita, com pequenos teores de cal (2 a 3%). Além disso, para este solo, 4% de cal foram o suficiente para atingir a resistência máxima, enquanto que para um solo rico em caulinita, a resistência máxima foi atingida com teores entre 4 a 6%. No entanto, o nível de resistência alcançado pela adição de cal ao solo caulinítico foi sensivelmente superior a mistura com solo contendo montmorilonita. Foi constatado também que a resistência não aumenta linearmente com o teor de cal, e a cal em excesso diminui a resistência.
Lovato (2004) confirmou a constatação feita por esses autores quando verificou em seus ensaios que as misturas com cal cálcica apresentaram um desempenho superior as misturas com cal dolomítica, com valores de RCSde 28 a 55% superiores, conforme tabela 2.8.
Tabela 2.8 – Resistência à compressão simples (kPa), (LOVATO, 2004).
Tipo de Cal Cálcica Dolomítica
Teor de Cal 3% 4% 5% 3% 4% 5% Tempo de Cura (Dias) 14 881 1429 1997 389 698 756 28 905 1519 2002 561 706 769 56 910 1553 2124 644 736 807 112 731 1044 1468 687 783 888 140 741 1066 1396 686 811 903 168 758 1003 1387 (*) (*) 840
(*) Corpos de prova desintegraram-se gradualmente durante as 24 horas de imersão prévia ao ensaio, possivelmente devido à perda de umidade durante o período de cura.
A literatura mostra que o ganho de resistência das misturas solo-cal também é influenciado pelo tempo e temperatura de cura. Em geral esses solos apresentam um rápido aumento de resistência no início do período de cura, mas vão diminuindo após atingir determinado valor máximo.
Mendonça et al (1996), pesquisaram a estabilização com cal de dois solos da região de Viçosa-MG acelerando o tempo de cura. Concluíram que a reação pozolânica da mistura solo- cal está ligada a temperatura de cura, pois houve pequeno aumento na resistência mecânica das misturas quando estas foram curadas a baixa temperatura, ao passo que, essas resistências evoluíram com extrema rapidez para temperaturas mais elevadas. Com relação à influência do tempo de cura, constataram que há limites para ganho de resistência com a evolução do tempo e temperatura de cura.
O aumento da resistência a compressão simples da mistura solo-cal se dá de forma linear de acordo com a quantidade de cal, usualmente 8% para solos argilosos. A partir desse ponto há um decréscimo da resistência devido às misturas solo-cal apresentarem uma cimentação lenta a depender do tipo de solo, Figura 2.15, (INGLÊS e METCALF, 1972).
Figura 2.15 – Efeito da quantidade de cal sobre a resistência a compressão simples para alguns solos tratados com cal e curados por 7 dias, (INGLÊS e METCALF, 1972).
Ao estudar a variação na resistência a compressão simples (RCS) de um solo arenoso misturado a cal, em função do tempo de espera para compactação e tempo de cura, Nunez (1991) observou que o retardamento na compactação reduz em até 50% a RCSde mistura solo-cal. Para o tempo de espera de uma hora entre a mistura e a compactação a resistência foi reduzida em 42%, essa resistência evolui linearmente com o teor do aditivo e com o logaritmo do tempo. Sivapullaiah et al (1998) afirmou que para um solo com predominância da montmorilonita, estabilizado com 2% de cal e na umidade ótima, houve uma diminuição de 241 kPa para 117 kPa na RCSao retardar a compactação em 1 dia. Quando esse retardamento foi de 7 dias, a RCScaiu para 83 kPa. Os compostos cimentantes, formados neste período, não contribuíram para o ganho de resistência.
Ainda podemos verificar que segundo os estudos de Thompson (1964) a presença de matéria orgânica também influência o processo de estabilização, retardando as reações e produzindo pequenos ganhos de resistência a mistura solo-cal. O autor afirmou que um solo com teor de matéria orgânica maior que 1% não responde bem ao tratamento com a cal. Queiroz de Carvalho (1979) constatou que os menores ganhos de resistência ocorreram em solos com maior teor de matéria orgânica.