Experiências recentes de tratamentos químicos em solos

Com o passar do tempo, foi se aprimorando cada vez mais o emprego de estabilizantes químicos na pavimentação, aplicando-os de diversas formas a fim de melhorar o desempenho de solos de baixo desempenho. Diversos estudos foram realizados no Brasil e no mundo com aplicação do cimento e ou cal, e alguns destes serão apresentados a seguir.

2.3.4.1 Solo tratado com cimento na pavimentação

Na Tailândia, Lorenzo e Bergado (2004), tendo percebido em estudos anteriores que a umidade da argila e seu teor de cimento são variáveis determinantes no comportamento mecânico destas misturas, desenvolveram um estudo, em que se estabilizou com cimento (5-20%) um solo argiloso com baixa resistência à compressão simples e alta compressibilidade, com objetivo de avaliar a influência do tempo de cura (7, 14 e 28 dias), na resistência e compressibilidade da mistura, com base no paramento da relação eot - índice de vazios depois da cura e Aw – teor de cimento da

mistura (eot/Aw). Segundo os autores, das análises realizadas nos resultados dos

ensaios de compressão simples, foi comprovado que a combinação da relação eot/Aw

influencia no teor de umidade de argila, teor de cimento e tempo de cura, gerando alterações no comportamento mecânico da mistura, ou seja, o aumento do teor de cimento com uma umidade do solo constante, diminuiu o índice de vazios e aumentou a resistência à compressão simples da mistura após determinado tempo de cura. Em contrapartida, com o aumento do teor de umidade na mesma dosagem de cimento, aumentou o índice de vazios e diminuiu a resistência após o tempo de cura. Deste

modo, concluiu-se que o tempo de cura e a umidade tiveram grande influência no comportamento da mistura solo-cimento.

Rios et al. (2012) desenvolveram um estudo em Portugal-Porto, onde avaliaram o efeito ou a influência da relação porosidade – n e teor de cimento – c (v=n/c) na compressão de uma mistura solo-cimento, utilizando uma correlação da literatura mais recente. Os autores, através dos resultados, concluíram que para cada valor deste índice ou relação v, existe uma linha de compressão normal – NCL única e bem definida, não convergindo com a NCL do solo puro, ainda que a mistura solo- cimento esteja submetida a altas tensões solicitantes, apresentando, assim, NCLs paralelas na medida em que se variou o teor de cimento, deste modo, indicando que mesmo sob altas tensões, os elementos que constituem o processo de cimentação da mistura se mantiveram íntegros. Portanto, o índice v (v=n/c), demonstrou ser um parâmetro importante no comportamento da compressão pura de uma areia cimentada. A Figura 8 apresenta o resumo da contribuição deste estudo.

Figura 8 - NCL da mistura solo-cimento de determinado v=n/c (RIOS et al., 2012)

Joel e Agbede (2010), em seu estudo desenvolvido na Nigéria, avaliariam os ganhos em termos de propriedades físicas e mecânicas de um solo arenoso laterítico marrom-avermelhado, classificado como A-2-7 (0) - USCS, estabilizado com teores de cimento entre 3% e 12%. Os resultados deste estudo indicaram que o índice de plasticidade - IP diminuiu de 17% para 2,5% do solo laterítico puro para o tratado

com 60% de areia e 6% de cimento. Para as duas energias de compactação, a Proctor normal - SP e padrão da África Ocidental - WAS, os autores verificaram que a umidade ótima - Wo aumentou com aumento do teor de cimento. Contudo, diminuiu com o

incremento de areia. A Wo na energia de compactação WAS foi consistentemente

inferior aos valores obtidos ao emprego da energia de compactação SP, enquanto que os valores correspondentes da densidade máxima seca – γdmáx foram maiores na

energia WAS e inferiores na SP. Com base nas especificações nigerianas, os requisitos de CBR para o material de base da camada de pavimento foram atendidos quando o solo laterítico foi tratado com 6% de cimento e variações nos teores de areia de 45%, 30%, 15%, bem como, 3% de cimento e 45% de areia nas energias de compactação SP e WAS, respectivamente. Portanto, concluiu-se, neste estudo, que na mistura do solo laterítico com cimento, a areia também tem um papel determinante no seu comportamento ou desempenho mecânico.

Consoli et al. (2012) desenvolveram no Brasil na região de Porto Alegre um estudo com uma areia argilosa SC segundo a classificação USCS, reforçada com fibra e estabilizada com teores de cimento entre 1% e 7%, com o objetivo de avaliar a influência do teor de cimento, porosidade – n e da relação porosidade-cimento (n/c) na avaliação da resistência à tração (qt), resistência à compressão simples qu, e a relação qt/qu das misturas. Os resultados desta pesquisa demonstraram que a densidade aparente seca máxima (γdmáx) da mistura aumentou proporcionalmente ao

teor de cimento, e na equação empregada neste estudo, as resistências qt e qu aumentaram com o incremento do teor de cimento e redução da porosidade da mistura compactada, deste modo reafirmando que a relação porosidade-cimento (n/c) é um parâmetro sensível na avaliação das resistências qt e qu da mistura solo-cimento. Finalmente, a relação qt/qu tem um comportamento padrão para a mistura estudada, sendo independente da relação porosidade-cimento (n/c).

Devido à contaminação do lençol freático por impactos ambientais, as misturas solo-cimento das regiões são afetadas por elementos químicos ácidos ou alcalinos. Desta feita, Yang et al. (2013) estudaram na China a influência do teor de cimento (10-25%), idade de cura (7, 14, 21 e 28 dias) e o valor do pH (2-12%) nas propriedades mecânicas de um solo cimentado, para combater a contaminação ambiental. Os resultados mostram através da análise visual que as misturas erodiram significativamente em condições ácidas, enquanto em condições alcalinas foram

apenas ligeiramente afetadas. A resistência à compressão simples – RCS das misturas solo-cimento aumentou com o acréscimo do teor de cimento e a idade de cura, embora este desempenho seja lento comparado com misturas convencionais. Os autores também concluíram que, apesar do incremento do aditivo químico, em ambientes ácidos e alcalinos fortes, a perda da RCS atingiu cerca 30%.

Segundo Ismail e Ryden (2014), teores de umidade altos têm uma série de consequências desvantajosas no solo, tais como: diminuição da coesão, aumento da expansão e destruição da rocha ou da estrutura do solo. Partindo desse pressuposto, os autores desenvolveram no Egito um estudo com um solo silte-argiloso de baixa capacidade, formado nas margens do rio Nilo, estabilizando-o com teores de cimento entre 2,5 e 10,0% e períodos de cura de 1 dia, 1 e 4 semanas. Este trabalho tinha como objetivo examinar o efeito do cimento na resistência à compressão e tração não confinadas, módulo Young e módulo de cisalhamento. Percebeu-se como os resultados dos estudos anteriores que com o aumento do teor de cimento, os parâmetros de resistência das misturas aumentaram, obtendo-se a maior resistência no maior tempo de cura. Concluiu-se, então, que o emprego deste ligante melhorou significativamente o comportamento mecânico do solo.

Williamson e Cortes (2014) apontam que em condições ambientais onde se verifica grande variação da umidade e da temperatura, o cimento é comumente usado para melhorar as propriedades mecânicas dos solos que apresentam mudanças substanciais no comportamento. No entanto, minimizar o teor de cimento e atingir um nível satisfatório de desempenho é o principal objetivo do emprego da mistura solo-cimento. Para tal, são necessários modelos de previsão de desempenho. Os autores realizaram um estudo, reanalisando os resultados experimentais publicados, com a finalidade de verificar as relações causais entre as proporções e as propriedades dos componentes da mistura no seu desempenho. Concluiu-se que o fator D definido neste estudo, que é um índice adimensional que combina o teor de água, o teor de cimento, o índice de vazios após-compactação e a área de superfície específica do solo-cimento, correlaciona-se linearmente com a resistência à compressão simples - RCS das misturas solo e cimento.

Dado o alto custo causado pelo emprego de agregados para estabilizar os solos finos não-lateríticos expansivos e com baixa capacidade de suporte (NS’ e NG’ – MCT) das regiões periféricas de São Paulo para uso na pavimentação, Kawahashi

et at. (2010) apresentaram um trabalho em que se melhorou estes solos com cimento

de alto forno, buscando-se controlar sua expansão e ganhos na capacidade de suporte. Foram obtidos resultados positivos no controle de expansão com baixos consumos de ligante hidráulico, porém, sem melhorias significativas quanto ao módulo de resiliência das misturas. As misturas solo-brita-cimento requereram maior consumo ligante e indicaram o aumento do módulo de resiliência. Com exceção dos resultados de resistência à tração, os autores concluíram que as misturas estudadas apresentaram viabilidade para uso em reforços de subleitos e sub-bases.

Ainda no Brasil, Ingunza et al. (2014) desenvolveram um estudo com um solo siltoso fino com baixa compressibilidade, classificado como ML – USCS e A-4(5) – HRB, coletado na costa nordeste brasileira, usando cinza de lodo (5%-30%) e cimento (3%, 6% e 9%) como estabilizantes, e energias de compactação Proctor normal, intermediária e modificada. O objetivo deste estudo foi avaliar o desempenho mecânico da mistura para empregar em camadas de base e sub-bases de pavimentos. Os resultados indicaram que o aumento do teor de cimento e energia de compactação provocou o aumento da massa específica seca máxima - γdmáx e da

RCS da mistura. Contudo, diminuiu a umidade ótima Wo. A maior RCS foi atingida

com o teor de cinzas de lodo de 20%, o que aumentou a RCS em 26% quando comparado com a mistura sem cinzas de lodo. Os autores concluíram que o emprego dos aditivos (cimento e cinza de lodo) fez com que o solo respondesse positivamente. Não obstante, é importante implementar em escala real ou no campo um estudo para avaliar o custo do ciclo de vida destas misturas.

Sullivan et al. (2015), ao considerarem a desconexão da prática atual de estabilizações solo-cimento existentes nos métodos de dosagem em laboratório, critérios de projeto para determinar a espessura de camada de pavimento e o controle de qualidade na construção, desenvolveram um dispositivo patenteado como PM, que integra esses três aspetos, permitindo a compactação de solo-cimento em moldes cilindros feitos de plástico, e este foi construído com um design de moldes de metal que cercava o molde de plástico ligeiramente modificado para evitar a distorção da amostra durante a compactação. Os autores moldaram mais de 750 amostras de solo- cimento em laboratório com o novo dispositivo, avaliando as dimensões finais (por exemplo, diâmetro e altura), variabilidade da RCS e Módulo de Elasticidade - ME. Os resultados demonstraram que o dispositivo pode reproduzir amostras de testes

aceitáveis, com variabilidade de RCS semelhante à do Proctor tradicional. Os valores de ME dos experimentos foram semelhantes aos encontrados na literatura. Atualmente, o Departamento de Transporte de Mississippi - EUA está trabalhando para incorporar o dispositivo PM em suas práticas de solo-cimento.

2.3.4.2 Solo tratado com cal na pavimentação

Segundo Arabani e Veis Karami (2005), a coesão e o ângulo de atrito interno são os principais fatores na determinação da resistência à compressão, no entanto, na resistência à tração o efeito da coesão é muito maior que o ângulo de atrito interno. Em seus estudos os autores concluiram que quanto maior é o teor de argila, maior é a quantidade de produtos cimentantes e, consequentemente maior será a resistência à tração alcançada, mesmo não sendo este um comportamento padrão ao usar teores de argila muito altos. Verificou-se ainda que os vazios do solo foram completamente preenchidos de partículas finas argilosas, resultando-se em ganho de resistência à tração devido ao aumento da coesão, no entanto, na RCS qualquer incremento do teor de argila além daquele suficiente para preencher os vazios do solo, resultou em uma diminuição do ângulo de atrito interno.

Puppala et al. (2007) desenvolveram na cidade de Arlington-Texas um estudo utilizando um solo expansivo argiloso fino rico em sulfato, classificado como A- 7-6(20) – HRB e CL – USCS, estabilizando-o com cimento resistente à sulfato (tipo V), cinzas volantes de classe F de baixo teor de cálcio e cimento tipo V, solo de escória de alto forno granulado - GGBFS, cal tratada com fibras de polipropileno e uma mistura solo-cal de controle. Segundos os autores, as análises dos dados de monitoramento de campo, demostraram que: (i) em termos de irregularidade superficial, a seção de controle tratada apenas com cal apresentou mais deformação vertical e irregularidade em comparação com as demais misturas, e na sequência a de cimento, cinza volante de cimento e a cal tratada com fibras. Deste modo, em termos de irregularidade superficial a seção tratada com GGBFS apresentou o melhor desempenho; (ii) no geral, o cimento resistente ao sulfato de tipo V provou ser o tratamento mais eficaz para o solo, aumentando as propriedades de resistência ao cisalhamento e reduzindo as características a expansão, retração e plasticidade, embora a seção de controle

tratada com cal apresentou aumento nas características de resistência, seu desempenho foi baixo em comparação com as demais metodologias de estabilização aplicadas.

Segundo Consoli et al. (2009), o tratamento de solos com cal encontra aplicação para construção de camadas de base do pavimento, na proteção de inclinação de barragens de terra e como camada de suporte para fundações pouco profundas, não obstante, averígua-se a inexistência de metodologias de dosagem baseadas em critérios racionais tais como existem para o concreto, onde a relação água/cimento índice fundamental na avaliação da resistência de projeto requerida, e no caso da tecnologia solo-cimento, onde a relação vazios / teor de cimento (n/c) é um parâmetro importante para estimar a RCS.

Deste modo, os autores desenvolveram um estudo no Brasil, com objetivo de avaliar a influência da quantidade de cal, porosidade e o teor de umidade na RCS de uma argila magra CL – USCS, tratada com teores de cal iguais a 3%, 5%, 7%, 9% e 11%, bem como avaliar o uso de uma relação agua / cal (w/l) e vazios / cal (n/l) na variação dos resultados de RCS. Os resultados mostraram que a RCS aumentou linearmente com o aumento do teor de cal, e redução da porosidade da mistura compactada, no entanto, a variação do teor de umidade não apresentou um efeito preciso ou padrão na RCS das misturas compactadas na mesma densidade seca máxima - γdmáx. Foi também demonstrado que, para a mistura solo-cal em estado não

saturado, condição usual em enchimento de aterros, a relação agua / cal (w/l) não é um bom parâmetro para a avaliação da RCS, mas em contrapartida, a relação vazios / cal (n/l), definida como a relação entre a porosidade da mistura compactada e o teor volumétrico de cal, é o parâmetro significativo para avaliar a RCS destas misturas.

Mutaz et al. (2011), ao considerarem os defeitos causados às estradas de baixo volume de tráfego de Al-Qatif na Arábia Saudita, devido ao comportamento do solo local que é altamente expansivo, rico em minerais de esmectite, desenvolveram um trabalho com o objetivo de avaliar a influência da cal (4% e 8%) e/ou cimento (3% e 6%) na melhoria de um solo argiloso local, CH segundo a classificação USCS. Os autores fizeram um estudo de difração de raios X, testes de expansão - E e contração, quer seja no solo puro como no solo tratado. Os resultados dos testes XRD mostraram que a presença de uma abundante quantidade de minerais de argila do grupo smectite resultou em um aumento considerável da E e contração. O emprego dos aditivos

repercutiu no aumento dos limites de plasticidade - LP e contração das misturas, em comparação com o solo puro, e, por outro lado, influenciou na diminuição do limite de liquidez – LL, contração linear e deformação vertical e volumétrica das misturas do solo e aditivos. Ao empregar os dois estabilizantes, o cimento apresentou maior desempenho, e com teor de 6%, de acordo com as especificações locais, a mistura poderia ser usada em camadas de pavimentos com baixo volume de tráfego.

As estradas da região do lago Merin no Uruguai são sujeitas a um baixo tráfego médio anual. No entanto, durante a época de colheita de arroz, o tráfego diário médio é de aproximadamente 100 caminhões. Considerando o baixo desempenho do solo local classificado como uma argila com baixa plasticidade CL – USCS e A-7-6 – HRB, Behak (2011) estudou a influência da aplicação da cal em teores de 3%, 5%, 7%, 9% e 28 dias de cura, como aditivo químico para melhorar a performance do solo local. Foram realizados ensaios de compactação, CBR, RCS em laboratório, e em campo, construídos dois trechos experimentais com 50 m cada, usando teores de cal entre 3% e 5%, tendo seu desempenho sido avaliado após o período de colheita, através da análise visual e medidas de deflexão da viga Benkelman.

Segundo o autor, os resultados do experimento laboratorial demonstraram que na energia modificada, do solo natural para o tratado com 3% de cal, houve redução da umidade ótima e densidade seca máxima. No entanto, com o incremento da cal até 5%, aumentou a umidade ótima e diminuiu a densidade seca máxima das misturas. Percebeu-se, ainda, que, ao aumentar do teor de cal, aumentou a RCS e CBR das misturas, porém, com teores de cal entre 5% e 9%, não apresentaram grande variação da RCS, ou seja, permaneceram quase constante. Quanto aos trechos experimentais, apesar de algumas dificuldades de execução, o valor médio de deflexão reduziu de 244x10-2 _{cm imediatamente após a seção ter sido construída,}

para 77x10-2 _{cm 4 meses depois. Em geral, o uso da mistura solo-cal em camadas de}

base em estradas de baixo volume de tráfego é uma alternativa técnica e economicamente viável, ao proporcionar uma melhoria significativa da rede rodoviária rural e benefícios socioeconômicos.

El-Aziz e Abo-Hashema (2013) desenvolveram um estudo no Egito empregando cal (1%-11%) com adição de um resido de argila calcinada oriundo da indústria de tijolos e materiais cerâmicos chamado Homra (5%-15%). O objetivo era tratar um solo argiloso altamente plástico, classificado como A-7-5 – HRB e CH –

USCS. Os resultados mostraram redução no índice de plasticidade - IP, LL, expansão - E, e compressibilidade nas misturas do solo tratado. Verificou-se, ainda, uma tendência do aumento da Wo e redução da densidade seca máxima, na medida em

que se aumentou o teor de cal. A adição da cal resultou em aumento nos valores de CBR, coesão, ângulo de atrito e resistência ao cisalhamento do solo. Pode-se sumarizar que as propriedades físicas e mecânicas do solo argiloso estudado podem ser melhoradas usando cal e Homra, e que é possível reduzir a quantidade cal na mistura solo-cal, substituí-la pela homra e alcançar o mesmo desempenho.

Procurando solucionar o problema da contração em solos, Dash e Hussain (2015), em seu estudo na Índia empregaram a cal variando seu teor entre 0% e 13%, em períodos de cura entre 0 e 28 dias. Neste estudo, os autores procuraram melhorar as propriedades de 6 diferentes solos argilosos que abrangem uma ampla gama de plasticidade. Os resultados indicaram que, independentemente da plasticidade do solo, a adição de cal influenciou diretamente no aumento do limite de contração, sobretudo nos solos mais plásticos quando comparados com os de baixa plasticidade. Com o aumento do teor do ligante, a contração volumétrica foi reduzindo até a mistura atingir o teor de cal igual a 5%, permanecendo constante. Assim, 5% de cal foi considerado como o teor adequado ou ótimo, por proporcionar a máxima redução de contração das misturas.

Segundo Elkady (2016), durante a execução em campo do tratamento com cal, há dificuldades no controle das condições de cura da mistura, especialmente em regiões de climas áridos e semiáridos. Deste modo, o autor desenvolveu uma pesquisa com o objetivo de investigar o efeito de diferentes ambientes de cura na RCS de argilas expansivas tratadas com cal, e, de forma específica, avaliar a contribuição da sucção e cimentação no aumento da RCS. Testes foram realizados em argilas expansivas coletadas no Reino da Arábia Saudita (KSA), com teores de 2%, 4% e 6% de cal. As amostras foram curadas em diferentes ambientes de cura, nomeadamente: ambiente de cura normal - NC (isto é, temperatura controlada e ambiente de alta umidade), cura em laboratório - ILC e cura fora do laboratório - OC. Com os resultados, verificou-se que com o aumento do teor de ligante aumentou a Wot e diminuiu a γdmáx.

Para todos os ambientes de cura, registrou-se um aumento na RCS ao aumentar o tempo de cura, obtendo valores máximos de RCS das amostras no ambiente de cura normal - NC. Este ganho de RCS nas amostras curadas no ambiente normal - NC é

principalmente atribuído ao aumento das ligações de cimentação. Os ambientes de cura ILC e OC promoveram o desenvolvimento de tensões de sucção, e isto contribuiu significativamente no ganho de RCS, em comparação com as ligações da cimentação.