2.6.1 Solo-cal

A combinação solo-cal é utilizada quando não se dispõe de um material com características de resistência, deformabilidade e permeabilidade adequadas ao projeto. Ela é comumente empregada na construção de estradas, sendo geralmente utilizada como base ou sub-base de pavimentos. Além disso, a mistura solo-cal também pode ser aplicada na proteção de taludes contra a erosão em obras hidráulicas, e nas fundações de edificações de pequeno porte em solos com baixa capacidade de suporte ou que apresentam baixa estabilidade volumétrica (Ingles & Metcalf, 1972 apud Rosa, 2009).

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Segundo Pinto (1971), já foram realizadas muitas pesquisas com o objetivo de identificar a melhor cal para processos de estabilização de solos. Nelas, verificou-se que, em geral, a cal dolomítica produzia uma resistência cerca de 30% maior do que a cal calcítica, contudo, na presença de certas cinzas volantes, a cal calcítica produzia resistências maiores.

Nardi (1975) aponta que o óxido de cálcio (cal virgem) geralmente produz melhores resistências no solo estabilizado, mas quase não é utilizado devido ao seu potencial cáustico, apresentando periculosidade no seu manuseio.

No Brasil, a cal hidratada é a mais utilizada para a estabilização de solos, sendo que as suas especificações estão presentes na norma NBR 7175 (2003).

A quantidade de cal necessária ao tratamento de solos pode ser arbitrada de acordo com as características do solo a ser melhorado e as características mecânicas desejadas na mistura, que dependem do tipo de tratamento que se deseja. O tratamento do solo com cal pode ser por modificação ou estabilização (Dias, 2004):

-modificação: o teor de cal adicionado ao solo é pequeno, apenas suficiente para desenvolver as reações da fase rápida, sem desenvolver reações lentas, cimentantes. Ocorrem redução da plasticidade, melhorias na trabalhabilidade e aumento da resistência à defloculação e erosão;

-estabilização: o teor de cal adicionado ao solo é tal que além das reações rápidas, as reações lentas possam ocorrer. Há um aumento definitivo da resistência e rigidez do solo devido à ocorrência de reações pozolânicas.

A Tabela 2.3 apresenta um resumo da previsão da quantidade de cal a ser adicionada para a estabilização em função do tipo de solo.

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Tabela 2.3: Previsão da quantidade de cal em função do tipo de solo (Ingles & Metcalf, 1972 apud Sandroni & Consoli, 2010).

Tipo de solo Teor de cal para modificação (%)

Teor de cal para estabilização (%)

Pedra finamente britada 2 a 4 Não recomendado

Pedregulho argiloso bem

graduado 1 a 3 ≥3

Areias Não recomendado Não recomendado

Argila arenosa Não recomendado ≥5

Argila siltosa 1 a 3 2 a 4

Argilas 1 a 3 3 a 8

Solo orgânico Não recomendado Não recomendado

Vale destacar que o tratamento de solos com cal não é eficiente em solos altamente orgânicos, tampouco em solos com baixo ou nenhum teor de argila, visto que o melhoramento das propriedades mecânicas é produzido pelas reações entre a cal e os minerais argílicos, sendo o ganho de resistência diretamente proporcional à quantidade de sílica disponível. Para Thompson (1966) apud Rosa (2009), solos reativos são aqueles que, ao reagirem com a cal, sofrem um ganho de resistência considerável, da ordem de 345 KN/m², após 28 dias de cura à temperatura de 22,8 °C.

2.6.1.1

Reações solo-cal

Nóbrega (1985, apud Guimarães, 2006) relatam que a estabilização solo- cal deve-se a dois tipos de ações: uma imediata, atribuída à troca catiônica e à floculação-aglomeração; e outra a longo prazo, caracterizada pela carbonatação e pelas reações pozolânicas, que proporcionam um aumento da resistência devido à formação de produtos cimentantes.

A troca catiônica inicia o processo de estabilização rapidamente, provocando mudanças na plasticidade do solo, além de pequenos aumentos na resistência mecânica das misturas solo-cal, sendo seguida pela floculação e aglomeração. Baseando-se nos autores Prusinski e Bhattacharja (1999, apud Junior, 2011), para neutralizar a deficiência de carga na superfície do

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argilomineral, cátions e moléculas de água são atraídos para a superfície de clivagem carregada negativamente, o que resulta na separação de duas camadas, chamada de dupla camada difusa. Grim (1953) apud Thomé (1994) afirmam que, assumindo igual concentração, a ordem de adsorção preferencial de cátions comuns associados com os solos é dada pela seguinte série: Na+ < K+ < Ca2+ < Mg2+ < Al3+, ou seja, cátions de menor valência são substituídos por cátions de maior valência. Dessa forma, como a cal é uma fonte de cálcio livre, a sua adição em quantidade suficiente cria uma concentração de íons Ca2+ _{que serão adsorvidos} na superfície dos argilominerais. A Figura 2.5 mostra este mecanismo.

Figura 2.5: Mecanismo de troca catiônica (Prusinski e Bhattacharja, 1999, apud Junior, 2011).

A floculação e aglomeração causam mudanças na textura da argila, uma vez que sua estrutura é alterada de plana e paralela para uma orientação aleatória de partículas (Prusinski e Bhattacharja, 1999 apud Junior, 2011). Segundo o relato do TRB (1987, apud Junior, 2011), Herzog e Mitchell (1963) afirmaram que o fenômeno da floculação é causado pelo aumento da concentração eletrolítica da água intersticial, pelo alto pH e pela redução da espessura da dupla camada difusa, através de trocas catiônicas.

A carbonatação ocorre quando o dióxido de carbono existente no ar ou em água estagnada entra em contato com a matriz solo-cal e converte a cal novamente em carbonato de cálcio, que é ineficiente na estabilização química de solos e solubiliza na água ácida. Desse modo, a carbonatação consiste num processo

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indesejável, uma vez que reduz a quantidade de cal disponível no meio para produzir reações pozolânicas (Sandroni & Consoli, 2010).

As reações pozolânicas ocorrem mediante a reação da sílica e alumina do solo com a cal na presença de água, que tem a função de carregar os íons cálcio e hidroxila para a superfície da argila. São constituintes de sílica e alumina os argilominerais, quartzo, feldspato, micas e minerais silicosos ou alumino- silicosos. Os íons hidroxila liberados da cal elevam o pH da mistura de modo que a sílica e a alumina sejam dissolvidas da argila. Essas reações formarão géis de silicatos que cobrem e ligam as partículas de argila, preenchendo os seus vazios. Eles são cristalizados lentamente e transformados em silicatos hidratados de cálcio bem definidos. Essas reações não cessarão enquanto houver hidróxido de cálcio reagindo e sílica disponível no solo (Ingles e Metcalf, 1972 apud Junior, 2011). As reações presentes nas equações eq. (2.3), eq. (2.4) e eq. (2.5), e a Figura 2.6 mostram este processo.

Ca(OH)2
Ca+2 + 2(OH)- eq. (2.3) Ca+2 + 2(OH)- + SiO2 (sílica)
CSH (silicato de cálcio hidratado) eq. (2.4) Ca+2 + 2(OH)- + Al2O3 (alumina)
CAH (aluminato de cálcio hidratado)eq. (2.5) onde C=CaO; S=SiO2; A=Al2O3; H=H2O

Figura 2.6: Ingles e Metcalf (1972) apud Lopes (2011).

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As reações entre o solo e a cal sofrem a influência de fatores como temperatura, tempo de cura e natureza dos materiais. Os fatores temperatura, tempo de cura e teor de umidade variam de forma significativa durante o período de cura. Lima et al (1993, apud Guimarães, 2006) apontam que, no período inicial da cura, costuma ocorrer um acréscimo rápido da resistência do solo estabilizado, no entanto, à medida que a cura progride, a velocidade de aumento da resistência torna-se cada vez menor devido às reações pozolânicas, que fazem com que a resistência aumente mesmo após alguns anos. Com relação à temperatura, ela funciona como catalisador das reações, sendo o acréscimo da resistência diretamente proporcional ao incremento da temperatura.

Quanto à natureza dos materiais envolvidos, pode-se dizer que a natureza do solo é mais importante devido à sua mineralogia e textura. Há argilominerais como a caulinita e a ilita que reagem de forma mais lenta com a cal e produzem minerais menos diversificados (Nobrega, 1985 apud Guimarães, 2006).

2.6.1.2

Dosagem da cal

A dosagem da cal visa selecionar a quantidade de cal necessária a ser adicionada ao solo, atribuindo-lhe resistência. Dentre os métodos utilizados, Rosa (2009) cita:

- Método do pH (Eades & Grim, 1966): consiste na determinação do teor mínimo de cal que produza um aumento no valor de pH para 12,4;

-Método do ICL (Initial Consumption of Lime): proposto por Rogers et al (1997), é uma variação do método do pH, onde o teor mínimo de cal é aquele onde o pH atinge um valor constante (máximo);

-Método do Lime Fixation Point (Hilt & Davidson, 1960): baseado no limite de plasticidade, que determina o teor de cal máximo que proporciona melhoria na trabalhabilidade, sem ganhos significativos de resistência;

-Método de Thompson (1966): define como reativo um solo que apresente um aumento de resistência à compressão simples de pelo menos 345 kPa quando estabilizado com cal.

De acordo com Lopes (2011), estudos de Eades & Grim de 1966 demonstraram que a porcentagem de cal obtida pelo método do pH não produz a

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máxima resistência à compressão nos solos tropicais e subtropicais, não assegurando se a reação do solo com a cal produzirá um substancial aumento de resistência, devendo ser usado apenas como referência.

Além desses métodos clássicos de dosagem de cal, um outro método utilizado é a relação volume de vazios/volume de agente cimentante, utilizada na previsão do comportamento mecânico de solos artificialmente cimentados. Esta metodologia tem sido foco de inúmeras pesquisas; dentre elas Junior (2011) cita as de Foppa (2005), Junior (2007), Consoli et al (2007, 2009a, 2009b), Lautenschläger (2007), Righetto (2008), Cruz (2008), Rosa (2009), Sandroni & Consoli (2010).

A primeira pesquisa a desenvolver esta metodologia foi a de Junior (2007), que utilizou o conceito de que, dada uma variação no volume de vazios de uma amostra, haveria uma variação proporcional no volume de cal para contrabalançar a perda ou ganho de resistência.

2.6.1.3

Variáveis determinantes do comportamento de mistura solo-cal

Como dito anteriormente, a adição de cal a um solo argiloso provoca alterações em algumas de suas propriedades físicas. Em geral, ocorrem melhoras na plasticidade, trabalhabilidade e nas características de resistência e permeabilidade. Essas alterações, por sua vez, dependem de diversos fatores como tipo de solo, tipo e teor de cal, tipo e teor de cinza, efeito da densidade e energia de compactação, período e condições de cura (Lovato, 2004).

No que se refere ao efeito da cal, a primeira resposta da mistura solo-cal consiste na redução do índice de plasticidade, acompanhada de mudanças na granulometria e melhoria na trabalhabilidade. A segunda resposta consiste no ganho de resistência que ocorre através da cimentação das partículas (Ingles & Metcalf et al, 1972 apud Junior, 2011).

De similar importância à quantidade de cal é a densidade na qual a mistura é compactada. Com o aumento da densidade, a resistência aumenta, a permeabilidade diminui até um valor mínimo, próximo da umidade ótima, e depois começa a aumentar novamente (Ingles & Metcalf, 1972 apud Rosa, 2009).

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Segundo Lovato (2004), há relatos do TRB (1987) de que misturas solo- cal apresentam menor massa específica aparente máxima do que o solo natural para uma mesma energia de compactação. À medida que o teor de cal aumenta, essa massa continua diminuindo e a umidade ótima tende a aumentar.

Quando adicionada cal, as partículas de solo tornam-se mais floculadas, devido à substituição dos íons sódio monovalentes da argila por íons cálcio divalentes. Com a floculação, a quantidade de vazios no solo aumenta, o que significa um índice de vazios mais elevado, que provoca a redução da massa específica aparente seca do solo. De forma análoga, com o aumento de vazios, maior será a quantidade de água necessária para preenchê-los, o que resultará em uma umidade ótima maior e, consequentemente, em uma curva de compactação mais achatada (Sivapullaiah et al, 1998 apud Lovato, 2004).

Outro fator importante por reger o comportamento de misturas solo-cal é o tempo de cura, visto que ele é fundamental para as reações pozolânicas. Ingles e Metcalf (1972 apud Rosa, 2009) estudaram a influência do tempo de cura na resistência de diferentes tipos de solo. A Figura 2.7 mostra os resultados deste estudo, através do qual foi possível concluir que o pedregulho arenoso é o solo que mais apresenta resistência quando submetido à cura, sendo o ganho de resistência diretamente proporcional ao período de cura.

Figura 2.7: Efeito do tempo de cura sobre a resistência à compressão simples para alguns solos estabilizados com cal (Ingles & Metcalf, 1972 apud Rosa, 2009).

A adição de materiais pozolânicos ao solo, como a cinza volante, é outro fator que auxilia nas reações com a cal, proporcionando à mistura ganhos de

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resistência consideráveis (ASTM C593-06, 2011). Consoli et al (2001) estudaram a mistura de um solo arenoso tratado com cal de carbureto e cinza volante, verificando que ela apresentou um desempenho considerável em termos da resistência ao cisalhamento e deformabilidade.

Além dos fatores citados, ainda se pode destacar a influência do teor de umidade e da relação água/cal. Quanto ao efeito do teor de umidade, estudos realizados com solo-cal e solo-cinza-cal mostram que, em alguns casos, o teor de umidade que proporciona máxima resistência e máxima durabilidade não é necessariamente igual ao teor de umidade que é determinado no ensaio de compactação e que gera a maior massa específica aparente seca, e sim um valor levemente inferior ao teor ótimo (Consoli et al, 2001).

De acordo com Sandroni & Consoli (2010), Osinubi (1998) estudou a influência do retardamento da compactação em misturas solo-cal, observando uma redução na umidade ótima da mistura à medida que o tempo de espera entre a mistura e a compactação aumenta. Isto pode ser atribuído às trocas catiônicas e à floculação das partículas de argila que ocorrem simultaneamente, provocando a redução de água disponível no sistema.

Quanto à proporção água/cal, o trabalho de Junior (2007) permitiu verificar que não há relação entre ela e a resistência à compressão simples. Dessa forma, para uma mistura composta por solo e cal, a relação água/cal não é a melhor maneira de prever a resistência em solos não saturados, sendo a água somente necessária para transportar íons cálcio e hidroxila para a superfície da argila para que ocorram as reações químicas. Em contrapartida, segundo Consoli et al (2004), para a estimativa da resistência de solos tratados com cimento, a relação água/cal é eficaz.

2.6.1.4

Comportamento mecânico do solo-cal

A resistência de misturas solo-cal normalmente é avaliada através dos ensaios de compressão simples, compressão triaxial e Índice de Suporte Califórnia, e depende de variáveis como teor de cal, tipos de solo e cal, energia de compactação, tempo e temperatura de cura, descritos anteriormente (TRB, 1987 apud Lovato, 2004). PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1212872/CA

Segundo Ingles & Metcalf (1972 apud Rosa, 2009), geralmente, a resistência à compressão simples aumenta linearmente com a quantidade de cal até certo nível, da ordem de 8% para solos argilosos. A partir deste ponto, a taxa de acréscimo de resistência diminui com a quantidade de cal, devido às misturas solo-cal apresentarem uma cimentação lenta que dependerá do tipo de solo, conforme mostra a Figura 2.8.

Figura 2.8: Efeito da quantidade de cal sobre a resistência à compressão simples para alguns solos tratados com cal e curados por 7 dias (Ingles e Metcalf, 1972 apud Rosa, 2009).

Com base em Sandroni & Consoli (2010), Ormsby e Kinter (1973) verificaram a influência da composição química do solo na resistência adquirida. Em solos ricos com caolinita, a adição de cal cálcica fornece ao solo maiores resistências do que a dolomítica, sendo a resistência à compressão simples função linear do teor de cal adicionado. Quando o principal argilomineral é a montmorilonita, os melhores efeitos são obtidos na presença de cal dolomítica. Vale ressaltar que na cal dolomítica a presença de magnésio reduz a quantidade de cálcio necessária para as reações pozolânicas. Sendo assim, essa falta de cálcio pode ser compensada pela dosagem de um maior teor de cal, como afirma Bhattacharja (2003 apud Lovato, 2004).

Segundo Rosa (2009), o aumento da resistência à compressão simples de misturas solo-cal com o aumento da energia de compactação foi verificado por Mateos (1964), que afirmou que a resistência das misturas é fortemente influenciada pela temperatura de cura, recomendando a construção de camadas de

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pavimento estabilizadas com cal no início do verão. Consoli et al (2001) constataram em sua pesquisa que a energia de compactação influencia sobremaneira na determinação da resistência mecânica de solos tratados com cal de carbureto e cinza volante.

De acordo com Junior (2011), a resistência ao cisalhamento de um solo fino reativo é representada por um aumento significativo da coesão, sendo o aumento do ângulo de atrito bem menos expressivo. Thomé (1994), ao estabilizar um solo classificado como gley húmico com 5, 7 e 9% de cal, obteve valores de coesão e ângulo de atrito compreendidos entre 13,7 e 21,6 kPa, e 19,7° e 23,1°, respectivamente, quando no início o solo natural tinha uma coesão de 6,1 kPa e ângulo de atrito de 18,3°. Consoli et al (2001), ao verificarem o comportamento de um solo silte-arenoso tratado com 4% de cal de carbureto, observaram um acréscimo na coesão de 10 KN/m² para 42 KN/m², e um acréscimo no ângulo de atrito de 35° para 38° em relação ao solo natural.

Quanto ao comportamento tensão-deformação de misturas solo-cal, a mudança na deformabilidade de um solo fino reativo é marcante se as reações pozolânicas já tiverem ocorrido. A tensão de ruptura aumenta significativamente enquanto a deformação para ruptura diminui, revelando o comportamento frágil deste tipo de mistura (Lopes, 2011). Consoli et al (2001), em seu estudo com mistura solo-cinza-cal, observaram um comportamento frágil na ruptura e que a deformação axial na ruptura diminui com a cimentação.

2.6.2

Solo-cinza volante de carvão

De acordo com Rohde et al (2006), a estabilização de solos com cinza volante em misturas solo-cinza-cal teve suas primeiras aplicações nas décadas de 1920 e 1930. A adição de cinza volante a solos que inicialmente não seriam adequados à estabilização com cal parte do princípio de que a adição de material pozolânico, como a cinza volante, auxilia nos níveis de reação com a cal, formando um composto com propriedades cimentantes.

Nardi, em 1975, afirmou que processos clássicos de estabilização de solos costumam ser de difícil aplicação a solos mal graduados e uniformes desprovidos de finos, como os solos arenosos. Isto se deve ao fato de que a uniformidade das

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partículas destes solos dificulta a cimentação, devido ao maior volume de vazios e ao menor número de contatos entre os grãos de solo.

Quispe (2013) reafirma que solos arenosos, com escassez de argila coloidal, não reagem satisfatoriamente à cal; dessa forma, uma das alternativas é utilizar cimento, mas como este pode ser uma solução muito cara, costuma-se utilizar a cinza volante, que possui a função de substituir a fração fina (argila) do solo, reagindo com a cal através das reações pozolânicas.

Um dos trabalhos mais significativos realizados é o de Mateos (1961 apud Pinto, 1971), que ensaiou e descreveu fatores que afetam a estabilização dos solos representativos do Estado de IOWA, nos EUA, com cinzas volantes da região. Dentre estes fatores, podem-se citar tipos de cal, cinza e solo; efeito de diferentes proporções de cal e cinza; relações entre umidade, densidade e resistência; efeitos da energia de compactação e da temperatura de cura; influência da adição de aditivos químicos e da demora na compactação depois de a mistura ser umedecida; testes de congelamento e degelo, dentre outros.

Pinto (1971) utilizou em sua pesquisa misturas de areia com cinza volante (10%, 17,5%, 25%) e cal dolomítica hidratada (6%). Foram adotadas duas energias de compactação e três idades de cura (7, 14 e 28 dias), e foi analisada a influência da temperatura de cura (7°C, 23°C, 40°C e 60°C) para a mistura com 17,5% de cinza. Os ensaios de resistência à compressão simples mostraram que os teores ótimos de cinza volante, necessários para a obtenção de resistências elevadas, estariam entre 15% e 25%, ou 30%. Além disso, foi observado um aumento da resistência com a energia de compactação e com o prolongamento do tempo de cura para as misturas. Vale destacar que corpos de prova curados a elevadas temperaturas atingiram, em poucos dias, resistências bem superiores aos curados em muitos dias à temperatura ambiente.

Dando prosseguimento à pesquisa de Pinto (1971), Nardi (1975) realizou um estudo, em laboratório, da estabilização de um solo arenoso misturado à cinza volante (13%) e cal hidratada cálcica (4%), e verificou o efeito da adição de cimento portland (1%) e de brita (30%) na resistência da mistura. Foram realizados ensaios de resistência à compressão simples e à compressão diametral, através dos quais foi constatado um crescimento linear da resistência com o tempo, que não só depende do esforço de compactação, mas também das dosagens das misturas. PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1212872/CA

Mallmann (1996) verificou o comportamento mecânico e físico da estabilização de cinzas volante e pesada com cal dolomítica hidratada e areia, curadas pelos processos de cura autoclave (149 a 188°C) e câmara à temperatura constante (21°C). Os resultados dos ensaios de resistência à compressão simples mostraram que, para a cura em autoclave, a resistência aumentou em comparação aos corpos de prova curados à temperatura constante, a 7, 14, 28 e 60 dias de cura. Também se observou um aumento da resistência com o aumento da energia de moldagem, devido ao maior número de reações pozolânicas desenvolvidas com a aproximação das partículas. A proporção da quantidade de cal e cinza na mistura influenciou sobremaneira nos resultados dos ensaios e, em termos estatísticos,