CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
DOUGLAS TISCOSKI
ANÁLISE DA RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO SIMPLES DA
MISTURA SOLO CIMENTO E PERMA-ZYME
®PARA FINS RODOVIÁRIOS
DOUGLAS TISCOSKI
ANÁLISE DA RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO SIMPLES DA
MISTURA SOLO CIMENTO E PERMA-ZYME
®PARA FINS RODOVIÁRIOS
TCC apresentado como requisito parcial, para obtenção do grau de Engenheiro Civil, no curso de Engenharia Civil, da Universidade do Extremo Sul Catarinense, UNESC.
Orientador: Prof. Msc. Adailton Antônio dos Santos
DOUGLAS TISCOSKI
ANÁLISE DA RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO SIMPLES DA
MISTURA SOLO CIMENTO E PERMA-ZYME
®PARA FINS RODOVIÁRIOS
Trabalho de Conclusão de Curso aprovado pela Banca Examinadora para obtenção do Grau de Engenheiro Civil, no Curso de Engenharia civil da Universidade do Extremo Sul Catarinense, UNESC, com Linha de Pesquisa em Pavimentação.
Criciúma, 07 de dezembro de 2009.
BANCA EXAMINADORA
Eng. Adailton Antônio dos Santos – Mestre – (UNESC) – Orientador
Prof. Gilson Bez Fontana Menegali – Químico Industrial – (UNESC) – Banca
Dedico este trabalho a toda minha família, a minha noiva Ingridt e aos
AGRADECIMENTOS
Primeiramente a Deus.
Aos meus pais Wilmar e Hilda, e minhas irmãs pelo apoio e compreensão.
A minha noiva Ingridt Borges Külkamp que tem sido a grande motivação da minha vida.
A todos os professores que me acompanharam
nessa caminhada, pelo conhecimento
transmitido, em especial ao professor e orientador Adailton Antônio dos Santos.
Aos laboratoristas Maison Maron de Matos e Ricardo Cerutti, do laboratório de Mecânica dos Solos, pela disponibilidade e ajuda para realização dos ensaios.
Aos colegas do curso de Engenharia Civil, que estiveram presentes e puderam me auxiliar nesta etapa.
A toda minha família, amigos e a todos os que de alguma forma sempre torceram para que eu conseguisse atingir meus objetivos.
RESUMO
Esta pesquisa teve como objetivo verificar a possível redução do teor de cimento necessário para atingir uma resistência à compressão simples ≥ 2,1 MPa na mistura solo cimento estudado por Feltrin, (2008), estabilizado com aditivo orgânico PERMA-ZYME®, para fins rodoviários. Os experimentos realizados em laboratório consistiram
em ensaios de caracterização (análise granulométrica, limites de liquidez e limites de plasticidade) e classificação TRB do solo em seu estado natural. No estudo foram utilizadas amostras de solo natural adicionando-se: 2%, 4%, 6%, 8%, 10%, 12%, 14%, 16%, 18% e 20%, de cimento. Para cada um dos teores foram moldados 4 corpos-de-prova de ambas as formas: 1/500 (1g de aditivo para 500 g de solo seco) e 1/1000 (1g de aditivo para 1000 g de solo seco) de aditivo orgânico PERMA-ZYME®. Após 7 dias de cura realizaram-se ensaios de resistência à compressão
simples. Sendo que para cada tipo de mistura foram rompidos 4 corpos-de-prova, 2 inundados em água por 4 horas e 2 não inundados. A análise dos resultados dos ensaios realizados demonstrou que as misturas de solo cimento apresentaram melhores valores quanto à resistência à compressão simples até o teor de cimento de 10%, voltando a ser melhor nos teores de 18% e 20%. A mistura solo cimento PERMA-ZYME® se mostrou melhor na proporção 1/1000, atingindo a resistência à compressão simples de 2,1 MPa em um teor 4% menor que a mistura solo cimento, sendo possível sua utilização como camada de base para fins rodoviários.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1: Colher de Casagrande ...19
Figura 2: Ensaio de limite de plasticidade ...20
Figura 3: Curva granulométrica de um solo ...21
Figura 4: Curvas granulométricas de alguns solos brasileiros ...22
Figura 5: Curva típica de compactação...24
Figura 6: Divisão entre as bases e sub-bases flexíveis e semi-rígidas...32
Figura 7: Processo de reação do PERMA-ZYME®...42
Figura 8: Localização aérea via satélite da jazida J05 ...45
Figura 9: Planta de localização da jazida J05 ...46
Figura 10: Coleta em situ do solo utilizado na pesquisa...47
Figura 11: Mapa Geológico do Lote 27...49
Figura 12: Fluxograma dos procedimentos adotados em laboratório ...52
Figura 13: Determinação da umidade, por meio do ...53
método de frigideira...53
Figura 14: Aparelho de Casagrande, determinação do LL ...55
Figura 15: Ensaio de LP...56
Figura 16: Peneiras do ensaio...57
Figura 17: Amostra de solo ...59
Figura 18: Mistura de solo com cimento, já homogeneizada...59
Figura 19: Preparo da solução de PERMA-ZYME® + água...60
Figura 20: Colocação do solo no cilindro ...60
Figura 21: Compactação com o soquete de proctor normal...61
Figura 22: Retirada do espaçador...61
Figura 23: Regularização da superfície...62
Figura 24: Retirada do CPs do cilindro ...62
Figura 25: Pesagem do corpo-de-prova (CPs)...63
Figura 26: CPs em plásticos para os 7 dias de cura ...64
Figura 27: CPs prontos para serem rompidos...64
Figura 28: CPs imersos por 4 horas antes de serem rompidos...65
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1: Linha de tendência dos valores de RCS para o solo cimento sem o
aditivo orgânico...69
Gráfico 2: Resultados de RCS de CPS moldados em solo cimento ...70
Gráfico3: Linha de tendência dos valores de RCS correspondentes a dosagem 1/500 ...72
Gráfico 4: Resultados de RCS correspondentes a dosagem 1/500 ...73
Gráfico 5: Linha de tendência dos valores de RCS correspondentes a dosagem 1/1000 ...75
Gráfico 6: Resultados de RCS correspondentes a dosagem 1/1000 ...76
Gráfico 7: Comparativo entre a média de resistência à compressão simples...77
Gráfico 8: Análise comparativa da RCS na dosagem de 8% de cimento ...78
Gráfico 9: Análise comparativa da RCS na dosagem de 10% de cimento ...78
Gráfico 10: Análise comparativa da RCS na dosagem de 12% de cimento ...79
Gráfico 11: Análise comparativa da RCS na dosagem de 14% de cimento ...79
Gráfico 12: Análise comparativa da RCS na dosagem de 16% de cimento ...80
Gráfico 13: Análise comparativa da RCS na dosagem de 18% de cimento ...81
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Sistema de classificação HRB ...27
Tabela 2: Critérios de utilização do solo...47
Tabela 3: Coluna estratigráfica regional ...48
Tabela 4: Dosagens de aditivo ...50
Tabela 5: Normas referentes aos ensaios...54
Tabela 6: Etapas e números de golpes correspondente ...54
Tabela 7: Características físicas do solo ...66
Tabela 8: Valores correspondentes ao solo cimento sem aditivo orgânico...68
Tabela 9: Valores correspondentes a dosagem 1/500 PERMA-ZYME®...71
ABCP Associação Brasileira de Cimento Portland
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
CPs Corpos-de-prova
DNER Departamento Nacional de Estradas de Rodagem
DNIT Departamento Nacional de Infra-estrutura de Transportes
HRB Highway Research Board
IG Índice de Grupo
IP Índice de Plasticidade
IPAT Instituto de Pesquisas Ambientais e Tecnológicas
LL Limite de Liquidez
LMS Laboratório de Mecânica dos Solos
LP Limite de Plasticidade
NBR Norma Brasileira Regulamentadora
PCA Portland Cement Association
RCS Resistência à Compressão Simples
TRB Transportation Research Board
1 INTRODUÇÃO ...13 1.1 Problema de Pesquisa ...13 1.2 Justificativa...13 1.3 Objetivos ...14 1.3.1 Objetivo Geral...14 1.3.2 Objetivo Específico ...14 2 REFERENCIAL TEÓRICO...15 2.1 Definição de Solo ...15
2.1.1 Estrutura dos Solos ...16
2.1.1.1 Solos Coesivos...16
2.1.1.2 Solos Não-coesivos ...17
2.1.2 Índices Físicos...17
2.1.3 Ensaios para Caracterização do Solo...18
2.1.4 Limites de Atterberg...18
2.1.4.1 Limite de Liquidez (LL) ...18
2.1.4.2 Limite de Plasticidade (LP)...19
2.1.4.3 Índice de Plasticidade (IP) ...20
2.1.5 Granulometria...20
2.1.5.1 Análise Granulométrica ...21
2.1.5.2 Ensaio de Peneiramento...22
2.1.6 Compactação dos Solos...23
2.1.6.1 Ensaio de Proctor Normal ...23
2.1.6.2 Curva de Compactação...24
2.1.6.3 Fatores que Afetam a Compactação...25
2.1.7 Classificação dos Solos ...25
2.1.7.1 Sistema de Classificação Transportation Research Board - TRB...26
2.2 Estabilização do Solo...28
2.2.1 Métodos de Estabilização...28
2.2.1.1 Estabilização Mecânica...29
2.2.1.2 Estabilização Química...29
2.2.1.2.1 Cimento Portland...30
2.2.2.1.1 Solo Cimento ...32
2.2.2.1.1.1 Tipos de Mistura entre Solo e Cimento ...34
2.2.2.1.1.2 Mecanismo de Reação da Mistura Solo Cimento ...34
2.2.2.1.1.3 Fatores que Influenciam na Mistura Solo Cimento ...35
2.2.2.1.2 Dosagem do Solo Cimento...36
2.2.2.1.2.1 Norma Geral de Dosagem de Solo Cimento ...37
2.2.2.1.2.2 Norma Simplificada de Dosagem de Solo Cimento...38
2.2.3 Critério Adotado pela HRB para a Utilização do Solo na Mistura Solo Cimento...38
2.2.4 Ensaio de Compactação de Solo Cimento...39
2.2.4.1 Escolha do Teor de Cimento para Ensaio de Compactação ...39
2.2.5 Moldagem dos Corpos-de-prova para o Teor de Cimento Determinado...40
2.2.6 Ensaio de Compressão Simples ...40
2.2.7 Resultado da Dosagem pela NBR 12253/92 ...40
2.2.8 Aditivo Orgânico PERMA-ZYME®...41
2.2.8.1 Composição e Reação do Aditivo Orgânico PERMA-ZYME®...41
2.2.8.2 Características Físicas do Solo Exigidas para o Uso do PERMA-ZYME® ...42
2.2.8.3 Aplicações do Aditivo Orgânico PERMA-ZYME®...43
2.2.8.4 Vantagens no uso do Aditivo Orgânico PERMA-ZYME®...43
3 METODOLOGIA ...44 3.1 Introdução...45 3.2 Materiais...45 3.2.1 O Solo...46 3.2.1.1 Estudos Geológicos...47 3.2.1.2 Geologia Geral...47 3.2.1.3 Geologia Local...48 3.2.2 Aditivos Químicos ...49 3.2.2.1 Cimento ...50
3.2.2.2 Aditivo orgânico PERMA-ZYME®...50
3.3 Metodologia Empregada...50
3.3.1 Metodologia de Campo ...52
3.3.2.1.1 Limite de liquidez ...54
3.3.2.1.2 Limite de Plasticidade (LP)...55
3.3.2.1.3 Granulometria por Peneiramento...56
3.3.2.1.4 Compactação ...57
3.3.2.2 Estabilização do Solo com Cimento e Aditivo Orgânico ...58
3.3.2.2.1 Mistura entre Aditivo Orgânico e Solo Cimento, Moldagem dos Corpos-de-prova Cilíndricos (CPs)...58
4 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS ...66
4.1 Caracterização do Solo...66
4.2 Resultados dos Ensaios de Resistência à Compressão Simples (RCS) após 7 dias de Cura...67
4.2.1 Apresentação e Análise dos Dados de RCS do Solo Cimento ...67
4.2.2 Apresentação e Análise dos Dados de RCS para a Dosagem de 1/500 de Aditivo Orgânico ...70
4.2.3 Apresentação e Análise dos Dados de RCS para a Dosagem de 1/1000 de Aditivo Orgânico ...73
4.2.4 Comparativo entre os resultados em cada teor de cimento...76
4.2.5 Análise Econômica...82
5 CONCLUSÃO ...84
REFERÊNCIAS...85
1 INTRODUÇÃO
1.1 Problema de Pesquisa
O solo é um material que possui uma grande variação em suas propriedades físico-mecânicas. Quando utilizado em obras rodoviárias, estas propriedades precisam atingir valores mínimos exigidos para seu uso. Normalmente, na construção de pavimentos, quando o solo não atende as especificações necessárias a um determinado uso ele é removido e substituído por um material de melhor qualidade.
O setor rodoviário é responsável por grandes obras no país, está sempre buscando novas jazidas de material natural, causando muitas vezes grandes problemas ambientais. Existem algumas técnicas que são capazes de fazer com que solos inadequados se tornem apropriados para serem usados em pavimentação. Assim o solo passa a ter as características melhoradas, como resistência e deformação, fazendo com que possa ser empregado no local previsto. Uma destas técnicas é a adição de aditivos químicos, como o cimento ao solo, porém, em alguns casos o teor do aditivo necessário para atender as exigências para uso do mesmo em pavimentação, é elevado tornando a técnica inviável.
Neste contexto, questiona-se, a adição do aditivo orgânico PERMA-ZYME® ao solo cimento será capaz de reduzir o teor de cimento necessário para
atingir 2,1 MPa de resistência à compressão simples. E ainda, o custo total desta estabilização irá reduzir?
1.2 Justificativa
Os aditivos químicos têm sido usados nas obras de pavimentação, com o intuito de melhorar as características físicas e mecânicas dos solos, isto é, sua estabilidade, que se reflete no ganho de resistência do material, como o aumento de resistência à compressão simples. A utilização do cimento como aditivo, é a mais
difundida e empregada devido ao fato de ser aplicável a vários tipos de solos. No entanto, em alguns casos o teor de cimento necessário para atingir a resistência à compressão simples de 2,1 MPa é elevado, ou seja, é superior a 10%, muitas vezes tornando a técnica inviável. Foi proposto neste trabalho adicionar o aditivo orgânico PERMA-ZYME® ao solo cimento com o intuito de reduzir este teor.
1.3 Objetivos
1.3.1 Objetivo Geral
O objetivo do presente trabalho é reduzir o teor de cimento necessário para atingir a resistência à compressão simples mínimas impostas pelo DNIT, da mistura solo cimento estudada por Feltrin, (2008). Na tentativa de viabilizar a utilização do solo cimento estudado no presente trabalho em obras rodoviárias, a partir da utilização do aditivo orgânico PERMA-ZYME®.
1.3.2 Objetivo Específico
Coletar as amostras de solo que serão utilizadas no estudo;
Determinar as características físicas (LL, LP e granulometria) através de ensaios de caracterização;
Determinar as características mecânicas (peso específico seco máximo e umidade ótima) através do ensaio de compactação;
Moldar os CPs na umidade ótima para os teores de cimento de 2%, 4%, 6%, 8%, 10%, 12%, 14%, 16%, 18% e 20%, com adição do aditivo orgânico
PERMA-ZYME® na proporção 1/500 e 1/1000.
Determinar a resistência à compressão simples dos CPs após 7 dias de cura; Identificar em que dosagem a resistência à compressão simples foi ≥ 2,1
Comparar os resultados entre os corpos de prova moldados com solo cimento, e os corpos de prova moldados com solo cimento e o aditivo
orgânico PERMA-ZYME®;
Verificar se houve redução no teor de cimento necessário para que a resistência à compressão simples fosse ≥ 2,1 MPa.
2 REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 Definição de Solo
A palavra solo pode ter várias definições de acordo com a área profissional em que é aplicado. Basicamente quer dizer superfície do chão. Em mecânica dos solos a palavra solo tem um significado especifico voltado para a Engenharia.
Sendo um dos mais antigos materiais de construção utilizados pelo homem, o solo está presente em quase todos os tipos de obras, e muitas vezes sendo utilizado como base de suporte para estruturas de fundação, deste modo, é fundamental o conhecimento das características deste material para que se possa prever o seu comportamento diante das solicitações.
Segundo Caputo (1983, p14), os solos são materiais que resultam do intemperismo ou meteorização das rochas por desintegração mecânica ou decomposição química.
Segundo Vargas (1977, p.4), “sob ponto de vista puramente técnico, aplica-se o termo solo a materiais da crosta terrestre que servem de suporte, são arrimados, escavados ou perfurados e utilizados nas obras de Engenharia Civil”.
O solo é definido como agregado não-cimentado de grãos minerais e matéria orgânica decomposta (partículas sólidas), com liquido e gás nos espaços vazios entre as partículas sólidas, (DAS, 2007, p.1).
2.1.1 Estrutura dos Solos
Segundo Vargas (1977, p.41) a estrutura de um solo é definida como o arranjo ou configuração das partículas do solo entre si. Entre os fatores que afetam a estrutura do solo estão à forma, o tamanho e composição mineralógica das partículas. Em geral os solos classificam-se em dois grandes grupos:
Coesivos Não-coesivos
2.1.1.1 Solos Coesivos
Os grãos destes tipos de solos são muito finos, geralmente, imperceptíveis a olho nu. Para compreender as estruturas básicas em solos coesivos, é necessário primeiramente conhecer os tipos de forças que agem entre as partículas de argila suspensas em água. Assim, conforme Vargas (1977, p.43), cada uma das partículas pode sedimentar muito lentamente ou permanecer em suspensão. Este é o chamado estado disperso. O sedimento formado pela decantação das partículas individuais tem estrutura dispersa e todas as partículas estão orientadas mais ou menos paralelas umas as outras. Quando existe um potencial atrativo, elas podem no seu movimento ser captadas umas pelas outras e sedimentar-se em flocos constituindo a floculação. Assim, o potencial atrativo-repulsivo pode ser influenciado pela condição iônica da água e também, pela presença de cátions nas bordas das partículas de argila. Argilas com estruturas floculadas têm pouco peso e possuem índices de vazios elevados (DAS, 2007, p.65). Quando o sal é adicionado a uma suspensão de argila em água que foi dispersa inicialmente, os íons tendem a enfraquecer a camada dupla ao redor das partículas. De acordo com Das (2007, p.65), este enfraquecimento reduz a repulsão entre as partículas. As partículas de argila são atraídas umas pelas outras para formar flocos e decantar. Depósitos de argila formados no mar são altamente floculados devido à alta concentração iônica (VARGAS, 1977, p.43).
2.1.1.2 Solos Não-coesivos
As estruturas geralmente encontradas em solos não-coesivos podem ser dividas em duas categorias principais: com grãos isolados e alveolares. Segundo Das (2007, p.63), a forma e a distribuição de tamanho das partículas do solo e suas posições relativas influem sobre a densidade do agrupamento, assim um grande intervalo de índices de vazios é possível. Assim, solos com estrutura alveolar apresentam elevado índice de vazios e conseqüentemente, grande probabilidade de recalque quando submetidos a cargas elevadas.
2.1.2 Índices Físicos
Os índices e as relações apresentadas abaixo desempenham um importante papel no estudo das propriedades dos solos, uma vez que estas dependem dos seus constituintes e das proporções relativas entre eles (CAPUTO, 1988, p 39).
Umidade: a umidade de um solo pode ser definida como sendo a razão entre o peso da água contida em um determinado volume de solo úmido e o peso seco.
Peso específico aparente: é a razão entre o peso total da amostra e seu volume.
Peso específico aparente seco: corresponde à relação entre o peso total da amostra seca e seu volume total.
Índice de vazios: é a razão entre o volume de vazios e o volume ocupado pela parte sólida do solo. Pode ser determinado em função do peso específico das partículas do solo e o peso específico aparente seco.
Grau de compacidade: o estado natural de um solo não coesivo (areia, pedregulho) define-se pelo grau de compacidade ou densidade relativa.
Porosidade: é a razão entre o volume de vazios e o volume total de uma amostra de solo, sempre expressa em porcentagem.
Grau de saturação: é a porcentagem volumétrica de água existente nos vazios de um solo. É a relação entre o volume de água e volume de vazios. Peso específico aparente saturado: é o peso específico do solo que pode
ficar saturado, sem que ocorra variação no seu volume.
Peso específico aparente submerso: é o peso específico efetivo do solo quando submerso, e corresponde ao peso específico natural menos o peso específico da água.
2.1.3 Ensaios para Caracterização do Solo
Em mecânica dos solos adotou-se como propriedades índices dos solos, algumas de suas propriedades físicas mais imediatas tais como: granulometria, plasticidade, atividade da fração fina dos solos e propriedades relacionadas com sua maior ou menor compacidade e consistência (VARGAS, 1977, p.11). Por meio destas propriedades os solos podem ser classificados em grupos.
Os limites de consistência foram estabelecidos pelo Engenheiro Atterberg em 1908, para caracterizar as mudanças entre os estados de consistência. Posteriormente Casagrande adaptou para a mecânica dos solos o procedimento proposto por Atterberg, para descrever a consistência de solos com grãos finos e teor de umidade variável (DAS, 2007, p.51). Portanto, dependendo do teor de umidade o comportamento do solo pode ser dividido em quatro estados básicos: sólido, semi-sólido, plástico e líquido.
2.1.4 Limites de Atterberg
2.1.4.1 Limite de Liquidez (LL)
A determinação do limite de liquidez (LL) é feita pelo aparelho de Casagrande (figura 1), que consiste em um prato de latão em forma de concha,
sobre um suporte de ebonite. Por meio de um excêntrico, imprime-se ao prato repetidamente, quedas de altura de 1 cm e intensidade constante (CAPUTO, 1983, p.54).
De acordo com Das (2007, p.51) o limite de liquidez é definido como o teor de umidade no ponto e transição do estado plástico para o estado líquido. No Brasil este ensaio é padronizado pela NBR 6459 (1984).
Figura 1: Colher de Casagrande Fonte: Autor
2.1.4.2 Limite de Plasticidade (LP)
Limite de plasticidade (LP) é, segundo Caputo (1983, p.56), determinado pelo cálculo da porcentagem de umidade para a qual o solo começa se fraturar quando se tenta moldar um cilindro de 3 mm de diâmetro e de 10 cm de comprimento. É realizado manualmente por repetidos rolamentos da massa de solo sobre a placa de vidro despolido (figura 2). No Brasil este ensaio é padronizado pela NBR 7180(1984).
Figura 2: Ensaio de limite de plasticidade Fonte: Tsutsumi, (2008)
2.1.4.3 Índice de Plasticidade (IP)
É a diferença entre o limite de liquidez e o limite de plasticidade de um solo. Para Caputo (1983, p.56), a zona em que o terreno se encontra no estado plástico, máximo para as argilas e nulo para areias, fornece um critério para se ajuizar do caráter argiloso de um solo. Assim quanto maior o IP, mais plástico será o solo.
2.1.5 Granulometria
Segundo Caputo (1988, p.25), as frações constituintes dos solos recebem denominações de acordo com as dimensões de suas partículas. Essas frações de acordo com a escala granulométrica brasileira (ABNT) são:
Pedregulho: conjunto de partículas cujas dimensões (diâmetros equivalentes) estão compreendidas entre 76 e 4,8 mm;
Areia: entre 4,8 e 0,05 mm; Silte: entre 0,05 e 0,005 mm; Argila: inferiores a 0,005 mm.
2.1.5.1 Análise Granulométrica
A análise granulométrica é a determinação das dimensões das partículas do solo e as proporções relativas em que elas se encontram (Caputo, 1988, p.25). Dois métodos são geralmente utilizados para determinação do tamanho das partículas de solo:
Ensaio de peneiramento: partículas maiores que 0,075mm de diâmetro; Ensaio de sedimentação: partículas menores que 0,075m de diâmetro. No Brasil estes ensaios são padronizados pela NBR 7181 (1984).
A curva de distribuição granulométrica pode ser utilizada para determinar alguns parâmetros do solo, como:
Diâmetro efetivo;
Coeficiente de uniformidade; Coeficiente de curvatura; Coeficiente de segregação.
As (figuras 3 e 4) mostram exemplos de curva granulométrica.
Figura 3: Curva granulométrica de um solo Fonte: Pinto (2006, p.09)
Figura 4: Curvas granulométricas de alguns solos brasileiros Fonte: Pinto (2006, p.12)
Segundo Das (2007, p.28), a curva de distribuição granulométrica mostra não somente os tamanhos das partículas presentes em solo, mas também o tipo de distribuição de partículas de vários tamanhos.
2.1.5.2 Ensaio de Peneiramento
O ensaio de peneiramento consiste em agitar uma amostra de solo seca por um conjunto de peneiras com aberturas padronizadas pela NBR 10703 (1997), que são progressivamente menores. A menor peneira normalmente empregada neste ensaio é a de 0,075 mm (nº 200). Após o solo ser agitado, a massa retida em cada peneira é determinada.
2.1.6 Compactação dos Solos
De acordo com Caputo (1983, p.172), entende-se por compactação de um solo o processo manual ou mecânico que visa reduzir o volume de seus vazios, e assim, aumentar sua resistência, tornando-o mais estável. A compactação de um solo visa melhorar suas características, não só quanto à resistência, mas também aos aspectos de permeabilidade, compressibilidade e absorção de água. Segundo Das (2007, p.84), a compactação é a densificação do solo por meio da remoção do ar, o que requer aplicação de uma energia mecânica.
2.1.6.1 Ensaio de Proctor Normal
O ensaio original para determinação da umidade ótima e do peso específico máximo de um solo é o ensaio de Proctor, proposto em 1933 pelo engenheiro americano Ralph Proctor (CAPUTO,1983, p.175). Este ensaio é também conhecido como ensaio de Proctor normal, padronizado no Brasil pela NBR 7182 (1986). Consiste em um recipiente cilíndrico, no qual uma amostra de solo será compactada em três camadas, sendo aplicados 26 golpes de soquete com massa de 2,5 kg, caindo de uma altura de 30,5 cm, a cada camada. Concluída esta etapa, o material é pesado ainda no cilindro, descontando-se o peso do cilindro, sendo determinado então o peso úmido. O ensaio é repetido para diferentes teores de umidade, determinando para cada um deles o peso específico aparente.
Segundo Grande (2003, p.12), Proctor percebeu que para uma energia de compactação constante, ao se adicionar água no solo, sua densidade aparente aumentava até certo ponto, chamado de umidade ótima. Ao acrescentar teores de umidade acima do ótimo a densidade torna a reduzir, pois o excesso de água absorve parte da energia de compactação e redistribui ao sistema, afastando assim as partículas sólidas.
2.1.6.2 Curva de Compactação
A curva de compactação é traçada com base nos dados obtidos no ensaio de compactação para os diferentes teores de umidade, a umidade ótima (hot) e o peso específico seco máximo (δsmáx) são obtidos através desta curva.
Para o traçado da curva de compactação é conveniente a determinação de pelo menos cinco pontos, dos quais dois se encontrem no ramo seco à esquerda da curva, como na (figura 5), um próximo à umidade ótima e os outros dois no ramo úmido à direita da curva (CAPUTO,1983, p.175).
Figura 5: Curva típica de compactação Fonte: DNIT (2006, p.42)
2.1.6.3 Fatores que Afetam a Compactação
Segundo Das (2007, p.87), além do teor de umidade, que influencia diretamente o grau de compactação alcançado por um solo, outros fatores significativos que afetam a compactação são:
Tipo de solo: a distribuição granulométrica, a forma dos grãos, o peso específico dos sólidos, a quantidade e o tipo de minerais de argila.
Esforço de compactação: à medida que o esforço de compactação aumenta, o peso específico seco máximo de compactação também aumenta, mas o teor de umidade ótima reduz.
2.1.7 Classificação dos Solos
Dada a infinidade de solos que existem na natureza é necessário um sistema de classificação que indique características geotécnicas comuns de um determinado grupo de solos a partir de ensaios simples de identificação. Existem diversos sistemas de classificação, podendo ser estes específicos ou não. Assim, tem-se um sistema com base na origem dos solos (solos residuais, solos transportados/sedimentares, solos orgânicos), um sistema de classificação pedológica (solos zonais, intrazonais e azonais), um sistema com base na textura (tamanho das partículas), um sistema de classificação visual e táctil, e sistemas que levam em consideração parâmetros geotécnicos do solo. Segundo Pinto (2006, p.52) os sistemas baseados no tipo e no comportamento das partículas são os mais utilizados, os sistemas de classificação que se baseiam nas características dos grãos que constituem os solos têm como objetivo a definição de grupos que apresentam comportamentos semelhantes sob o aspecto de interesse da engenharia civil. Nestes sistemas, os índices geralmente empregados são a composição granulométrica e os índices de Atterberg. Os dois sistemas mais empregados universalmente são o Sistema de classificação do TRB antigo Highway Research Board (HRB) e o Sistema Unificado de Classificação dos Solos.
2.1.7.1 Sistema de Classificação Transportation Research Board - TRB
A classificação TRB, antigo (HRB) Highway Research Board, aprovado em 1945, sendo um aperfeiçoamento do antigo sistema da Administração de Estradas Públicas dos EUA proposto em 1929, é o mais comumente utilizado em termos de pavimentação. Esta classificação fundamenta-se na granulometria, limite de liquidez e índice de plasticidade dos solos. Um parâmetro adicionado nesta classificação é o índice de grupo (IG), que é um número inteiro variando de 0 a 20, baseado nos limites de Atterberg (LL e IP) do solo e na porcentagem de material fino que passa na peneira 0,075mm (nº 200). O índice de grupo define a capacidade de suporte do terreno de fundação de um pavimento. Os valores extremos do “IG” representam solos ótimos para IG = 0 e solos péssimos para IG = 20. Seu valor pode ser determinado graficamente ou pelo emprego da fórmula empírica:
IG = 0,2 . a + 0,005 . a . c + 0,01 . b . d, onde:
a = porcentagem do solo que passa na peneira nº 200, menos 35. Se o valor de “a” for negativo adota-se zero, e se for superior a 40 adota-se este valor como limite máximo.
b = porcentagem do solo que passa na peneira nº 200 menos 15. Se o valor de “b” for negativo adota-se zero, e se for superior a 40 adota-se este valor como limite máximo.
c = valor do limite de liquidez menos 40. Se o valor de “c” for negativo adota-se zero, e se for superior a 20, adota-se este valor como limite máximo.
d = valor do índice de plasticidade menos 10. Se o valor de “d” for negativo adota-se zero, e se for superior a 20, adota-se este valor como limite máximo.
Os valores de "a", "b", "c" e "d" deverão ser expressos em números inteiros e positivos, assim como o valor de IG.
Os solos são classificados em sete grupos, de acordo com a granulometria (peneiras de nº 10, 40, 200) e de conformidade com os intervalos de variação dos limites de consistência e índice de grupo. De acordo com a (Tabela 1) os solos se dividem em dois grupos: solos grossos (quando a % passante na
peneira nº 200 (0,075mm) é inferior a 35%) que compreendem os grupos A-1, A-2 e A-3, e solos finos (quando a % passante na peneira nº 200 é superior a 35%) que compreendem os grupos A-4, A-5, A-6 e A-7.
Tabela 1: Sistema de classificação HRB
Em geral os solos granulares têm índice de grupo compreendido entre 0 e 4, os solos siltosos entre 1 e 12 e os argilosos entre 1 e 20.
2.2 Estabilização do Solo
A construção de estradas é a área da engenharia que certamente envolve o maior número de tipos de solo dentro de uma mesma obra e onde as suas características têm um papel preponderante na qualidade e no custo final das construções. O ideal seria que na construção fosse utilizado o solo do próprio local da obra como material de construção, porém normalmente estes materiais não atendem as exigências mínimas necessárias para sua utilização (GUIMARÃES, 1980; NÓBREGA, 1985 apud FRANÇA, 2003).
Chama-se estabilização de solos o processo pelo qual se confere ao solo uma maior resistência estável às cargas ou desgaste ou à erosão, por meio de compactação, correção da sua granulometria e da sua plasticidade ou de adição de substâncias que lhe confiram uma coesão proveniente da cimentação ou da aglutinação dos seus grãos (VARGAS, 1977, P.93).
A estabilização de um solo consiste então na melhoria de suas características a fim de torná-lo resistente a esforços, cargas e intempéries.
2.2.1 Métodos de Estabilização
Devido às disparidades e semelhanças nos processos e mecanismos utilizados para a estabilização de solos, adota-se a natureza da energia transmitida ao solo como um critério para a classificação dos métodos de estabilização. Desta forma Marques (2005, p.65) cita alguns processos de estabilização: mecânica, granulométrica, química, elétrica e térmica.
A estabilização não é necessariamente um processo ao qual toda e qualquer propriedade de um solo é alterada para melhor. A aplicação de qualquer método exige a identificação clara das propriedades do solo que se pretende
melhorar (Silva, 2007 apud Santos, 2008). De acordo com Marques (2005, p.65) podem ser citados os seguintes tipos de estabilização: mecânica, granulométrica, química, elétrica e térmica.
2.2.1.1 Estabilização Mecânica
A estabilização mecânica, também chamada de estabilização granulométrica consiste basicamente em retirar ou adicionar partículas do solo proporcionando uma correção granulométrica. A alteração das propriedades dos solos pode ser também realizada por compactação e visa dar ao solo (ou mistura de solos) uma condição de densificação máxima relacionada a uma energia de compactação e a uma umidade ótima (Marques, 2003 apud Feltrin, 2008). É um método que sempre é utilizado na execução das camadas do pavimento, sendo complementar a outros métodos de estabilização.
2.2.1.2 Estabilização Química
A estabilização química visa alterar a estrutura de um solo através da aplicação de determinada quantidade de aditivo capaz de melhorar suas propriedades físicas e mecânicas, possibilitando assim a utilização deste material em construções. Segundo Bresciani (2009, p.57), com a necessidade de aditivos químicos que melhorem as propriedades naturais do solo, cada vez mais surgem novidades, desde produtos industrializados até subprodutos ou resíduos industriais. Alguns deles são: cimento, cal, PERMA-ZYME®, CON-AID®, betume, resina, cinza volante, escória de alto-forno; restos de atividades agrícolas como palha de arroz, casca de amendoim, bagaço de cana-de-açúcar; e materiais vegetais como restos de madeira e sobras de papel.
Em solos granulares é aplicada principalmente para melhorar sua resistência ao cisalhamento (causado pelo atrito produzido pelos contatos das superfícies das partículas) através da adição de pequenas quantidades de ligantes
nos pontos de contato dos grãos (Marques, 2003, p.65). Entre os ligantes mais utilizados estão o cimento Portland, cal, pozolanas, materiais betuminosos e resinas. No presente trabalho o ligante utilizado foi o cimento Portland.
2.2.1.2.1 Cimento Portland
De acordo com o manual de pavimentação do DNER (1996, p.150), dentre as categorias de cimentos atualmente fabricados no Brasil, destacam-se os do tipo Portland comum, composto, de alto-forno, pozolânico, de alta resistência inicial, e resistente a sulfatos. Assim, tem-se:
Cimento Portland comum - CP I e CP I - S (ABNT EB - 1/91);
Cimento Portland composto - CP II - E, CP II - Z e CP II – F (ABNT EB - 2138/91);
Cimento Portland de alto-forno - CP III (ABNT EB-208/91); Cimento Portland pozolânico - CP IV (ABNT EB - 758/91);
Cimento Portland de alta resistência inicial - CP V - ARI (ABNT EB - 2/91); Cimentos Portland resistente à sulfatos - RS (NBR - 5737).
O tipo de cimento Portland utilizado no desenvolvimento da presente pesquisa foi o CP II - Z - 32, ou seja, cimento Portland composto, que tem sua definição semelhante ao cimento Portland comum, determinado como aglomerante hidráulico obtido pela moagem de clínquer Portland ao qual se adiciona, durante a operação, a quantidade necessária de uma ou mais formas de sulfato de cálcio. Durante a moagem é permitido adicionar a esta mistura materiais pozolânicos, escórias granuladas de alto-forno e/ou materiais carbonáticos, nos teores especificados na EB - 1/91. A única diferença entre o cimento Portland composto e o cimento Portland comum, é que a adição permitida de materiais pozolânicos especificada na EB - 2138/91 (para cimento Portland composto) é sensivelmente maior que a permitida em cimento Portland comum EB - 1/91.
2.2.2 Estabilização de Solos com Aplicação de Aditivo
Os aditivos possuem características bastante distintas. Representando classes ou categorias diferenciadas, alguns são orgânicos, outros inorgânicos. Dessa forma, se faz necessário conhecer algumas de suas propriedades a fim de se verificar a viabilidade da utilização dos mesmos.
2.2.2.1 Aditivos Utilizados na Estabilização de Solos para Pavimentação
Os aditivos químicos estabilizantes são aplicados principalmente nos solos utilizados em pavimentação. Foram utilizados primeiramente na construção de estradas vicinais, visando o aumento da resistência e a redução do desgaste e a formação de pó das camadas de subleito e revestimento primário (TRINDADE, 2005 apud FRANÇA, 2003).
No caso de rodovias, pavimento é a superestrutura, constituído por um sistema de camadas de espessuras finitas, assentes sobre um semi-espaço considerado teoricamente como infinito – a infra-estrutura ou terreno de fundação, a qual é designada de subleito.
O subleito, limitado assim superiormente pelo pavimento, deve ser estudado e considerado até a profundidade onde atuam, de forma significativa, as cargas impostas pelo tráfego. Em termos práticos, tal profundidade deve situar-se numa faixa de 0,60 m a 1,50 m (DNER, 1996, p.157).
De uma forma geral os pavimentos são classificados em flexíveis e rígidos. O pavimento flexível é constituído das seguintes camadas: Revestimento, Base, Sub-base, Reforço do Subleito e Subleito. E o pavimento rígido é constituído de: Placa de concreto de cimento (camada que desempenha ao mesmo tempo o papel de revestimento e de base) e Sub-base que é a camada empregada, com o objetivo de melhorar a capacidade de suporte do subleito e/ou evitar o fenômeno de bombeamento “pumping” dos solos subjacentes à placa de CCP (DNER, 1996, p.157). As camadas de Base e Sub-base são ainda divididas em:
Granulares: são as camadas constituídas por solos, britas de rochas ou de escória de alto forno, ou ainda, pela mistura desses materiais, as camadas puramente granulares, são sempre flexíveis.
Flexíveis e semi-rígidas: são ainda divididas em granulares e estabilizadas com aditivos conforme a (figura6).
Figura 6: Divisão entre as bases e sub-bases flexíveis e semi-rígidas Fonte: DNER, (1996)
Segundo Bresciani (2009, p.59) a recomendação para que o aditivo utilizado seja considerado ideal é de que este possua determinadas características, são elas: ser hidrófobo, solúvel em água, ser resistente à oxidação e ao ataque de microorganismos, ser aplicável como um líquido de baixa viscosidade além de ser barato ou capaz de em pequenas quantidades quando forem mais caros propiciarem ao solo, as propriedades citadas anteriormente.
2.2.2.1.1 Solo Cimento
É uma mistura devidamente compactada de solo, cimento Portland e água. A mistura solo cimento deve satisfazer a certos requisitos de densidade, durabilidade e resistência, dando como resultado um material duro, cimentado, de acentuada rigidez à flexão. Para que isso aconteça algumas condições são de
extrema importância, três delas dependem diretamente das características do solo com que se está trabalhando. Ou seja, a quantidade de água e de cimento e ainda a massa específica aparente seca a ser alcançada após a compactação.
Baseado na experiência brasileira adquirida ao longo dos anos, o solo estabilizado com cimento (solo cimento) utilizado nas bases e sub-bases, restringiu-se aos tipos A1, A2, A3 e A4. Que podem restringiu-ser vistos na tabela 1, classificação HRB. Desta forma, segundo Marques (2003, p. 72), os solos siltosos e argilosos foram descartados devido a dificuldades do processo de execução. Todo tipo de solo pode, a princípio, ser estabilizado com cimento, porém, os solos finos requerem teores elevados de cimento, ou seja, maiores que 10%, tornando-se assim muitas vezes inadequados para fins de estabilização devido ao fator econômico. O teor de cimento adotado usualmente é da ordem de 6% a 10%, (DNER, 1996, p.159). De acordo com Vargas (1977, p.97) de uma forma geral, qualquer solo inorgânico pode ser estabilizado com cimento, porém, para que seja economicamente bem sucedido o solo deve atender determinadas exigências, não contendo:
Mais que 2% de matéria orgânica; Nem mais que 0,2% de sulfatos;
Nem grãos de dimensões maiores que 75 mm.
Seria ainda apropriado que o solo apresentasse as seguintes características: Porcentagem passante na peneira de 2” superior a 80%;
Porcentagem passante na peneira nº 4 (4,8mm) superior a 50%; Porcentagem passante na peneira nº 40 (0,42mm) entre 100 e 15%; Porcentagem passante na peneira nº 200 (0,075mm) inferior a 50%; Limite de liquidez do ligante inferior a 45.
De acordo com Mariano (2008, p.57), com relação às misturas de solo cimento ou solos tratados com cimento a ES-P 11/05, do DER do Paraná, especifica para o emprego em bases e sub-bases, os seguintes limites:
a) solo melhorado com cimento: Sub-base: 1,2 a 2,1 MPa; Base: 1,5 a 2,1 MPa. b) solo cimento:
Os procedimentos e dosagem do solo cimento para a determinação do teor de cimento capaz de estabilizá-lo são normatizados pela NBR 12253 (1992).
2.2.2.1.1.1 Tipos de Mistura entre Solo e Cimento
Toda mistura envolvendo solo e qualquer teor de cimento tem sido erroneamente chamado de mistura solo cimento (MARQUES, 2003 apud FELTRIN, 2008). Existem três diferentes tipos de misturas de solo estabilizado com cimento, sendo o solo cimento, apenas uma delas:
Mistura solo cimento: produto obtido pela compactação e cura de uma mistura íntima de solo, cimento e água, de modo a satisfazer condições especificas de resistência e durabilidade.
Solo corrigido ou tratado com cimento: são misturas pobres em cimento (2% a 5%) e visam modificar algumas de suas propriedades físicas, por exemplo, baixar o índice de plasticidade através do aumento do LP e da diminuição do LL ou diminuir as mudanças de volume e inchamento do solo. Solo cimento Plástico: a quantidade de água no solo cimento é apenas para
permitir uma boa compactação e completa hidratação do cimento. No solo cimento plástico a quantidade de cimento é aproximadamente 4% a mais para satisfazer os critérios de durabilidade e estabilidade exigidos e também devido à maior quantidade de água necessária para deixar a mistura na consistência de argamassa. Este tipo de mistura é muito utilizado, entre outros, em revestimento de valetas, valas, canais e taludes.
2.2.2.1.1.2 Mecanismo de Reação da Mistura Solo Cimento
Segundo Marques (2003, p.67), através do desenvolvimento das reações químicas que são geradas na hidratação do cimento (mistura do cimento com água) tem-se o processo de estabilização do solo com o cimento. A partir daí, desenvolvem-se vínculos químicos entre as superfícies dos grãos do cimento e as
partículas de solo que estão em contato com o mesmo. Nos solos granulares desenvolvem-se vínculos de coesão nos pontos de contato entre os grãos, e nos solos argilosos, a ação da cal gerada sobre a sílica e a alumina do solo resulta o aparecimento de fortes pontos entre as partículas de solo, sendo assim, estes solos respondem melhor a estabilização com cimento, já que nos solos argilosos a reação da cal gerada na hidratação e os argilominerais ocasionam uma queda no PH da mistura, afetando a hidratação e o endurecimento do cimento.
Em resumo, segundo Abiko (1987 apud Grande 2003, p. 31), dois processos podem explicar as reações que ocorrem no mecanismo de interação entre solo cimento:
O processo primário é constituído basicamente pelos produtos das reações de hidratação do cimento portland, ou seja, silicatos e aluminatos hidratados. O processo secundário se deve às reações entre os argilos-minerais
existentes no solo e a cal (hidróxido de cálcio), liberada na hidratação do cimento.
2.2.2.1.1.3 Fatores que Influenciam na Mistura Solo Cimento
Segundo Marques (2003, p.68), os principais fatores que influenciam na qualidade do solo cimento são:
Tipo de solo: a estabilização com cimento pode ser feita em todo tipo de solo, entretanto por exigirem baixos teores de cimento os solos arenosos (granulares) são mais eficientes que os argilosos.
Teor de cimento: o teor de cimento a ser adotado, deve ser o menor dos teores capaz de atingir a resistência média à compressão simples, sendo que esta seja superior a 2,10 MPa após 7 dias de cura. Sendo que esta resistência aumenta linearmente quanto maior for a quantidade de cimento adicionada a mistura para um mesmo tipo de solo. Quanto maior a porcentagem de silte e argila presentes no solo, maior será o teor de cimento exigido.
Métodos de mistura e compactação: é recomendado que a compactação inicie logo após a mistura e que seja completada dentro de duas horas para
que não ocorram significantes decréscimos tanto na massa específica seca máxima quanto na resistência do produto final. Se o tempo mistura-compactação for grande, são produzidas grandes quantidades de argila floculada, que irá absorver a compactação.
Teor de umidade: devido à ação floculante o acréscimo de cimento ao solo tende a produzir um aumento no teor de umidade e uma redução na massa específica seca máxima. O teor de umidade ótimo que conduz à máxima massa específica seca não é necessariamente o mesmo para a máxima resistência. Este último está localizado no ramo seco para os solos arenosos e no ramo úmido para os solos argilosos.
Condições de cura: assim como no concreto, a mistura solo cimento ganha resistência por processo de cimentação das partículas durante vários meses ou anos, sendo maior até os 28 dias iniciais. Neste período deve ser garantido um teor de umidade adequado à mistura compactada. Diferente do concreto, a temperatura de cura deve ser elevada para propiciar elevadas resistências.
2.2.2.1.2 Dosagem do Solo Cimento
Segundo Vargas (1977, p.98) a dosagem de solo cimento é feita como no ensaio normal de compactação, onde uma determinada mistura de solo, cimento e água são compactados, entretanto, como há hidratação do cimento é necessário que os corpos de prova sejam moldados o mais rápido possível. Recomenda-se que a compactação deva iniciar-se logo após a mistura e complementada dentro de duas horas (MARQUES, 2003, p.69).
De acordo com a ABCP (2004, apud Feltrin, 2008, p.9) é definido como objetivo principal para a dosagem do solo cimento, a quantidade de água a ser adicionada na mistura e a massa específica aparente seca da mistura compactada que passaram a ser tomadas exclusivamente como elemento de controle do serviço, sendo que o objetivo da dosagem passa a ser somente a fixação da quantidade de cimento.
No Brasil a dosagem é normatizada pela NBR 12253 designada (solo cimento - dosagem para emprego como camada de pavimento). As normas brasileiras baseiam-se nos métodos de dosagem da PCA (Portland Cement Association) e na comprovação dos resultados de um grande número de obras executadas e em uso, com uma enorme variedade de solos, desde 1939.
2.2.2.1.2.1 Norma Geral de Dosagem de Solo Cimento
Para garantir à mistura a permanência de suas características melhoradas com a adição de cimento, a norma geral de dosagem procura determinar o teor de cimento utilizado por meio de ensaios de durabilidade e por molhagem e secagem. Através de testes faz-se a dosagem, empregando nos ensaios diferentes teores de cimento. A análise dos resultados indica o menor deles capaz de estabilizar o solo sob a forma de solo cimento. A norma geral de dosagem, adaptada pela ABCP para o Brasil, de solo cimento pode ser resumida nas seguintes operações:
Identificação e classificação do solo;
Escolha do teor de cimento para o ensaio de compactação; Execução do ensaio de compactação do solo cimento;
Escolha dos teores de cimento para o ensaio de durabilidade; Moldagem de corpos-de-prova para ensaio de durabilidade; Execução do ensaio de durabilidade por molhagem e secagem;
Escolha do teor de cimento adequado em função dos resultados do ensaio. Através da realização de um estudo comparativo entre os métodos de dosagem empregando algumas amostras de solos, Ferraz et. al. (2001 apud Grande 2003, p.35) concluíram que os teores de cimento obtidos pelo emprego da norma geral, são sempre superiores aos indicados pelos demais métodos, uma vez que o critério de dosagem baseia-se na durabilidade das misturas.
2.2.2.1.2.2 Norma Simplificada de Dosagem de Solo Cimento
Uma desvantagem prática na norma geral de dosagem é o tempo de duração dos ensaios, principalmente os ensaios de durabilidade. Por este motivo foi sugerido então à correlação dos resultados desse ensaio com outro de mais rápida execução, simplificando e encurtando o tempo gasto na dosagem.
De acordo com a ABCP (2004, p.32), a PCA apresentou um método simplificado de dosagem para solo cimento, com base em correlações estatísticas resultantes de ensaios de durabilidade e de resistência à compressão simples aos sete dias em 2438 solos arenosos.
A norma simplificada desse método em resumo somente é aplicável para solos que satisfaçam ao mesmo tempo as condições:
Possuir no máximo 50% de material com diâmetro equivalente inferior a 0,05 mm (silte +argila);
Possuir no máximo 20% de material com diâmetro equivalente inferior a 0,005mm (argila).
Dependendo da granulometria os dois métodos são empregados: A ou B. Independente do método que se enquadre o solo, a seqüência de dosagem consta de:
Ensaios preliminares do solo;
Ensaio de compactação do solo cimento;
Determinação da resistência à compressão simples aos 7 dias;
Comparação entre resistência média à compressão simples obtida nos CPs e a resistência à compressão simples mínima para o solo em estudo.
2.2.3 Critério Adotado pela HRB para a Utilização do Solo na Mistura Solo Cimento
De acordo com a HRB, podem ser empregados para a mistura de solo cimento solos com as seguintes características:
Diâmetro máximo: 75mm;
Passando na peneira nº 4 (4,8mm): ≥ 50%;
Passando na peneira nº 40 (0,42mm): de 15% a 100%; Passando na peneira nº 200 (0,075mm): ≤ 40%;
Índice de plasticidade: ≤ 18%.
2.2.4 Ensaio de Compactação de Solo Cimento
Segundo a NBR 12053 (1992, p.2) que prescreve os métodos para determinação da relação entre o teor de umidade e a massa específica aparente seca de misturas de solo cimento quando compactadas na energia normal, existem dois métodos aplicáveis conforme a granulometria do solo:
Método A: utilizam-se o material passante na peneira nº 4 (4,8 mm), para solos que tenham 100% das partículas de tamanho menor do que 4,8 mm. Método B: utilizam-se o material passante na peneira de 19 mm, para solos
que tenham até 45% das partículas retidas na peneira nº 4 (4,8 mm).
2.2.4.1 Escolha do Teor de Cimento para Ensaio de Compactação
Em geral, são ensaiados três teores, diferindo-se do teor médio de dois pontos. Segundo ABCP (2004, p.14) a determinação da quantidade adequada de cimento fundamenta-se na análise do comportamento de CPs com diferentes quantidades de cimento. Tendo observado que os resultados do ensaio de compactação variam muito pouco para pequenas diferenças na quantidade de cimento, um único ensaio de compactação pode ser realizado, com teor médio entre os previstos. Adotam-se os resultados da compactação como válidos para os três teores escolhidos.
2.2.5 Moldagem dos Corpos-de-prova para o Teor de Cimento Determinado
Segundo a NBR 12253 (1992, p.2), a moldagem de CPs para os ensaios de compressão simples deve ser realizada com um ou mais teores de cimento. Para execução do ensaio de compressão simples, devem ser moldados no mínimo três CPs. Após a moldagem, os CPs são submetidos ao período de cura.
2.2.6 Ensaio de Compressão Simples
De acordo com a NBR 12025 (1990), é necessário observar a idade dos CPs para o ensaio de compressão simples, estes devem estar devidamente identificados. Conforme o cilindro utilizado na moldagem é medido ainda no ensaio o diâmetro, altura e a sua seção transversal. Fatores esses que podem refletir no resultado final da tensão necessária de ruptura.
2.2.7 Resultado da Dosagem pela NBR 12253/92
Após a execução dos ensaios de compressão simples, calcula-se a média aritmética das resistências à compressão simples correspondentes a um mesmo teor de cimento. Não devem ser considerados os CPs cuja resistência à compressão simples se afaste mais de 10% da média calculada. O número de corpos de prova mínimo para cálculo da média são dois. Para a determinação do teor de cimento a ser adotado é permitida a interpolação dos dados de modo a indicar o valor mínimo de resistência à compressão média especificado de 2,1 MPa. A extrapolação de dados não é permitida. O teor mínimo recomendado pela norma é de 5%.
2.2.8 Aditivo Orgânico PERMA-ZYME®
De acordo com o fabricante (www.caminosargentinossa.com.ar, apud Bresciani, 2009, p.68) o aditivo orgânico PERMA-ZYME® é muito utilizado na pavimentação rodoviária, pois possui capacidade de reduzir significantemente os custos das obras de pavimentação. Por isso vem sendo utilizado em diversos países, como China, Rússia, Canadá, além do próprio EUA, país que desenvolveu o
produto. PERMA-ZYME® é um estabilizador de solos que vem sendo desenvolvido a
cerca de 30 anos pela empresa International Enzymes INC, localizada nos Estados Unidos. Como representante mais próxima do Brasil, temos a empresa Caminos Argentinos SA, localizada na Argentina, que é a representante exclusiva do aditivo orgânico PERMA-ZYME® para toda a América Latina.
2.2.8.1 Composição e Reação do Aditivo Orgânico PERMA-ZYME®
O aditivo orgânico PERMA-ZYME® possui uma formulação composta por
enzimas não tóxicas, fabricado através de um processo de fermentação natural utilizando apenas compostos orgânicos. Enzimas são biomoléculas que catalisam as reações, ou seja, provocam um aumento na velocidade com que essas reações ocorrem. Quando o produto é misturado na água e aplicado no solo antes da compactação do mesmo, ele atua sobre as partículas do solo através de um processo de colagem catalítica, produzindo um efeito de cimentação na camada de solo. Diferentemente dos produtos inorgânicos ou derivados do petróleo que apenas criam um vínculo temporário entre os grãos, o aditivo orgânico PERMA-ZYME® provoca a união, ligando as partículas durante o processo de compactação do solo, transformando-o em uma camada densa que resiste à penetração da água, erosão e desgaste, proporcionando uma maior capacidade de carga, podendo assim ser utilizado em diversos ambientes. Cada enzima é especialmente adaptada para promover uma reação química dentro ou entre as outras moléculas. As próprias enzimas são modificadas por essas reações, servindo como um ligante para as outras moléculas, acelerando enormemente a taxa normal de reações químicas e
físicas. Quando há um bloqueio ou simples diminuição das reações necessárias para a junção das partículas do solo, é então empregado PERMA-ZYME® como
tratamento, promovendo essas reações e permitindo um rearranjo das partículas do material. Isso ocorre devido ao multienzimático que promove um equilíbrio dos elétrons rompendo a tensão superficial da água existente no solo (Figura 7), causando um rápido processo de cimentação.
Figura 7: Processo de reação do PERMA-ZYME® Fonte: Caminos Argentinos SA, (2009)
2.2.8.2 Características Físicas do Solo Exigidas para o Uso do PERMA-ZYME®
De acordo com o fabricante, o solo a ser estabilizado com o aditivo orgânico, objeto de estudo, deve possuir as seguintes características:
Percentual de finos (passante na peneira 0,075mm) ≥20%; Índice de Plasticidade (IP) ≥6%.
A água a ser utilizada na mistura solo aditivo, não deve possuir cloro, sendo preferencialmente destilada. A quantidade de água a ser adicionada a mistura, é a necessária para deixar o solo na sua umidade ótima, subtraindo a quantidade de aditivo utilizada.
A eficácia do aditivo orgânico PERMA-ZYME® depende de alguns fatores,
tipo de solo a ser empregado; estrutura do solo;
composição química; composição mineralógica.
O estabilizante mencionado neste estudo não altera a estrutura do solo, nem sua composição mineralógica, mantém a cor inicial do solo, é hidrossolúvel, não compacta automaticamente, necessitando de equipamento próprio para isto.
2.2.8.3 Aplicações do Aditivo Orgânico PERMA-ZYME®
O aditivo orgânico PERMA-ZYME®, ainda segundo o fabricante pode ser
aplicado em:
Construções rodoviárias: na estabilização de camadas de sub-base e base; bem como na estabilização da camada superficial de pátios de parques, estacionamentos, estradas e pistas de corrida, reduzindo a poeira;
Construção civil: como reforço em fundações e estabilização de barragens. Outras aplicações: na vedação de lagoas de estabilização ou decantação,
inclusive de produtos poluentes; estabilização de taludes; impermeabilização de aterros sanitários; injetado em paredes de solo, como nas escavações de minas ou subsolos, fazendo com que através da cimentação da camada superficial não ocorra o desprendimento do solo.
2.2.8.4 Vantagens no uso do Aditivo Orgânico PERMA-ZYME®
De acordo com o fabricante, PERMA-ZYME® possui as seguintes
vantagens:
Aumenta a densidade do solo: catalisa a criação de novas estruturas entre as partículas do solo, ligando-as entre si.
Reduz o esforço de compactação: promovendo uma rápida e cuidadosa dispersão da umidade, aumentando a lubrificação das partículas do solo permitindo que o mesmo atinja a compactação com menos esforço.
Necessita de menor quantidade de água: reduz em 25% a quantidade de água necessária para atingir o nível de umidade ótima necessária a compactação do material.
Melhora a capacidade de carga: devido à ligação entre as partículas, reduz a tendência do solo de se expandir após a compactação.
Baixa permeabilidade: a ligação dos grãos elimina os vazios, diminuindo a capacidade de a água migrar no material tratado com o aditivo orgânico.
Elimina a necessidade de importação de material: quando PERMA-ZYME®
é usado no tratamento de solos utilizados em obras de pavimentação, não há necessidade de buscar em outros locais materiais com as características exigidas, como ISC, expansão e resistência à compressão simples, necessárias para a sua utilização no local da obra.
Compatibilidade de tempo e local: podem ser aplicados a uma variedade de locais e condições de tempo, como locais sujeitos à neve ou elevadas temperaturas, clima seco ou propício a chuvas, ou ainda no topo de montanhas ou embaixo de minas ou barragens.
Reduz a manutenção: devido à camada resistente criada pelo produto, evita o desgaste da superfície tanto pelo uso quanto pelas atividades climáticas, necessitando assim de um trabalho mínimo de manutenção.
Facilidade de conservação e uso: PERMA-ZYME® é vendido na forma
líquida concentrada, isso elimina parte dos processos de armazenamento, pré mistura e movimentação de grandes quantidades de material.
Manuseio seguro: por não ser tóxico, não danifica os equipamentos nem provoca reações de irritação, vermelhidão ou queimaduras nos tecidos da pele, olhos e mucosas. Não contem ingredientes inflamáveis, não é explosivo, é um produto biodegradável, por isso não prejudicará os seres humanos, animais e vegetais.
3.1 Introdução
O presente trabalho teve como objetivo principal reduzir o consumo de cimento utilizado na melhoria das características físicas e mecânicas de um solo com o intuito de utilizá-lo em obras de pavimentação, para isto se adicionou o aditivo
orgânico PERMA-ZYME® ao solo cimento estudado por Feltrin (2008). O inicio dos
trabalhos se deu com a coleta das amostras de solo natural na jazida J05 da empresa Queiroz Galvão, em Içara. As amostras de solo foram levadas para o Laboratório de Mecânica dos Solos (LMS), do Instituto de Pesquisas Ambientais e Tecnológicas (IPAT) da Universidade do Extremo Sul Catarinense (UNESC), onde foram submetidas aos ensaios de caracterização. Foram moldados corpos de prova misturando solo, cimento e aditivo orgânico e posteriormente feito ensaios de compressão simples.
Figura 8: Localização aérea via satélite da jazida J05 Fonte: Google earth, (2009)
3.2.1 O Solo
O solo utilizado no presente trabalho foi coletado na jazida J05, mesmo local de coleta das amostras de solo de Feltrin, (2008), isto se fez necessário para que pudesse ser feito um comparativo entre os resultados de resistência à compressão simples.
Na (figura 9) pode-se observar a planta de localização da jazida J05.
Figura 9: Planta de localização da jazida J05
Fonte: DNER – Programa de Ampliação da Capacidade Rodoviária do Corredor São Paulo – Curitiba – Florianópolis – Osório (2001)
Os critérios de utilização deste material em solo cimento, adotados no presente trabalho foram os determinados pela HRB e são expostos na (tabela 2).
Tabela 2: Critérios de utilização do solo
Características Requisitos
Porcentagem passando na peneira nº 4 (4,8mm) ≥ 50%
Porcentagem passando na peneira nº 200 (0,075mm) ≤ 40%
Índice de plasticidade ≤ 18%
Fonte: HRB
Figura 10: Coleta em situ do solo utilizado na pesquisa Fonte: Autor
3.2.1.1 Estudos Geológicos
A caracterização geológica do Lote 27 (km 358,500 ao km 387,000), onde encontra-se localizada a jazida J05 (km 364+300), foi feita com base no relatório de projeto do Programa de Ampliação da Capacidade Rodoviária do Corredor São Paulo – Curitiba – Florianópolis – Osório da consultora consorcio Iguatemi – Dynatest, apresentado em junho de 2001.
O trecho sul da rodovia BR-101 no Estado de Santa Catarina onde se encontra localizada a jazida J05, na qual foram coletadas as amostras de solo para esta pesquisa, corta pequenos trechos com rochas cristalinas e cristalofilianas do embasamento, que formam as Serras do Leste Catarinense. Nesse trecho Sul as rochas cristalinas são representadas pelo batolito granítico da Suíte Intrusiva Pedras Grandes, enquanto que a Planície Costeira é composta por sedimentos areno-siltico-argilosos de várias origens, desde marinha até continental, formando vários ambientes deposicionais.
Tabela 3: Coluna estratigráfica regional
Fonte: DNER – Programa de Ampliação da Capacidade Rodoviária do Corredor São Paulo – Curitiba – Florianópolis – Osório (2001).
3.2.1.3 Geologia Local
A jazida J05 encontra-se inserida no ambiente geológico formado por rochas mais antigas, Eo-paleozóicas, oriundas da Suíte Intrusiva Pedras Grandes (SIPG), que é composta por granitos grosseiros granulares hipidiomórficos, localmente sienogranitos, alcalinos cujo mineral principal e o oligoclásio (feldspato calcosódico), podendo conter ainda pouco quartzo e, como mineral máfico, a biotita. O mapa geológico do lote 27 onde encontra-se inserida a jazida J05, pode ser visto na (figura 11).
Figura 11: Mapa Geológico do Lote 27
Fonte: DNER – Programa de Ampliação da Capacidade Rodoviária do Corredor São Paulo – Curitiba – Florianópolis – Osório (2001, p. 21)
3.2.2 Aditivos Químicos
Iniciaram-se os procedimentos com o intuito de verificar se a aplicação do aditivo orgânico PERMA-ZYME® é capaz de reduzir o teor de cimento necessário para atingir a resistência à compressão simples de 2,1 MPa, sendo que este é o valor mínimo exigido pelo DNIT para misturas de solo cimento utilizadas em pavimentação.
