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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO

CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

VALQUIRIA BARBOSA

ESTUDO DO COMPORTAMENTO GEOTÉCNICO DE UM SOLO

ARGILOSO DE CABROBÓ, POTENCIALMENTE EXPANSIVO,

ESTABILIZADO COM CAL

(2)

UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO

CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

VALQUIRIA BARBOSA

ESTUDO DO COMPORTAMENTO GEOTÉCNICO DE UM SOLO

ARGILOSO DE CABROBÓ, POTENCIALMENTE EXPANSIVO,

ESTABILIZADO COM CAL

Dissertação submetida ao Corpo Docente da Coordenação do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal de Pernambuco como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil

ORIENTADOR: SILVIO ROMERO DE MELO FERREIRA

(3)

VALQUIRIA BARBOSA

ESTUDO DO COMPORTAMENTO GEOTÉCNICO DE UM SOLO

ARGILOSO DE CABROBÓ, POTENCIALMENTE EXPANSIVO,

ESTABILIZADO COM CAL

DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DA UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO COMO PARTE INTEGRANTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS À OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL.

Aprovada por:

_________________________________________________ Silvio Romero de Melo Ferreira, D.Sc.

(ORIENTADOR)

_________________________________________________ José Fernando Thomé Jucá, D. Sc.

(EXAMINADOR INTERNO)

__________________________________________________ Joaquim Teodoro Romão de Oliveira, D. Sc.

(EXAMINADOR EXTERNO)

(4)
(5)

AGRADECIMENTOS

A Jeová Deus por dar-me força para perseverar nas minhas conquistas;

Ao professor Drº Silvio Romero de Melo Ferreira pela amizade, confiança, apoio, orientação, paciência, incentivo e disponibilidade dedicados durante todo o decorrer do trabalho;

Aos meus pais, por tudo que fizeram por mim até hoje.

A todos os professores da pós-graduação, Universidade Federal de Pernambuco, que contribuíram para o meu enriquecimento profissional;

À equipe técnica do Laboratório de Solos e Instrumentação da Universidade Federal de Pernambuco e da Universidade Católica de Pernambuco (em especial aos laboratoristas Francisco e Léo, respectivamente);

Ao prof. Sergio Paiva (Universidade Católica de Pernambuco) pelos ensaios químicos.

Aos professores da Área de Geotecnia da Universidade Federal de Pernambuco, Centro Acadêmico do Agreste em Caruaru, pelo apoio na realização deste trabalho.

Aos meus amigos Robson, Leandro, Marta, Wellington, Pedro e Oberdan que me apoiaram neste período.

(6)

RESUMO

Solos expansivos ocorrem em várias partes no mundo. A variação de volume dos solos devido à inundação causa danos em diversas edificações. A mistura da cal com solo expansivo é um dos métodos de estabilização. A cal é um aglomerante aéreo, resultante da calcinação dos calcários ou dolomitos através de decomposição térmica e posteriormente hidratação formando o hidróxido de cálcio - Ca(OH)2 que tem diversas utilidades em várias atividades humanas. Este material tem propriedades físico-químicas capazes de conferir aos solos, quando misturado, por meio de reações, mudanças na microestrutura das partículas dos solos. O presente trabalho tem por objetivo analisar e interpretar os resultados do comportamento do solo natural e do estabilizado com a cal. Foram coletadas amostras indeformadas do solo expansivo de Cabrobó, realizados ensaios de caracterização física pelas normas da ABNT, química seguindo as recomendações do Manual da Embrapa, análise termogravimétrica, e ensaios edométricos simples e duplos para avaliar a tensão de expansão e expansão “livre” no solo natural (sem cal) e estabilizado com cal nas proporções em peso de 3%, 5% e 7%. Verificou-se que o acréscimo, em peso, de 7% de cal hidratada ao solo expansivo de Cabrobó estabiliza o solo quanto à expansão. A mistura da cal ao solo expansivo melhora as propriedades mecânicas e estabiliza a expansão dos solos.

(7)

ABSTRACT

Expansive soils occur in various parts of the world. The volume chance of the soil due to wetting causing damage in several buildings. The mixing of the lime with the soil of the expansive is a stabilization methods. Lime is a binder air calcinations of the limestone and dolomite through thermal decomposition and subsequently forming the hydration of calcium hydroxide – Ca (OH)2 which has many uses in various human activities. This material has the physicochemical properties capable of giving soils when mixed by means of reactions, changes in the microstructure of particulate soils. This work aims to analyze and interpret the results of the behavior of atural soil and stabilized with lime. Undisturbed samples were collected from Cabrobó expansive soil, physical characterization tests conducted by ABNT, chemistry following the recommendations of the Manual of Embrapa, thermogravimetric analysis, and single and double edométricos trials to evaluate the expansion tension and expansion “free” in natural soil stabilized with lime in proportions by weight 3%, 5% and 7%. It was found that the increase in weight of 7% hydrated lime to the soil of the expansive Cabrobó stabilizes the soil and expansion. The mixture of lime to the soil expansive improves the mechanical properties and stabilizes the expanding soil.

(8)

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS

LISTA DE TABELAS

1 INTRODUÇÃO 1

1.1OBJETIVOS 2

1.1.1 Objetivo geral 2

1.1.2 Objetivos específicos 2

1.2ESTRUTURA DO TRABALHO 3

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 4

2.1FASES DO SOLO 4

2.2FRAÇÃO ARGILA DOS SOLOS 5

2.2.1 Capacidade de Troca de Cátion 9

2.2.2 Floculação e Dispersão da Argila 11

2.2.3 Ponto de Carga Zero 12

2.3EXPANSÃO DOS SOLOS 12

2.3.1 Mecanismo de Expansão 13

2.3.2 Critério de Identificação dos Solos Expansivos e Técnicas de Ensaios 16

2.3.2.1 Métodos Diretos 17

2.3.2.2 Métodos Indiretos 19

2.3.3 Fatores Influentes na Expansão 20

(9)

2.4. CONCEITO SOBRE ESTABILIZAÇÃO DE SOLOS E FORMAS DE

APLICAÇÃO 23

2.4.1 Tipo de Estabilização 23

2.4.2 Formas de Aplicação 24

2.5. EVOLUÇÃO DO USO DA CAL 25

2.6. ESTABILIZAÇÃO DE SOLOS COM O USO DA CAL 26

2. 6.1. REAÇÃO SOLO-CAL 30

2. 6.1.1 Troca Catiônica e Floculação 31

2. 6.1.2 Reação de Carbonatação 32

2. 6.1.3 Reação Pozolânica 33

2. 6.2 ALTERAÇÕES NOS SOLOS ESTABILIZADOS COM A CAL 35

2. 6.2.1 Granulometria 36

2. 6.2.2 Plasticidade 37

2. 6.2.3 Compactação 39

2. 6.2.4 Expansão 40

2. 6.2.5 Resistência 41

3 MATERIAIS E MÉTODOS 45

3.1. PROGRAMA DE INVESTIGAÇÃO 45

3.2. DESCRIÇÃO DA ÁREA EM ESTUDO 46

3.3 MATERIAIS UTILIZADOS 48

(10)

3.3.1.1. Coleta das amostras 48

3.3.2 CAL 49

3.4 MÉTODOS 49

3.4.1. PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS 49

3.4.2 MISTURA 49

3.4.3 CARACTERIZAÇÃO FÍSICA 50

3.4.3.1 Análise Granulométrica 50

3.4.3.2 Densidade Real dos Grãos 51

3.4.3.3 Limites de Atterberg 52

3.4.3.4 Ensaios de Compactação 52

3.4.4 CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA 52

3.4.4.1 Determinação do potencial hidrogeniônico (pH) em KCl, H2O e

CaCl2 53

3.4.4.2 Capacidade de troca catiônica (com pH 7,0) 54

3.4.4.3 Determinação do carbono orgânico e matéria orgânica 55

3.4.4.4 Determinação dos Óxidos dos Solos 56

3.4.4.5 Caracterização da Cal 56

3.4.5 CARACTERIZAÇÃO MICRO ESTRUTURAL 57

3.4.6 CARACTERIZAÇÃO MINERALÓGICA POR TERMOGRAVIMETRIA 57

3.4.7 CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA 59

3.4.7.1 Ensaio de Expansão “Livre” 59

(11)

3.4.7.3 Ensaio de Resistência à compressão simples 63

4 RESULTADOS E ANÁLISE DOS ENSAIOS REALIZADOS 65

4.1 SOLO 65

4.1.1 CARACTERIZAÇÃO FÍSICA 65

4.1.1.1 Granulometria e Limites de Atterberg 65

4.1.1.2 Compactação 67

4.1.2 CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA 69

4.1.2.1 Capacidade de troca catiônica 70

4.1.2.2 Acidez do Solo 71

4.1.2.3 Óxidos dos Solos 72

4.1.2.4 Determinação de Matéria Orgânica 73

4.1.3 EXPANSÃO “LIVRE” E TENSÃO DE EXPANSÃO 73

4.1.3.1 Expansão “livre” 73

4.1.3.2 Tensão de expansão 74

4.1.4 COMPRESSÃO SIMPLES 77

4.2 CAL 78

4.3. MISTURA SOLO-CAL 79

4.3.1 CARACTERIZAÇÃO FÍSICA 81

4.3.2 CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA 87

4.3.3 MICROESTRUTURA 88

4.3.4 ANÁLISE POR TERMOGRAVIMETRIA 91

4.3.5 EXPANSÃO LIVRE E TENSÃO DE EXPANSÃO 94

(12)

5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES 100

(13)

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 – Unidade estrutural tetraédrica (CRISTELO, 2001). 6

Figura 2.2 – Unidade estrutural octaédrica, (CRISTELO, 2001). 6

Figura 2.3 – Representação esquemática da estrutura de uma Caulinita (duas camadas), Montmorilonita e Ilita (ambas com três camadas), (CRISTELO, 2001). 7

Figura 2.4 – Eletromicrografias das microestruturas da Caulinita, Montmorilonita e Ilita,

respectivamente, (IQ, 2010). 7

Figura 2.5 – Cargas elétricas da fração argila e matéria orgânica. Fonte:

www.pedologiafacil.com.br 11

Figura 2.6 – Formação da dupla camada difusa numa micela mostrando: (a) a partícula seca e (b) hidratada, (FILHO, 2012). 11

Figura 2.7 – Comportamento da variação de deformação no período de tempo sob tensão (a) pequena alteração na umidade do solo, (b) mudança de umidade na periferia do solo, (c) apenas o núclo central mantém a umidade inicial, (d) não há mudança na umidade do

solo, (FERREIRA, 2010). 15

Figura 2.8 – Curvas da Termogravimetria, (CINCOTTO, 1980). 28

Figura 2.9 – Eletromicrografia da cal hidratada (a) de matéria prima não decomposta por calcinação ou por hidratação (aumentada em 100X); (b) aglomerados de cristais em placas (aumentada em 10.000X), (CINCOTTO, 1980). 29

Figura 2.10 – Formação de material cimentante numa mistura solo-cal, (CRISTELO,

(14)

Figura 2.11 – Eletromicrografia (a) Latossolo compactado após adição de cal; (b) Preenchimento de vazios interagregados; (c) Assembleia cristalina neoformada. (V – vazios; M – Microagregado; AC – Assembleia cristalina), (NÓBREGA, 1981). 37

Figura 2.12 – Limites de Atterberg em função do teor de cal com um dia de cura,

(THOMÉ, 1994). 38

Figura 2.13 – Efeito da cal sobre os limites de consistência (GOOSEN et al, 2006). 39

Figura 2.14 – Efeito da cal e do tempo de cura na pressão de expansão, (GOOSEN et al

2006). 41

Figura 2.15 – Efeito da quantidade de cal sobre a resistência a compressão simples para alguns solos tratados com cal e curados por 7 dias, (INGLÊS E METCALF, 1972). 43

Figura 3.1 – Esquema do programa de Investigação Experimental. 45

Figura 3.2 – Carta de Suscetibilidade à Expansão dos solos no Estado de Pernambuco,

(AMORIM, 2004). 47

Figura 3.3 – Mapa Pedológico da região de Cabrobó – PE, (EMBRAPA, 2013). 48

Figura 3.4 – Aparelho analisador de partículas por difração a laser “granulômetro”,

(FERREIRA, 2013). 51

Figura 3.5 – Equipamento Picnômetro Gás Hélio, (FERREIRA, 2013). 51

Figura 3.6 − (a) Determinação química do pH. (b) Solução de KCl para determinação de

pH em KCl. 53

Figura 3.7 − (a, b) Determinação do sódio, potássio, cálcio e magnésio. 55

Figura 3.8 − Digestão do carbono orgânico. 55

Figura 3.9 − a) Célula, colarinho para ensaio de adensamento b) Prensa de

(15)

Figura 3.10 − Etapas dos ensaios edométricos. 61

Figura 3.11 − a) Cilindro na prensa para compactação b) Cilindro de bronze. 63

Figura 3.12 − a) Célula e prensa para ensaio de Compressão Simples. b) Corpo de prova rompido. 64

Figura 4.1 – Curva granulométrica do Solo de Cabrobó. 65

Figura 4.2 –Peso Específico Real dos Grãos obtida através do picnômetro de gas Hélio.66 Figura 4.3 – Carta de plasticidade e Atividade em solo natural e das misturas solo-cal. 67 Figura 4.4 – Curva de Compactação do solo de Cabrobó. 68

Figura 4.5 – Resultado do ensaio químico de CTC, com cura de 1 hora e após 120 dias.70 Figura 4.6 – Métodos de tensão de expansão a) Expansão sob tensão; b) Método 1 – Carregamento após expansão com diferentes tensões verticais de consolidação; c) Método 2 – Expansão e colapso; d) Volume constante e de Rao et al (1988); e) Justo et al (1984). 74

Figura 4.7 – Comportamento da variação de deformação no período de tempo sob tensão (a) pequena alteração na umidade do solo; (b) mudança de umidade na periferia do solo; (c) apenas o núclo central mantém a umidade inicial; (d) não há mudança na umidade do solo. 76

Figura 4.8 – Resistência a Compressão Simples do solo, sem cal em relação a deformação. 78

Figura 4.9 – Variação do pH em água com o teor de cal. 80

Figura 4.10 – Curvas granulométricas no solo e nas misturas solo-cal. 81

(16)

Figura 4.12 – Distribuição dos tamanhos das partículas do solo obtida por difração a

laser. 82

Figura 4.13 –Análise do ensaio de Limite de Liquidez no solo e nas misturas solo-cal.83 Figura 4.14 – Variação de água no extrato de saturação na mistura solo-cal. 84

Figura 4.15 –Curva de compactação do solo e da mistura solo-cal. 85

Figura 4.16 – Variação do Peso específico aparente seco e Umidade para diferente teor de Cal. 86

Figura 4.17 –Eletromicrografias do solo de Cabrobó compactado (a) aumentada 200X; (b) aumentada 500X; (c) aumentada 1000X; (d) aumentada 2000 X das microestruturas do solo expansivo de Cabrobó – PE; (e, f) Eletromicrografias em outro ângulo (aumentadas em 1000 e 5.000 X) respectivamente. 89

Figura 4.18 – (a, b). Eletromicrografias (aumentadas 500 e 5.000 X) das microestruturas do solo com adição de 3%cal. 90

Figura 4.19 – (a, b) Eletromicrografias (aumentadas 500 e 5.000 X) das microestruturas do solo com adição de 5% cal. 90

Figura 4.20 – (a, b) Eletromicrografias (aumentadas 500 e 5.000 X) das microestruturas do solo com adição de 7% cal. 91

Figura 4.21 – Curvas TG e DTG nas amostra (a) solo natural; (b) cal; (c) solo + 3% de cal; (d) solo + 5% de cal; (e) solo + 7% de cal. 91

Figura 4.22 –Variação de expansão livre com o teor de cal. 95

Figura 4.23 – Variação da tensão de expansão com o teor de cal. 95

(17)

Figura 4.25 – Evolução dos valores da RCS para as amostras de solo natural e com adição

de 3% de cal, para cura de 48 horas. 97

Figura 4.26 –Evolução dos valores da RCS para as amostras de solo natural e com adição

de 5% de cal, para cura de 48 horas. 97

(18)

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 – Tabela de classificação granulométrica do solo. 5

Tabela 2.2 – Métodos de Identificação de Solos Expansivos (FERREIRA, 1995). 16

Tabela 2.3 – Classificação do grau de expansão de um solo (GOOSEN, 2006) 18

Tabela 2.4 – Ocorrência de Solos Expansivos no Brasil (Modificado por FERREIRA, 2012). 22

Tabela 2.5 – Resultado obtido da Termogravimetria (CINCOTTO, 1980) 28

Tabela 2.6 – Exigências das cales hidratadas Nacionais (NBR 7175/2003). 29

Tabela 2.7 – Características da compactação do solo e das misturas, (LOVATO, 2004).40 Tabela 2.8 – Resistência à compressão simples (kPa), (LOVATO, 2004)). 43

Tabela 3.1 – Composição química da cal hidratada CH-I (Cabomil S/A). 49

Tabela 4.1 –Caracterização Física do solo e da mistura solo-cal. 66

Tabela 4.2 − Caracterização de química do solo e das misturas solo-cal. 69

Tabela 4.3 – Valores de pH encontrados na amostra de solo após 1 hora de cura 72

Tabela 4.4 – Valores de pH encontrados na amostra de solo. 72

Tabela 4.5 – Valores das porcentagens de óxidos e Perda ao fogo no solo. 73

Tabela 4.6 – Tensão de expansão da argila de Cabrobó,na argila de Petrolândia-PE, por Ferreira e Ferreira (2009), na argila de Pesqueira-PE por Silva e Ferreira (2007) e na Barreira La Paz de Arahal (Serilla) por Delgado (1986) 77

(19)

Tabela 4.8 – Resultados das análises químicas. 78

Tabela 4.9 – Resultado dos Óxidos da Cal. 79

Tabela 4.10 – Valores de pH (Método de Eades e Grim, 1966). 80

Tabela 4.11 – Tabela do resultado do ensaio de Difração a Laser. 83

Tabela 4.12 – Peso específico aparente seco máximo e umidade ótima para o solo natural e com a adição de cal. 85

Tabela 4.13 – Valores das porcentagens de óxidos e Perda ao fogo nas misturas solo-cal.87 Tabela 4.14 – Resultado da Capacidade de Troca Catiônica da mistura solo-cal. 87

Tabela 4.15 – Perda de Massa. 92

Tabela 4.16 – Massa Residual. 93

Tabela 4.17 – Resultado obtido através das curvas TG / DTG. 93

Tabela 4.18 – Valores de expansão para as misturas solo-cal. 94

(20)

1. INTRODUÇÃO

Solos expansivos ocorrem em várias partes no mundo, como Cuba, México, Marrocos, Turquia, Estados Unidos, Argentina, China, África do Sul. No Brasil, os solos expansivos são encontrados em várias regiões: no centro sul, nos estados do Paraná, São Paulo e Santa Catarina; no nordeste, no norte da Bahia passando por Pernambuco até atingir o Ceará.

A variação de volume dos solos expansivos, devido à inundação, causa danos em diversas edificações. Os prejuízos causados em obras civis sobre solos expansivos, em alguns países, atingem o dobro dos custos com os danos causados com enchentes, furacões e terremotos. O custo real dos prejuízos pode ser bem maior, sobretudo quando são considerados os casos não conhecidos ou não reparados ou ainda, os casos em que as causas não são atribuídas a esses solos. Atualmente o crescimento socioeconômico do estado de Pernambuco é expressivo e encontram-se em execução grandes programas habitacionais e obras de infraestrutura. Algumas dessas obras encontram-se localizadas em áreas de ocorrência de solos expansivos, como o canal de transposição do rio São Francisco e a refinaria em Suape.

Embora a solução de remover e substituir o solo expansivo por outro sem essa característica ainda seja usada, em algumas ocasiões, isso pode se tornar inviável com transportes de grandes volumes em grandes distâncias, e principalmente por causar impactos ambientais pela necessidade de local para o descarrego do material. Nesse contexto a estabilização de solos assume grande importância por permitir a utilização de solos locais, ao invés da importação de outros solos.

(21)

Um dos tratamentos que vem sendo aplicados no melhoramento dos solos expansivos, e que é base deste estudo, é a adição de cal. A cal é um aglomerante aéreo, resultante da calcinação dos calcários ou dolomitos através de decomposição térmica e posteriormente hidratação formando o hidróxido de cálcio - Ca(OH)2 que tem diversas utilidades em várias atividades humanas. Ao ser adicionado ao solo, o hidróxido de cálcio modifica imediatamente o pH deste solo; o cálcio evita a penetração da água nos vazios dos argilominerais neutalizando suas cargas negativas e favorecendo a floculação e a troca catiônica. Com o tempo, há reações de cimentação, finalizadas com a reação com o CO2 do ar formando silicatos, aluminatos e aluminosilicatos de cálcio hidratado, com propriedades cimentantes, (BOSCOV, 1990). Esse método, além de ser econômico, permite obter melhorias em nível de resistência mecânica, deformabilidade e permeabilidade.

1.1 OBJETIVOS

1.1.1 Objetivo geral:

O objetivo principal deste trabalho é analisar o comportamento de estabilização de um solo expansivo mediante o uso da cal. O solo a ser estudado está localizado no município de Cabrobó – PE.

1.1.2 Objetivos Específicos:

 realizar a caracterização física, química e estrutural de um solo expansivo de Cabrobó;

 investigar qual o menor percentual, em peso, de cal que estabiliza o solo de Cabrobó, quanto à expansão “livre” e à tensão de expansão;

(22)

1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO

A dissertação está organizada em cinco capítulos, estando apresentado da seguinte forma:

No Capítulo I, introdutório, são apresentados os problemas dos solos expansivos, a ocorrência de solos expansivos e os métodos de tratamento, além dos objetivos da dissertação.

No Capítulo 2 apresenta-se uma revisão da literatura, abrangendo o mecanismo dos solos potencialmente expansivos, a estabilização de solos com adição da cal e seus efeitos sobre as propriedades do solo.

No Capítulo 3 faz-se uma caracterização sumária dos materiais utilizados no âmbito deste estudo, em seguida são descritos o programa de investigação detalhando as atividades de laboratório e os métodos utilizados para realização dos ensaios laboratoriais.

O Capítulo 4 apresenta e analisa, levando em conta outros resultados encontrados na literatura, os resultados obtidos na etapa experimental.

No Capítulo 5 são apresentadas as conclusões do trabalho e as sugestões para futuras pesquisas.

(23)

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Inicialmente é feito uma revisão sobre a constituição e estrutura do solo, com o enfoque nas propriedades físicas química das argilas, como acontece e o que influência o mecanismo de expansão do solo. Em seguida, é descrito os tipos de estabilização de solos existentes, o uso da cal como estabilizante, as reações da mistura solo-cal, as alterações de propriedade que a adição da cal pode trazer ao solo.

2.1. FASE DOS SOLO

Os solos são resultado do intemperismo das rochas por desintegração mecânica ou decomposição química (processo em que há modificação química ou mineralógica das rochas originais). Por desintegração mecânica formam-se os pedregulhos e areias e até siltes, as argilas são o último produto do processo de decomposição.

O solo é composto por partículas, com dimensões e formas variadas, que formam o seu esqueleto sólido. Esta estrutura não é maciça e por isso não ocupa todo o volume do solo, ela é porosa e portanto possui vazios. Os vazios podem estar totalmente preenchidos por água, quando então dizemos que o solo está saturado, podem estar completamente ocupados pelo ar, o que significa que o solo está seco ou com ambos (ar e água) que é a forma mais comum na natureza. Por isso o solo é composto por três fases: sólidos, água e ar.

Na fase sólida, as partículas de solos são compostas por minerais e materiais orgânicos, se apresentando em forma de grãos esféricos ou mesmo angulosos, alongados ou achatados e esses grãos podem variar tanto em textura como em composição mineralógica, (MITCHEL, 1993). A fase líquida é composta de água livre (formada por água capilar e gravitacional) e sais dissolvidos na água. A concentração desses sais na água pode afetar o desenvolvimento da camada dupla difusa. A fase gasosa é constituída por ar e vapor de água, quando o solo encontra-se seco ou não saturado.

(24)

Tabela 2.1 − Tabela de classificação granulométrica do solo.

Frações ABNT (6502/95) SI

Argila < 0,005mm < 0,002mm

Silte 0,005mm a 0,05mm 0,002mm a 0,02mm

Areia

Fina 0,05mm a 0,42mm 0,02mm a 2,00mm

Média 0,42mm a 2,0mm

Grossa 2,0mm a 4,8mm

Pedregulho 4,8mm a 7,6cm > 2,00mm

Pedra 7,6cm a 25,0cm -

Matacão 25,0cm a 1,0m -

2.2. FRAÇÃO ARGILA DOS SOLOS

A argila origina-se da desagregação de rochas como o granito e o gnaisse, muito abundantes na crosta terrestre, por ataque químico ou físico, que produz a fragmentação de partículas muito pequenas. A argila é um silicato de alumínio hidratado, composto por alumínio (óxido de alumínio), sílica (óxido de silício) e água, tem dimensões muito pequenas, de acordo com a terminologia adotada pela ABNT (6502/95) a argila é inferior a 0,005mm. A argila pode ser formada por apenas um mineral argiloso, mas o mais comum é ser formada por uma mistura deles, com predomínio de um, e também matéria orgânica e outras impurezas. Todos, porém, são filossilicatos - ou seja, silicatos que formam lâminas, de baixa dureza, densidade também relativamente baixa e boa clivagem em uma direção. Rochas argilosas como folhelho e siltito são também incluídos neste conceito no comércio desses materiais, (CPRM, 2012).

Os minerais argilosos são os minerais constituintes e característicos das argilas, aos quais estas devem as suas propriedades. São geralmente cristalinos, tratando-se quimicamente de silicatos hidratados podendo conter cátions tais como Al3+, Mg2+, Fe2+, Ca2+, K+, entre outros, e dispõem-se estruturalmente em camadas e folhas ou, mais raramente, em cadeias ou fitas, (SILVA, 2010).

(25)

octaedros de Al2(OH)6, respectivamente, que entram na constituição da cela unitária da estrutura cristalina do argilomineral, (SANTOS, 1989 ).

A unidade estrutural tetraédrica, Figura 2.1, é constituída por quatro átomos de oxigênio, O2-, equidistante de um átomo de sílicio, Si4+, formando um tetraedro. Os átomos de oxigênio posicionam-se nos vértices do tetraedro e o de silício ocupa o seu centro. Os tetraedros dispõem-se hexagonalmente, de modo que as suas bases são complanares e os topos apontam todos na mesma direção, (SILVA, 2010).

Figura 2.1 – Unidade estrutural tetraédrica, (CRISTELO, 2001).

Quanto à unidade estrutural octaédrica, Figura 2.2, esta é constituída por seis átomos de oxigênio, O2-, ou hidróxilo, OH-, que se dispõem segundo os vértices de um octaedro, estando igualmente espaçados de um átomo de alumínio, Al3+, ou de magnésio, Mg2+. Estas unidades básicas dispõem-se hexagonalmente através da partilha de hidróxilos ou oxigênios por octaedros vizinhos, dando origem a folhas estruturais octaédricas, (SILVA, 2010).

Figura 2.2 – Unidade estrutural octaédrica, (CRISTELO, 2001).

É com base no número e natureza das folhas estruturais existentes nas camadas estruturais que se estabelecem os tipos estruturais (1.1, 2:1, 2:1:1). Assim, a combinação de uma folha tetraédrica com uma folha octaédrica dá origem a uma unidade estrutural do tipo

Átomos de Oxigênio

Átomo de Sílica

Íons Hidroxila

(26)

1:1, designada por unidade Te-Oc, enquanto que a combinação de duas folhas tetraédricas e uma folha octaédrica forma uma unidade estrutural do tipo 2:1 ou Te-Oc-Te.

A seqüência repetitiva das capas tetraédricas e octaédricas determinam o grupo do mineral argiloso. Os grupos dos minerais argilosos cristalinos mais importantes para esta pesquisa são: grupo da Caulinita, grupo da Montmorilonita, e o grupo da Ilita, como estão apresentadas nas Figuras 2.3 e 2.4.

Figura 2.3 – Representação esquemática da estrutura de uma Caulinita (duas camadas), Montmorilonita e Ilita (ambas com três camadas), (CRISTELO, 2001).

Figura 2.4 – Eletromicrografias das microestruturas da Caulinita, Montmorilonita e Ilita, respectivamente, (IQ, 2010).

(27)

eletricamente neutra, ou seja, não se tem ou é pouca, a substituição isomórfica), (PEREIRA, 2004). O autor ainda afirma que os minerais do grupo das caulinitas apresentam baixa capacidade de troca catiônica, no entanto maior capacidade de troca aniônica por causa de íons 0H- presente fora das lâminas estruturais.

As montmorilonitas são estruturalmente formadas por unidade de alumínio entre duas unidades de silício. Entre as camadas das montmorilonitas existem moléculas de água com arranjos ocorrendo de forma orientada e regular, dando coordenação aos cátions permutáveis, sendo possível a entrada de moléculas orgânicas. As ligações entre as camadas ocorrem de acordo com as forças de Van der Walls.

As ilitas são estruturalmente similares às montmorilonitas, sendo menos expansivas. A principal diferença entre a ilita e a montmorilonita é que a primeira não apresenta característica de expansividade intracristalina, devido à atração iônica exercida pela presença de íons K+que se encontram entre as camadas, (PEREIRA, 2004). Ainda que, segundo o mesmo autor, na montmorilonita K+ ocorre expansividade intracristalina, isto devido à presença inferior de íons de potássio e pela carga negativa estar localizada na folha octaédrica, assim estando a uma distância maior dos íons de potássio, possibilitando forças eletrostáticas mais fracas.

As partículas de argila apresentam cargas elétricas negativas nas faces e cargas positivas nos bordos. Devido às cargas negativas, as partículas de argila atraem íons positivos (cátions) de sais dissolvidos na água. As moléculas de água mais próximas da superfície da partícula de argila estão submetidas a tensões elevadíssimas, encontrando-se praticamente em estado sólido. Cada partícula pode atrair várias camadas de moléculas de água e cátions até ficar eletricamente neutra. Designa-se essa água por água adsorvida.

(28)

As cargas negativas que retém os cátions trocáveis podem ser originadas nas partículas do solo de duas maneiras principais: cargas permanentes e cargas dependentes de pH. As cargas negativas permanentes existem nas estruturas dos minerais e são originadas da substituição isomórfica (substituição dos cátions das unidades tetraédricas e/ou octaédricas, por outros de diâmetro aproximado) o que permite manter as mesmas dimensões, mas uma carga menor, originando um excesso de cargas negativas dos oxigênios, chamadas de permanentes. As principais substituições são:

Si4+ pelo Al3+ nas camadas tetraédricas;

Al3+ pelo Fe2+ ou Mg2+ nas camadas octaédricas

As cargas negativas variam conforme o pH do solo, quando o pH aumenta, também aumenta a quantidade de cargas negativas. As cargas negativas dependentes de pH são formadas basicamente pela dissociação e associação de prótons (H+) e adsorção específica de cátions e ânions.

Com a elevação do pH do solo, ocorre a dissociação dos íons H+ da superfície e, assim, a liberação de cargas negativas para a troca de cátions. Por outro lado, com a acidificação do meio ou diminuição de pH , a superfície do óxido adsorve íons de H+ e passa a apresentar cargapositiva, e, portanto, troca de ânios. As cargas dependentes de pH, tanto positivas como negativas, e ambas podem ocorrer ao mesmo tempo nos solos, (MARQUES, 2012).

Às faces dos cristais lamelares estão associadas cargas negativas, enquanto que os bordos dos cristais podem ser globalmente neutros, positivos ou negativos. Uma vez que a superfície das faces é muito maior do que a dos bordos, a coparticipação da carga elétrica negativa é muito maior. Assim se explica a eletronegatividade global das partículas argilosas, (SILVA, 2010).

2.2.1 CAPACIDADE DE TROCA DE CÁTIONS

(29)

saírem também facilmente, pois suas ligações químicas são fracas. Eles não penetram na estrutura do mineral, apenas prendem-se às superfícies das partículas de argila, (CPRM, 2012).

A facilidade como são atraídos depende da valência dos cátions em solução. A sequencia de preferencialidade de troca de cátions para uma mesma concentração foi estabelecida por Hofmeister, sendo conhecida como sequencia de Hofmeister ou série liotrópica. Esta sequencia é a seguinte:

Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > NH4+ > Rb > K+ > Na+ > Li+ > H+

Qualquer íon a esquerda pode substituir íons situados à sua direita, este processo é denominado de troca de cátions.

A capacidade de troca catiônica (CTC) exprime-se em milimol por carga, detidos em 100g de argila seca e varia com o tipo de argila. As argilas motmorillonitas, por exemplo, apresentam CTC entre 800 e 1500 (10-3 mol/c* x 100g), (MEURER , 2006). Muitas condições do solo têm influência sobre a CTC, dentre as quais: pH, natureza dos cátions trocáveis, concentração da solução e natureza da fase sólida.

A Figura 2.5 apresenta as cargas elétricas de um coloide (sistema no qual um ou mais componentes apresentam pelo menos uma de suas dimensões dentro do intervalo de 1mm a 1µm, ou seja, sistema contendo tanto moléculas grandes como partículas pequenas), mostrando que cargas elétricas de polos diferentes se atraem e de cargas semelhantes se repelem.

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Figura 2.5 – Cargas elétricas da fração argila e matéria orgânica. Fonte: www.pedologiafacil.com.br

2.2.2 FLOCULAÇÃO E DISPERSÃO DA ARGILA

Devido ao pequeno tamanho da partícula de argila e sua grande área superficial, a argila torna-se suscetível aos efeitos dos campos de forças desbalanceadas, que surgem das interações entre as interfaces das partículas do solo, os cátions adsorvidos e a água, (MITCHELL, 1993). A dupla camada elétrica ou camada difusa é uma superfície com carga na fase sólida e a distribuição de íons na fase adjacente (solução do solo). A interação entre duas partículas depende da intensidade de forças a atração (Van der Waals), que ocorrem quando as partículas estão muito próximas; e repulsão, que são consequência da repulsão das cargas elétricas de mesmo sinal. À medida que se afasta da superfície vamos ter menos força de atração e mais força de difusão, Figura 2.6.

Figura 2.6 – Formação da dupla camada difusa numa micela mostrando: (a) a partícula seca e (b) hidratada, (FILHO, 2012).

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aproximam-se formando pequenos flocos que decantam até o fundo do recipiente. A tendência de floculação se dá por um decréscimo na espessura da dupla camada, reduzindo a repulsão elétrica, em razão do aumento de determinadas variáveis (concentração eletrolítica do meio, valência do íon e temperatura); e da diminuição de outras características (constante dielétrica, tamanho do íon hidratado, pH e adsorção aniônica), (LAMBE e WHITMAN, 1979).

Quando predominam as forças de repulsão, a dispersão tende a se estabilizar, não ocorrendo à aproximação entre as partículas, temos a dispersão. A dispersão tem relação com o aumento da espessura da Dupla Camada Difusa.

2.2.3 PONTO DE CARGA ZERO

É o valor de pH (logaritmo negativo da concentração, atividade, de hidrogeniônica) em que a quantidade de prótons adsorvidos gerando cargas positivas é igual ao número de hidroxilas que geram cargas negativas, sendo a carga superficial do colóide igual a zero. É específico para cada mineral. No ponto de carga elétrica zero (PCZ), ocorre a floculação que, por sua vez, tem influência favorável na estruturação do solo, razão pela qual é aconselhável que o pH de solos com os referidos tipos de colóides não se afastem muito do PCZ.

2.3. EXPANSÃO DOS SOLOS

O solo pode se expandir sem ser um solo expansivo. A expansão não é uma característica única de solo expansivo, pois qualquer estrutura carregada, ao retirar a carga poderá haver aumento de volume do solo devido ao alívio de tensão. Por outro lado, durante o processo de cisalhamento dos solos muito compactos, a superfície de ruptura poderá estar em cisalhamento devido ao entrosamento das partículas e ao rolarem uma sobre as outras, pode causar uma dilatação provocando variação de volume apesar de não ser solo expansivo.

(32)

vermiculita verifica-se uma maior instabilidade volumétrica, além dos interestratificados de montmorilonita como a clorita, ilita e vemiculita ou até mesmo de outros minerais, como a haloisita também apresentam capacidade de expansão, porém mais limitada, (FERREIRA, 1995).

A expansibilidade constitui um fenômeno essencialmente físico-químico, podendo estar também associado a causas mecânicas, e tem sido explicada com base nas forças existentes entre partículas e entre camadas estruturais. O propósito do conhecimento da expansão de um solo é identificar e classificar o seu potencial de expansão (entenda-se variação volumétrica específica) e a sua pressão de expansão, ou pressão a ser aplicada a uma amostra que já sofreu expansão, para que o seu volume retorne ao valor inicial de modo a permitir ao engenheiro uma avaliação quantitativa dos problemas que possam advir da sua utilização como material de construção. As características que evidenciam o comportamento dos solos expansivos são evidenciadas por Ferreira (1995), como é mostrado:

SOLOS EXPANSIVOS: São solos não saturados; possuem argilominerais de estrutura laminar do tipo 2:1 principalmente do grupo esmectitas, como as montmorilonita ou vermiculita. Contrações e expansões com aparecimento de superfícies de fricção; solos com drenagem baixa e atividade alta, derivados de rochas ígneas, basicamente Basalto, Diabases e Gabos, e de rochas sedimentares basicamente: Folhelhos, Margas e Calcários; São de regiões onde a evapotranspiração excede a precipitação, regiões de alternância de estações secas e chuvas intensas e concentradas.

2.3.1 MECANISMO DE EXPANSÃO

(33)

atração eletroestática gerada pelos íons monovalentes K+ que ligam as camadas estruturais e não permitem a entrada de água.

A expansibilidade intracristalina é justificada pelo desequilíbrio entre as forças atrativas que ligam as camadas estruturais (inferiores) e as forças atrativas responsáveis pela absorção de água e depende da natureza cristalográfica do argilomineral, (GILLOT, 1987). Como nas argilas predominam cargas eletronegativas, quando estas entram em contato com a água, seus íons H+ são atraídos pelas partículas de argila e ocupam posições entre as lâminas cristalográficas, separando-as para atraí-los. Resultando em “dupla camada” (várias capas de molécula de água fortemente adsorvidas). Existindo cátions trocáveis, cada cátion tende a rodear-se de dipolos de água, em consequência há um aumento do espaço laminar e, com isso, do inchamento.

São admitidas duas fases no processo de expansibilidade osmótica de um solo, (OLPHEN, 1963). Este tipo de expansibilidade é o que origina as maiores variações de volume. Na primeira, as moléculas de água penetram entre as camadas estruturais das argilas ou entre as superfícies planas das partículas adjacentes, tendendo a separá-las; interação eletroestático entre as superfícies e os cátions dispersos; e a energia de adsorção das moléculas de água. Esta última é a mais importante e é da ordem de vários milhares de atmosferas para a primeira camada de água, decrescendo rapidamente com a adição das camadas seguintes. Na segunda fase, as superfícies das partículas estão já separadas por distâncias superiores a quatro camadas monomoleculares de água, sendo por isso a energia de adsorção já relativamente reduzida, o que permite que a energia de repulsão da dupla camada elétrica se sobreponha. Com a continuação da adsorção de moléculas de água a referida distância tende a aumentar, e com ela as forças de repulsão.

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As montmorilonitas são as argilas que apresentam maiores variações volumétricas por absorção de água, o que se entende ser justificado pelo seguinte: quando uma partícula de montmorilonita é posta em contacto com a água as moléculas de água penetram entre as camadas estruturais fazendo aumentar o espaçamento basal, originando um aumento de volume que pode, no máximo, duplicar o volume da partícula, (CASTRO, (1974) apud

CRISTELO (2001)). As caulinitas são argilas que não exibem expansibilidade de natureza físico-química. A reduzida distância entre camadas estruturais impede a entrada de água e o fraco potencial elétrico implica uma fraca adsorção superficial. Se ocorrer expansão nas caulinitas, ela será de origem mecânica.

Roo (2006) apud Fereira(2010) considerou três fases para o processo de deformação

de expansão e/ou colapso do solo, Figura 2.7. O Inicial - a intervalos de menos de 1 minuto, há pequenas deformações no solo e a água se infiltra apenas na periferia; Primário - intervalo de 1 a 300 minutos, a água se infiltra a partir da periferia para o centro, umidificando o solo progressivamente, ocorrendo deformações com maior intensidade; Secundário - intervalo superior a 300 minutos, a água chega ao centro do núcleo, e os espaços vazios são quase completamente cheios de água e a velocidade da deformação diminui. O autor conclui que as defornações iniciais estão associadas com a microestrutura, enquanto que as deformações primária e secundária estão associadas com a macroestrutura.

Figura 2.7 – Comportamento da variação de deformação no período de tempo sob tensão (a) pequena alteração na umidade do solo, (b) mudança de umidade na periferia do solo, (c) apenas o núclo central mantém a umidade inicial, (d) não há mudança na umidade do solo,

(35)

2.3.2 CRITÉRIO DE IDENTIFICAÇÃO DOS SOLOS EXPANSIVOS E TÉCNICAS DE ENSAIOS

Atualmente, há inúmeros métodos de identificar argilas potencialmente expansivas, critérios esses definidos por diversos pesquisadores que diante da complexidade do problema de identificação desses solos fizeram hipóteses simplificadoras e uso de métodos numéricos em busca de solução. Esses métodos podem ser identificados como sendo métodos diretos e métodos indiretos, Tabela 2.2, (SCHREINER (1987) eFERREIRA (1995)).

Tabela 2.2 – Métodos de Identificação de Solos Expansivos, (SCHREINER (1987) e FERREIRA, 1995)).

Métodos Sub-Divisões Critério Referência

INDIRETOS

Identificativos

Difração e raio X, Microscopia eletrônia de varredura, Análise termo-diferencial e Adsorção de etilenoglicol e glicerina.

AYALA et al. (1986)

Físico-químico FINK et al. (1971)

Orientativos

Granulometria, Consistência e Índices físicos e Classificação Geotécnica

PRIKLONSKIJ (1952), SKEMPOM (1953), SEE et al.

(1962), VAN DER MERWE (1964) CHEN (1965),

VIJAYVERVIA e GHAZZALY (1973), RODRIGUEZ ORTIZ (1975), CUELLAR (1978). DAKSANAMURTHY e RAMAN (1973).

Qualitativos

Geologia, Geomorfologia, Pedologia e Identificação visual.

PATRICK e SNETHEN (1976), AYALA et al. (1986),

FERREIRA (1990c e 1993a).

DIRETOS

Avaliativos Ensaio de Expansão de

Lambe LAMBE (1960).

Quantitativos

Expansão Livre e Tensão de Expansão, Ensaios Edométricos Duplos e Simples.

SEED et al. (1962), CHEN

(1965), VIJAYVERVIYA e GHAZZALY (1973),

RODRIGUEZ ORTIZ (1975), CUELLAR (1978), JIMENEZ SALAS (1980).

Ensaios Edométricos de Sucção controlada

ESCARIO (1967 e 1969), AITCHISON et al. (1973),

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2.3.2.1 Métodos Diretos

Os métodos diretos são baseados na medida da expansão induzida ao solo ou da tensão necessária para impedir esta expansão, realizando-se ensaios mecânicos do tipo edométrico onde procuramos simular, ao máximo, a condição de campo sendo por carregamento, por inundação ou percolante. Inundam-se os corpos de prova, quando as deformações decorrentes de certa pressão já se estabilizaram mede-se a expansão ocorrida. A expansão depende da pressão aplicada à amostra, sendo tanto menor quanto maior a pressão. Existe uma pressão na qual não há expansão, pressão esta denominada de pressão de expansão. Para pressões maiores que esta, é comum ocorrer contração do solo. Para a determinação da pressão de expansão, diversos corpos de prova são ensaiados, cada qual inundado com uma pressão diferente, medindo-se a expansão correspondente. Obtém-se por interpolação a pressão para qual não há expansão.

Este critério oferece informações quantitativas a respeito dos valores das deformações volumétricas devido à expansão.

QUANTITATIVO – é simulado e quantificado a expansão em função do carregamento, do nível de tensão que está sendo aplicado. A simulação é feita nas duas condições mais comuns de campo: carregar e inundar, ou inundar e carregar. No laboratório pode-se fazer variação de umidade simulando diferentes tensões.

Métodos quantitativos obtidos através de ensaios edométricos (o ensaio edométrico ou ensaio de adensamento lateralmente confinado, é um tipo de ensaio utilizado para medir as propriedades mecânicas dos solos: resposta do solo a uma dada solicitação no que diz respeito a deformações verticais) utilizam duas características básicas: a expansão “livre” e a tensão de expansão, (FERREIRA, 1995).

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são 1kPa, 7 kPa e 10 kPa, e a metodologia que utiliza a tensão de 50 kPa em amostras deformadas (compactadas ou ressecadas ao ar), (CHEN, 1965).

A percentagem de expansão “livre” pode ser encontrada através da equação 1. El (livre) (%) = ∆𝐻𝐻* 100 (1)

Onde,

El= expansão “livre”, em percentagem.

∆H = altura da expansão devido à saturação H=altura do corpo de prova antes da inundação

A Tabela 2.3 apresenta a classificação de um solo de acordo com seu potencial de expansão.

Tabela 2.3 – Classificação do grau de expansão de um solo (GOOSEN et al. 2006).

Grau de Expansão Chen (1983) Seed et al. (1962) Daksanamurthy and Raman (1973)

Muito Alto LL > 60 IP > 35 LL > 70

Alto 40 < LL ≤ 60 20 < IP ≤ 35 50 < LL ≤ 70

Médio 30 ≤ LL ≤ 40 10 ≤ IP ≤ 20 35 < LL ≤ 50

Baixo LL< 30 < 10 20 ≤ LL ≤ 35

A tensão de expansão é avaliada através de diferentes métodos envolvendo diferentes trajetórias de tensão. Entre esses estão:

Método 1: Carregamento após expansão com diferentes tensões verticais de consolidação. Aplica-se uma tensão na amostra confinada na lateral induzindo-a a expandir pela inundação, mede-se esta expansão em intervalos de tempo até sua estabilização, em seguida a amostra é consolidada com aumento da tensão aplicada até que se alcance a altura inicial. A tensão de expansão da amostra será a máxima tensão obtida.

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estes pontos traça-se uma reta e a tensão de expansão é obtida por extrapolação correspondente a deformação zero.

Método 3: Volume constante. Consiste em medir no edômetro a tensão necessária para impedir a mudança de volume da amostra de solo depois de inundá-lo.

Método 4: Rao et al (1988).Aplicam-se sucessivas pequenas tensões quando o corpo de prova é inundado, procurando impedir a expansão de volume. Assim, como no ensaio de adensamento, continua-se a aplicar tensões. A tensão de expansão é obtida por procedimento gráfico similar a determinação da tensão de pré-consolidação de um solo saturado.

Método 5: Justo et al (1984). A tensão de expansão é obtida pela interseção da curva de inundação sob tensão com a curva de umidade constante.

Método 6 : "Edométrico duplo". Consiste em determinar a tensão de expansão através das curvas obtidas a partir do ensaio edométrico duplo. A tensão de expansão será a tensão que corresponde, no corpo de prova inundado, ao mesmo índice de vazios inicial do corpo de prova na umidade natural.

2.3.2.2 Métodos Indiretos

São aqueles que recorrem à identificação mineralógica, índices físicos, limites de consistência ou parâmetros ligados à textura, composição e comportamento dos solos.

O método mais usual para identificação e analisar o comportamento do argilomineral se baseia no ensaio de Difração de Raios-X. Os ensaios de Índices de consistência tem uma ampla aceitação, isto se deve ao fato de que a plasticidade está relacionada com a expansividade, porcentagem da fração argilosa e tipo de argilomineral. Um solo que tem um valor do índice de plasticidade (IP) alto e baixas porcentagens de argila, tem uma expansividade alta.

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IDENTIFICATIVO– este método nos permite ver a estrutura do solo. Para solos expansivos precisamos identificar o mineral. Os ensaios realizados são a difração de Raios-X e microscopia eletrônica de varredura. A difração de Raios-X é uma técnica que permite uma análise não destrutiva e rápida que fornece informações relativas à identificação dos minerais presentes numa argila.

QUALITATIVO- informa a porcentagem de argila, de silte, o limite de liquidez e o limite de plasticidade. Não é um critério de identificação com precisão para esses solos especiais, pois o resultado do ensaio pode apresentar uma argila que seria identificada como expansiva e não ser.

ORIENTATIVO - é um método de orientação com base na pedologia que nos informa aspectos com respeito à porosidade do solo, a mineralogia, o ambiente em que o solo foi formado. Obtendo este mapa pedológico do solo podemos nos orientar qual o verdadeiro potencial do solo analisado.

As diferentes técnicas podem levar a valores diferentes e parâmetros equivalentes. Por isso Schreiner (1987) afirma que não há um método que julgue ser universalmente representativo.

2.3.3 EXPANSÃO: FATORES INFLUENTES

Na avaliação de fatores que influenciam na expansão de um solo, deve ser feita distinção entre expansividade intrínseca do solo, potencial de expansão para o teor de umidade do campo e potencial de levantamento da superfície ou de qualquer outro ponto no interior do mesmo.

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Ayala et al. (1986) afirma que para que o solo seja expansivo é necessário que exista e

entre em funcionamento mecanismos que produzam a instabilidade volumétrica do solo e que haja forças capazes de transferir a umidade de um ponto a outro do solo.

Estes requisitos são classificados em intrínsecos, próprios dos solos (composição

mineralógica, textura, capacidade de troca catiônica, cátions trocáveis, estrutura do solo) que estabelecem a capacidade expansiva teórica, e extrínseco são impostos por fatores externos,

tais como a climatologia, hidrogeologia, vegetação e até mesmo a atuação antrópica, que determinam se o potencial pode ou não se desenvolver.

Para que um solo seja potencialmente expansivo é necessário que esteja na condição de solo não saturado. Desta forma seu teor de umidade está em equilíbrio com a transpiração da vegetação presente, a evaporação à superfície do terreno e a ascensão capilar da água. A atividade expansiva do solo se manifesta quando este equilíbrio é temporariamente interrompido, seja pela ação antrópica ou por fatores naturais, (FERREIRA, 1988).

Ferreira (1995) aponta, ainda, outros condicionantes, igualmente importantes: fatores ligados ao solo (distribuição das partículas de argila, porosidade, orientação mineralógica, cimentação etc.); e à estrutura (o perfil estratigráfico, a espessura do solo, a descontinuidade etc.). Adverte que a capacidade expansiva do solo não depende somente do tipo de argila existente, mas, também, da natureza da fração argilosa e de sua formação.

2.3.4 LOCAIS DE OCORRÊNCIA DE SOLOS EXPANSIVOS

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Tabela 2.4 – Ocorrência de Solos Expansivos no Brasil, (Modificado por FERREIRA et al. 2012).

Nº LOCAL REFERÊNCIA

ORIGEM/TIPO DE SOLO/CLASSE

PEDOLÓGICA 1 Paulo Dutra - MA FERREIRA (1988) --- 2 Parelhas - RN LINS et al. (1986) Formação Seridó

3 Carnaíba - PE FERREIRA (1988) Complexo Monteiro/Bruno não Cálcico

4 Afrânio - PE FERREIRA (1989)

Grupo

Salgueiro/Cachoeirinha/Areia Quartzosa/Bruno não Cálcico

5 Petrolina - PE FERREIRA (1989) Quartzosa/Bruno não Cálcico Grupo Salgueiro/Areia

6 Cabrobó - PE FERREIRA (1989) Juscelino/Bruno não Cálcico Complexo Presidente

7 Salgueiro - PE FERREIRA (1989) Bruno não Cálcico

8 Serra Talhada - PE FERREIRA (1989) Complexo Monteiro/Bruno não Cálcico

9 Petrolândia - PE FERREIRA (1989) Areia Quartzosa 10 Ibimirim - PE FERREIRA (1989) Bruno não Cálcico 11 Pesqueira / PE SILVA e FERREIRA (2007) Planossolo 12 Nova Cruz/ PE FERREIRA (1997) Formação Barreiras 13 Paulista - PE FERREIRA (1989) Formação Maria Farinha 14 Olinda - PE COSTA NUNES et al. (1982) Formação Maria Farinha/Silticos

15 Olinda - PE JUCA et al. (1992) Formação Maria Farinha 16 Cabo - PE COSTA NUNES et al. (1982) Rochas Extrusivas Básicas

17 São Francisco/PE LEITE e FERREIRA (2012) Sedimento do Recôncavo, Tucano e Jatobá.

18 Suape/PE FERREIRA et al..(2012) Formação Maria Farinha do Grupo Barreiras

19 Reservatório de Itaparica - PE - BA SIGNER et al. (1989), VARGAS

et al. (1989) Silticos e Argilitos

20 Reservatório de Itaparica - PE - BA SANTOS e MARINHO (1990) Sedimentos da Bacia do Jatobá da Formação Aliança

21 Maceió - AL FERREIRA (1988) Bruno não Cálcico

22 Aracaju / SE CAVALCANTE (2007) Formação Calimbi

23 Juazeiro - BA FERREIRA (1989) Grupo Salgueiro

24 Recôncavo Baiano - BA SIMÕES e COSTA FILHO (1981)

Grupos Ilha e Santo Amaro e Formação São Sebastião/

Vertissolo 25 Baía de Aratu - BA BARRETO et al. (1982) Vertissolo

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27 Recôncavo Baiano -

BA SIMÕES (1986)

Grupos Ilha e Santo Amaro e Formação São Sebastião/

Vertissolo

28 Salvador - BA PRESA (1986) ---

29 Cuiabá / MT RIBEIRO JÚNIOR et al (2006) Grupo Cuiabá / Filito

30 Campinas - SP SÃMARA (1981) Podzólico

31 Sudeste de São Paulo e

Paraná VARGAS et al (1989) Formação Tubarão

32

Curitiba / PR PEREIRA e PEJON (2004) Formação Guabirotuba 33 Porto Alegre - RS VARGAS et al (1989) Formação Rosário do Sul

34 Laranjeiras - SE GUSMÃO FILHO et al (2002) Formação Barreiras

35 N.S. do Socorro - SE GUSMÃO FILHO et al (2002) Formação Barreiras

36 Grajaú - MA GUSMÃO FILHO et al (2002) ---

2.4. CONCEITO SOBRE ESTABILIZAÇÃO DE SOLOS E FORMAS DE APLICAÇÃO

Estabilizar um solo é de um modo geral, utilizar um processo de natureza física, físico-química ou mecânica, de maneira a tornar esse solo estável para os limites de sua utilização, fazendo com que esta estabilidade permaneça sob ações de cargas exteriores e ações climáticas variáveis, (BAPTISTA, 1976).

2.4.1 TIPO DE ESTABILIZAÇÃO

Guimarães (2002) afirma que há várias técnicas sendo usadas na estabilização de solos, essas técnicas são divididas em dois grupos:

 estabilização mecânica - procura-se melhorar as características do solo através de correção da sua composição granulométrica e plasticidade por incorporar ou retirar determinadas quantidades de frações do solo, até a obtenção de parâmetros estabelecidos por normas.

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Silva (2012) afirma que além de aditivos químicos convencionais como o cimento Portland, a cal, o betume, há também os nãos convencionais como Licor Kraft, DS- 328, vinhoto, alcatrão de madeira, etc.

Há métodos e processos de estabilização de solos, além dos mencionados anteriormente, que podem oferecer ao solo características de resistência e melhoria de suas qualidades naturais, como: solos reforçados com geossintéticos, solo pregado, colunas solo-cal, colunas solo-brita, compactação dinâmica, Jet grounting, compaction grounting, drenos verticais de areia, mico estacas, estabilização via fenômenos de condução em solos, (SILVA, 2012).

A opção por um ou outro método de estabilização é influenciada por uma série de fatores, entre os quais se destacam: os econômicos, a própria finalidade da obra, as características dos materiais e as propriedades do solo que devem ser corrigidas.

Em função do objetivo proposto neste estudo enfatizou-se no método de estabilização química com a adição de cal, do que outros.

2.4.2 FORMAS DE APLICAÇÃO

Silva (2010) relata que de uma forma geral a aplicação da cal ao solo é feita por se espalhar a cal em determinada área, em seguida é feito a mistura com o solo através de um veículo munido com equipamento de mistura, por fim, após um período de espera é realizado a compactação. No entanto há outras formas de se aplicar essa técnica de estabilização:

 através de estacas de cal - consiste em furos de pequeno diâmetro preenchidos com cal usados para melhorar a estabilização de taludes, como benefício de sua utilização está o fato delas secarem o solo envolvente, no entanto a logo prazo o solo vai retornando ao seu teor em água e pressão intersticial original, mas a estaca permanece com uma fina crosta em sua volta.

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(PERRY et al, 1996).

 através de coluna de solo - as colunas de solo estabilizado com cal foram desenvolvidas especificamente para melhorar a capacidade de carga e reduzir o assentamento de argilas moles. Este método consiste em remoldar solo in situ

misturando-o, simultaneamente, com cal, através da utilização de injetores rotativos dotados de alhetas. A ação conjugada do remeximento e da injeção dá origem a uma coluna de solo estabilizado. O óxido e o hidróxido de cálcio são os produtos mais utilizados. A resistência ao corte não drenada do solo estabilizado relativamente ao solo natural é cerca de 10 a 40 vezes superior, dependendo do valor inicial, (VAN IMPE, 1989).

2.5. EVOLUÇÃO DO USO DA CAL

A cal começou a ser usada como material ligante, misturada ou não com outros produtos, pelo homem desde a pré-história, recebendo mais destaque com a documentação arqueológica das construções das pirâmides pelos Egípcios, cerca de 3000 anos aC, passando a arte de manipular a cal para os Gregos, em sequência os Romanos e depois para outras regiões mediterrâneas e circunvizinhas até a modernidade, (GUIMARÃES, 2002). No entanto, foram os Romanos que desenvolveram a aplicação da cal para a área da geotecnia na secagem de terrenos.

Nos Séculos XVIII e XIX houve uma abordagem científica pelo químico inglês Joseph Black, completado o seu trabalho por Vicat e Debray, esses escreveram sobre as reações que ocorriam na fabricação da cal, a identificação das propriedades físico-químicas, todos os tipos de cal e suas utilizações, (CRISTELO, 2001).

No século XX, com o desenvolvimento industrial, os EUA (1924) passaram a criar vários centros de produção e a usar a cal em grande escala. No entanto, foi entre os anos 40 e 50 que eles começaram a realizar estudos em laboratório de solos e esta técnica evoluiu e cada vez mais se popularizou e se propagou para outros países.

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argamassas de revestimento e pintura de casarios. A colonização portuguesa levara para o Brasil a arte de fabricar cal, (MME, 2009).

No entanto, no século XX, na década de 50, houve um desenvolvimento tecnológico e produtivo na produção brasileira de cal. Guimarães (2002) relata que na década de 60(do mesmo século) a técnica como corretivo de solo começou a ser utilizada em obras como: a Área de hangares da Varig, no aeroporto de Congonhas, rodovia Brasília – Fortaleza, rodovia Curitiba-Porto Alegre. Nos dias de hoje o parque industrial da cal possui empresas com capacidade produtiva e tecnologia nivelados como as mais modernas do mundo.

O Brasil mantém a 5ª posição entre os países produtores, a China lidera o ranking da

produção mundial de cal, com uma participação de mais de 80%, seguida pelos Estados Unidos, que respondem por mais de 9% deste mercado, e nas terceira e quarta posição estão Japão e Rússia com quase 4% cada, ABPC (2008), Cerca de 73% da produção brasileira de cal é realizada no Sudeste, onde se concentram os maiores produtores, principalmente em Minas Gerais, vindo logo a seguir São Paulo, Rio de Janeiro e Espírito Santo. Na região Nordeste, encontra-se 6% da oferta brasileira de cal. O Rio Grande do Norte destaca-se como grande produtor dessa região, com destaque para a região de Mossoró, o Ceará também registra produção de cal, no município de Altaneira, localizada no Cariri Oeste, que tem como principal fonte de renda a produção de cal, (CETEM, 2012).

2.6. ESTABILIZAÇÃO DE SOLOS COM O USO DA CAL

Uma das técnicas mais antigas utilizadas pelo homem para obtenção da estabilização ou melhoria de solos instáveis é a adição da cal, (GUIMARÃES, 2002). Ao aplicar esta técnica de estabilização química “solo-cal” procurou-se identificar qual o percentual ideal de cal com relação ao solo para que este perca de forma desejável a sua expansividade.

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água à cal viva (CaO) produz a cal hidratada Ca(OH)2, que é o produto de maior uso em trabalhos de estabilização de solos, (MENDONÇA, 1998).

As reações da formação da cal virgem e da cal hidratada, respectivamente, são representadaspelas equações 2 e 3.

CaCO3+ calor→ CaO + CO2 (2)

CaO + H2O → Ca(OH)2 + calor (3)

CaCO3 → Carbonato de Cálcio CaO → Cal Cálcica Virgem CO2 → Dióxido de Carbono H2O → Água

Ca (OH)2 →Cal Cálcica Hidratada

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Figura 2.8 – Curvas da Termogravimetria, (CINCOTTO, 1980).

Tabela 2.5 – Resultado obtido da Termogravimetria, (CINCOTTO, 1980).

Amostra

Massa Total de amostra

(mg)

Umidade (mg)

Perdas de peso devidas a reações de composição dos compostos

Mg (OH)2

(mg) Ca (OH)(mg) 2 CaCO(mg) 3 Total (%)

1 6,284 0,040 0,500 0,751 0,300 25,32

2 5,189 0,025 0,235 0,590 0,525 26,50

3 4,859 0,050 0,425 0,425 0,300 24,70

4 5,833 0,025 0,235 0,690 0,225 16,52

5 5,031 0,025 0,050 7,770 0,375 22,85

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através da microscopia eletrônica de varredura e observou que o resíduo da amostra era constituído de grãos angulosos, aparentemente de matéria prima não decomposta por calcinação ou por hidratação, Figura 2.9 (a), e na fração fina da amostra observou-se aglomerados de cristais em placas, Figura 2.9 (b).

Figura 2.9 – Eletromicrografia da cal hidratada (a) de matéria prima não decomposta por calcinação ou por hidratação (aumentada em 100X); (b) aglomerados de cristais em placas

(aumentada em 10.000X), (CINCOTTO, 1980).

As cales na forma hidratada utilizada na estabilização ou melhoria dos solos no Brasil deve obedecer as exigências da norma NBR – 7175, (GUIMARÃES, 2002) . A Tabela 2.6 mostra algumas exigências contidas nessa norma.

Tabela 2.6 − Exigências das cales hidratadas Nacionais (NBR 7175/2003).

Exigências Químicas Limites

Compostos CH-I CH-II CH-III

Anidrido Na Fábrica ≤ 5% ≤ 5% ≤ 13%

Carbônico (CO2) No Depósito ≤ 7% ≤ 7% ≤ 15%

Óxidos de Cálcio e Magnésio não hidratado

calculado (CaO+Mgo) ≤ 10% ≤ 15% ≤ 15%

Óxidos Totais na base de não-voláteis

(CaOt+MgOt)² ≥ 90% ≥ 88% ≥ 88%

Exigências Físicas Limites

Compostos CH-I CH-II CH-III

Finura (% retida acumulada)

Peneira 0,600 mm ≤ 0,5% ≤ 0,5% ≤ 0,5%

Peneira 0,075 mm ≤ 10% ≤ 15% ≤ 15%

Retenção de Água ≥ 75% ≥ 75% ≥ 70%

Incorporação de Areia ≥ 3,0 ≥ 2,5 ≥ 2,2

Estabilidade

Ausência de cavidade ou protuberâncias

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2. 6.1. REAÇÃO SOLO-CAL

A adição de cal a um solo e na presença de água desencadeia uma série de reações. Quando se adiciona cal a um solo fino acontecem reações em duas etapas, uma de forma imediata (após alguns minutos de contato), devido ao mecanismo de troca catiônica, floculação, compressão da dupla camada elétrica, adsorção de cal e reações químicas. E a segunda de forma lenta (meses ou anos), caracterizada pelas reações de cimentação pozolânicas e a carbonatação. A existência e intensidade destas reações estão relacionadas com o tipo de solo, (granulometria, mineralogia das partículas), com o tipo e teor de cal, temperatura e tempo de cura, (THOMÉ, 1994).

A troca de íons é uma reação rápida e consiste na troca de base com os cátions fortes da cal substituindo os íons metálicos fracos, como sódio, magnésio e hidrogênio na superfície da partícula de argila. Esta reação diminui a plasticidade do solo. A floculação e a aglutinação ocorrem na fração de argila, com aparente mudança de textura, aglutinando as partículas de argila de maior diâmetro. A carbonatação envolve a absorção de dióxido de carbono (CO2) do ar que reage com o hidróxido de cálcio ou magnésio da cal, formando um agente cimentante fraco, ou seja, uma reação indesejável, tendo em vista que esta pode deter a reação pozolânica. A reação pozolâmica é lenta e ocorre entre a sílica ou alumínio do solo e a cal, produzindo um gel de silicato de cálcio aluminatos cimentante das partículas de solo, (BAPTISTA, 1978).

Para o melhor entendimento de cada ação, Castro (1981) considerou cinco faixas de pH.

i) pH < 4,0 - ocorre, essencialmente, troca iônica de grande parte do íon H+ e de alguns cátions;

ii) 4,0 < pH < 5,6 - O Al+3 trocável é neutralizado e pequena parte H+ depende do pH deslocado;

iii) 5,6 < pH < 7,6 - caracteriza-se pelo início da reação de polímeros terminais de hidroxi-alumina – Al(OH)3;

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Embora esta explicação seja a mais aceita, não é a única. Nóbrega (1985) afirma que a troca catiônica e floculação não podem ser consideradas como mecanismo de estabilização, porque solos saturados por cálcio reagem e melhoram com cal. Para o autor, a forte alcalinidade do meio, alterando as condições físico-químicas em nível de superfície das partículas, é a principal responsável pela mudança imediata no comportamento do material.

Castro (1988) não considera que a troca catiônica ocorra com a magnitude frequentemente considerada e que ela não justificaria a diferença de comportamento tão acentuada observada nas misturas solo-cal em prazos reduzidos. Para o autor a adsorção de moléculas de hidróxidos de cálcio seria a responsável por estas modificações de curto prazo e que as reações de características pozolânicas tem início imediato.

Do ponto de vista da engenharia, Pinto (1985) distingue dois tipos de fenômenos, a alteração das características geotécnicas do solo (floculação, modificações na plasticidade, expansividade e características de compactação) e a aglomeração dos grãos (expressa pela mudança nas características reológicas do solo). As alterações nas características geotécnicas proposta pelo autor coincidem com as reações imediatas exceto quanto à importância dada ao tempo. Já as reações de longo prazo, Pinto (1985) considera apenas os efeitos das reações de cimentação, com o nome de ação aglomerante. Esta abordagem pode ser mais satisfatória para ampliar os estudos de estabilização do solo com a cal.

2. 6.1.1 Troca Catiônica e Floculação

A troca catiônica e a floculação são as primeiras reações após a mistura solo-cal. Prusinski et al (1999), afirmam que a superfície do argilomineral é deficiente em carga e, para

Imagem

Figura 2.7  –  Comportamento da variação de deformação no período de tempo sob tensão (a)  pequena alteração na umidade do solo, (b) mudança de umidade na periferia do solo, (c)  apenas o núclo central mantém a umidade inicial, (d) não há mudança na umidad
Tabela 2.4  –  Ocorrência de Solos Expansivos no Brasil, (Modificado por FERREIRA et al
Figura 2.9 – Eletromicrografia da cal hidratada (a) de matéria prima não decomposta por  calcinação ou por hidratação (aumentada em 100X); (b) aglomerados de cristais em placas
Figura 2.11 – Eletromicrografia (a) Latossolo compactado após adição de cal; (b)  Preenchimento de vazios interagregados; (c) Assembleia cristalina neoformada
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