M141s Macêdo, Mirtes Maria de
Solos modificados com cimento - efeito no módulo de resiliência e no dimensionamento de pavimentos / Mirtes Maria de Macêdo. - Recife : O Autor, 2004.
xx, 289 folhas. : il. ; fig., tab.; símbolos.
Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Pernambuco.CTG. Engenharia Civil, 2004.
Inclui bibliografia e anexos.
1. Materiais para pavimentação. 2. Solo melhorado com
cimento 3. solos lateríticos. 4.Módulo de resiliência . I. Título.
UFPE
“Vencer com o corpo fatigado pela dureza da jornada, mas com a alma leve e feliz por não ter violado a natureza e a consciência. Que Deus ilumine nossos caminhos”.
“Possuir virtudes e defeitos, boas e más qualidades, é condição inerente ao ser humano. É procurando porém destacar as virtudes e as boas qualidades de nossos semelhantes que temos as nossas próprias realçadas”.
“A nossa profissão não constrói com palavras; ela é tão concreta que poucos se sentem confortáveis de tratá-la com sentimentos e outras abstrações. De fato, uma profissão nunca será mais que uma ferramenta; o uso que faremos dela é que será a mensagem de cada vida”.
“Hoje, o mundo que conta economicamente relevante e tecnologicamente avançado, é um só, conformado a ser liderado por quem sobressair no exercício da competência, sem nenhuma proteção mágica ou burocrática”.
Antão Luiz de Melo (06.08.1931 – 17.09.1999)
À Antão Luiz de Melo, minha homenagem.
Dedico este trabalho aos meus pais Amaro Macêdo (In memorian) e Lectícia Macêdo Pelo exemplo de vida. Aos meus filhos Daniela e Leonardo A Ari, meu porto seguro As minhas irmãs
AGRADECIMENTOS
A DEUS, Senhor da Vida.
Aos meus filhos, Daniela e Leonardo pela minha grande ausência nesses dois anos e meio, que eles cresçam cidadãos conscientes do mundo lá fora e sem medo de ser feliz. A Ari, pelo incentivo, apoio e companheirismo em todos os momentos difíceis, sendo pai e mãe durante todo esse tempo.
Laura, posso definir este ser humano, como um anjo (a cor ela já tem) que Deus colocou na minha vida, quando eu imaginei que não existissem mais pessoas iguais a ela, desprendida de qualquer sentimento de vaidade e egoísmo, tão comuns na nossa profissão. A ela eu devo todo este trabalho. Sem ela eu não teria chegado ao fim.
Ao professor Amaro Lins pelo incentivo ao mestrado.
Ao professor Ivaldo Dário da Silva Pontes Filho, pela orientação e apoio na dissertação. Aos professores José Afonso Gonçalves Macêdo (UFCG) e Lícia Mouta da Costa (UFCG) pela participação na banca examinadora.
Aos professores do mestrado em Geotecnia, pelos ensinamentos.
Aos Técnicos do Laboratório de Solos e Instrumentação da UFPE em especial Severino pelos momentos de convivência e aprendizado.
Aos técnicos do Laboratório de Geotecnia Prof. Jacques de Medina da COPPE/UFRJ: Ao Prof. Márcio Marangon, Engª Maria da Glória Marcondes, Engº Álvaro Augusto Dêlle Viana e aos técnicos Marcos Pereira Antunes (Bororó) e Luiz Carlos de Oliveira; a todos pela simpatia, receptividade, atenção dispensada e pela paciência em ensinar como realizar todos os ensaios de forma simples e direta.
A Felipe Franco que simplificou o uso do FEPAVE2 na versão para Excel e cedeu o seu uso.
Aos colegas de curso em especial Marcelo, Karina e Isabela pela maior convivência. A D. Laudenice, secretária da Pós-Graduação de Engenharia Civil da UFPE, pela atenção e colaboração.
Ao Diretor Presidente da Maia Melo Rogério Giglio minha admiração por ter mantido a nossa empresa tão bem depois da partida do nosso insubstituível Mestre Antão Luiz de Melo. A Rogério agradeço pelo apoio e incentivo, inclusive, ao viabilizar a minha hospedagem no Rio de Janeiro para a realização dos ensaios na COPPE/UFRJ. Pela liberação das horas na UFPE e pelo emprego do equipamento e material necessário. A minha irmã Conceição pelo apoio com meus filhos e a viabilidade das minhas viagens ao Rio de Janeiro.
Ao amigo Francisco Lagenésio pelas discussões, sugestões e ensinamentos que sempre contei, inclusive no apoio da coleta das amostras ao disponibilizar o técnico Dantas na execução desta tarefa.
A Ana Cláudia pelas horas intermináveis na internet e pesquisas diversas. A Sérgio Pedroza e Jorge Lacerda pelos desenhos e gráficos, em especial, a Sérgio pelas horas e fins de semana na edição final deste trabalho.
A Fátima Boa Viagem e Andréa Fittipaldi por dividirem comigo as minhas atividades dentro da empresa nos momentos mais difíceis, proporcionando-me a oportunidade de conciliar o trabalho e o mestrado.
A Adriana Rossiter por me mostrar que o mestrado é um diferencial.
Aos Coronéis Stanley e Maranhão minha admiração e carinho por continuarem firme em seus ofícios, depois de tão árduas caminhadas.
Ao Engº Elsen Pontual Sales pelas discussões e sugestões.
Aos Engenheiros Francisco de Assis Benício Coelho e Lourival Trajano do DER/PE pelas informações fornecidas sobre o solo-cimento.
A todos da Maia Melo que de alguma forma contribuíram para a realização deste trabalho.
“A distância que você percorrer na vida depende de sua ternura para com os jovens, compaixão pelos idosos, solidariedade com os esforçados e tolerância com os fracos e fortes, porque chegará o dia em que você terá sido todos eles”.
RESUMO
A utilização de solo-cimento é um processo de estabilização de solos há bastante tempo praticado no Brasil. No entanto o solo melhorado com cimento é pouco explorado na literatura técnica. Este estudo teve como objetivo apresentar as melhorias obtidas quando são misturados pequenos percentuais de cimento aos dois solos considerados nesta pesquisa: amostra 01 – JJP, de solo laterítico, localizada em João Pessoa e amostra 02 – JBN, de solo não laterítico, localizada em Recife. Os ensaios realizados foram: caracterização (peneiramento, sedimentação, limites de liquidez e plasticidade; ensaio de compactação Proctor Intermediário); ensaio pelo método Físico-Químico de dosagem para o solo-cimento; ensaio pela metodologia MCT (Miniatura Compactado Tropical); ensaio triaxial dinâmico; e o ensaio de resistência à compressão simples (RCS). Todos os ensaios foram realizados no Laboratório da COPPE/UFRJ, no período de outubro e novembro de 2003. Apresenta-se um comparativo entre os teores de cimento nos vários ensaios, ou seja, no método físico-químico, triaxial e compressão simples, mostrando que às vezes, não é necessário que se atinja o valor de 2,1 MPa de RCS para que se obtenha boa resposta da mistura de solo com cimento sob o ponto de vista de deformabilidade. Muitas vezes basta a adição de pequenos teores para que se adquira resposta adequada em termos de σ x ε. Apresenta-se, também, o processamento de diversas estruturas hipotéticas, com o Programa FEPAVE2, mostrando o super dimensionamento do método empírico do DNER, em alguns casos, principalmente com solos melhorados com cimento. O método tradicional do CBR considera um único coeficiente estrutural de 1,2 para as camadas de solo-cimento que atingirem a resistência à compressão de 2,1 MPa, independentemente do teor de cimento, não considerando a deformabilidade elástica, sendo bastante conservador. A utilização da mecânica dos pavimentos, como método de dimensionamento com utilização dos parâmetros obtidos de resultados de ensaios necessários à identificação das características dos materiais, torna-se fundamental quando se verifica a grande escassez de recursos existentes no nosso País. Uma rodovia é uma obra com vários quilômetros de extensão e a redução de poucos centímetros em uma camada de pavimento reduz consideravelmente o custo de uma obra.
ABSTRACT
The use of cement-soil is a very common soil stabilization process in Brazil. However, the soil improved by the cement is little explored in technical literature. This study had the aim of presenting the improvements of the mix of small percentages of cement to the two kinds of soil considered in this work: sample 01 – JJP, lateritic soil, located in João Pessoa and sample 02 – JBN, non-lateritic soil, located in Recife. The experiments were: characterization (sifting, sedimentation, liquidness limit and plasticity; experiment of Proctor Intermediate compact); experiment through the Physic-Chemical method of dosage to the cement-soil; experiment through the MCT methodology (Tropical Miniature Compacted); dynamic triaxial experiment; and the experiment of resistance to simple compression (RCS). All the experiments took place at the Laboratory of COPPE/UFRJ, in October and November of 2003. There is a comparison among the contents of cement in the various experiments, that is, in the Physic-chemical method, triaxial and simple compression, showing that sometimes it is not necessary that it reaches the value of 2.1 MPa of RCS in order to obtain good result from the mix of soil and cement in terms of deformability. Many times, the addition of little amounts is enough to get the adequate result in terms of σ x ε. It also presents the processing of diverse hypothetical structures, with FEPAVE2 Program, showing the super dimensioning of the empirical method of DNER, in some cases, principally with soils improved by cement. The traditional method of CBR considers only one structural coefficient of 1.2 for the layers of cement-soil which reach the resistance to compression of 2.1 MPa, apart from the of cement, not considering the elastic deformity, being very conservative. The use of the mechanics of paving, as a method of dimensioning with the use of the obtained parameters necessary to the identification of the characteristics of the materials, becomes fundamental when there is a great scarcity of resources in our country. A road is a construction of many kilometers of extent, and the reduction of few centimeters in a layer of pavement considerably reduces the cost of the work.
ÍNDICE
CAPÍTULO 1 1. INTRODUÇÃO... 1.1 Considerações Preliminares... 1.2 Objetivos da Pesquisa... 1.3 Metodologia... 1.4 Desenvolvimento do Trabalho... CAPÍTULO 2 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...2.1 Conceitos de Estabilização e o Solo-Cimento... 2.1.1 Conceito de Estabilização...
2.1.1.1 Estabilização Granulométrica... 2.1.1.2 Estabilização Físico-Química e Química do Solo... 2.1.1.3 Estabilização Mecânica... 2.1.2 O Solo na Estabilização com Cimento... 2.1.3 O Cimento... 2.1.4 Solo – Cimento ... 2.1.4.1 Histórico... 2.1.4.2 Alguns Conceitos... 2.1.4.3 Métodos de Dosagem... 2.1.4.3.1 Método da ABNT... 2.1.4.3.2 Método Físico-Químico... 2.1.5 Solo Melhorado com Cimento... 2.2 Classificação de Solos e a Classificação MCT... 2.3 Métodos de Dimensionamento... 2.3.1 Tipos de Métodos... 2.3.2 Método Empírico do DNER... 2.3.3 Método Mecanístico...
2.3.3.1 Módulo de Resiliência... 2.3.3.2 Programa de Análise de Tensões...
01 01 03 04 04 06 06 06 07 07 08 09 11 12 12 17 22 22 25 28 29 40 42 44 48 52 59
CAPÍTULO 3
3. MATERIAIS E MÉTODOS ...
3.1 Solos Estudados... 3.1.1 Localização das Jazidas... 3.1.2 Caracterização... 3.1.3 Compactação... 3.2 Cimento Utilizado... 3.3 Outros Ensaios Realizados...
3.3.1 Método de Classificação MCT (Miniatura Compactado Tropical) 3.3.1.1 Ensaio de Compactação – Método Mine-MCV... 3.3.1.2 Ensaio de Perda de Massa por Imersão em Água... 3.3.2 Método Físico-Químico de Dosagem para o Solo-Cimento -
MFQ... 3.3.3 Método de Ensaio de Resistência à Compressão Simples - RCS... 3.3.4 Método de Ensaio para Obtenção do Módulo de Resiliência –
MR ...
CAPÍTULO 4
4. PROGRAMA EXPERIMENTAL E RESULTADOS OBTIDOS...
4.1 Ensaio pela Metodologia MCT (Miniatura Compactada Tropical)... 4.1.1 Ensaio de Compactação – Método Mini-MCV... 4.1.2 Ensaio de Perda de Massa por Imersão em Água... 4.2 Ensaio pelo Método Físico-Químico de Dosagem para o
Solo-Cimento... 4.3 Ensaio de Compressão Simples... 4.4 Ensaio Triaxial Dinâmico... 4.5 Análise Comparativa dos Resultados de MR...
4.5.1 Amostra 01 – Solo Jazida João Pessoa – JJP... 4.5.2 Amostra 02 – Solo Jazida Barreira do Náutico – JBN... 4.6 Comentários Finais... 68 68 68 73 74 74 75 75 76 77 78 80 81 85 85 85 86 87 91 95 99 99 101 101
CAPÍTULO 5
5. APLICAÇÃO DOS RESULTADOS EM DIMENSIONAMENTO...
5.1 Considerações Gerais... 5.2 Dimensionamento pelo Método da COPPE/UFRJ... 5.3 Análise Comparativa e Comentários Finais...
CAPÍTULO 6
6. CONCLUSÕES E SUGESTÕES DE PESQUISA ...
6.1 Conclusões... 6.2 Sugestões de Pesquisa ...
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... BIBLIOGRAFIAS CONSULTADAS... ANEXOS... • Anexo A – Ensaio de Caracterização e Classificação MCT...
• Anexo B – Ensaios Triaxiais (Modelo Composto) ...
• Anexo C – Fichas do Programa FEPAVE2...
112 112 113 118 141 141 142 143 150 151 152 164 204
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1: Primeiras obras de pavimentação em solo-cimento no Brasil (BASÍLIO, 1955) ...
Tabela 2.2: Trechos de solo-cimento construídos em 1954 no Brasil (BASÍLIO, 1955) ...
Tabela 2.3: Ruas de solo-cimento construídos em 1954 no Brasil (BASÍLIO, 1955) ...
Tabela 2.4: Rodovias pavimentadas com solo-cimento no Estado de Pernambuco ...
Tabela 2.5: Teor tentativa de cimento segundo a classe do solo (ABNT 12253)
Tabela 2.6: Coeficiente de equivalência estrutural do Método DNER (1996) ...
Tabela 2.7: Espessura mínima do revestimento betuminoso em função do número N no Método do DNER (1996) ...
Tabela 2.8: MR de Solo laterítico com adição de 8% de cimento (COLLARTE-CONCHA, 1986) ...
Tabela 2.9: MR de Solo Saprolítico com adição de 8% de cimento (COLLARTE-CONCHA, 1986) ...
Tabela 2.10: MR para Solo 1 + 6% de cimento (CERATTI, 1991)...
Tabela 2.11: MR do Solo 5 + 8% de cimento (CERATTI, 1991)...
Tabela 2.12: MR do Solo 6 + 8% de cimento (CERATTI, 1991)...
14 15 15 16 24 45 46 57 57 58 58 59
Tabela 2.13 - Modelo pra entrada do módulo de resiliência existentes no FEPAVE, para cálculo das tensões e deformações (DAROUS, 2003)...
Tabela 4.1: Leituras das buretas e variação volumétrica da amostra 01 – JJP...
Tabela 4.2: Leituras das buretas e variação volumétrica da amostra 02 – JBN...
Tabela 4.3: Resultado dos ensaios de compressão simples da amostra 01 – JJP para o solo puro e com vários teores de cimento...
Tabela 4.4: Resultado dos ensaios de compressão simples da amostra 02 – JBN para o solo puro e com vários teores de cimento...
Tabela 4.5: Exemplo do Resultado Completo de um ensaio de MR de uma amostra de solo numa situação de ensaio...
Tabela 4.6: Resultados dos ensaios triaxiais dinâmicos da amostra 01 – JJP
Tabela 4.7: Resultados dos ensaios triaxiais dinâmicos da amostra 02 –JBN
Tabela 4.8: Comparativo da jazida JJP na situação A aos 7 dias do solo puro e os vários percentuais de cimento...
Tabela 4.9: Comparativo da jazida JJP na situação A aos 28 dias do solo puro e os vários percentuais de cimento...
Tabela 4.10: Comparativo da jazida JJP na situação B aos 7 dias do solo puro e os vários percentuais de cimento...
Tabela 4.11: Comparativo da jazida JJP na situação B aos 28 dias do solo puro e os vários percentuais de cimento...
66 88 90 92 93 97 98 98 104 105 106 107
Tabela 4.12: Comparativo da jazida JBN na situação A aos 7 dias do solo puro e os vários percentuais de cimento...
Tabela 4.13: Comparativo da jazida JBN na situação A aos 28 dias do solo puro e os vários percentuais de cimento...
Tabela 4.14: Comparativo da jazida JBN na situação B aos 7 dias do solo puro e os vários percentuais de cimento...
Tabela 4.15: Comparativo da jazida JBN na situação B aos 28 dias do solo puro e os vários percentuais de cimento...
Tabela 5.1: Quadro Resumo – Amostra 01 – Situação A ...
Tabela 5.2: Quadro Resumo – Amostra 01 – Situação B ...
Tabela 5.3 Quadro Resumo – Amostra 02 – Situação A ...
Tabela 5.4: Quadro Resumo – Amostra 02 – Situação B ...
Tabela 5.5: Amostra 01 e 02 sem cimento ...
108 109 110 111 136 137 138 139 140
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1: Esquema dos horizontes de formação dos solos (ET-40) (ABCP, 1996) ...
Figura 2.2: Efeito do teor de cimento na resistência para vários tipos de solo METCALF (1969) apud ENAMORADO (1990)...
Figura 2.3: Efeito do conteúdo de finos e da densidade máxima seca no teor necessário de cimento para estabilização (Portland Cement Association) apud ENAMORADO (1990)...
Figura 2.4: Variação do Logaritmo da resistência x densidade METCALF (1972) apud ENAMORADO (1990)...
Figura 2.5: Aumento da resistência x período de cura LOFTI e WITCZAK (1984) apud COLLARTE-CONCHA (1986)...
Figura 2.6: Perda de resistência devido à demora na compactação WEST (1959) apud COLLARTE-CONCHA (1986) e ENAMORADO (1990)...
Figura 2.7: Ábaco de Classificação MCT (NOGAMI E VILLIBOR, 1995)..
Figura 2.8: Iustração do equipamento, características, procedimentos e aplicação dos resultados do ensaio Mini-MCV (NOGAMI e VILLIBOR, 1995 e 2000) ...
Figura 2.9: Ilustração do equipamento, características, procedimentos e aplicação dos resultados do ensaio de perda de massa por imersão (NOGAMI e VILLIBOR, 1995 e 2000)...
Figura 2.10: Esquema mais comum de consideração da tensão e deformação críticas em um dimensionamento (MOTTA, 1991)...
10 18 19 20 20 21 33 38 39 42
Figura 2.11: Gráfico de dimensionamento de pavimentos asfálticos pelo Método do DNER (1996) e esquema das camadas...
Figura 2.12: Fluxograma de um método mecanístico de dimensionamento de pavimentos (MOTTA, 1991)...
Figura 2.13: Comportamento Elástico-Linear (MOTTA, 2003)...
Figura 2.14: Comportamento Elástico-Não Linear (MOTTA, 2003)...
Figura 2.15: Esquema do equipamento utilizado para obtenção do módulo de resiliência de solos e britas (MEDINA, 1997)...
Figura 2.16: Exemplo de malha de elementos finitos utilizada no programa FEPAVE2 (modificada de MOTTA, 1991 e CERATTI, 1991)...
Figura 2.17: Fluxograma do Programa FEPAVE (MOTTA, 1991)...
Figura 3.1: Esquema de localização da jazida de onde foi retirada a amostra 01 – Jazida João Pessoa – JJP...
Figura 3.2: Pátio da jazida JJP...
Figura 3.3: Vista geral e local da retirada da amostra 01 – JJP...
Figura 3.4: Vista geral e local da retirada da amostra 02 – JBN...
Figura 3.5: Esquema de localização da jazida de onde foi retirada a amostra 02 – Jazida Barreira do Náutico – JBN...
Figura 3.6: Equipamento para realização dos ensaios de compactação Mini-MCV... 47 50 51 51 54 63 67 69 70 70 71 72 75
Figura 3.7: Execução do Ensaio de compactação Mini-MCV da amostra 02 desta pesquisa...
Figura 3.8: Imersão em água dos 5 corpos de prova da JBN...
Figura 3.9: Equipamento e execução do ensaio de RCS da amostra JBN deste estudo...
Figura 3.10: Passos do ensaio triaxial de carga repetida para determinacão do módulo de resiliência dos solos deste estudo...
Figura 4.1: Ábaco de Classificação MCT (Nogami e Villibor, 1995)...
Figura 4.2: Gráfico do teor de cimento (%) x variação volumétrica (%) da amostra 01 – JJP...
Figura 4.3: Ensaio de Dosagem Físico-Química da amostra 01 – JJP (Laboratório da COPPE/UFRJ)...
Figura 4.4: Gráfico do teor de cimento (%) x variação volumétrica (%) da amostra 02 - JBN...
Figura 4.5: Ensaio de Dosagem Físico-Químico da amostra 02 – JBN (Laboratório da COPPE/UFRJ)...
Figura 4.6: CP 1 – resultado da variação da RCS com o teor de cimento– Amostra01...
Figura 4.7: CP 2 – resultado da variação de RCS com o teor de cimento– Amostra 01...
Figura 4.8: CP 3 – resultado da variação da RCS com o teor de cimento– Amostra 01... 77 77 81 84 87 88 89 90 91 92 93 93
Figura 4.9: CP 1 – resultado da variação da RCS com o teor de cimento– Amostra 02...
Figura 4.10: CP 2 – resultado da variação da RCS com o teor de cimento– Amostra 02...
Figura 4.11: CP 3 – resultado da variação da RCS com o teor de cimento – Amostra 02...
Figura 4.12: Comparativo da jazida JJP na situação A aos 7 dias do solo puro e os vários percentuais de cimento...
Figura 4.13: Comparativo da jazida JJP na situação A aos 28 dias do solo puro e os vários percentuais de cimento...
Figura 4.14: Comparativo da jazida JJP na situação B aos 7 dias do solo puro e os vários percentuais de cimento...
Figura 4.15: Comparativo da jazida JJP na situação B aos 28 dias do solo puro e os vários percentuais de cimento...
Figura 4.16: Comparativo da jazida JBN na situação A aos 7 dias do solo puro e os vários percentuais de cimento...
Figura 4.17: Comparativo da jazida JBN na situação A aos 28 dias do solo puro e os vários percentuais de cimento...
Figura 4.18: Comparativo da jazida JBN na situação B aos 7 dias do solo puro e os vários percentuais de cimento... Figura 4.19: Comparativo da jazida JJP na situação B aos 28 dias do solo puro e os vários percentuais de cimento...
Figura 5.1 – Etapas de Processamento do FEPAVE2 (BENEVIDES, 2000)
94 94 94 104 105 106 107 108 109 110 111 115
Figura 5.2 – Ensaio de vida de fadiga da mistura de referência do estudo, Laboratório da COPPE apud PATRIOTA (2004)...
Figura 5.3: Amostra 01 – JJP (inclui figuras 5.3.a a 5.3.g)...
Figura 5.4: Amostra 02 – JBN (inclui figuras 5.4.a a 5.4.g)...
117
122
LISTA DE SÍMBOLOS
AASHTO : “American Association of State Highway and Transportation Officials; ABCP : Associação Brasileira de Cimento Portland
ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas ARI: Alta Resistência Inicial
ARS: Alta Resistência a Sulfetos BPR: Bureau of Public Roads
CAP : Cimento Asfáltico de Petróleo; CBR ; ISC: Índice de Suporte Califórnia
CBUQ : Concreto Betuminoso Usinado a Quente; c’: Coeficiente de Deformabilidade
D, d : Diâmetro do corpo de prova; DEC: Departamento de Engenharia Civil
DER / PE : Departamento de Estradas de Rodagem do Estado de Pernambuco DNER: Departamento Nacional de Estradas e Rodagem;
DNER-ES - Departamento Nacional de Estradas de Rodagem – Especificação de Serviço
DNER – ME – Departamento Nacional de Estradas de Rodagem – Método de Ensaio DNIT: Departamento Nacional de Infra-Estrutura de Transportes
E: Módulo Elástico Linear
FQ; MFQ: Método Físico-Químico H, h, t : Altura do corpo-de-prova; IG: Índice de Grupo
IP: Índice de Plasticidade
ki, ni : Parâmetros experimentais (vida de fadiga); L: Laterítico
LA: Areias Lateríticas LA’: Arenosos Lateríticos LG’: Argilosos Lateríticos LL: Limite de Liquidez LP: Limite de Plasticidade
Ln: Leitura correspondente a n golpes da série crescente Lf: Leitura Final
LVDT : “Linear Variable Differential Transducer”; MCT: Miniatura, Compactado, Tropical
MR, Mr : Módulo de resiliência;
MEASmáx: Massa Específica Aparente Seca Máxima Mini-MCV: Moisture Condition Value
Nf : Vida de fadiga;
Np: Número N de Projeto
NA: Areias Não Lateríticas NA’: Arenosos Não Lateríticos NBR: Norma Brasileira NL: Não laterítico
NS’: Siltosos Não Lateríticos NG’: Argilosos Não Lateríticos
PCA: Portland Cement Association POZ: Pozolânico
RCS: Resistência à Compressão Simples
SUCS: Sistema Unificado de Classificação de Solo T: Temperatura;
TRB: Transportation Research Board
USCE: Corpo de Engenheiros do Exército dos EUA USCS: Unified Soil Classification System
UFC: Universidade federal do Ceará UFPB: Universidade Federal da Paraíba UFPE: Universidade Federal de Pernambuco AV % : Variação Volumétrica;
VMD: Volume Médio Diário
∆σ : Diferença de tensões (tensão horizontal e vertical); εa : Deformação específica;
εi : Deformação específica resiliente inicial;
εt : Deformação específica resiliente (recuperável);
εe : Deformação elástica;
µ : Coeficiente de Poisson; µm: Micrômetro
σaxial : Tensão axial;
σc : Tensão de Compressão;
σr : Tensão Radial;
σz : Tensão Vertical;
σθ : Tensão Tangencial;
σrz = σzr: Tensão Cisalhante;
σ1 : Tensão Principal Maior;
σ3 : Tensão Principal Menor;
σoct : Tensão Octaédrica;
τoct : Tensão Octaédrica Cisalhante;
σ x ε: Tensão x Deformação Pi: Perda de Massa por imersão hót – umidade ótima
γsmáx - densidade máxima
# - peneira
σv - Tensão máxima vertical
CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO
1.1 Considerações Preliminares
Um projeto de pavimentação tem como princípio básico a racionalização de custos e a utilização dos materiais existentes na região, de forma a viabilizar técnica e economicamente uma obra.
Os materiais usados na pavimentação rodoviária têm de possuir características apropriadas para sua utilização, com o objetivo maior de um desempenho satisfatório, baseado na composição de sua estrutura, de forma a permanecer em serviço durante sua vida de projeto, sem apresentar trincamentos nem deformações excessivas.
Na natureza nem sempre os materiais e solos são encontrados de forma a serem utilizados diretamente para comporem uma estrutura de pavimento. Às vezes, são necessárias adições de outros materiais como forma de alterar algumas características dos solos e materiais de pavimentação, de modo a conferir-lhes as características necessárias.
A adição de um elemento ao solo e conseqüente estabilização da mistura, e em particular o solo-cimento, só pôde se desenvolver após a descoberta de algumas propriedades fundamentais dos solos, especialmente no que diz respeito à compactação, cujo conhecimento se deve às pesquisas de R. PROCTOR.
O uso de solo-cimento e solo melhorado com cimento tem se mostrado uma solução técnica e economicamente viável em diversas regiões do país, iniciando-se a construção das estradas de solo-cimento no Brasil em 1935.
A diferença entre o solo-cimento e o solo melhorado com cimento, deve-se ao teor de cimento. No caso do solo-cimento o teor de cimento adotado usualmente é da ordem de 6% a 10%. No solo melhorado com cimento a adição é de pequenos teores, que variam de 2% a 4%.
A adição de cimento ao solo é uma forma de melhorar as qualidades plásticas do mesmo e às vezes, seu encaixe na curva granulométrica especificada para camadas de pavimento. É de conhecimento geral, que a adição de cimento ao solo melhora sua resistência, mas, nem sempre é realizada uma verificação adequada em relação a este ganho. Quando é viável, economicamente, a adição de cimento ao solo? Qual o percentual ideal de adição? Pode ser que a adição de mais cimento acrescente muito pouco ao ganho de resistência, bastando portanto, apenas um solo melhorado com cimento para se ter resposta adequada a determinada condição de estrutura e de tráfego. Há situações onde o mais indicado e econômico possa ser uma melhoria das propriedades tensão-deformação do material e não propriamente o enrijecimento completo que o solo-cimento oferece.
Aliado à escolha dos materiais para a pavimentação de uma rodovia, o método a ser utilizado para o dimensionamento do pavimento é fator preponderante para a escolha da melhor solução em cada caso.
O dimensionamento de pavimentos que contêm camadas estabilizadas com cimento não se enquadra nem na categoria de flexível nem na rígida, e exige, que se leve em consideração as características e o comportamento elástico dos materiais a serem usados no projeto.
Fugindo a essa premissa, o Método do DNER (Sousa, 1966, 1981; DNER, 1996) atribui aos materiais integrantes do pavimento coeficientes de equivalência estrutural tomando por base resultados obtidos na Pista Experimental da AASHTO. A capacidade de suporte do subleito e dos materiais constituintes do pavimento é obtida através do ensaio de CBR, que consiste em comparar a resistência à penetração de um pistão padronizado, do material testado com a resistência de um material padrão. A condição do ensaio exige a embebição da amostra compactada em água durante 4 dias, de forma a simular a situação em campo, existente nos países de clima temperado, onde existe o degelo e saturação por vários dias e portanto não condizentes com as condições e clima do nosso País.
PREUSSLER (1983) segundo PINTO (1991) comenta que estudos mostram a precariedade em se considerar constante o coeficiente de equivalência estrutural para
cada tipo de material como adotado no método de dimensionamento de pavimentos flexíveis do DNER, não dependendo, assim, das características elásticas do sistema estrutural. O citado autor mostra, também, a cautela excessiva de se adotar o valor 2 para coeficiente estrutural das misturas do tipo concreto asfáltico (CBUQ). Comparando-se com o Método da Resiliência (DNER, 1996) o coeficiente estrutural 2 para CBUQ é o indicado somente para estruturas com um subleito tipo III com valores de N variando de 104 a 108. Conclui-se com isso que, na grande maioria das vezes, o Método do DNER é super dimensionado.
Isso significa que as metodologias desenvolvidas no estrangeiro, baseadas em classificações geotécnicas de solos de países de clima temperado, não têm sido satisfatórias, às vezes sob o ponto de vista técnico, às vezes sob o ponto de vista econômico, para utilização aqui no Brasil, que apresenta clima e solos tropicais. Com freqüência as recomendações nelas baseadas não coincidem com o comportamento de muitos solos brasileiros, podendo levar à ruptura prematura ou ao super dimensionamento, especialmente no caso de solos estabilizados quimicamente.
1.2 Objetivos da Pesquisa
Este estudo teve como objetivo apresentar as melhorias obtidas quando são misturados pequenos percentuais de cimento aos dois solos considerados nesta pesquisa: amostra 01 – JJP, de solo laterítico, localizada em João Pessoa e amostra 02 – JBN, de solo não laterítico, localizada em Recife observando o comportamento desses solos sob a ótica da mecânica dos pavimentos, ou seja, considerando o Módulo de Resiliência dos materiais. O dimensionamento mecanístico será mostrado como ferramenta adequada a ser utilizada para dimensionamento de pavimentos, especialmente com camadas de materiais tratados quimicamente.
Existe um falso pensamento de achar que o dimensionamento de pavimentos deve ser realizado por métodos diferentes de forma a comparar seus resultados, onerando os custos com ensaios convencionais (caracterização, LL, LP e compactação) para o dimensionamento pelo Método do DNER e o triaxial dinâmico para o Método Mecanístico. Na verdade, para se utilizar um método de dimensionamento que utilize a mecânica dos pavimentos (MEDINA,1997) as premissas de escolha dos materiais são
outras e não há necessidade de se investir na verificação da qualidade dos materiais pelas especificações tradicionais.
É realizada uma comparação entre o percentual de cimento e o ganho de resistência, em termos de módulo de resiliência, podendo-se, com isso, verificar técnica e economicamente qual a situação mais vantajosa a ser utilizada no dimensionamento de pavimentos com solo melhorado com cimento.
Para demonstrar o potencial da mecânica dos pavimentos, optou-se por discutir um caso particular que é o efeito da melhoria de solos com adição de cimento por se tratar de um tema pouco explorado nas regiões norte e nordeste como também no restante do Brasil e que pouco foi ainda explorada em estudos de resiliência.
1.3 Metodologia
No desenvolvimento de um projeto de pavimentos é de suma importância a caracterização adequada dos materiais que constituem as diversas camadas dos pavimentos na forma como elas se apresentam na estrutura.
Para que esses objetivos sejam alcançados foi necessária a realização de ensaios de Caracterização, Classificação MCT, Compactação pelo Proctor Intermediário, Método Físico-Químico de Dosagem de Solo-Cimento, Ensaios Triaxiais Dinâmicos e Resistência à Compressão Simples.
Em seguida, foram efetuados os dimensionamentos das camadas do pavimento utilizando-se o método mecanístico com os cálculos de tensão-deformação sendo realizados através do programa FEPAVE2.
1.4 Desenvolvimento do Trabalho
Para que sejam atingidos os objetivos, foi desenvolvido um programa de trabalho mostrado nos seguintes capítulos:
Ø capítulo 2 – É apresentada uma revisão bibliográfica, que enfoca os ensaios realizados, correspondendo a Caracterização, Classificação MCT, Compactação
pelo Proctor Intermediário, Método Físico-Químico de Dosagem de Solo-Cimento, Ensaios Triaxiais Dinâmicos, Resistência à Compressão Simples e o dimensionamento pelo Método Mecanístico de Dimensionamento e o programa FEPAVE2.
Ø Capítulo 3 – Consta da descrição dos materiais utilizados, sua localização, ensaios de caracterização (granulometria, LL, LP) e compactação, descrição sucinta dos procedimentos dos outros métodos de ensaios utilizados nesta pesquisa e as classificações utilizadas.
Ø Capítulo 4 – É apresentado o resultado dos diversos ensaios realizados (MCT, FQ, RCS e MR), no programa experimental realizado, como também as análises quanto ao ganho de resistência (MR) com o acréscimo de cimento.
Ø Capítulo 5 – São dimensionadas estruturas hipotéticas com os dois solos, com e sem a adição de cimento, comparadas pelo tempo de vida útil do pavimento (critérios de aceitação). Para o dimensionamento das estruturas é utilizado o Método Mecanístico desenvolvido na COPPE/UFRJ com base no programa FEPAVE2.
Ø Capítulo 6 – São apresentadas as conclusões e sugestões para pesquisas futuras.
Constam também deste volume três anexos:
No anexo A são apresentados em detalhe os resultados do ensaio de caracterização (LL, LP, granulometria) e compactação e os ensaios pela classificação MCT.
No anexo B são apresentados em detalhe os resultados dos ensaios triaxiais dinâmicos (modelo composto).
No anexo C são apresentadas as fichas com os resultados do Programa FEPAVE2.
CAPÍTULO 2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Conceitos de Estabilização e o Solo-Cimento
2.1.1 Conceito de Estabilização
ARAÚJO e MEDINA (1949) definem o conceito de estabilização da seguinte forma:
no seu significado mais geral, estabilização dos solos é o nome que se dá a qualquer método físico, químico ou de outra natureza, destinado a melhorar os solos, a fim de que eles possam melhor servir aos fins de engenharia a que se destinam.
Para MARANGON (1992) a estabilização de um solo, pode ser definida como sendo a alteração de qualquer de suas propriedades, de forma a melhorar o seu comportamento sob o ponto de vista de Engenharia. Consiste em um tratamento artificial, por um processo físico, químico ou físico-químico, tornando o solo estável para os limites de sua utilização, e ainda fazendo com que esta estabilização permaneça sob a ação de cargas exteriores e também sob ações climáticas variáveis.
Segundo PITTA (1997) estabilizar um solo natural é proporcionar-lhe resistência ao cisalhamento e à abrasão de modo que seja capaz de suportar cargas ou agentes externos, sem deformações excessivas ou prejudiciais e sob qualquer condição climática.
Destacam-se três tipos de estabilização: a granulométrica, onde os vazios entre partículas maiores são preenchidos por partículas menores; a físico-química onde a adesão entre partículas é produto das forças de superfície; a estabilização química, onde o agente estabilizador consiste num produto químico que confere ao solo uma ação de cimentação das partículas; e a estabilização mecânica por aplicação de uma energia externa de compactação aplicada ao solo diminuem-se os vazios tornando-os mais resistentes aos esforços externos, alterando-se a compressibilidade e a permeabilidade do mesmo. A compactação é genericamente utilizada conjuntamente a todos os outros procedimentos.
2.1.1.1 Estabilização Granulométrica
Consiste em tornar estável o solo natural pela modificação de sua composição o que se realiza através da mistura de dois ou mais solos e separação de uma das frações do solo. Com isso, obtêm-se um solo bem graduado, satisfazendo os requisitos físicos necessários a uma base ou revestimento estabilizado.
2.1.1.2 Estabilização Físico-Química e Química do solo
A estabilização física modifica as propriedades do solo atuando na textura, ou seja, mistura de solos com diferentes frações granulométricas. Outras técnicas podem envolver tratamentos térmicos de secagem ou congelamento, tratamento elétrico e eletro-osmose, que melhoram as características estruturais e de drenagem dos solos, (OLIVEIRA, 1994).
A estabilização química modifica as propriedades do solo através de reações físico-químicas entre os grãos e os produtos adicionados ou pela criação de uma matriz que cimenta ou envolve os grãos. As reações físico-químicas podem resultar na formação de novos materiais (OLIVEIRA, 1994).
Dentre os produtos químicos mais comumente empregados na estabilização de solos, podem-se ressaltar: o cimento, a cal, produtos de escórias de alto forno (cinza volante): tipo de pozolana empregado conjuntamente com a cal, ou com cimento e betume, materiais betuminosos (emulsões asfálticas e alcatrões, especialmente empregados em engenharia rodoviária), ácido fosfórico, cloretos de cálcio e de sódio, e ainda o sulfonato de lignina, (MARANGON, 1992).
Para OLIVEIRA (1994) existem solos que são indicados para a estabilização com fibras e agregados minerais; estabilização com cimento; estabilização com cal; e estabilização com asfaltos.
Existem outros tipos de estabilizantes não convencionais, que segundo OLIVEIRA (1994), podem se distinguir em quatro grupos:
• Produtos naturais, vegetais ou animais (ácido tânico, ácido úmico, caseína, cinzas de madeira, goma arábica, óleos vegetais, gorduras animais etc);
• Produtos industriais (ácidos e resinas);
• Estabilizantes comerciais (aminas, detergentes etc); e
• Rejeitos industriais e minerários (limina–sulfonato de cálcio, cal de carbureto, gesso químico etc).
Entre os numerosos processos de estabilização química de solos que vêm tendo emprego progressivamente em muitos países, conta-se a estabilização com cimento portland (ENAMORADO, 1990).
2.1.1.3 Estabilização Mecânica
A estabilização mecânica é análoga a que se observa no ensaio de compactação de solos em laboratório.
Este método de estabilização está presente em todas as camadas de um pavimento inclusive no subleito que deve ter seus primeiros 20 centímetros escarificados e recompactados.
Qualquer que seja o material empregado em cada camada, estabilizado quimicamente ou não, haverá necessidade de definição de um grau de compactação mínimo a ser atingido no campo.
No caso de solo-cimento a dosagem é definida experimentalmente, utilizando-se misturas com diferentes teores de cimento compactadas na energia estipulada para a camada e não há variação significativa do teor ótimo de umidade (hót) e da densidade
máxima (ãsmáx) em relação aos valores de hót e ãsmáx obtidos para o solo puro. A análise
dos resultados obtidos nos ensaios de resistência indica o menor deles capaz de estabilizar o solo sob a forma de solo-cimento a partir da comparação com uma resistência mínima estipulada. Este teor deve garantir não só as características de suporte da mistura, mas também a permanência da coesão quanto a solicitações do solo-cimento à esforços provenientes das variações de temperatura e de umidade. O teor
ótimo de umidade é equivalente ao “fator água-cimento” do concreto de cimento portland.
Os materiais componentes do cimento são: o solo, a água e o cimento. O solo-cimento é obtido pela compactação e cura dessa mistura íntima constituída dos três materiais.
2.1.2 O Solo na Estabilização com Cimento
O solo é o elemento em maior quantidade presente na mistura de solo-cimento. O cimento e a água são materiais que normalmente apresentam grande uniformidade, ao contrário do solo, que se apresenta bastante variável, necessitando de controle durante a obra para garantir a manutenção das características daqueles cujas amostras serviram de base aos ensaios de dosagem do solo-cimento.
Sabe-se de longa data que tecnicamente todo solo pode ser melhorado pela adição de cimento, com exceção daqueles ricos em mica e húmus. Porém, pode-se afirmar que os solos arenosos de boa graduação e com plasticidade de média a baixa são os mais suscetíveis de serem estabilizados com cimento, pois requerem baixos teores de aditivo; enquanto que aqueles com elevada plasticidade são problemáticos já que exigem além de altos teores de cimento, enérgicos equipamentos misturadores (CERATTI, 1991).
Segundo a Associação Brasileira de Cimento Portland – (ABCP, 1996), para efeito de construção, consideram-se dois grupos de solos:
a) Solos arenosos e pedregulhosos
- com até 35% de silte mais argila – apresentam características favoráveis e, geralmente, exigem menor quantidade de cimento para assegurar adequada estabilização;
- com mais de 55% de material passando na peneira de malha de 4,8 mm (# 4) – são bem trabalháveis e, quando excepcionalmente bem graduados, podem conter até 65% de material retido na referida peneira e ainda assim comportam-se muito bem;
- são solos facilmente pulverizáveis, permitindo processamento rápido da mistura com cimento e água.
Quanto aos solos arenosos com deficiência de finos:
- as areias de praia ou de cava dão bons resultados como solo-cimento, embora exigindo maior quantidade de cimento do que os solos arenosos e pedregulhosos.
b) Solos siltosos e argilosos
- são usados na inexistência de materiais mais adequados;
- prestam-se à execução do solo -cimento, entretanto com teores elevados de cimento para se estabilizarem;
- quando o conteúdo de argila é elevado, a pulverização se torna difícil e a construção mais demorada.
Outro aspecto a ser considerado para a estabilização dos solos é o perfil geotécnico. Os solos de superfície apresentam-se, normalmente, em três camadas distintas (Figura 2.1).
Figura 2.1 – Esquema dos horizontes de formação dos solos
- Horizonte A - camada superficial, normalmente provida de vegetação e microorganismos, com presença de matéria orgânica que pode perturbar, freqüentemente, a hidratação do cimento;
HORIZONTE A HORIZONTE B
- Horizonte B – zona de transição onde comumente se depositam várias substâncias solúveis, existentes no horizonte A, que são transportadas pela água das chuvas, tanto mais profundamente quanto mais permeável for o solo;
- Horizonte C – camada subjacente ao B, constituída de solo sem contaminação ou excesso de alteração.
Os métodos de dosagem permitem determinar o teor de cimento adequado à estabilização dos solos, mesmo que pertençam aos horizontes A e B, porém nem sempre este teor é viável sob o ponto de vista econômico.
Mas sabe-se que os solos do horizonte B podem ser pedogeneticamente evoluídos e o teor de ligante hidráulico para sua estabilização será diferente caso seja um solo laterítico ou não laterítico, por exemplo (COLLARTE-CONCHA, 1986; CERATTI, 1991).
De forma geral, qualquer tipo de solo pode ser estabilizado com cimento, sendo preciso no entanto, a verificação do benefício-custo. Os solos muito finos podem requerer grande quantidade de aglomerante. Às vezes a redução do teor de cimento e a melhoria das condições de manuseio e compactação poderão ser obtidas pela mistura do solo original com materiais arenosos ou granulares, que ao modificarem a granulometria e os índices físicos, viabilizam a aplicação como solo-cimento.
2.1.3 O Cimento
Os cimentos brasileiros normalizados pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), segundo ABCP (1996) são:
a) NBR 5732 (EB-1) – Cimento Portland Comum;
b) NBR 5735 (EB-208) – Cimento Portland de Alto Forno; c) NBR 5736 (EB-758) – Cimento Portland Pozolânico; d) NBR 5733 (EB-2) – Cimento de Alta Resistência Inicial;
e) NBR 5737 (EB-903/77) – Cimentos MRS e ARS
A NBR 5732 especifica três tipos, identificados pelas siglas CPS, CPE e CPZ, cada um deles nas classes 25, 32 e 40.
A NBR 5736 especifica duas classes: POZ-25 e POZ-32.
Os números correspondem, respectivamente, às resistências à compressão aos 28 dias em MPa, conforme ensaio normalizado pela NBR 7215 (MB-1).
Os cimentos de alta resistência inicial – ARI (NBR 5733) e os cimentos de moderada resistência a sulfatos e moderado calor de hidratação (MRS) e alta resistência a sulfatos – ARS (NBR 5737) são destinados à aplicações especiais, não sendo, comumente, empregados no solo-cimento.
Os outros tipos de cimento podem ser utilizados na estabilização de solo, sendo indispensável que os ensaios de dosagem sejam feitos com o tipo de cimento a ser empregado na obra.
A água a ser usada no solo-cimento deve ser isenta de teores nocivos de sais, ácidos, álcalis e matéria orgânica. Em caso de suspeita quanto à qualidade da água, devem ser realizados ensaios quanto à composição química e às características de resistência mecânica que confere aos cimentados de modo geral.
2.1.4 Solo-Cimento 2.1.4.1 Histórico
As primeiras notícias de tentativas contemporâneas de obtenção da mistura de solos com cimento portland, considerado como um material de construção, econômico, durável e de propriedades tecnológicas bem definidas vem de Sarasota, Flórida (EUA), quando um Engenheiro de nome Bert Reno de grande imaginação e criatividade
experimentou pavimentar uma rua da cidade, a Oak Street, empregando um composto de conchas marinhas, areia de praia e cimento portland. Isso se deu em 1915.
A falta na época de uma técnica que permitisse controlar a qualidade da obra e prever os resultados invalidou diversas experiências realizadas na década de 20 pelos Departamentos de Estradas de Rodagem dos Estados de Iowa, South Dakota, Ohio, Califórnia e Texas (PITTA, 1997).
Entre 1917 e 1920 foram expedidas patentes comerciais para uso em pavimentos de misturas de terra e cimento portland, com as denominações de Soilamies e Soilcrete, respectivamente.
Após 1931, com a revolucionária descoberta por Robert R. Proctor da relação entre umidade e a massa específica aparente na compactação de solos, encontrou-se a chave que permitiu a realização dos estudos científicos que definiram paulatinamente a atual técnica de estabilização de solos com cimento (PITTA, 1997).
Diversos experimentos de solo-cimento foram iniciados pelo Departamento de Estradas de Rodagem de South Carolina visando a obtenção de pavimentos de baixo custo, no entanto trafegáveis em qualquer época do ano. Os resultados alcançados mostraram quão promissor era o material obtido o qual foi definido como: “um produto endurecido, que não se deteriorava sob a ação dos pneumáticos nem se deformava em tempo úmido, não se desintegrava nem formava lama” (PITTA, 1997).
Em 1935 a Portland Cement Association (PCA) iniciou pesquisas de forma intensiva para obtenção do teor ótimo de cimento para cada espécie de solo, garantindo a durabilidade do produto acabado quando solicitado por agentes externos – cargas mecânicas, variações de temperatura e de umidade e outros agentes agressivos.
O primeiro trecho de solo-cimento executado no Brasil, por iniciativa da Associação Brasileira de Cimento Portland (ABCP) e autorizado pela Diretoria da Aeronáutica Civil foi feito no Aeroporto Santos Dumond, no ano de 1940. Tratava-se de uma pequena pista de circulação com cerca de 1.600m2.
BASÍLIO (1955) listou as primeiras obras de pavimentação em solo-cimento no Brasil, mostradas na tabela 2.1.
O total de solo-cimento executado até o ano de 1942 era de 148.452 m2.
As dificuldades surgidas durante a 2a guerra mundial e a posterior escassez de cimento portland fizeram com que não se desenvolvesse o uso do solo-cimento, apesar dos ótimos resultados obtidos nas primeiras pavimentações realizadas.
Apenas a partir de 1954 recomeçaram as construções em maior escala, dos pavimentos de solo-cimento, merecendo destaque os trechos mostrados na tabela 2.2 (BASÍLIO, 1955):
Tabela 2.1 – Primeiras obras de pavimentação em solo-cimento no Brasil (BASÍLIO, 1955)
Estradas e Aeroportos Área (m2) 1940
Aeroporto Santos Dumond 1.600
1941
Aeroporto Santos Dumond 2.120
Estrada de Osasco 5.356
Estrada Areias-Caxambu 6.300
Estrada Tronco (Est. Do Rio) 5.630
Rua Anhaia (São Paulo) 924
Acostamento, estrada de S. Miguel, S.P. 720 1942
Aeroporto Santos Dumond 1.320
Estrada Piquete-Itajubá 4.920
Aeródromo de Manguinhos 370
Volta Redonda – rua 162
Realengo (IAPI) 30
Aeroporto de Petrolina 11.000
Estrada João Pessoa – Cabedelo 108.000
Rodovias Quantidade pavimentada
AL-BR.11-Norte, no Estado de Alagoas
(2 km já concluídos) 22 km
MG.1, no Estado de Minas Gerais,
(trecho Pedro Leopoldo - Sete Lagoas) 50 km
Três trechos Niterói – Campos 70 km
Rodovia Bauru - Lins (S. Paulo) 100 km
Rodovia Pres. Prudente - Pirapozinho
(S.Paulo) 20 km
Rodovia Rio Preto-Mirassol (São Paulo) 10 km
Rodovia da Praia de Tambaú em João
Pessoa 42.000 m
2
Tabela 2.3 - Ruas de solo-cimento construídos em 1954 no Brasil (BASÍLIO, 1955)
Ruas Área (m2)
Em Marabá, Estado do Pará 5.500
Em Recife 80.000
Em Pres. Prudente (S. Paulo) 125.000
Em Lins (S. Paulo) 38.000
Em Rancharia (S. Paulo) 55.000
Em Paranavaí (Estado do Paraná) 50.000
Segundo PITTA (1997) em 1973, um levantamento razoavelmente preciso indicava a existência de 96.000.000 m2 de solo-cimento em estradas, ruas e aeroportos brasileiros, enquanto que no final de 1980, projetava-se um total de 110.000.000 m2 para o mesmo tipo de aplicação, dos quais o Estado de São Paulo possuía 45%; a região Sudeste (inclusive SP), 51%; a região Sul 26%; a região Centro-Oeste 14% e a região Nordeste 9%.
Nas últimas décadas do século 20 houve uma diminuição do uso de solo-cimento em pavimentação no Brasil.
Quanto ao Estado de Pernambuco, segundo informações do Engº Assis do DER/PE e do Engº Lourival Trajano ex-Diretor do Departamento de Estradas de Rodagem do Estado de Pernambuco – DER/PE, o solo–cimento é uma das melhores bases que existe para a pavimentação de uma rodovia, e o detalhe do sucesso está nos controles, necessários quando de sua execução. As obras relacionadas na tabela 2.4 são algumas das obras realizadas no Estado.
Tabela 2.4 – Rodovias pavimentadas com solo-cimento no Estado de Pernambuco
Rodovia Trecho Extensão
(km)
Base % de
Cimento
Ano de Execução PE-90 Carpina / Limoeiro
20,0 Solo-Cimento 7 1958 Antiga BR-104 Acesso a Caruaru 4,0 Solo melhorado com cimento 3 1959/60 PE-35 (Itamaracá)
Pte Getúlio Vargas
/ Pilar 12,0
Solo-Cimento
7 1960/61
PE-60 Barreiros / Divisa
PE/AL 14,0
Solo-Cimento
7 1968
PE-125 Entr. PE-126 –
Maraial 5,0
Solo-Cimento
6 1972/73
PE-001 Rio Doce /
Marinha Farinha 12,0 Solo-Cimento 8 1973/74 PE-74 Entr.BR-408 / Vicência 12,0 Solo-Cimento 7 1981/82
2.1.4.2 Alguns Conceitos
Para COLLARTE-CONCHA (1986), a estabilização com cimento é um processo químico, pois se processam reações químicas do cimento hidratado, no qual são desenvolvidos vínculos químicos entre a superfície do grão de cimento hidratado e a parte da partícula de solo que contacta esse grão de cimento. A forma como o cimento Portland estabiliza o solo difere nos dois principais tipos de solos.
Segundo DEC (1996) a dosagem do solo-cimento é uma das fases do processo de dosagem que exige mais discernimento e experiência profissional do técnico responsável, pois é nesta fase que se deve levar em consideração a realidade representada por uma diversidade de solo, pertencentes a várias jazidas com características naturalmente diversificadas de um para outro, que devem ser estabilizados com diferentes teores de cimento. As pesquisas realizadas até então não permitem identificar por completo o comportamento dos solos lateríticos estabilizados com cimento. Trabalhos desenvolvidos por vários estudiosos comprovaram claramente que o teor de mistura de solo laterítico com cimento, de modo a satisfazer técnica e economicamente as propriedades inerentes de um solo-cimento, não é aquele preconizado pela ABCP.
No estudo do solo-cimento uma constatação importante foi a verificação da relação densidade-teor de umidade proposta por PROCTOR em 1933, como válida também para misturas de solo e cimento (ENAMORADO, 1990).
Segundo ENAMORADO (1990), os fatores mais importantes que afetam a resistência no solo-cimento são:
a) Tipo de Solo
Observa-se que para um mesmo teor de cimento, a resistência decresce com o incremento do conteúdo siltoso ou argiloso do solo, segundo se observa na figura 2.2.
Figura 2.2 – Efeito do teor de cimento na resistência para vários tipos de solo (METCALF, 1969 apud ENAMORADO, 1990).
A ação do cimento nos solos arenosos concentra-se nos pontos de contato entre partículas. Se o solo é denso e bem graduado, são numerosas as áreas de contato, produzindo uma ação cimentante mais forte. No entanto, as areias de graduação uniforme têm menor número de áreas de contato entre os grãos e necessitam de alto teor de cimento para serem estabilizadas, tal como se verifica na ilustração da Figura 2.3 da Portland Cement Association, que mostra também que um incremento no conteúdo de finos no solo, obriga a um incremento no teor de cimento, (ENAMORADO, 1990).
b) Teor de Cimento
Apesar de qualquer tipo de cimento poder ser usado na estabilização dos solos, o mais empregado é o cimento Portland comum.
De forma geral, a resistência da mistura cresce com o aumento do teor de cimento, dependendo do tipo de solo empregado. Metcalf segundo COLLARTE-CONCHA (1986) e ENAMORADO (1990) pesquisou em 1959 este efeito e os resultados obtidos são os apresentados na figura 2.3 que eram usados pela ABCP (1980) para obter o teor ótimo de cimento na dosagem das misturas de solo-cimento.
100 0 5 10 Teor de cimento (%) 80 60 40 20 P u lt . - R e si st ê n c ia à c o m p re ss ã o n ão c o n fi n a d a ( k g f \ cm ²) Ped rego lho aren oso Argil a silto sa Argila arenos a Areia unif orme
Figura 2.3 – Efeito do conteúdo de finos e da densidade seca máxima no teor necessário de cimento para estabilização (PCA apud ENAMORADO, 1990).
c) Densidade Seca Máxima e Teor Ótimo de Umidade
Para qualquer tipo de solo, o máximo desenvolvimento do processo cimentante é obtido quando a mistura de solo-cimento-água está altamente compactada com um teor de umidade que facilite essa compactação e a hidratação do cimento. A Figura 2.4 mostra que o aumento do logaritmo da resistência varia linearmente com a densidade (Ingles e Metcalf, 1972 apud ENAMORADO, 1990).
d) Tempo e Temperatura de Cura
A resistência aumenta gradualmente com o período de cura, tal como aparece ilustrado na figura 2.5 na qual é analisado o tempo de cura na resistência de quatro tipos de solo estabilizados com 5% de cimento (Lofti e Witczak, 1984 citados por COLLARTE-CONCHA, 1986).
Metcalf (1972, apud COLLARTE-CONCHA, 1986) observou que temperaturas elevadas produzem incrementos na resistência, mas a secagem em excesso pode também produzir fissuramento ou ruptura.
130 125 120 115 110 105 100 D e n s id a d e m á x im a s e c a [ p c f ]
Finos menores que 0,05 mm (%)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 6 % 7 % 8 % 9 % 10 % 11 % 12 % 13 % CIM ENT O EM PESO SECO
Figura 2.4 – Variação do Logaritmo da resistência x densidade (Metcalf, 1972 apud Enamorado, 1990).
Pretorius (1970 apud COLLARTE-CONCHA, 1986) demonstra que após 90 dias de cura as resistências máximas são alcançadas, e quando o período de cura é maior que 90 dias os ganhos em resistência são desprezíveis.
Figura 2.5 – Aumento da resistência x período de cura Lofti e Witczak (1984) apud Collarte – Concha (1986) 80 40 20 0 3 1 7 14 28 84 P u lt . - R e s is tê n c ia à c o m p re s s ã o n ã o c o n fi n a d a ( k g f \ c m ²) 60 Pedreg ulho a renoso Argilo silto so Argilo aren oso Areia uniforme 3 2 1 1000 1200 1400 1600 1800 d P u lt . -R e s is tê n c ia à co m p re s s ã o n ã o co n fi n ad a ( kg f \ cm ²) (L o g )
e) Demora na Compactação
Tanto para COLLARTE-CONCHA (1986) como para ENAMORADO (1990) a demora na compactação é a maior causa de perda de resistência do solo-cimento. A demora na compactação permite que o processo de hidratação comece antes de estar pronta a mistura, diminuindo a sua resistência. Com a demora ocorre o endurecimento da mistura dificultando uma boa compactação e a densidade final alcançada é menor. Esta perda de resistência é ilustrada na Figura 2.6.
Figura 2.6 – Perda de resistência devido à demora na compactação West (1959) apud Collarte-Concha (1986) e Enamorado (1990).
No campo, o uso de agentes retardadores pode diminuir esta perda de resistência que acontece nas demoras da compactação (COLLARTE-CONCHA, 1986).
Para MARANGON (1992) os fatores que influenciam na resistência são: a granulometria do solo utilizado; o grau de compactação alcançado (densificação); o tipo e o tempo de cura associado à temperatura neste processo; o tempo entre a mistura e sua compactação (demora); a quantidade de água na hidratação do cimento e a homogeneização da mistura. 25 100 0 P e rd a d e r e s is tê n c ia ( % ) 50 75 0 1 2 3 4 5 Argila média Pedregulh o arenoso
2.1.4.3 Métodos de Dosagem
A dosagem de uma mistura de solo-cimento, para um determinado solo, consiste na investigação das quantidades de cimento, água e massa específica seca a ser alcançada após a compactação, de forma a garantir a obtenção de um produto acabado resistente e durável, (MARAGON, 1992).
Para Millard (1993) na Inglaterra a resistência à compressão simples (RCS) aos sete dias de cura e sete dias de imersão em água, teria os seguintes valores :
USO Solo-cimento RCS (MPa)
• Base-tráfego pesado 3,0 a 6,0
• Base-tráfego leve 1,5 a 3,0
• Sub-base 0,75 a 1,5
Segundo os métodos de dosagem utilizados no Brasil, o valor considerado para uma resistência à compressão simples aos 7 dias é de 2,1 MPa. Comparando-se aos valores utilizados na Inglaterra, observa-se que para uma base de tráfego pesado, o valor poderia ser de 1,5 a 3 vezes o indicado aqui no Brasil. Porém, para tráfego leve poderia ser menor e também para sub-base.
Existem várias metodologias para dosagem do solo-cimento, mas duas delas serão descritas a seguir:
• Método de Dosagem da ABNT;
• Método Físico-Químico.
2.1.4.3.1 Método da ABNT
O método atual de dosagem da ABNT (1991) provém dos avanços dos métodos introduzidos e desenvolvidos no Brasil pela ABCP.
O primeiro método de dosagem recomendado pela ABCP e usado no Brasil como método completo ou geral consistia em resumo nas seguintes etapas (MARCONDES, 1992):
1) Identificar e classificar o solo;
2) Executar o ensaio de compactação do solo-cimento com os teores de cimento previamente escolhidos;
3) Moldar o corpo de prova para os ensaios de durabilidade (molhagem, secagem e escovação) e de resistência à compressão simples;
4) Executar os ensaios citados anteriormente;
5) Escolher o teor de cimento adequado em função dos resultados obtidos;
6) A determinação do teor de cimento adequado é feita por tentativas, isto é, vários teores de cimento são utilizados, de modo que os resultados indiquem o menor teor que seja suficiente para a estabilização.
Em 1954, a ABCP divulgou o resultado dos estudos que foram realizados visando propor um método simplificado de dosagem, reduzindo o trabalho de dosagem pela metade, em relação ao método geral de dosagem, através de correlações existentes entre os teores de cimento e três características da mistura: granulometria do solo, densidade aparente máxima e resistência à compressão simples aos 7 dias. Os estudos foram realizados em 2.500 amostras de solos arenosos.
As simplificações foram: adoção do teor de cimento em peso, realização de um único ensaio de compactação, execução de ensaio de compactação com pedregulho e modificação no cálculo do ensaio de durabilidade (PINTO, 1980).
Segundo a ABCP (1977) o fundamento do método simplificado consiste em: “um solo arenoso com determinada granulometria e densidade aparente máxima requererá, de acordo com o critério de perda de peso nos ensaios de durabilidade, o mesmo teor de cimento que outro, tendo a mesma granulometria e mesma densidade aparente máxima, desde que apresente uma resistência à compressão simples aos 7 dias superior a um certo valor estabelecido. Colocados em ábacos, os resultados dos dois milhares de solos ensaiados, ficou estabelecido o método”.
A seqüência do método simplificado de dosagem é:
1) Realizar ensaios preliminares para a caracterização do solo; 2) Realizar ensaio de compactação do solo-cimento;
3) Determinar o teor de cimento provável por meios de ábacos;
4) Verificar o teor de cimento pelo ensaio de resistência à compressão simples.
O método de dosagem atual é uma evolução do método simplificado da ABCP.
O método de dosagem de solo-cimento adotado atualmente está na NBR-12253 (1992), denominada Solo-Cimento - Dosagem para emprego como camada de pavimento. Esta Norma determina o teor de cimento capaz de estabilizar, sob a forma de solo-cimento, os solos que se enquadram nas exigências da Norma, e deve obedecer ao procedimento de dosagem, após serem executados os ensaios de caracterização de acordo com NBR 6508, NBR 6458, NBR 6459, NBR 7180 e NBR 7181 e a classificação do solo, conforme ASTM D 3282.
Esta Norma limita o uso dos solos a serem empregados nas bases ou sub-bases de solo-cimento, sendo possível a utilização dos tipos A1, A2, A3 e A4 que contenham 100% de material passando na peneira de abertura 76 mm, e no máximo 45% de material retido na peneira de abertura 4,8 mm.
A seleção do teor de cimento para o ensaio de compactação é sugerida de acordo com a tabela 2.5, conforme a classificação do solo.
Tabela 2.5 – Teor tentativa de cimento segundo a classe do solo (ABNT 12253) Classificação do solo
segundo a ASTM D 3282
Teor de Cimento sugerido em massa (%) A-1-a 5 A-1-b 6 A2 7 A3 9 A4 10
De posse dos valores de umidade ótima e de massa específica aparente seca máxima são moldados corpos de prova para os ensaios de compressão simples com teores de cimento sugeridos por gráficos. Devem ser moldados corpos de prova com um ou mais teores de cimento, de forma que se determine aquele que forneça resultados de
resistência à compressão simples de, no mínimo, 2,1 MPa aos 7 dias. Admite-se a interpolação como forma de se determinar o teor de cimento que corresponda ao valor mínimo da resistência à compressão média especificado. A extrapolação de dados não é permitida (MARCONDES, 1992).
O teor mínimo de cimento recomendado pela norma é de 5% em massa, abrindo-se o precedente para uso até de 3,5%, em massa, para solos do tipo A1-a, A1-b ou A-2-4, contanto que seja atingida a resistência de 2,1 MPa e que a mistura seja processada em usina.
2.1.4.3.2 Método Físico – Químico
Em 1971, um pesquisador indiano do “Central Road Research Institute” de Nova Deli chamado CHADDA publicou um trabalho, no qual mostrava a interação físico-química entre as partículas dos argilominerais e as do cimento em hidratação. Ele queria mostrar que a dosagem do teor de cimento requerido pela argila ou pelo solo, poderia ser medida indiretamente por essa interação. Nasce aí a dosagem que foi chamada no Brasil de Método físico-químico (MFQ) do solo-cimento (MARCONDES, 1992).
A argila, fração menor que 2µm, é a parte ativa do solo, composta por argilominerais cristalinos e amorfos e componentes não-argilominerais cristalinos (silicatos, hidróxidos, óxidos, carbonatos, nitratos, sulfatos, sulfetos) e amorfos (ácidos silícicos, hidróxidos e ácido húmico), onde ocorrem os fenômenos físicos-químicos que têm grande influência no comportamento do solo.
O trabalho de Chadda foi analisado em 1985 na COPPE/UFRJ e testado com argilominerais puros, oxihidróxidos de ferro e alumínio e solos sesquióxidos e cauliníticos (CASANOVA E CERATTI, 1985). Devido aos resultados positivos, o estudo sobre o método teve seu escopo ampliado, sendo estendido a uma gama variada de solos e seus resultados comparados com os obtidos pelas normas da ABCP, obtendo-se uma correlação significativa, (CERATTI e CASANOVA, 1988).
Em pesquisa na COPPE desde 1985, após detalhados estudos envolvendo argilo-minerais e óxi-hidróxidos de ferro e alumínio puros, bem como solos oriundos de todo o