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Dissertação apresentada à Escola de Ciências e Tecnologia da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro para a obtenção do Grau de Mestre em Engenharia
Civil
Autor
Cláudia Andreia Cardoso Fernandes
Orientadores
Nuno Miguel Cordeiro Cristelo
Professor Auxiliar da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro
Paulo Alexandre Lopes Figueiredo Coelho
Professor Auxiliar da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
AGRADECIMENTOS
Quero de uma forma muito especial expor os meus mais profundos e sinceros agradecimentos, tanto aos que contribuíram direta como indiretamente na concretização de mais uma etapa da minha vida.
Ao professor Nuno Cristelo, pela orientação prestada ao longo da realização desta Dissertação.
Ao professor Paulo Coelho, pela disponibilidade, compreensão e amizade demonstrada durante o desenvolvimento deste trabalho.
Aos meus Pais, exemplo de seres humanos vencedores, pelos valores que sempre me transmitiram, muito obrigado por serem meus Pais e tenham a certeza de que esta etapa que se conclui seria impossível sem o vosso apoio e participação.
A ti pelo carinho, ajuda, incentivo e pela amizade transmitida nos momentos de maior fragilidade. Sem sombra de dúvida uma pessoa esforçada e que sabe o que quer!
À Mónica Dias, por ter partilhado comigo também esta jornada, um muito obrigado.
Ao Laboratório de Geotecnia da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra, que me disponibilizou o equipamento para a realização de muitos ensaios que foram levados a cabo nesta Dissertação.
Ao Departamento de Química da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro, em particular, à Lisete Fernandes, pela ajuda na realização das análises químicas e mineralógicas.
E por fim mas não menos importante, ao Sr. José, o meu muito obrigado pela paciência, dedicação e disponibilidade manifestadas. Fica aqui, o meu respeito e grande admiração pela capacidade profissional demonstrada e prestada por este amigo, é assim que o considero após estes meses de convivência.
RESUMO
Nos últimos tempos tem-se assistido a uma crescente preocupação relativamente ao aproveitamento de solos, devido ao elevado crescimento populacional, consequente ocupação do solo e questões ambientais. Tal facto contribuiu decisivamente para o desenvolvimento de técnicas de melhoramento e reforço de solos nas diversas aplicações de engenharia, em particular das técnicas de melhoramento ou estabilização química de solos.
O presente trabalho pretende contribuir para o conhecimento relativamente a uma técnica já há muito utilizada para fins rodoviários, mas agora analisando e quantificando os seus benefícios no aproveitamento e melhoramento de solos com características particulares. Assim, o estudo desenvolvido neste trabalho incide nas potencialidades do processo de estabilização com cimento de um solo residual granítico, proveniente da zona de Guimarães.
Para o efeito, foi feita uma abordagem ao estado de arte no que respeita ao comportamento e caracterização geotécnica do solo em estudo, bem como, aos métodos de estabilização de solos, em particular da estabilização química com cimento, identificando e caracterizando os fatores que afetam as propriedades dos solos estabilizados com cimento. Foi desenvolvido um programa experimental que se apresenta em duas partes. Na primeira foi feita a caracterização geotécnica do solo natural (não estabilizado) e na segunda foram desenvolvidos todos os procedimentos laboratoriais inerentes ao processo de estabilização do solo residual granítico por adição de cimento. No final foram quantificados os benefícios atingidos tendo por base o método da estabilização por adição de cimento para perceber a influência de diferentes parâmetros, nomeadamente do teor em água, da baridade seca, da percentagem de ligante e do tempo de cura sobre as propriedades mecânicas do solo estabilizado.
Os resultados obtidos indicam que o uso de cimento para a estabilização do solo residual estudado é um método que permite obter melhorias muito significativas na resistência à compressão simples do solo. Para as dosagens estudadas, verificou-se que quanto maior a percentagem de cimento, maior a resistência obtida. Como seria de esperar face à técnica estudada, o tempo de cura também é fundamental no valor da resistência das misturas de solo-cimento. Verificou-se ainda que o comportamento mecânico das misturas solo-cimento também é bastante influenciado pelo teor em água e peso volúmico seco das mesmas.
ABSTRACT
In recent times, there has been a growing concern regarding the occupation rate of the earth’s surface, due mainly to the high population growth, which requires the use of less capable soils for construction purposes. This has decisively contributed to the development of several techniques concerning the improvement and reinforcement of soils in various engineering applications, with a significant focus on chemical stabilization.
The present work aims to contribute to the knowledge of a technique that has for long been used for road purposes, but also analyzing and quantifying their benefits on the use and improvement of soils with particular characteristics. So, the study here developed focuses on the potential of the stabilization process, using cement, of a residual granitic soil, from the area of Guimarães.
For this purpose, a state of the art review was initially made concerning the behavior and geotechnical characterization of the studied soil, as well as the stabilization methods (in particular, the chemical stabilization with cement), including identification and characterization of the factors affecting the properties of soils stabilized with cement. An experimental program, divided in two parts, was developed. In the first part, a geotechnical characterization of the natural soil (unstabilized) was made and in the second part, all the laboratory procedures inherent to the process of residual granitic soil stabilization by addiction of cement were developed. At the end, the benefits were quantified in order to understand the relative influence of different parameters, specifically the moisture content, the dry density, the cement percentage and cure time on the mechanical properties of the stabilized soil.
The results show that the use of cement for the stabilization of this particular soil allows very significant strength improvements. For the studied dosages, it was found that the higher the percentage of cement used, the greater the strength obtained. As would be expected, taking into account the studied technique, the cure time is also essential on the resistance value of soil-cement mixtures. It was verified that the mechanical behavior of soil-cement mixtures is also very influenced by the moisture content and by the dry volume weight of those mixtures.
ÍNDICE DE TEXTO
AGRADECIMENTOS ... i
RESUMO ... iii
ABSTRACT ... v
ÍNDICE DE TEXTO ... vii
ÍNDICE DE FIGURAS ... xi ÍNDICE DE QUADROS ... xv SIMBOLOGIA ... xvii ABREVIATURAS ... xix 1 - INTRODUÇÃO ... 1 1.1 - Enquadramento ... 1 1.2 - Objetivos ... 2 1.3 - Organização da dissertação ... 2 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 5 2.1 - Considerações gerais ... 5
2.2 - Caracterização geológica-geotécnica de um solo residual granítico ... 6
2.2.1 - Processo de formação e composição ... 6
2.2.2 - Estrutura e plasticidade dos solos residuais ... 8
2.2.3 - Compressibilidade dos solos residuais ... 9
2.2.4 - Resistência ao corte dos solos residuais ... 9
2.3 - Estabilização de solos ... 12
2.3.1 - Necessidade de recorrer à estabilização de solos ... 12
2.3.2 - Métodos de estabilização de solos ... 13
2.3.2.1 - Estabilização mecânica ... 13
2.3.2.2 - Estabilização física ... 14
2.3.2.3 - Estabilização química ... 14
2.4 - Interações físico-químicas do processo de estabilização química de um solo ... 15
2.4.1 - Reações pozolânicas e de hidratação ... 16
2.5 - Estabilização química com cimento ... 18
2.5.1 - Tipo de misturas de solo e cimento ... 18
2.5.2 - Especificações para o solo a ser tratado ... 19
2.5.3 - Fatores com influência nas propriedades das misturas de solo e cimento ... 19
2.5.3.1 - Propriedades físico-químicas do solo ... 19
2.5.3.2 - Teor em cimento ... 20
2.5.3.3 - Porosidade da mistura ... 21
2.5.3.4 - Teor em água da mistura compactada ... 22
2.5.3.5 - Condições de cura ... 23
2.5.3.6 - Tempo de cura ... 24
2.6 - Ensaios utilizados para avaliação do comportamento mecânico do solo estabilizado quimicamente ... 25
2.6.1 - Compressão simples ... 25
2.6.2 - Análise da microestrutura e composição do solo estabilizado ... 26
2.6.2.1 - Microscopia Eletrónica de Varrimento (SEM) ... 26
2.6.2.2 - Difração por Raios X ... 28
2.6.2.3 - Espectrometria de Dispersão de Energia (EDS) ... 29
2.7 - Parâmetros utilizados para avaliar a eficácia das misturas solo-cimento ... 29
2.7.1 - Razão água/cimento ... 29
2.7.2 - Razão vazios/cimento ... 30
2.8 - Aplicabilidade da técnica estabilização com cimento ... 34
3 - CARACTERIZAÇÃO GEOTÉCNICA DO SOLO NATURAL ... 37
3.1 - Consideração iniciais ... 37
3.2 - Ensaios de caracterização e identificação do solo ... 37
3.2.1 - Propriedades físicas ... 37
3.2.1.1 - Teor em água ... 37
3.2.1.2 - Densidade das partículas sólidas ... 38
3.2.2 - Características de identificação ... 38
3.2.2.1 - Composição mineralógica ... 39
3.2.2.2 - Composição química ... 41
3.2.2.3 - Teor em matéria orgânica ... 42
3.2.2.5 - Limites de consistência ... 46
3.3 - Classificação do solo ... 48
3.4 - Determinação do teor ótimo de humidade ... 49
3.5 - Considerações Finais ... 50
4 - ESTABILIZAÇÃO DO SOLO NATURAL ... 53
4.1 - Considerações iniciais ... 53
4.2 - Metodologia laboratorial ... 54
4.2.1 - Descrição dos materiais e equipamentos ... 54
4.2.1.1 - Solo natural ... 54
4.2.1.2 - Ligante ... 54
4.2.1.3 - Equipamento ... 54
4.2.1.4 - Moldes ... 55
4.2.2 - Ponderação da quantidade dos vários componentes ... 56
4.2.2.1 - Moldagem dos pontos analisar ... 56
4.2.2.2 - Obtenção das quantidades dos vários componentes das misturas ... 59
4.2.3 - Preparação das amostras ... 60
4.2.3.1 - Tratamento prévio do solo natural ... 60
4.2.3.2 - Preparação das misturas ... 61
4.2.3.3 - Compactação ... 63
4.2.3.4 - Cura dos provetes ... 63
4.2.4 - Avaliação da resistência dos provetes ... 65
4.2.4.1 - Controle dos provetes ... 65
4.2.4.2 - Velocidade de deformação do ensaio ... 66
4.2.4.3 - Ensaio de compressão simples ... 66
4.2.5 - Considerações finais ... 70
4.3 - Análise da composição e microestrutura do solo ... 72
4.3.1 - Caracterização mineralógica por difração de raios X (DRX) ... 72
4.3.2 - Microscopia eletrónica de varrimento (SEM/EDS) ... 74
5 - APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS OBTIDOS ... 77
5.1 - Considerações iniciais ... 77
5.2 - Ensaios de compressão simples ... 79
5.2.2 - Influência do teor em cimento ... 82
5.2.3 - Influência do teor em água ... 89
5.2.4 - Influência da baridade seca ... 94
5.3 - Análise da microestrutura e composição ... 98
5.3.1 - Microestrutura e composição química do solo estabilizado (SEM/EDS) ... 98
5.3.1.1 - Influência do tempo de cura ... 98
5.3.1.2 - Influência do teor em ligante ... 102
5.3.1.3 - Influência do teor em água... 104
5.3.2 - Análise mineralógica ... 108
6 - CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 111
6.1 - Principais conclusões ... 111
6.2 - Trabalhos futuros ... 113
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 - Perfil típico de um solo residual (Fernandes, 2006) ... 7
Figura 2.2 - Fotografia com microscópia binocular de um solo residual do granito, onde é possível observar a sua estrutura cimentada (Fernandes, 2006; adaptado de Fonseca, 1988) ... 9
Figura 2.3 - Curvas envolventes de rotura típicas de solos residuais em condições saturadas - Tensões efetivas, por Vargas em 1971 (Fonseca, 1988) ... 10
Figura 2.4 - Curvas envolventes de rotura típicas de solos residuais em condições não saturadas-Tensões totais, por Vargas em 1971 (Fonseca, 1988) ... 10
Figura 2.5 - Agente estabilizador a utilizar em função do tipo de solo (Little, 1995; adaptado de Cruz e Jalali, 2008) ... 15
Figura 2.6 - Variação da resistência à compressão simples com o teor em cimento (Consoli et al., 2007) ... 21
Figura 2.7 - Variação da resistência à compressão simples com a porosidade (Consoli et al., 2007) ... 22
Figura 2.8 - Efeito do teor de humidade na resistência à compressão simples (Consoli et al., 2007) ... 23
Figura 3.1 - Difratograma relativo ao solo natural ... 40
Figura 3.2 - Imagens do solo natural obtidas por microscópio ótico ... 40
Figura 3.3 - Espetro da composição química do solo natural obtido por EDS ... 41
Figura 3.4 - Imagens SEM do solo natural obtidas por microscópio de varrimento ... 42
Figura 3.5 - Material retido em cada peneiro ... 45
Figura 3.6 - Curva granulométrica do solo em estudo ... 45
Figura 4.1 - Algum equipamento laboratorial utilizado: a) Prensa com capacidade de carga de 600 KN; b) Misturadora da marca Sammic, modelo BM II (potência de 550W) . 55 Figura 4.2 - Pontos de moldagem para o solo: misturas de cimento ... 56
Figura 4.3 - Preparação do solo natural para posterior realização das misturas com cimento: a) Secagem; b) Desagregação dos torrões; c) Peneiração ... 61
Figura 4.4 - Principais procedimentos na preparação das misturas: a) Pesagem do solo; b) Pesagem da água; c) Preparação da homogeneização da mistura ... 62
Figura 4.5 - Principais procedimentos na preparação das misturas: a) Primeiro envolvimento do solo com o cimento; b) Mistura homogeneizada; d) Repartição da amostra em três partes iguais ... 63
Figura 4.6 - Desmoldagem dos provetes: a) Provete após compactação; b), c), d)
Desmoldagem; e) Aspeto visual do provete após desmoldagem ... 64 Figura 4.7 - Provetes armazenados em câmara húmida ... 65 Figura 4.8 - Ensaio de compressão simples a provetes com 1 dia: a) 5% Cimento, b) 10%
Cimento ... 67 Figura 4.9 - Ensaio de compressão simples a provetes com 3 dias: a) 5% Cimento, b) 7,5%
Cimento ... 68 Figura 4.10 - Ensaio de compressão simples a provetes com 7 dias: a) 5% Cimento, b) 10%
Cimento ... 68 Figura 4.11 - Ensaio de compressão simples a provetes com 30 dias: a) 7,5% Cimento, b)
10% Cimento ... 69 Figura 4.12 - Aspeto visual de provetes com 60 dias depois sujeitos a ensaio de compressão
simples: a) 7,5% Cimento, b) 10% Cimento ... 69 Figura 4.13 - Ensaio de compressão simples a provetes com 90 dias: a) 5% Cimento, b) 10%
Cimento ... 70 Figura 4.14 - Aspeto visual dos provetes antes do ensaio de compressão simples ... 71 Figura 4.15 -Forma de rotura dos provetes: a) Provete com 1 dia; b), c) Provetes com 30 dias;
d) Provete com 60 dias ... 71 Figura 4.16 - Equipamento de difração por Raios X: a) Imagem exterior do equipamento; b)
Interior do equipamento ... 73 Figura 4.17 - Amostra no porta amostras padrão, para posterior realização da difração por
Raios X ... 73 Figura 4.18 - Microscópio Eletrónico de Varrimento (SEM/EDS) ... 74 Figura 4.19 - Amostras no interior da câmara para posterior realização da análise (SEM/EDS)
... 75 Figura 5.1 - Evolução da resistência à compressão simples com o tempo de cura para o ponto
de moldagem A1 ... 79 Figura 5.2 - Evolução da resistência à compressão simples com o tempo de cura para o ponto
de moldagem B1 ... 80 Figura 5.3 - Evolução da resistência à compressão simples com o tempo de cura para o ponto
de moldagem B2 ... 80 Figura 5.4 - Evolução da resistência à compressão simples com o tempo de cura para o ponto
de moldagem B3 ... 81 Figura 5.5 - Evolução da resistência à compressão simples com o tempo de cura para o ponto
Figura 5.6 - Variação da resistência à compressão simples com o teor em cimento para o ponto de moldagem A1 ... 83 Figura 5.7 - Variação da resistência à compressão simples com o teor em cimento para o
ponto de moldagem B1 ... 83 Figura 5.8 - Variação da resistência à compressão simples com o teor em cimento para o
ponto de moldagem B2 ... 84 Figura 5.9 - Variação da resistência à compressão simples com o teor em cimento para o
ponto de moldagem B3 ... 84 Figura 5.10 - Variação da resistência à compressão simples com o teor em cimento para o
ponto de moldagem C1 ... 85 Figura 5.11 - Variação da resistência à compressão simples com o teor em cimento nas
misturas com 1 dia ... 86 Figura 5.12 - Variação da resistência à compressão simples com o teor em cimento nas
misturas com 3 dias ... 86 Figura 5.13 - Variação da resistência à compressão simples com o teor em cimento nas
misturas com 7 dias ... 87 Figura 5.14 - Variação da resistência à compressão simples com o teor em cimento nas
misturas com 30 dias ... 87 Figura 5.15 - Variação da resistência à compressão simples com o teor em cimento nas
misturas com 60 dias ... 88 Figura 5.16 - Variação da resistência à compressão simples com o teor em cimento nas
misturas com 90 dias ... 88 Figura 5.17 - Variação da resistência à compressão simples em função do teor em água nas
misturas com 1 dia ... 90 Figura 5.18 - Variação da resistência à compressão simples em função do teor em água nas
misturas com 3 dias ... 90 Figura 5.19 - Variação da resistência à compressão simples em função do teor em água nas
misturas com 7 dias ... 91 Figura 5.20 - Variação da resistência à compressão simples em função do teor em água nas
misturas com 30 dias ... 91 Figura 5.21 - Variação da resistência à compressão simples em função do teor em água nas
misturas com 60 dias ... 92 Figura 5.22 - Variação da resistência à compressão simples em função do teor em água nas
misturas com 90 dias ... 92 Figura 5.23 - Variação da resistência à compressão simples com a baridade seca nas misturas
Figura 5.24 - Variação da resistência à compressão simples com a baridade seca nas misturas com 3 dias ... 95 Figura 5.25 - Variação da resistência à compressão simples com a baridade seca nas misturas
com 7 dias ... 95 Figura 5.26 - Variação da resistência à compressão simples com a baridade seca nas misturas
com 30 dias ... 96 Figura 5.27 - Variação da resistência à compressão simples com a baridade seca nas misturas
com 60 dias ... 96 Figura 5.28 - Variação da resistência à compressão simples com a baridade seca nas misturas
com 90 dias ... 97 Figura 5.29 - Imagens da mistura C3_(A1): a) Obtida recorrendo a microscópio ótico; b), c) e
d)Imagens SEM obtidas por microscópio de varrimento ... 98 Figura 5.30 - Imagens da mistura C30_(A1): a) Obtida recorrendo a microscópio ótico; b), c)
e d) Imagens SEM obtidas por microscópio de varrimento ... 99 Figura 5.31 - Espetro da composição química da mistura C3_(A1) com 3 dias de cura, obtido
por EDS ... 100 Figura 5.32 - Espetro da composição química da mistura C30_(A1) com 30 dias de cura,
obtido por EDS ... 101 Figura 5.33 - Imagens da mistura A30_(A1): a) Obtida recorrendo a microscópio ótico; b), c)
e d) Imagens SEM obtidas por microscópio de varrimento ... 102 Figura 5.34 - Espetro da composição química da mistura A30_(A1) com 30 dias de cura,
obtido por EDS ... 103 Figura 5.35 - Imagens da mistura C30_(B1): a) Obtida recorrendo a microscópio ótico; b), c)
e d) Imagens SEM obtidas por microscópio de varrimento ... 104 Figura 5.36 - Imagens da mistura C30_(B3): a) Obtida recorrendo a microscópio ótico; b), c)
e d) Imagens SEM obtidas por microscópio de varrimento ... 105 Figura 5.37 - Espetro da composição química da mistura C30_(B1) com 30 dias de cura,
obtido por EDS ... 106 Figura 5.38 - Espetro da composição química da mistura C30_(B3) com 30 dias de cura,
obtido por EDS ... 107 Figura 5.39 - Comparação entre os difratogramas do solo natural e as misturas em análise 108 Figura 5.40 - Ampliação do difratograma da Figura 5.39 ... 109
ÍNDICE DE QUADROS
Quadro 3.1 - Composição granulométrica do solo em estudo ... 45
Quadro 3.2 - Resultados obtidos para os limites de consistência do solo em estudo ... 48
Quadro 3.3 - Parâmetros de análise da curva granulométrica do solo em estudo ... 48
Quadro 3.4 - Valores ótimos obtidos no Proctor Normal para o solo em estudo ... 49
Quadro 3.5 - Resumo dos resultados de caracterização e identificação do solo em estudo ... 51
Quadro 4.1 - Valores da baridade seca e teor em água para cada ponto de moldagem... 57
Quadro 4.2 - Identificação das misturas a realizar ... 58
Quadro 4.3 - Parâmetros e respetivos pontos de moldagem em estudo em ambas as análises 72 Quadro 5.1 - Resumo dos valores obtidos em laboratório para o solo estabilizado ... 78
SIMBOLOGIA
a - Massa de água
Al - Alumínio
Al2O3 - Óxido de Alumínio
aw - Teor em cimento (definido como a razão entre as massas secas de ligante e de solo)
C - Teor em cimento (expresso em relação à massa de solo seco)
Ca - Cálcio
CaO - Óxido de cálcio
Cc - Coeficiente de curvatura
Ce - Massa de cimento
Cev - Teor em cimento volumétrico expresso em relação ao volume total da amostra
C-H - Hidróxido de cálcio
C-S-H - Silicato de cálcio hidratado Cu - Coeficiente de uniformidade
D10 - Diâmetro efetivo, dimensão abaixo da qual se situam 10 % em peso das partículas do solo
D30 - Diâmetro abaixo do qual se situam 30 % em peso das partículas do solo
D60 - Diâmetro abaixo do qual se situam 60 % em peso das partículas do solo
Fe - Ferro
Gs - Densidade das partículas sólidas
IP - Índice de plasticidade
K - Potássio
LL - Limite de liquidez
LP - Limite de plasticidade
Mg - Magnésio
MH - Silte com alta plasticidade
ML - Silte com baixa plasticidade
Na - Sódio
OM - Teor em matéria orgânica
Phum - Massa do provete húmido
Ps - Massa do provete seco
PVC - Policloreto de Vinilo Pw - Massa de água
qu, qumáx - Resistência à compressão não confinada
S - Enxofre
Si - Silício
SiO2 - Dióxido de Silício
SO3 - Óxido ou trióxido de enxofre (o teor em sulfatos é expresso em % de SO3) Ti - Titânio
Vce - Volume de cimento
Vv - Volume de vazios
w - Teor em água
wót - Teor ótimo em água 𝛾𝑑 - Peso volúmico seco
ABREVIATURAS
ASTM – American Society for Testing and Materials BS – British Standards
EDS – Espectrometria de Dispersão de Energia (do inglês: Energy dispersive spectroscopy) EN – Norma Europeia
FCTUC – Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra LNEC – Laboratório Nacional de Engenharia Civil
NP – Norma Portuguesa
SEM – Microscopia Eletrónica de Varrimento (do inglês: Scanning electron microscopy) UCS – Ensaio de compressão não confinada (do inglês: Uniaxial Compressive Strength) XRD – Difração por Raios X (do inglês: X-ray Diffraction)
1 - INTRODUÇÃO
1.1 - ENQUADRAMENTO
Tendo em conta a expansão, quer social, quer industrial dos últimos tempos, desencadeou-se um notável dedesencadeou-senvolvimento da construção, concretamente das técnicas de construção, sendo de destacar as técnicas de melhoramento e reforço de solos, pois estas possibilitam a ocupação de novas áreas de solo, caracterizadas por fracas propriedades geotécnicas (baixa resistência e elevada deformabilidade).
Os solos do Norte de Portugal são maioritariamente graníticos, com uma baixa fração de argila, composta principalmente por caulinite (Fonseca,1988), portanto não são adequados a serem utilizados para construção em terra sem estabilização. Este tipo de solo não possui coesão suficiente que permita a sua viabilidade na referida aplicação, daí a necessidade de melhorar o solo original. Contudo a baixa atividade do mesmo não favorece o uso da cal, o que obriga a recorrer a outro tipo de componente químico.
Uma escolha óbvia seria o cimento. No entanto, o processo de estabilização com cimento deste tipo de solo, ainda não está completamente compreendido, pois poucos estudos têm sido publicados e os poucos que existem são para aplicações rodoviárias e ferroviárias (Cruz et al., 2011; Rios et al., 2011; Silva, 2011).
A estabilização dos solos é um processo mais recente, que tem como finalidade obter dos solos um melhor comportamento mecânico, uma melhor coesão, reduzir a porosidade, aumentando a impermeabilidade, e reduzir a erosão provocada pelo vento e chuva. Os estabilizantes mais utilizados são o cimento e a cal (Marques, 2002).
Tendo como base os seguintes conceitos: solo residual granítico, reutilização e estabilização química com ligantes, surge este trabalho de investigação, inserido num projeto mais vasto que envolve a Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro, a Universidade do Minho e a Universidade de Coimbra.
1.2 - OBJETIVOS
Esta Dissertação de Mestrado tem como objetivo contribuir para um melhor conhecimento e compreensão do comportamento mecânico de um solo residual granítico estabilizado com cimento. Pretende-se assim, quantificar os benefícios alcançados com a estabilização química e otimizar o processo de estabilização de solos residuais graníticos.
Para o efeito, o trabalho que se apresenta visa a caracterização geotécnica do solo residual granítico, típico do Norte de Portugal, bem como a caracterização geotécnica e estrutural da sua mistura com cimento. Os principais objetivos deste estudo são:
Identificar as principais variáveis no desenvolvimento da resistência da mistura de solo-cimento;
Avaliação da influência do teor em cimento e do tempo de cura na resistência à compressão simples;
Influência do teor em água sobre a resistência à compressão simples do solo estabilizado com cimento;
Influência do peso volúmico seco sobre a resistência à compressão simples do solo estabilizado com cimento.
1.3 - ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO
O solo utilizado foi recolhido perto das instalações da Universidade do Minho, em Guimarães. Foi definido um programa experimental, constituído por duas partes. Uma primeira parte em que foi feita uma caracterização geotécnica do solo natural, tendo sido este submetido a ensaios para análise da granulometria, dos limites de consistência e dos parâmetros de compactação. Foi também feita uma caracterização adicional através de Microscopia Eletrónica de Varrimento (SEM), acompanhada da técnica designada por Espectrometria de Dispersão de Energia (EDS) e análise por Difração de Raios X (DRX). Para ser possível obter imagens que permitam visualizar os aspetos da microestrutura do material e fazer a identificação qualitativa e semiquantitativa dos elementos químicos presentes no mesmo, bem como, a sua caracterização mineralógica.
Na segunda parte é colocado em prática o processo de estabilização com cimento, sendo aqui descritas todas as técnicas de moldagem e cura das amostras, bem como, os ensaios de compressão simples, utilizados para avaliar a resistência mecânica do solo estabilizado. Nesta fase, foi também realizada a caracterização adicional do solo estabilizado, como forma de avaliar a influência de alguns parâmetros, tendo por base, as técnicas já utilizadas na análise do solo natural.
Como tal, a presente dissertação está organizada em 6 Capítulos, sendo o primeiro dos quais constituído pela presente introdução.
A revisão bibliográfica, que incorpora o Capitulo 2, apresenta estudos já elaborados relativamente à técnica de estabilização de solos, bem como, alguns conceitos inerentes ao assunto em estudo e sua envolvente.
O Capítulo 3 diz respeito à metodologia laboratorial da caracterização do solo natural, onde os ensaios são apresentados e o solo em estudo caracterizado.
No Capítulo 4 é desenvolvido todo o trabalho laboratorial referente ao melhoramento do solo com cimento, sendo apresentados os equipamentos utilizados, o método de preparação das amostras, o processo de cura e os ensaios a que estas foram sujeitas. Este também apresenta todos os trabalhos relativos à caracterização do solo estabilizado, com recurso à Microscopia Eletrónica de Varrimento acompanhada da técnica de Espectrometria de Dispersão de Energia e à Difração por Raios X.
No Capítulo 5 são apresentados e discutidos os resultados do trabalho experimental. São realizadas várias representações gráficas para avaliar a resistência à compressão simples em função do tempo de cura, teor em cimento, teor em água e baridade seca das misturas solo-cimento. São apresentados também os resultados da análise da microestrutura e composição do solo-cimento.
Por fim, no Capítulo 6 serão resumidas as principais conclusões recolhidas ao longo do trabalho e serão apresentadas algumas propostas de continuidade e de desenvolvimento do trabalho efetuado.
2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 - CONSIDERAÇÕES GERAIS
De acordo com Woodward (2005), citado por Cristelo (2009), o solo natural constituí um material complexo que varia de acordo com a sua localização. No entanto, devido ao seu baixo custo e universalidade, tem uma elevada utilidade como material de engenharia. Não é invulgar que o solo de um determinado local não cumpra, total ou parcialmente, os requisitos necessários para ser usado como material de engenharia. Nesse caso, uma decisão tem de ser tomada em relação à solução mais adequada para cada situação:
Aceitar o material original e ajustar o projeto às restrições por ele impostas;
Remover o solo do seu local original e substitui-lo por material de qualidade superior;
Alterar as propriedades do solo original de forma a criar um material capaz de satisfazer os requisitos do projeto.
Esta última possibilidade é usualmente designada por estabilização de solos.
O desenvolvimento desta técnica resultou do elevado crescimento populacional e consequente avanço da tecnologia, ocorrendo assim uma maior ocupação do solo. Tornando-se por vezes esta ocupação do solo um desafio para o ato de engenharia, devido às fracas características geotécnicas do solo a ocupar.
São várias as técnicas de melhoramento e reforço atualmente existentes, podendo simplesmente serem agrupadas em técnicas de melhoramento e técnicas de reforço (Cardoso, 1987, cit in Correia 2011). As primeiras, também muitas vezes designadas de estabilização, dizem respeito à alteração de pelo menos uma das propriedades intrínsecas do solo, podendo o efeito do tratamento do solo ser, temporário ou permanente, e de natureza química, física, ou mecânica. Neste grupo encontram-se técnicas como as injeções, o aquecimento ou a congelação, os drenos verticais, a compactação, a pré-carga, etc. Já nas técnicas de reforço de um solo, o efeito é essencialmente estrutural, uma vez que são introduzidos no solo determinados elementos resistentes que, dadas as suas características, tornam possível que o
maciço suporte solicitações às quais por si só não está habilitado a resistir. Neste grupo incluem-se as técnicas de pregagens, ancoragens, estacas, etc. (Correia, 2011).
A técnica de melhoramento ou estabilização química de um solo, tendo em conta o aproveitamento do mesmo, será assunto a destacar neste estudo, sendo feita a apresentação de alguns conceitos e fenómenos nas secções seguintes de modo a fazer um enquadramento do estudo em causa.
Inicia-se o Capítulo pela apresentação das características geológicas e geotécnicas do solo a aproveitar, solo residual granítico, oriundo do Norte de Portugal, é feita também uma breve explicação da técnica em estudo e o porquê do seu uso. Seguindo-se uma descrição dos fenómenos envolvidos no processo de estabilização química com ligante de um solo, bem como, os fatores e parâmetros que influenciam quer a mistura, quer o material resultante, tendo em conta alguns estudos efetuados até a data.
2.2 - CARACTERIZAÇÃO GEOLÓGICA-GEOTÉCNICA DE UM SOLO RESIDUAL GRANÍTICO
Em parte significativa do Norte de Portugal, em particular nas regiões de Entre Douro e Minho e na Beira Alta, as formações geológicas predominantes são as rochas graníticas. Cidades como o Porto, Braga, Guimarães e Viseu encontram-se literalmente fundadas em solos residuais do granito (Fernandes, 2006).
2.2.1 - PROCESSO DE FORMAÇÃO E COMPOSIÇÃO
Fonseca (1988), define solos residuais, como sendo aqueles que resultam da decomposição "in situ" das rochas que lhe são originárias. O autor realça que, decomposição, significa uma transformação gradual por fragmentação e alteração química da rocha mãe, resultando um solo constituído por cristais, microcristais e fragmentos da rocha mais ou menos alterada.
Como refere Townsend (1985) e exposto por Fonseca (1988), solos residuais graníticos são solos resultantes de ações químicas ou térmicas no tempo e, por isso, dependem dos fatores climáticos, materiais de origem, topografia e condições de drenagem e idade.
Segundo Vargas (1971), (em Fonseca, 1988), no produto de decomposição da rocha, temos: fragmentos da rocha que resistem ao processo; cristais de quartzo (SiO2) também
resistentes e que se destacam da rocha original; minerais de argila (caulinite, haloisite e montmorilonite) provenientes das reações que atacam os feldspatos, feldspatoides e micas da rocha original e elementos acidentais precipitados, dos quais salienta-se a gibsite e a limonite, cuja presença condiciona muito as propriedades geotécnicas do solo.
O autor refere ainda que a cada um destes elementos corresponde uma dimensão estatística das partículas. Assim, aos fragmentos da rocha correspondem diâmetros de grãos maiores que 2 mm (peneiro ASTM n.º 10), aos cristais de quartzo, correspondem diâmetros entre 2 e 0,02 mm, aos cristais de argilas corresponde, um diâmetro inferior a 0,002 mm, sendo a faixa compreendida entre 0,02 e 0,002 mm, preenchida pelos elementos de natureza acidental. Não fazem parte desta organização, as palhetas de mica, de comprimento e espessura aleatórias, as concreções de limonite (óxidos de ferro hidratados) e outros cristais esporádicos.
A Figura 2.1 realça um perfil típico de um maciço rochoso, com zona superficial alterada e com recobrimento de solos residuais.
A meteorização do granito em climas temperados não implica em regra uma modificação da estrutura original do maciço rochoso. Para os solos residuais que no essencial conservam a estrutura da rocha-mãe são normalmente usados os termos arenas ou saprólitos, correspondentes à tradução dos termos usados nas literaturas francesa e inglesa, respetivamente, arène e saprolite (Fernandes, 2006).
2.2.2 - ESTRUTURA E PLASTICIDADE DOS SOLOS RESIDUAIS
Fernandes (2006) salienta o facto de este tipo de solos apresentar uma estrutura particularmente interessante, pois sendo solos de granulometria muito extensa, as partículas não têm uma distribuição espacial uniforme. É composto por uma estrutura primária, formada pelas partículas mais grossas, em geral os grãos de quartzo, enquanto as partículas finas formam pontes ou ligações cimentícias nos pontos de contacto dos grossos. Aquelas podem corresponder a ligações da antiga rocha não destruídas ou a outras reconstruídas no âmbito do processo químico de decomposição da rocha. Diz-se então que estes solos apresentam
estrutura cimentada (Figura 2.2).
O mesmo autor afirma que a fração de argila presente neste tipo de solo é reduzida, sendo os minerais desta pouco ativos, sendo assim, em geral os solos residuais graníticos são solos pouco plásticos ou mesmo, nos casos em que a alteração química não se encontra muito avançada, não-plásticos.
Designam-se por não-plásticos os solos em relação aos quais não é possível a determinação dos limites de Atterberg (NP-143, 1969).
Figura 2.2 - Fotografia com microscópia binocular de um solo residual do granito, onde é possível observar a sua estrutura cimentada (Fernandes, 2006; adaptado de Fonseca, 1988)
2.2.3 - COMPRESSIBILIDADE DOS SOLOS RESIDUAIS
Estes solos apresentam uma baixa variação de índice de vazios, por unidade logarítmica de pressões aplicadas, antes de uma determinada pressão (a chamada tensão de consolidação), sendo muito maior depois da mesma. Esta existência de tensão de pré-consolidação não pode ser explicada da forma convencional. Esta tensão poderá ter origem na estrutura do esqueleto grosso, constituído por fragmentos de rocha sã alterada de diâmetro maior que 2 mm e grãos de areia, cristais de quartzo, de diâmetro entre 50 µm e 2 mm. Atingida a tensão de pré-consolidação "virtual" o esqueleto deixa de se deformar só por si, passando a comprimir-se em conjunto com a matriz argilosa (Fonseca, 1988).
2.2.4 - RESISTÊNCIA AO CORTE DOS SOLOS RESIDUAIS
Vargas (1971), cit in Fonseca (1988), apresentou alguns estudos para tal resistência, tendo como base curvas envolventes de Mohr de amostras cilíndricas de solo residual saturado, nas três condições clássicas do ensaio: drenado com amostra intacta, S; não drenado com amostra intacta, Q; e drenado com amostra remexida e recompactada, R (Figura 2.3 e 2.4).
Figura 2.3 - Curvas envolventes de rotura típicas de solos residuais em condições saturadas - Tensões efetivas, por Vargas em 1971 (Fonseca, 1988)
A mesma análise foi feita pelo autor para ensaios nas mesmas circunstâncias mas em condições não saturadas.
Figura 2.4 - Curvas envolventes de rotura típicas de solos residuais em condições não saturadas-Tensões totais, por Vargas em 1971 (Fonseca, 1988)
O autor salienta o acentuado pronunciamento da parte curva, o qual corresponde a coesões maiores do que as observadas nos solos não saturados comuns. A explicação para este facto reside em que, para além da coesão adicional devida a tensões neutras negativas - sucção nas amostras de solo não saturado, a presença de água nas amostras saturadas diminui a cimentação do esqueleto grosso por fluidificação das coloides aglutinantes.
O mesmo autor afirma ser possível definir três situações:
a) As curvas dos ensaios S,R e Q são semelhantes porque não se desenvolvem pressões neutras em nenhum deles devido à grande dimensão dos vazios;
b) A diminuição dos vazios devido às elevadas tensões leva ao aparecimento de pressões neutras, tornando-se o comportamento dos solos residuais não saturados semelhantes aos saturados. Recorda-se o facto, atrás referido, de que os solos residuais apresentam geralmente graus de saturação elevados;
c) Situação intermédia em que se situa a maior parte dos casos, já que a pressão necessária para saturar o solo é muito elevada.
Fonseca (1988) apresenta a ideia de Vaughan et al. (1987), que defende que devido à aglomeração de partículas por cimentação química, característica dominante dos solos residuais, aparece uma envolvente de resistência ao corte drenado com uma coesão efetiva, c', isto mesmo apesar da elevada porosidade do solo e das características granulares.
Os solos residuais encontram-se num estado de saturação parcial, com tensões neutras negativas (sucção), ou seja, tensões efetivas na massa do solo maiores que as devidas ao peso de solo sobrejacente, originando resistências adicionais aparentes (Fonseca, 1988).
Tendo em conta o trabalho de Fonseca (1988) é possível afirmar as seguintes ideias acerca da resistência ao corte apresentada por este tipo de solos:
- O ângulo de atrito só será influenciado por dois fatores:
O grau de saturação (a água poderá lubrificar as partículas apresentando menor atrito o solo saturado);
O grau de remeximento (o remeximento e compactação podem quebrar ligações entre partículas finas de argila que tinham formado aglomerados grossos, alterando o valor de atrito da condição intacta para a recompactada).
- A coesão poderá ser de dois tipos:
Coesão efetiva - eventualmente resultante da formação de partículas argilosas no processo de decomposição da rocha mãe, as quais conferem uma certa coesão ao solo. Esta coesão é sobretudo devida às ligações existentes entre as partículas (pontes de cimentação química) e desaparece com o remeximento total da amostra.
Coesão aparente - parcela adicional existente no caso do solo não se encontrar saturado, como já foi explicado atrás.
Fonseca (1988) comprova que parte da coesão destes solos perde-se quando o material é remexido, sendo a resistência adicional obtida para os graus mais baixos da tensão de confinamento devida, possivelmente, às referidas ligações entre partículas remanescentes.
2.3 - ESTABILIZAÇÃO DE SOLOS
Quando os solos naturais não possuem os requisitos necessários para cumprir adequadamente a função a que estão destinados, quer quando utilizados no seu estado natural, em fundações ou escavações, quer quando utilizados como material de construção, uma das soluções possíveis é a alteração das suas características de maneira a melhorar o seu comportamento, tornando-os capazes de responder de forma satisfatória às solicitações previstas. Esta alteração é o que se designa por estabilização de solos (Cruz e Jalali, 2008).
2.3.1 - NECESSIDADE DE RECORRER À ESTABILIZAÇÃO DE SOLOS
A resistência do solo a uma determinada carga não depende apenas das características intrínsecas do solo, mas também do estado de tensão instalado antes da solicitação e do teor em água. Sendo assim, a estabilização de um solo onde o estado de tensão é constante em toda a sua massa e a variação do teor em água é mínima, é diferente de estabilizar a superfície de um declive em que a variação de humidade é considerável, ou mesmo em estabilizar a base de um pavimento rodoviário onde estado de tensão e teores de humidade apresentam significativas variações. O método de melhorar as propriedades do solo precisa de ser compatível com a carga que irá receber e para o ambiente em que é colocado. Por exemplo, a compactação de um solo expansivo irá aumentar a sua resistência, mas em contacto com a água por um longo período, é capaz de absorvê-la e expandir, diminuindo novamente a resistência. A estabilização deve contribuir para a modificação das propriedades naturais do
solo, mas também deve assegurar em termos de medidas preventivas contra condições adversas desenvolvidas quer durante a construção quer durante a vida útil da obra (Cristelo, 2009).
As propriedades de maior interesse para um engenheiro geotécnico são o controle da expansibilidade, da deformabilidade, a resistência, a durabilidade dessa resistência e a permeabilidade. Sendo assim, será necessário recorrer á estabilização de solos para controlar este tipo de fenómenos.
2.3.2 - MÉTODOS DE ESTABILIZAÇÃO DE SOLOS
As alterações às propriedades de um solo podem ser de ordem química, física e mecânica. Contudo, devido à grande variabilidade dos solos nenhum método será bem sucedido em todos os tipos de solos. A estabilização não é necessariamente um processo infalível através do qual toda e qualquer propriedade do solo é alterada para melhor. Uma aplicação correta de qualquer método exige assim a identificação clara de quais as propriedades do solo que se pretendem melhorar (Cristelo, 2001).
Um fator a ter em conta na escolha da técnica a adotar é o impacto ambiental, existindo hoje em dia fortes pressões para a sua consideração e minimização. Sendo assim, será de aproveitar os materiais existentes no local da obra, independentemente da sua qualidade e adequabilidade ao projeto em questão. Surge então o conceito, técnica de melhoramento ou estabilização química de um solo com materiais que possuem propriedades aglomerantes (ligantes) (Correia, 2011).
2.3.2.1 - Estabilização mecânica
Consiste na melhoria das propriedades do solo através de uma reorganização da posição relativa das suas partículas, com ou sem introdução de novas partículas, por forma a obter uma massa mais densa, heterogénea.
Compactação Vibroflutuação
Compactação dinâmica Compactação por explosivos
Aceleração da consolidação (Pré-carga e drenos verticais) Correções granulométricas
2.3.2.2 - Estabilização física
As propriedades dos solos são alteradas através do uso do calor ou da aplicação de um potencial elétrico.
Electro-osmose
Tratamento Térmico (Aquecimento e congelação)
2.3.2.3 - Estabilização química
Consiste na adição de componentes químicos tais como, cimento ou cal, ao solo original, tendo em vista a melhoria das propriedades do solo em geral.
Quando se utiliza o cimento ou a cal, as partículas do solo são coladas por meio de produtos químicos e não reações físicas.
Cimento Cal
Ativação alcalina Produtos betuminosos
Os agentes estabilizadores podem ter maior ou menor eficiência, consoante o tipo de solo em causa, dada a sua enorme variedade, quer a nível físico, quer a nível químico. A Figura 2.5 esquematiza quais os agentes mais indicados, mediante os resultados dos ensaios de análise granulométrica e dos limites de Atterberg (Cruz e Jalali, 2008).
Figura 2.5 - Agente estabilizador a utilizar em função do tipo de solo (Little, 1995; adaptado de Cruz e Jalali, 2008)
2.4 - INTERAÇÕES FÍSICO-QUÍMICAS DO PROCESSO DE ESTABILIZAÇÃO QUÍMICA DE UM SOLO
Segundo Correia (2011) ao introduzir materiais com propriedades aglomerantes num solo desenvolvem-se interações físico-químicas que conduzem à alteração do seu comportamento mecânico, sendo estas alterações muito dependentes do tipo e da quantidade de ligante, assim como das características e condições do solo base. Estas interações físico-químicas podem ser agrupadas segundo 3 categorias:
Reação de hidratação (ou reação primária); Reação pozolânica (ou reação secundária); Troca iónica.
As que mais contribuem para a alteração do comportamento mecânico do solo são as duas primeiras. As reações de hidratação são as que acontecem entre o ligante e a água existente no
solo, terminando estas ao fim de algumas horas. Temos depois as reações pozolânicas ou secundárias, correspondendo à combinação de alguns dos produtos das reações primárias com os minerais pozolânicos (sílica e alumina) existentes no solo ou contidos nos ligantes. Simultaneamente com estas reações, as partículas de argila eventualmente existentes no solo podem sofrer uma alteração da sua estrutura por troca iónica, efeito este que pode contribuir para a estabilização do solo. No entanto, o efeito estabilizador associado à troca iónica é em geral modesto quando comparado com o resultante das reações de hidratação e pozolânicas. Este efeito estabilizador pode em qualquer dos casos ser entendido como uma cimentação do solo (Correia, 2011).
2.4.1 - REAÇÕES POZOLÂNICAS E DE HIDRATAÇÃO
Em função da reatividade do ligante quando em contacto com a água, desenvolvem-se reações de hidratação e reações pozolânicas. Esta reatividade do ligante traduz-se pela capacidade de o material se combinar com a água, usualmente traduzida pela razão cal:sílica (Cao:Sio2). Quando esta capacidade é elevada diz-se que o ligante é hidráulico, sendo
exemplo disso o cimento Portland e a cal viva, ocorrendo neste caso reações de hidratação de forma espontânea. Quando esta é modesta as reações de hidratação do ligante só ocorrem se forem ativadas, sendo classificado o ligante como hidráulico latente, por exemplo, a escória granulada de alto forno. A capacidade é quase nula, quando o ligante não exibe qualquer tipo de reação primária, sendo o ligante pozolânico (onde se incluem a cinza volante, a pozolana natural e a sílica de fumo) (Correia, 2011).
As principais reações que se desenvolvem na estabilização de um solo com o cimento Portland podem ser resumidas através das equações seguintes (Correia, 2011):
(2.1)
(2.2)
Apresentam-se as reações referentes aos silicatos tricálcico (3CaO.SiO2) e bicálcico
(2CaO.SiO2) (Equação 2.1), pois são estes os materiais responsáveis por cerca de 75% dos
constituintes do cimento Portland e os que mais contribuem para o aumento da resistência mecânica. Ao mesmo tempo que se desenvolve esta reação de hidratação primária, ocorre a dissolução de parte do hidróxido de cálcio (Equação 2.2). Este combinado com os minerais de sílica (SiO2) e/ou de alumínio (Al2O3) presentes no solo (Equação 2.3), dá origem a uma
reação pozolânica secundária (reação que se desenvolve com reduzida velocidade, sendo responsável em parte pelo aumento da resistência mecânica no tempo). Os principais produtos resultantes das reações são um gel aglomerante de silicatos de cálcio hidratados (CaO.SiO2.H2O), que cristalizam sob a forma de agulhas, envolvendo-se e colando-se uns aos
outros e às partículas de solo (construindo um esqueleto sólido resistente), sendo os grandes responsáveis pelo aumento da resistência do solo estabilizado (Correia, 2011).
O cimento Portland é o grande responsável pelo aumento de resistência mecânica (cerca de 50% do cimento Portland reage até ao 3º dia, 60% até ao 7º dia e 90% até aos 30 dias) (Janz e Johansson, 2002).
2.4.2 - TROCA IÓNICA
As partículas de argila presentes num solo podem sofrer uma alteração da sua estrutura por troca iónica, efeito este que pode contribuir para a estabilização do solo. No entanto, este efeito apenas assume particular importância na presença de solos muito argilosos, estabilizados com moderadas quantidades de ligante (Correia, 2011).
Para o solo em estudo este género de interação, troca iónica, será modesta relativamente às já abordadas, tendo em conta a pequena fração de argila ativa presente no solo, que influencie o comportamento do mesmo. Sendo assim, o mecanismo inerente a este tipo de reações não será explorado, neste estudo.
2.5 - ESTABILIZAÇÃO QUÍMICA COM CIMENTO
A estabilização com cimento melhora a estrutura do solo, reforçando as ligações de cimentação e reduzindo assim os espaços porosos (Horpibulsuk et al., 2010).
A estabilização com cimento aplica-se tanto a solos coesivos como a solos incoerentes, mas para estes obtêm-se melhores resultados. Há duas vias para a utilização deste tipo de estabilização. Uma com pequenas quantidades de cimento (3% ou 4% de teor em cimento), em que se visa essencialmente diminuir a suscetibilidade do solo à água, com aumentos ligeiros da resistência. Trata-se da chamada técnica de "solo tratado com cimento". A segunda opção consiste na utilização de maiores dosagens de cimento, conduzindo a um material de resistência mais elevada, com características já significativamente diferentes daquelas verificadas no solo original, o chamado "solo-cimento" (Branco et al., 2006).
2.5.1 - TIPO DE MISTURAS DE SOLO E CIMENTO
Santos (1967) afirma que a estabilização com cimento consiste na preparação duma mistura íntima de solo pulverizado, cimento Portland e água, em proporções determinadas e distingue três tipos de misturas:
− Solo-cimento: material endurecido obtido pela cura duma mistura íntima e devidamente compactada de solo pulverizado, cimento Portland e água, em proporções devidamente determinadas.
− Solo modificado por cimento: material não endurecido ou semi-endurecido obtido pela mistura íntima de solo pulverizado, cimento Portland e água. A percentagem de cimento é sensivelmente menor do que a requerida no solo-cimento. A compactação e cura não são fundamentais para o processo físico e químico da estabilização.
− Solo-cimento plástico: material endurecido obtido pela cura duma mistura íntima de solo pulverizado, cimento Portland e água em quantidade suficiente para assegurar uma consistência de argamassa na altura da mistura e colocação. A percentagem de cimento empregada é superior à requerida no solo-cimento e as especificações dos solos a empregar são semelhantes às exigidas naquele tipo de mistura.
2.5.2 - ESPECIFICAÇÕES PARA O SOLO A SER TRATADO
A Especificação E243-1971 do LNEC, indica as características que devem ter os solos antes do tratamento para fins rodoviários.
Deverão ser isentos de raízes, capim ou qualquer outra substância prejudicial para o cimento Portland
Poderão conter no máximo 2% de matéria orgânica e 0,2% de sulfatos expressos em SO3
O diâmetro máximo das partículas não poderá exceder 75 mm Percentagem que passa no peneiro de 4,75 mm (nº 4) ASTM ≥ 45% Percentagem que passa no peneiro de 50 mm ASTM ≥ 80%
Limite de Liquidez ≤ 45%
2.5.3 - FATORES COM INFLUÊNCIA NAS PROPRIEDADES DAS MISTURAS DE SOLO E CIMENTO
Apesar das numerosas aplicações desta técnica, não existem metodologias de dosagem com base em critérios racionais, como no caso da tecnologia do betão, onde a proporção água/cimento desempenha um papel fundamental na avaliação da resistência desejada. Em trabalhos recentes a relação solo-cimento tem sido avaliada recorrendo a numerosos testes de laboratório que visam encontrar a quantidade mínima de cimento que conduz às propriedades pretendidas em termos de resistência e durabilidade. Esta abordagem provavelmente resulta do facto do solo-cimento apresentar um comportamento complexo motivado por vários fatores, como as propriedades físico-químicas do solo, a quantidade de cimento, e a porosidade e humidade no momento da compactação (Consoli et al., 2007).
2.5.3.1 - Propriedades físico-químicas do solo
As características do solo podem conduzir ao sucesso ou insucesso do processo de estabilização com cimento, ou pelo menos influenciam os aspetos económicos. Sendo assim, revela-se importante escolher este processo de estabilização somente quando os solos forem adequados. Segundo a especificação E243 (1971) do LNEC, a seleção do tipo de solo depende de duas propriedades físicas, a granulometria e os limites de consistência, e de
propriedades químicas, tais como, a presença de matéria orgânica e a presença de sulfatos, além das condições gerais que estes solos devem possuir (Cruz e Jalali, 2008).
Santos (1967) afirma que um solo próprio para a estabilização com cimento deve respeitar estas duas condições essenciais:
- A sua granulometria e plasticidade devem ser tais que permitam a estabilização com percentagens económicas de cimento e o manuseamento conveniente da mistura com o tipo de equipamento de mistura e compactação disponíveis.
- Deve estar suficientemente livre de substâncias químicas suscetíveis de prejudicar o endurecimento da mistura de solo, cimento e água, ou de provocar uma diminuição de durabilidade pela destruição das ligações devidas ao cimento.
2.5.3.2 - Teor em cimento
Consoli et al. (2007) concluíram que o teor em cimento exerce um grande efeito sobre a resistência do solo-cimento, pois pequenas adições de cimento são suficientes para melhorar a resistência do solo. Para tal demonstraram que, para teores em cimento (C) até 7% a resistência à compressão simples apresenta um crescimento aproximadamente linear, mantendo o teor em água constante como mostra a Figura 2.6.
Segundo os mesmos autores, é possível concluir que a taxa de aumento de resistência, representada pela inclinação da linha ajustada, é também influenciada pelo aumento da densidade seca do solo-cimento compactado, indicando que a eficácia do cimento é maior em misturas mais compactadas. Tendo em conta que o solo usado neste estudo foi uma areia argilosa.
Figura 2.6 - Variação da resistência à compressão simples com o teor em cimento (Consoli et al., 2007)
Também Porbaha et al. (2000), citado por Cristelo (2009), mostraram alguns resultados de resistência obtidos em diferentes tipos de solo no Japão, que revelam claramente que um aumento no teor de cimento aumenta a resistência final do material de estabilização.
2.5.3.3 - Porosidade da mistura
O estudo efetuado por Consoli et al. (2007), mostra como a porosidade (ƞ) da mistura afeta a resistência à compressão simples do solo-cimento, esta aumenta exponencialmente com a redução da porosidade da mistura compactada, mantendo o teor em água constante (Figura 2.7). Os mesmos autores afirmam que este efeito benéfico na redução da porosidade da mistura tem sido abordado por vários investigadores (Felt, 1955; Ingles and Metcalf, 1972; Clough et al., 1981; Ismail et al., 2002; Consoli et al., 2006).
O mecanismo pelo qual a redução da porosidade influencia a resistência do solo-cimento pode estar relacionado com a existência de um maior número de pontos de contacto na mistura (Consoli et al., 2007).
Figura 2.7 - Variação da resistência à compressão simples com a porosidade (Consoli et al., 2007)
2.5.3.4 - Teor em água da mistura compactada
A influência do teor em água na resistência ou rigidez de uma mistura solo-cimento pode ser condicionada pela distribuição do tamanho dos grãos de solo não cimentado e cimentado. É sabido que o teor de finos tem uma influência significativa sobre o comportamento de um solo e especialmente sobre o teor em água do mesmo. Sendo um material fino, o cimento pode aumentar o teor de finos do solo. Assim, se uma comparação é estabelecida entre um solo não cimentado e o mesmo solo cimentado, é possível afirmar que a distribuição do tamanho dos grãos dos dois solos não será a mesma, pois a mistura de solo-cimento tem maior teor de finos (Silva, 2011).
Outros autores (Consoli et al., 2007) mostram que a resistência à compressão simples em função do teor em água para amostras com a mesma baridade seca sofre um aumento, mas este acréscimo é verificado até um valor máximo para teores crescentes em água. Após este valor ser atingido verifica-se uma redução da resistência da mistura, como é possível verificar na Figura 2.8. Esta demonstra que é possível obter valores de resistência máxima para teores em água de 10% para o solo-cimento em estudo, tratando-se o solo natural de uma areia argilosa.
Este comportamento da mistura, no que diz respeito à resistência, provavelmente está relacionado com a estrutura criada no momento de moldagem, tendo a quantidade de água adicionada um papel fundamental na formação dessa mesma estrutura. O teor de humidade tem um efeito marcante, sobre a resistência à compressão simples, em misturas compactadas com a mesma baridade seca (Consoli et al., 2007).
Figura 2.8 - Efeito do teor de humidade na resistência à compressão simples (Consoli et al., 2007)
Segundo Santos (1967), o teor em água na altura da compactação, deve ser tal que permita atingir um grau adequado de compactação, com boa trabalhabilidade da mistura, densidade conveniente e massa homogénea. A água necessária à hidratação do cimento é automaticamente assegurada se estiverem satisfeitas as necessidades da compactação, desde que não haja perdas durante o período de cura.
2.5.3.5 - Condições de cura
Relativamente às condições de cura, em especial a temperatura, sabe-se que esta exerce grande influência sobre a velocidade com que se desenvolvem as reações entre o solo e o ligante. Maior temperatura corresponde a maior velocidade no desenvolvimento das reações solo-ligante (Correia, 2011).
A temperatura prevalecente durante a cura tem também influência apreciável. Duma maneira geral, temperaturas altas favorecem as qualidades do solo-cimento. Muito provavelmente, será esta uma das razões que explicam parcialmente o sucesso do uso do solo-cimento em climas quentes (Santos, 1967).
A cura das amostras em laboratório dever ser efetuada, preferencialmente, em câmaras de temperatura controlada, reproduzindo-se a temperatura de campo (Correia, 2011).
2.5.3.6 - Tempo de cura
A resistência à compressão de uma mistura de solo-cimento aumenta com o tempo, devido ao progressivo endurecimento do cimento. As amostras são normalmente ensaiadas, pelo menos, aos 7 dias de cura, quando cerca de 60% do cimento reagiu, e aos 28 dias após a mistura, altura em que a reação de estabilização estará quase concluída (EuroSoilStab, 2001). Tal como o betão, o solo-cimento precisa de algum tempo de cura antes que possa ser estruturalmente solicitado.
Correia (2011) refere o estudo de Kawasaki et al. (1981), o qual defende que com o aumento do tempo de cura ocorre uma melhoria no comportamento mecânico do solo estabilizado, fruto do desenvolvimento de reações pozolânicas. Este efeito está evidenciado na Figura 2.9, relativo à estabilização de 8 diferentes tipos de solos japoneses com cimento Portland. Nesta figura a quantidade de ligante aplicada encontra-se expressa pelo parâmetro teor em ligante, aw, definido como a razão entre as massas secas de ligante e de solo. É assim
possível concluir que, independentemente do solo, a resistência qu cresce com o tempo de
cura, crescendo este efeito com o teor em ligante (o que se deve ao facto de a uma maior quantidade de ligante corresponder uma maior quantidade de hidróxido de cálcio adicionado, que potencia as reações pozolânicas).
Figura 2.9 - Evolução da resistência à compressão não confinada com o tempo de cura (Correia, 2011; adaptado de Kitazume e Terashi, 2002)
2.6 - ENSAIOS UTILIZADOS PARA AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DO SOLO ESTABILIZADO QUIMICAMENTE
A estabilização de um solo mediante a sua mistura com ligantes dá origem a um novo material, de comportamento mecânico diferente do solo original. A caracterização mecânica deste novo material é, em geral, efetuada a partir de ensaios laboratoriais, recorrendo-se a ensaios de compressão simples não confinada (UCS), edométricos, triaxiais, técnicas de difração por raios X, microscopia eletrónica de varrimento, entre outros (EuroSoilStab, 2001; EN 14679, 2005).
2.6.1 - COMPRESSÃO SIMPLES
Os ensaios de compressão simples têm sido usados na maioria dos programas experimentais descritos na literatura, a fim de avaliar a eficácia da estabilização com cimento, e mesmo para perceber a importância de fatores específicos na resistência das misturas. Uma das razões para a utilização de ensaio de compressão simples é a experiência acumulada com este tipo de ensaios para o betão (Fonseca et al., 2009).
A resistência à compressão simples de construções em terra, mostra ser a propriedade física mais importante e necessária para avaliar a capacidade de carga de solos estabilizados quimicamente, especialmente sob cargas de gravidade (Reddy e Kumar, 2011).
2.6.2 - ANÁLISE DA MICROESTRUTURA E COMPOSIÇÃO DO SOLO ESTABILIZADO
É possível analisar o desenvolvimento da força de um solo estabilizado com base em considerações microestruturais (Horpibulsuk et al., 2010).
2.6.2.1 - Microscopia Eletrónica de Varrimento (SEM)
A Microscopia Eletrónica de Varrimento consiste no varrimento da superfície do material a analisar, por um feixe de eletrões finamente focado, com uma determinada energia. Os eletrões ao colidirem com a superfície do material libertam radiações captadas por detetores apropriados, a partir das quais é possível construir uma imagem da superfície do material com uma elevada resolução (Correia, 2011).
No fundo, esta técnica permite analisar as eventuais alterações ocorridas ao nível da microestrutura do solo estabilizado.
Fylak et al. (2006) efetuaram uma investigação por forma a identificar os vários produtos da hidratação do cimento, recorrendo à análise da microestrutura de amostras com cimento Portland, sendo estas preparadas para proporções de água-cimento entre 0.35 a 0.4, utilizando a técnica de Microscopia Eletrónica de Varrimento. Os autores obtiveram imagens SEM que permitiram visualizar os produtos e respetivas fases da hidratação do cimento, sendo de destacar a primeira fase cristalina, correspondente à formação da etringite (Figura 2.10), apresentando esta uma rápida formação no tempo. Vinte e quatro horas após a hidratação do cimento uma acentuada rede de C-S-H domina as imagens obtidas pelos autores e diferentes morfologias são verificáveis. Uma estrutura densa formou-se em torno dos grãos de clinquer, onde as primeiras fases da hidratação do cimento ainda são visíveis (Figura 2.11).
Figura 2.10 - Formação da etringite (Fylak et al., 2006)
Figura 2.11 - Imagem SEM que demonstra as fases de crescimento do C-S-H e ainda alguns cristais sob a forma de agulhas de etringite (Fylak et al., 2006)
Portanto os autores afirmam existir uma interessante morfologia dos produtos de reação do cimento, exercendo estes alguma influência sobre a configuração e endurecimento do cimento, o que é visível através da Microscopia Eletrónica de Varrimento e da Difração por Raios X. São assim observadas as seguintes fases: formação da etringite (hidróxo-sulfato de alumínio e cálcio hidratado, Ca6Al2(SO4)3(OH)12•26H2O); formação da portlandite (hidróxido
2.6.2.2 - Difração por Raios X
A Difração por Raios X (DRX) é uma técnica analítica não destrutiva e versátil, que permite identificar as fases cristalinas presentes num dado material sólido ou em pó, sendo amplamente utilizada na investigação e a nível industrial (Duarte, 2008).
Os raios X, visando estudos de difração, são produzidos quando se estabelece um elevado potencial elétrico (>35 KV), entre um cátodo e um alvo metálico (ânodo ou anticátodo). Os raios emitidos pelo alvo metálico de natureza eletromagnética possuem um comprimento de onda de 0,1 a 100 Å (Pinto, 2004).
Um feixe de raios X de comprimento de onda conhecido é direcionado para a superfície do material. Este feixe interage com os átomos presentes no material, ocorrendo assim o fenómeno de difração. Para tal é necessário satisfazer certas condições definidas pela lei de Bragg (Figura 2.12), que estabelece a relação entre o ângulo de incidência (θ), o comprimento de onda dos raios X (λ) e distância entre planos dos materiais (dhkl) (Correia, 2011).
Figura 2.12 - Esquema representativo da geometria de Bragg-Brentano (Pinto, 2004)
A análise de difração por raios X também foi realizada por Fylak et al. (2006), tendo em conta o estudo já frisado anteriormente, para demonstrar a existência dos produtos de hidratação do cimento, sendo exemplo disso a Figura 2.13.
