Influência do Tempo Decorrido entre a Mistura e a Compactação
na Resistência Mecânica de Solo-Cal Visando à Pavimentação de
Baixo Custo
Ludmília de Souza Dias
Universidade Federal de São João Del-Rei, Campus Alto Paraopeba, Ouro Branco-MG, Brasil.
[email protected]
Sílvia Ferreira da Silva
Universidade Federal de São João Del-Rei, Campus Alto Paraopeba, Ouro Branco-MG, Brasil.
[email protected]
Thiago Henrique de Castro Figueiredo
Universidade Federal de São João Del-Rei, Campus Alto Paraopeba, Ouro Branco-MG, Brasil.
[email protected]
Taciano Oliveira da Silva
Universidade Federal de São João Del-Rei, Campus Alto Paraopeba, Ouro Branco-MG, Brasil.
[email protected]
Heraldo Nunes Pitanga
Universidade Federal de São João Del-Rei, Campus Alto Paraopeba, Ouro Branco-MG, Brasil.
[email protected]
RESUMO: Este trabalho apresenta um estudo laboratorial sobre o comportamento mecânico de solos
tratados através de método físico-químico, utilizando cal cálcica como aditivo. Para este fim, foram
selecionadas, no município de Ouro Branco, Minas Gerais, uma jazida de solo residual jovem,
horizonte C (solo 1), e outra de solo residual maduro, horizonte B (solo 2). O propósito dessa
pesquisa foi analisar a influência do tempo decorrido entre a mistura e a compactação na resistência
mecânica de misturas íntimas de solo-cal. Para tal finalidade, analisou-se a influência dos teores de
3%, 5% e 7% de cal cálcica, calculados sobre a massa de solo seco, nas resistências mecânicas e na
expansão de misturas íntimas de solo-cal, através do Índice de Suporte Califórnia (ISC ou CBR). As
amostras das misturas foram armazenadas em sacos plásticos, com retardamentos entre a mistura e
a compactação de 0 (compactação imediata), 2, 4 e 6 horas. Para o solo 1 no estado natural (sem
aditivo químico), constatou-se que a expansão CBR (2,69%) não atende à exigência do método de
projeto de pavimentos flexíveis do Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes (DNIT)
para uso desse material como reforço de subleito, visto que esse método recomenda valor de
expansão menor ou igual a 2%. Para as misturas solo1-cal, os valores de expansão CBR
encontrados também não atendem às exigências do método supracitado. O solo 2 atende às
exigências do método do DNIT tanto no seu estado natural, com expansão CBR em torno de 0,25%,
quanto combinado com cal nos teores e intervalos de tempo entre mistura e compactação definidos
para essa pesquisa. Algumas quedas de resistência com o tempo de cura, constatadas nos ensaios
laboratoriais das misturas solo2-cal, deixam claro que a execução de camadas de solo-cal demanda
o emprego de técnicas construtivas adequadas.
PALAVRAS-CHAVE:
Estabilização
de
solos,
Solo-cal,
Estradas
não-pavimentadas.
1. INTRODUÇÃO
No estado de Minas Gerais, as rodovias
municipais interligam a grande maioria dos
pólos agropecuários do interior às rodovias
estaduais e federais pavimentadas, escoando as
produções agropecuárias e abastecendo os
grandes centros consumidores. No entanto, de
acordo com ANTT (2009), no estado de Minas
Gerais, 84,85% das rodovias municipais ainda
se encontram em leito natural.
A falta de solos com características
geotécnicas apropriadas, compatíveis com
aquelas exigidas pelos órgãos rodoviários para a
construção de estradas, torna-se um dos grandes
entraves para o setor de transportes no Brasil,
visto que volumes maiores de cargas são
transportados com maior freqüência, a
distâncias cada vez mais longas e
problemáticas, exigindo que as estradas,
pavimentadas e não-pavimentadas, sejam
transitáveis em qualquer época do ano
(MACHADO et al, 2003).
O uso da cal como aditivo no tratamento de
solos é o mais antigo método de estabilização
química conhecido, utilizado nas mais variadas
aplicações, como a Via Ápia, construída pelos
romanos. Pode-se definir solo-cal como o
produto resultante da mistura íntima
compactada de solo, geralmente argila, cal e
água, em proporções estabelecidas através de
dosagem.
Utiliza-se solo-cal quando não se dispõe de
um material ou combinação de materiais com as
características de resistência, deformabilidade e
permeabilidade, adequadas ao projeto. A
estabilização com cal é comumente empregada
na construção de estradas, sendo geralmente
utilizada em bases ou sub-bases de pavimentos
(INGLES E METCALF, 1972). Outra
importante aplicação do solo-cal tem sido na
proteção de taludes, contra a erosão em obras
hidráulicas.
No processo construtivo de estradas, a
compactação de camadas de solos estabilizados
quimicamente constitui-se em uma etapa de
grande relevância para o bom desempenho da
obra. Dentre os aspectos de interesse no
desempenho das misturas, pode-se referir a:
tipos de solo e de estabilizante, teor de umidade
da mistura, processo de mistura, tempo
decorrido entre mistura e compactação e
período de cura da camada estabilizada.
Em se tratando de compactação de solos
realizada em laboratório, a ABNT (1986)
prescreve que, após a adição de água às
amostras a serem submetidas à compactação,
deve-se observar um tempo mínimo de 24 horas
antes da compactação. Em especial, para solos
argilosos, essa exigência visa possibilitar uma
melhor homogeneização da água na amostra de
solo.
De acordo com Pereira (2005), ao se
empregarem as técnicas de estabilização
química de solos, o tempo entre mistura e
compactação é um aspecto de importância
significativa para a boa qualidade mecânica das
misturas, pois se, na mistura, já ocorreram
reações de cimentação de curto prazo antes da
compactação, certamente parte do estabilizante
adicionado ao solo foi utilizado na efetivação
dessas reações. Considerando-se que essas
ligações podem ser quebradas no processo de
compactação da camada estabilizada, reduz-se,
assim, o quantitativo de estabilizante disponível
para a cimentação das partículas de solo, com
conseqüente
diminuição
na
resistência
mecânica da mistura. Neste contexto, percebese a importância do tempo decorrido entre
mistura
e
compactação
de
camadas
estabilizadas quimicamente.
Sivapullaiah et al. (1998) também
constataram uma diminuição na resistência de
misturas
solo-cal
não
compactadas
imediatamente após a mistura. Para um solo
com montmorilonita como argilo-mineral
predominante, estabilizado com 2% de cal, na
umidade ótima, os autores observaram uma
diminuição de 241 kPa para 117 kPa na
resistência à compressão simples ao deixar-se o
material solto durante 24 horas antes da
compactação. Segundo os autores, esta
diminuição na resistência é principalmente
devida ao fato de que os compostos cimentantes
que se formam neste período não contribuíram
para o ganho de resistência.
Certamente, essas constatações indicam que
estudos sobre esse tópico devem ser
desenvolvidos, considerando-se a gênese e os
processos de formação dos solos, adquirindo,
pois, um caráter regional.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1 Materiais
2.1.1 Solos
Foram coletadas amostras deformadas dos
horizontes B e C em taludes de corte no
município de Ouro Branco-MG, conforme o
DNER (1994a), tomando-se o cuidado de evitar
contaminação
por
matéria
orgânica.
Inicialmente, as amostras de solos foram secas
ao ar, destorroadas, passadas na peneira #4 (4,8
mm), acondicionadas em sacos plásticos e
armazenadas para serem empregadas nos
diversos ensaios geotécnicos previstos no corpo
deste trabalho.
2.1.2 Cal
Neste trabalho, foi utilizada uma cal hidratada
comercial, de natureza cálcica, nos quantitativos
de 3%, 5% e 7%, percentuais calculados sobre a
massa de solo seco.
2.1.3 Água
Foi utilizada água destilada na execução de
todos os ensaios de laboratório. A água potável,
proveniente da rede pública de abastecimento,
foi utilizada na imersão dos corpos de prova por
96 horas (4 dias) antes da ruptura (ensaio de
Índice de Suporte Califórnia – ISC ou CBR).
2.1.4 Mistura
Os materiais (solo, cal e água) foram pesados
com precisão de 0,01gf. Inicialmente, foram
misturados o solo e a cal, realizando-se uma
homogeneização prévia da mistura. A seguir,
foi acrescentada água gradualmente para
garantir total homogeneidade à mistura e evitar
perdas de umidade por evaporação.
Os teores de cal foram calculados em relação
à massa dos solos secos, e as percentagens de
materiais foram definidas de modo a se obter
um teor de umidade próximo da umidade ótima
da curva de compactação (± 0,5%) e um peso
específico aparente seco próximo do peso
específico aparente seco máximo da curva de
compactação (± 0,5 kN/m3). Em geral, foi
adotado um tempo de espera de 0 (compactação
imediata), 2, 4 e 6 horas, para a análise da
influência do retardamento da compactação na
resistência mecânica e na expansibilidade das
misturas.
2.2 Métodos
2.2.1 Ensaios de caracterização geotécnica
Os ensaios geotécnicos para a caracterização
tradicional das amostras de solos foram os que
seguem: granulometria conjunta (ABNT
1984a), limites de Atterberg (ABNT 1984b,
1984c) e massa específica dos grãos do solo
(ABNT 1984d).
2.2.2 Ensaios de compactação e Índice de
Suporte Califórnia (ISC ou CBR)
Os ensaios de compactação das amostras de
solos e das misturas solo-cal foram realizados
na energia do Proctor Normal, segundo a
metodologia descrita na ABNT (1986), para
fins de determinação do peso específico
aparente seco máximo (γdmáx) e da umidade
ótima (Wot). Definidos os parâmetros ótimos de
compactação, foram determinados os valores
dos parâmetros CBR e expansão das amostras
de solos e misturas solo-cal analisadas, de
acordo com a metodologia proposta pelo DNER
(1994b).
2.2.3 Períodos de tempo decorrido entre mistura
e compactação em laboratório
O procedimento de mistura solo-cal foi
executado da seguinte forma: (i) peneiramento
do solo natural para homogeneização do
mesmo; (ii) adição da quantidade de cal
calculada à massa de solo seco e adição de
água; (iii) homogeneização manual da mistura
e, logo em seguida, peneiramento da mesma em
peneira
de
abertura
4,8mm;
(iv)
acondicionamento da mistura em sacos
plásticos para preservação dos seus teores de
umidade, sendo respeitado o tempo de descanso
entre mistura e compactação dos corpos-deprova.
2.2.4 Avaliação da resistência mecânica das
misturas solo-cal
Para avaliação das respectivas resistências
mecânicas e expansões dos corpos de provas
das misturas solo-cal, utilizou-se o ensaio CBR,
na energia de compactação do Proctor Normal,
conforme metodologia apresentada em DNIT
(1994).
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
3.1 Caracterização e classificação das amostras
de solos
A Tabela 1 apresenta os resultados de
caracterização geotécnica das amostras do solo
1 (residual jovem de gnaisse) e do solo 2
(residual maduro de gnaisse), no estado natural.
Nessa tabela, destaca-se a predominância da
fração areia (42%) no solo 1, qualificando-o
como um material areno-silto-argiloso, e uma
fração elevada de argila no solo 2 (66%),
caracterizando-o como representativo de um
solo argilo-areno-siltoso. Devido a textura,
obteve-se, para o solo 1, um valor de índice de
plasticidade relativamente elevado (IP = 27%),
com base nos valores apresentados em DNER
(1996), prevendo-se a presença de um solo mais
susceptível ao aumento de volume do que
aquele representado pelo solo 2 (IP = 13%).
Tabela 1.Caracterização geotécnica das amostras de solo.
Solo
Solo
Parâmetro
1
2
Granulometria (%)
Fração Pedregulho (ϕ > 2 mm)
0
0
Fração Areia (0,06mm < ϕ ≤ 2mm)
42
21
Fração Silte(0,002mm<ϕ≤0,06mm)
33
13
Fração Argila (ϕ ≤ 0,002 mm)
25
66
Peso Específico dos Sólidos (γs)
28,24
28,83
(kN/m³)
Limites de Atterberg (%)
Limite de liquidez (LL)
50
52
Limite de Plasticidade (LP)
23
39
Índice de Plasticidade (IP)
27
13
As classificações dos solos 1 e 2, de acordo
com os sistemas TRB (Transportation Research
Board System) e USCS (Unified Soil
Classification System), encontram-se descritas
na Tabela 2. Nogami e Villibor (1995) relatam
que solos do grupo A-7-5 (ou MH da
classificação USCS), caso do solo 2, quando
lateríticos, apresentam propriedades de argila
com excelente capacidade de suporte
(utilizáveis até mesmo em bases de certos
pavimentos), ao passo que, quando saprolíticos,
podem ser altamente expansivos, resilientes e
com baixa capacidade de suporte, sendo ainda
afetados intensamente pela erosão hidráulica.
Tabela 2.Classificação dos solos segundo os sistemas
TRB e USCS.
Classificação
Amostra
TRB
USCS
Solo 1
A-7-6
CL
Solo 2
A-7-5
MH
3.2 Influência do tempo entre mistura e
compactação na densidade das misturas solo-cal
compactadas
A influência do tempo entre as misturas e as
compactações dos corpos de provas, na energia
do Proctor Normal, sobre os valores dos pesos
específicos secos máximos (γdmáx) das misturas
solo1-cal é ilustrada na Figura 1.
De um modo geral, constata-se, à luz dos
resultados de ensaio, uma tendência de
incremento do γdmáx das misturas solo1-cal
comparativamente ao solo 1 em seu estado
natural compactado, exceção feita para dois
pontos experimentais. Ênfase particular deve
ser dada às misturas com 3% de cal, as quais
não apenas apresentaram valores de γdmáx
superiores ao do solo natural compactado,
qualquer que seja o intervalo de tempo entre a
mistura e a compactação, mas também
apresentou o maior incremento dentre todas as
misturas
consideradas
neste
programa
experimental (mistura solo1-cal com 3% de
aditivo e intervalo de tempo entre mistura e
compactação de 4 horas).
3.3 Influência do tempo entre mistura e
compactação na resistência mecânica das
misturas solo-cal compactadas
Figura 1. Influência do tempo entre mistura e
compactação na densidade das misturas solo1-cal
compactadas.
A influência do tempo entre mistura e
compactação na densidade das misturas solo2cal é ilustrada na Figura 2. Constata-se que,
diferentemente das misturas solo1-cal, que
apresentaram incrementos significativos nos
valores de γdmáx para todos os teores de cal, as
misturas solo2-cal apresentam aumentos
significativos desse valor apenas para os teores
de 5% de aditivo. É provável que as diferenças
granulométricas entre os solos 1 e 2 justifiquem
as diferentes sensibilidades dos mesmos à
estabilização química promovida pela cal. Neste
caso, a mistura que apresenta o melhor
desempenho corresponde àquela constituída por
5% de aditivo químico e, de forma similar ao
constatado para a mistura solo1-cal, o intervalo
de tempo de 4 horas também se apresenta,
dentre os considerados nessa pesquisa, como
aquele que melhor mobiliza o aumento de γdmáx
de misturas do solo 2 com cal.
Figura 2. Influência do tempo entre mistura e
compactação na densidade das misturas solo 2-cal
compactadas.
A Figura 3 apresenta o comportamento
mecânico das misturas solo1-cal para intervalos
de tempo entre misturas e compactações
representativas de situações práticas de campo.
Para a mistura solo1-cal com teor de 5% houve
maior oscilação nos valores da resistência
mecânica, observando-se que o menor e o maior
valor de CBR (ou ISC) foram encontrados nos
intervalos de tempo de 2 e 4 horas,
respectivamente. No teor de 7% de cal, observase pouca variação na resistência mecânica,
sendo que as mesmas não apresentaram
acréscimo em relação ao solo natural. No teor
de 3%, ocorreu um aumento de resistência em
relação ao solo natural nos tempos de 2 e 4
horas e para o teor de 5%, este aumento é
verificado nos tempos de 4 e 6 horas.
Figura 3.Valores de CBR das misturas solo 1-cal
considerando-se o intervalo de tempo entre misturas e
compactações que refletem situações de campo
A Figura 4 apresenta o comportamento
mecânico das misturas solo2-cal para intervalos
de tempo entre misturas e compactações
representativos de situações práticas de campo.
Primeiramente, constata-se que os valores de
CBR mobilizados pelas misturas solo2-cal
compactadas são de um modo geral,
significativamente maiores que aquelas
mobilizadas pelas correspondentes misturas
solo1-cal,
evidenciando
as
diferentes
sensibilidades
destes
solos,
granulometricamente distintos, à estabilização
química. Observa-se que, para os teores de cal
de 3%, 5% e 7%, ocorreram os valores
máximos de CBR para os intervalos de tempo
de 2 horas (15,92%), 4 horas (15,11%) e 6
horas (12,74%), respectivamente. Para os
valores de pico das misturas com teores de cal
de 3% e 5% e também para o tempo de 6 horas
no teor de 3%, ocorreu um acréscimo de
resistência em relação ao CBR do solo natural.
De forma similar ao que foi observado para as
misturas solo 1 cal, o teor de 7% de aditivo foi
o único que não conseguiu mobilizar valores de
CBR superiores ao do solo natural compactado,
qualquer que seja o tempo decorrente entre a
mistura e a compactação.
De acordo com TRB (1987), são necessários
valores mínimos de CBR de 40, 80 e 100%, na
energia do Proctor Normal, para sub-base, base
de rodovias de baixo volume de tráfego e base
de rodovia de grande tráfego, respectivamente,
o que ratifica, pelos valores de CBR
encontrados nessa pesquisa, que os solos
analisados melhorados com cal têm seus usos
restritos à camada de melhoramento ou reforço
do subleito, que, de acordo com o DNIT (2006),
deve apresentar valor de CBR maior ou igual a
2%.
Figura 4. Valores de CBR das misturas solo2-cal
considerando-se intervalos de tempo entre misturas e
compactações que refletem situações de campo.
parâmetro para as misturas solo1-cal e solo2cal, respectivamente. Verifica-se, inicialmente,
que os valores de expansão CBR mobilizados
pelas misturas solo2-cal compactadas são
significativamente menores que aqueles
apresentados pelas correspondentes misturas
solo1-cal, evidenciando, portanto, as diferentes
sensibilidades desses solos à redução de sua
variação volumétrica pela estabilização
química. Para a mistura solo1-cal, com relação
aos valores de expansão CBR encontrados
nessa pesquisa, em função dos intervalos de
tempo entre misturas e compactações e
diferentes teores de cal, não houve de um modo
geral, melhoria na expansão CBR com relação
ao valor desse parâmetro para esse solo no
estado natural (2,69%). Ainda que alguns
poucos pontos experimentais correspondentes
às misturas a 3% e 5% tenham gerado reduções
na expansão CBR comparativamente à
expansão CBR do solo natural, esses valores
são tecnicamente inaceitáveis, de modo que
todas as condições (com ou sem aditivo) não
atende às exigências do método de projeto de
pavimentos flexíveis do DNIT que recomenda
valor de expansão menor ou igual a 2% para
materiais utilizados como reforço de subleito.
O solo 2 atende as exigências do método
supracitado tanto no seu estado natural, com
expansão CBR em torno de 0,25%, quanto
combinado com cal nos teores e intervalos de
tempo entre misturas e compactações
apresentados na Figura 6. Salienta-se que as
misturas com solo2-cal com teor de 3% para
todos os intervalos de tempo entre misturas e
compactações
propostas,
exceto
para
compactação imediata (0 hora), foram as que
apresentaram as menores expansões CBR.
3.4 Influência do tempo entre mistura e
compactação na expansão CBR das misturas
solo-cal compactadas
Numerosos métodos permitem determinar a
expansão dos solos, predominando, contudo,
para finalidades viárias e para pavimentação, o
uso do procedimento adotado no ensaio CBR
(ou ISC), obedecendo às metodologias proposta
pelo Departamento Nacional de Infraestrutura
de Transportes - DNIT.
Com relação à expansão CBR, as Figuras 5 e
6 apresentam os valores encontrados para esse
Figura 5. Valores de Expansão CBR das misturas solo1cal considerando-se intervalos de tempo entre misturas e
compactações que refletem situações de campo.
Figura 6. Valores de Expansão CBR das misturas solo 2cal considerando-se intervalos de tempo entre misturas e
compactações que refletem situações de campo.
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Os resultados dos ensaios geotécnicos de
laboratório permitiram concluir que o teor de
aditivo e o intervalo de tempo entre a mistura e
a compactação podem influenciar as
propriedades físicas (γdmáx) e as propriedades de
desempenho
(resistência
mecânica
e
expansibilidade)
de
misturas
solo-cal
constituídas por solos de comportamento
laterítico. Para os dois solos empregados nessa
pesquisa, foi possível notar, a capacidade do
aditivo químico de mobilizar uma melhoria no
γdmáx, assim como identificar uma condição de
ótimo dessa melhoria em termos de
percentagem de aditivo e de intervalos de tempo
entre mistura e compactação.
Com relação ao desempenho mecânico, para
as misturas solo1-cal, não houve ganhos
significativos com relação aos parâmetros
resistência
mecânica
e
expansão,
e
particularmente no que diz respeito a esta
ultima propriedade, nem o solo natural
compactado, nem as misturas solo1-cal foram
capazes de atender à exigência do método de
projeto de pavimentos flexíveis do DNIT para
fins de aceitação desses materiais como reforço
de subleito. As misturas solo2-cal analisadas
apresentaram, em geral, comportamento
aceitável para utilização em camadas de reforço
de subleito, pois apresentaram valores de CBR
maiores ou iguais a 2% e valores de expansão
menores ou iguais a 2%. Alguns poucos pontos
experimentais não atenderam à exigência
técnica correspondente à expansão. Nesse caso,
foi possível evidenciar, experimentalmente, a
capacidade do aditivo químico de melhorar o
desempenho da camada de solo natural
compactada, gerando, para a maioria das
combinações solo-aditivo e dos respectivos
intervalos de tempo entre mistura e
compactação, maiores valores de CBR e
menores valores de expansão.
A despeito dos resultados obtidos, os quais
evidenciam
a
viabilidade
técnica
da
estabilização química de alguns tipos
particulares de solos lateríticos, algumas quedas
de resistência com o tempo de cura, constatada
nos ensaios laboratoriais, deixam claro que a
execução de camadas solo-cal demanda o
emprego de técnicas construtivas adequadas,
incluindo controle da mistura, com o propósito
de garantir ocorrência de reações pozolânicas e
evitar a formação de compostos prejudiciais à
resistência e à expansão.
5. AGRADECIMENTOS
À Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado
de Minas Gerais (FAPEMIG), pelo apoio
financeiro com a concessão de bolsa de
iniciação científica à primeira autora.
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