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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIAPROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA CIVIL

METODOLOGIA DE PREVISO DO COMPORTAMENTO

MECNICO DE SOLOS TRATADOS COM CAL

Luizmar da Silva Lopes Junior

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CIP - Catalogao na Publicao

da Silva Lopes Junior, Luizmar Metodologia de Previso do Comportamento Mecnicode Solos Tratados com Cal / Luizmar da Silva Lopes

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LUIZMAR DA SILVA LOPES JUNIOR

METODOLOGIA DE PREVISO DO COMPORTAMENTOMECNICO DE SOLOS TRATADOS COM CAL

Tese apresentada ao Programa de Ps-Graduao em EngenhariaCivil da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como partedos requisitos para obteno do ttulo de Doutor em Engenharia

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LUIZMAR DA SILVA LOPES JUNIOR

METODOLOGIA DE PREVISO DO COMPORTAMENTOMECNICO DE SOLOS TRATADOS COM CAL

Esta tese de doutorado foi julgada adequada para a obteno do ttulo de DOUTOR EM

ENGENHARIA, Geotecnia, e aprovada em sua forma final pelo professor orientador e pelo

Programa de Ps-Graduao em Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do

Sul.

Porto Alegre, 28 de novembro de 2011

Prof. Nilo Csar ConsoliPh.D. pela Concordia University, Canad

Orientador

Prof. Luiz Carlos Pinto da Silva FilhoCoordenador do PPGEC/UFRGS

BANCA EXAMINADORA

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AGRADECIMENTOS

Desejo expressar os meus agradecimentos as seguintes pessoas e instituies:

Primeiramente a minha famlia, em especial ao meu av Derli de Souza Lopes (in

memoriam), exemplo de carter e determinao, meus pais Luizmar e Beatriz e meus irmos

pelo amor, incentivo e apoio incondicional dispensado em todos os momentos da minha vida.

A famlia Lovato pelo apoio e companheirismo, em especial a minha noiva Patrcia

pela ajuda, compreenso e carinho dedicado.

Ao meu orientador Nilo Cesar Consoli pela confiana que depositou em mim,

dedicao, amizade e empenho com que me orientou, alm do exemplo de carter eprofissionalismo.

Aos professores Antnio Thom e Pedro Prietto pelo interesse, incentivo, amizade e

conhecimentos transmitidos.

A todos os professores do Programa de Ps-Graduao em Engenharia Civil daUFRGS pelos ensinamentos ministrados.

Aos funcionrios da Escola de Engenharia da UFRGS pelo apoio nas atividades

realizadas, em especial ao laboratorista Joo Diniz e ao pessoal da secretaria do PPGEC, Ana

Luiza, Liliane e Carmem.

A todos os meus colegas e amigos, em especial ao Anderson Fonini, Lucas Festugato,

Francisco Dalla Rosa, Rodrigo Cruz, Mrcio Floss, Jos Rojas, Amanda Dalla Rosa e

Emanuele Gauer pelo companheirismo e ajuda prestada durante o doutorado.

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RESUMO

LOPES JUNIOR, Luizmar da Silva. Metodologia de Previso do ComportamentoMecnico de Solos Tratados com Cal. 2011. Tese (Doutorado em Engenharia) Programade Ps-Graduao em Engenharia Civil, UFRGS, Porto Alegre.

Cada vez mais frequente a utilizao de tcnicas tradicionais da engenharia geotcnica

depara-se com obstculos de carter econmico e ambiental. A tcnica do solo-cal torna-se

atrativa quando o melhoramento das propriedades do solo do local constitui-se numa

alternativa de projeto. A tcnica de tratamento de solos com cal encontra aplicao, por

exemplo, na construo de bases para pavimentos, na proteo de taludes em barragens de

terra e como camada de suporte para fundaes superficiais. As ltimas pesquisas em solos

tratados com cal esto no desenvolvimento de metodologias de dosagem baseadas em

critrios racionais onde a relao volume de vazios/volume de cal desempenha papel

fundamental na obteno da resistncia desejada. Nesse sentido, este estudo tem por objetivo

validar a relao volume de vazios/volume de cal na estimativa da resistncia compresso

simples e triaxial, comportamento tenso-dilatncia e rigidez inicial de um solo tratado com

cal curado por perodos longos e quantificar a influncia da adio de resduos de diferentes

potenciais de reatividade no comportamento mecnico do solo-cal. Para isso foram realizados

ensaios de compresso simples e triaxial, medidas de suco matricial e medidas de G0

atravs da tcnica de bender elements. Os resultados mostram uma correlao entre

resistncia e o mdulo cisalhante inicial; e que os mesmos crescem no linearmente com o

aumento da quantidade de cal e com a reduo na porosidade da mistura compactada curada

por perodos longos. Para uma mesma relao vazios/cal, a adio de resduos nas misturas

teve um efeito significativo no comportamento do solo-cal estudado. A relao vazios/cal,

definido pela razo entre a porosidade da mistura compactada e o teor volumtrico de cal,

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ABSTRACT

LOPES JUNIOR, Luizmar da Silva. Prevision Methodology of Mechanical Behavior ofSoils Treated with Lime. 2011. Thesis (Doctor in Engineering) Civil Engineering Post-Graduation Program, UFRGS, Porto Alegre.

Not rarely, the use of traditional techniques in geotechnical engineering faces obstacles of

economical and environmental nature. The soil-lime technique becomes attractive when the

improvement of the local soil is a project alternative. The treatment of soils with lime finds

application, for instance, in the construction of pavement base layers, in slope protection of

earth dams and as a support layer for shallow foundations. The last researches in soils treated

with lime are in the development of dosage methodologies based on rational criteria where the

voids/lime ratio plays a fundamental role in the assessment of the target strength. In that

sense, this study has for objective to validate the use of the voids/lime ratio in the estimate of

unconfined and confined compression strength, stress-dilatancy behavior and initial shear

modulus of a treated soil with lime cured by long periods and to quantify the influence of the

insertion of industrial wastes of different potentials reactivity in the mechanical behavior of

the soil-lime. For that, a number of unconfined and confined compression tests, measurements

of matric suction and bender elements were carried out. The results show a correlation

between compression tests and the initial shear modulus; and that the same ones increased not

linearly with the increase in lime content as well as with the reduction in the porosity of the

compacted mixture cured for long periods. For a same voids/lime ratio value, the insertion of

industrial wastes in the mixtures had a significant effect in the behavior of the soil-lime

studied. In contrast, the voids/lime ratio, defined as the ratio between the porosity of the

compacted mixture and the volumetric lime content, adjusted by a power, demonstrated to be

the most appropriate parameter to assess the mechanical behavior of the soil-lime mixture

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SUMRIO

1 INTRODUO ..................................................................................................................................25

1.1 PROBLEMA E RELEVNCIA DA PESQUISA .....................................................................25

1.2 OBJETIVOS .............................................................................................................................. 26

1.3 ORGANIZAO DA TESE .....................................................................................................27

2 REVISO BIBLIOGRFICA ............................................................................................................28

2.1 VISO GERAL SOBRE A TCNICA DO SOLO-CAL .......................................................... 28

2.1.1 Materiais Utilizados no Solo-Cal .......................................................................................32

2.1.1.1 Solo ..........................................................................................................................32

2.1.1.2 Cal ............................................................................................................................33

2.1.1.3 Resduos Industriais .................................................................................................34

2.1.2 Reaes Solo-Cal ...............................................................................................................34

2.1.3 Dosagem Solo-Cal .............................................................................................................37

2.1.3.1 Mtodos Clssicos ....................................................................................................37

2.1.3.2 Metodologia Relao Vazios/Cal ............................................................................. 38

2.2 VARIVEIS DETERMINANTES DO COMPORTAMENTO DO SOLO-CAL .................... 43

2.2.1 Efeito da Cal ......................................................................................................................43

2.2.2 Efeito da Densidade e Compactao .................................................................................. 43

2.2.3 Efeito do Teor de Umidade e da Relao gua/Cal .......................................................... 44

2.2.4 Efeito do Tempo de Cura ...................................................................................................45

2.3 COMPORTAMENTO MECNICO DO SOLO-CAL .............................................................. 47

2.3.1 Resistncia Compresso Simples .................................................................................... 47

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3.2.1 Solo ....................................................................................................................................61

3.2.2 Resduo de Britagem ..........................................................................................................61

3.2.3 Cinza Volante ....................................................................................................................62

3.2.4 Cal ......................................................................................................................................63

3.2.5 gua ...................................................................................................................................64

3.3 MTODOS ................................................................................................................................ 64

3.3.1 Coleta de Amostras ............................................................................................................64

3.3.2 Preparao das Amostras ...................................................................................................64

3.3.3 Ensaios de Caracterizao .................................................................................................65

3.3.4 Moldagem e Cura dos Corpos-de-prova ............................................................................ 66

3.3.5 Ensaios de Compresso Simples ........................................................................................ 68

3.3.6 Medidas de Suco ............................................................................................................70

3.3.7 Ensaios de Compresso Triaxial ........................................................................................ 71

3.3.8 Medidas de G0Atravs da Tcnica de Bender Elements ................................................... 74

3.4 PROGRAMA DE ENSAIOS .....................................................................................................76

3.4.1 Programa de Ensaios de Compresso Simples .................................................................. 76

3.4.2 Programa de Ensaios Triaxiais........................................................................................... 78

3.4.3 Programa de Ensaios com Bender Elements ..................................................................... 79

4 APRESENTAO E ANLISE DOS RESULTADOS .................................................................... 80

4.1 ENSAIOS DE CARACTERIZAO ....................................................................................... 80

4.1.1 Propriedades Fsicas ..........................................................................................................80

4.1.2 Propriedades Qumicas ......................................................................................................83

4.1.3 Reatividade Potencial dos Materiais pelo Mtodo Qumico .............................................. 83

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4.2.2.2 Efeito da Porosidade .................................................................................................95

4.2.2.3 Efeito do Teor de Umidade de Moldagem ............................................................... 97

4.2.2.4 Relao Vazios/Cal .................................................................................................. 99

4.2.2.5 Tempo de Cura x Relao Vazios/Cal ...................................................................103

4.2.3 Solo-Cinza Volante-Cal ................................................................................................... 105

4.2.3.1 Efeito do Teor de Cal e da Porosidade ................................................................... 105

4.2.3.2 Relao Vazios/Cal ................................................................................................106

4.2.3.3 Tempo de Cura x Relao Vazios/Cal ...................................................................108

4.2.4 Efeito da Adio de Resduos Industriais ........................................................................ 109

4.3 MEDIDAS DE SUCO MATRICIAL .................................................................................110

4.4 ENSAIOS TRIAXIAIS ............................................................................................................ 111

4.4.1 Variao do Parmetro B de Poro-presso ......................................................................112

4.4.2 Solo-Cal ........................................................................................................................... 113

4.4.2.1 Comportamento Tenso-Deformao x Relao /(Cav)0,12................................... 114

4.4.2.2 Efeito do Nvel de Tenses Efetivas e Parmetros de Resistncia ......................... 117

4.4.2.3 Tenso Confinada x Tenso No-Confinada .......................................................... 123

4.4.2.4 Anlise da Rigidez ................................................................................................. 126

4.4.2.5 Comportamento Tenso x Dilatncia ..................................................................... 129

4.4.3 Solo-Resduo de Britagem-Cal ........................................................................................ 133

4.4.3.1 Comportamento Tenso-Deformao x Relao /(Cav)0,12................................... 133

4.4.3.2 Efeito do Nvel de Tenses Efetivas e Parmetros de Resistncia ......................... 137

4.4.3.3 Tenso Confinada x Tenso No-Confinada .......................................................... 141

4.4.3.4 Anlise da Rigidez ................................................................................................. 143

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4.5.1 Leituras ............................................................................................................................ 164

4.5.2 Efeito do Teor de Cal ....................................................................................................... 167

4.5.3 Efeito da Porosidade ........................................................................................................ 170

4.5.4 Efeito da Relao Vazios/Cal .......................................................................................... 172

4.5.5 Efeito do Tempo de Cura .................................................................................................178

4.5.6 Correlao com a Resistncia Compresso Simples .....................................................180

4.6 EXEMPLO DE APLICAO PARA A RELAO VAZIOS/CAL .....................................180

5 CONSIDERAES FINAIS ............................................................................................................ 185

5.1 CONCLUSES ....................................................................................................................... 185

5.2 SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS ...................................................................190

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ................................................................................................. 191

APNDICE A DADOS DOS CPS ENSAIADOS COMPRESSO SIMPLES .......................... 200

APNDICE B DADOS DOS CPS ENSAIADOS COMPRESSO TRIAXIAL .......................219

APNDICE C DADOS DOS CPS ENSAIADOS COM BENDER ELEMENTS ..........................223

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LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1: mecanismo de troca de ctions (adaptado de PRUSINSKI; BHATTACHARJA, 1999) .... 35

Figura 2.2: mecanismo de estabilizao solo-cal (adaptado de INGLES; METCALF, 1972) ..............36

Figura 2.3: relao vazios/cal ajustado versus resistncia compresso simples (LOPES JUNIOR,2007) ...................................................................................................................................................... 39

Figura 2.4: relao porosidade/teor volumtrico de cal ajustado versus resistncia compressosimples (adaptado de DALLA ROSA, 2009a) .......................................................................................40

Figura 2.5: previso da tenso desvio atravs da relao vazios/cimento (CONSOLI et al., 2007) ...... 41

Figura 2.6: tenso versus relao vazios/cimento para diferentes tenses confinantes (CRUZ, 2008) .42

Figura 2.7: mdulo cisalhante versus relao vazios/cimento (CRUZ, 2008) .......................................42

Figura 2.8: efeito do tempo de cura sobre a resistncia compresso simples para alguns solosestabilizados com cal (adaptado de INGLS; METCALF, 1972) .........................................................46

Figura 2.9: efeito da quantidade de cal sobre a resistncia compresso simples para alguns solostratados com cal e curados por 7 dias (adaptado de INGLS; METCALF, 1972) ................................47

Figura 2.10: Curvas (ensaios triaxiais CIU) tenso-deformao-poropresso (CONSOLI et al., 1997)................................................................................................................................................................ 51

Figura 2.11: curva de degradao da rigidez com o nvel de deformao (adaptado de ATKINSON,2000) ...................................................................................................................................................... 52

Figura 2.12: (a) Esquema de lminas representando o intertravamento das partculas de solo; (b)Foras resultantes. (adaptado de WOOD, 1990) ....................................................................................55

Figura 2.13: Comportamento tenso-dilatncia generalizado (adaptado de ATKINSON, 1993) .......... 56

Figura 2.14: comportamento tenso-dilatncia encontrado para dois solos arenosos cimentados

naturalmente (adaptado de COOP; WILLSON, 2003) .......................................................................... 57

Figura 2.15: Tenso-dilatncia para um solo residual de arenito artificialmente cimentado sob umadeterminada tenso de confinamento (adaptado de DALLA ROSA, 2006) .......................................... 57

Figura 3.1: formaes geolgicas ao norte do estado do RS (adaptado de IBGE, 1986) ....................... 62

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Figura 4.1: curvas granulomtricas dos materiais ..................................................................................80

Figura 4.2: difratograma de raios x do arenito Botucatu ........................................................................82

Figura 4.3: difratograma de raios x do resduo de britagem .................................................................. 82

Figura 4.4: difratograma de raios x da cinza volante .............................................................................82

Figura 4.5: reatividade potencial dos materiais de acordo com a ASTM C289/07 ................................ 84

Figura 4.6: variao da resistncia compresso simples em relao quantidade de cal do SRAB-

CAL (90 dias de cura) ............................................................................................................................86

Figura 4.7: variao da resistncia compresso simples em relao quantidade de cal do SRAB-CAL (360 dias de cura) ..........................................................................................................................86

Figura 4.8: variao da resistncia compresso simples em relao porosidade do SRAB-CAL (90dias de cura) ........................................................................................................................................... 87

Figura 4.9: variao da resistncia compresso simples em relao porosidade do SRAB-CAL (360

dias de cura) ........................................................................................................................................... 88

Figura 4.10: resistncia compresso simples versus relao vazios/cal do SRAB-CAL (90 dias decura)........................................................................................................................................................ 89

Figura 4.11: resistncia compresso simples versus relao vazios/cal do SRAB-CAL (360 dias decura)........................................................................................................................................................ 89

Figura 4.12: resistncia compresso simples versus relao vazios/cal ajustado do SRAB-CAL (90

dias de cura) ........................................................................................................................................... 90

Figura 4.13: resistncia compresso simples versus relao vazios/cal ajustado do SRAB-CAL (360dias de cura) ........................................................................................................................................... 91

Figura 4.14: resistncia compresso simples versus relao vazios/cal ajustado do SRAB-CAL (90 e360 dias de cura) ....................................................................................................................................92


25%RBR-CAL (28 dias de cura) ...........................................................................................................93

Figura 4.16: variao da resistncia compresso simples em relao quantidade de cal do SRAB-25%RBR-CAL (90 dias de cura) ...........................................................................................................94


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Figura 4.23: resistncia compresso simples versus teor de umidade de moldagem do SRAB-

25%RBR-CAL (360 dias de cura) .........................................................................................................98

Figura 4.24: resistncia compresso simples versus relao vazios/cal do SRAB-25%RBR-CAL (28dias de cura) ......................................................................................................................................... 100

Figura 4.25: resistncia compresso simples versus relao vazios/cal do SRAB-25%RBR-CAL (90dias de cura) ......................................................................................................................................... 100

Figura 4.26: resistncia compresso simples versus relao vazios/cal do SRAB-25%RBR-CAL (360

dias de cura) ......................................................................................................................................... 101

Figura 4.27: resistncia compresso simples versus relao vazios/cal ajustado do SRAB-25%RBR-CAL (28 dias de cura) .......................................................................................................................... 102

Figura 4.28: resistncia compresso simples versus relao vazios/cal ajustado do SRAB-25%RBR-CAL (90 dias de cura) .......................................................................................................................... 102

Figura 4.29: resistncia compresso simples versus relao vazios/cal ajustado do SRAB-25%RBR-

CAL (360 dias de cura) ........................................................................................................................ 103

Figura 4.30: resistncia compresso simples versus relao vazios/cal ajustado do SRAB-25%RBR-CAL (28,90 e 360 dias de cura) ........................................................................................................... 104

Figura 4.31: variao da resistncia compresso simples em relao porosidade, teor de cal e tempode cura do SRAB-25%RBR-CAL ........................................................................................................ 105

Figura 4.32: resistncia compresso simples versus relao vazios/cal ajustado do SRAB-25%CV-

CAL (28 dias de cura) .......................................................................................................................... 107

Figura 4.33: resistncia compresso simples versus relao vazios/cal ajustado do SRAB-25%CV-CAL (90 dias de cura) .......................................................................................................................... 107

Figura 4.34: resistncia compresso simples versus relao vazios/cal ajustado do SRAB-25%CV-CAL (28 e 90 dias de cura) .................................................................................................................. 108

Figura 4.35: resistncia compresso simples versus relao vazios/cal ajustado dos trs compsitos

utilizados para 90 dias de cura ............................................................................................................. 109

Figura 4.36: posio dos pontos de moldagem escolhidos para os ensaios de compresso triaxial ....111

Figura 4.37: tenso-deformao para diferentes relaes vazios/cal do SRAB-CAL (28 dias de cura).............................................................................................................................................................. 114

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Figura 4.43: tenso-deformao da amostra com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e 400kPa (SRAB-CAL 28

dias de cura) ......................................................................................................................................... 118

Figura 4.44: deformao volumtrica da amostra com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e 400kPa (SRAB-

CAL 28 dias de cura) ........................................................................................................................... 118

Figura 4.45: tenso-deformao da amostra com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e 400kPa (SRAB-CAL 90

dias de cura) ......................................................................................................................................... 119

Figura 4.46: deformao volumtrica da amostra com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e 400kPa (SRAB-

CAL 90 dias de cura) ........................................................................................................................... 119

Figura 4.47: tenso-deformao da amostra com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e 400kPa (SRAB-CAL

360 dias de cura) .................................................................................................................................. 120

Figura 4.48: deformao volumtrica da amostra com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e 400 kPa (SRAB-

CAL 360 dias de cura) ......................................................................................................................... 120

Figura 4.49: comportamento idealizado para solos estruturados onde a parcela coesiva dominanete:

(a) comportamento tenso-deformao e (b) trajetria de tenses (adaptado de COOP;ATKINSON,1993) .................................................................................................................................................... 122

Figura 4.50: comportamento idealizado para solos estruturados onde a parcela friccional preponderante: (a) comportamento tenso-deformao e (b) trajetria de tenses (adaptado deCUCCOVILLO;COOP, 1999) ............................................................................................................. 122

Figura 4.51: envoltrias de ruptura do SRAB-CAL para 28, 90 e 360 dias de cura e /Cav0,12 = 35 ... 123

Figura 4.52: resistncia confinada 20kPa e no confinada versus relao vazios/cal ajustado doSRAB-CAL para 28, 90 e 360 dias de cura ......................................................................................... 124

Figura 4.53: variao da resistncia confinada 20kPa e no confinada em relao a porosidade, teorde cal e tempo de cura do SRAB-CAL ................................................................................................ 125

Figura 4.54: variao do mdulo secante com a deformao axial para diferentes relaes vazios/caldo SRAB-CAL (28 dias de cura) ......................................................................................................... 126

Figura 4.55: variao do mdulo secante com a deformao axial para diferentes relaes vazios/caldo SRAB-CAL (90 dias de cura) ......................................................................................................... 126

Figura 4.56: variao do mdulo secante com a deformao axial para diferentes relaes vazios/caldo SRAB-CAL (360 dias de cura) ....................................................................................................... 127

0 12

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Figura 4.63: tenso-dilatncia em amostras com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e 400kPa (SRAB-CAL 360

dias de cura) ......................................................................................................................................... 131

Figura 4.64: comportamento tenso-dilatncia para um solo cimentado (LO; WARDANI, 2002) .....132

Figura 4.65: tenso-deformao para diferentes relaes vazios/cal do SRAB-25%RBR-CAL (28 diasde cura) ................................................................................................................................................. 134

Figura 4.66: deformao volumtrica para diferentes relaes vazios/cal do SRAB-25%RBR-CAL (28dias de cura) ......................................................................................................................................... 134

Figura 4.67: tenso-deformao para diferentes relaes vazios/cal do SRAB-25%RBR-CAL (90 diasde cura) ................................................................................................................................................. 135

Figura 4.68: deformao volumtrica para diferentes relaes vazios/cal do SRAB-25%RBR-CAL (90dias de cura) ......................................................................................................................................... 135

Figura 4.69: tenso-deformao para diferentes relaes vazios/cal do SRAB-25%RBR-CAL (360dias de cura) ......................................................................................................................................... 136

Figura 4.70: deformao volumtrica para diferentes relaes vazios/cal do SRAB-25%RBR-CAL(360 dias de cura) ................................................................................................................................. 136

Figura 4.71: tenso-deformao da amostra com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e 400 kPa (SRAB-

25%RBR-CAL 28 dias de cura) ........................................................................................................... 137



Figura 4.73: tenso-deformao da amostra com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e 400 kPa (SRAB-25%RBR-CAL 90 dias de cura) ........................................................................................................... 138



Figura 4.75: tenso-deformao da amostra com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e 400 kPa (SRAB-25%RBR-CAL 360 dias de cura) ......................................................................................................... 139


25%RBR-CAL 360 dias de cura) ......................................................................................................... 140

Figura 4.77: envoltrias de ruptura do SRAB-25%RBR-CAL para 28, 90 e 360 dias de cura e /Cav0,12

= 35 ...................................................................................................................................................... 141

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Figura 4.83: variao do mdulo secante com a deformao axial com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e

400kPa (SRAB-25%RBR-CAL 28 dias de cura) .................................................................................146


400kPa (SRAB-25%RBR-CAL 90 dias de cura) .................................................................................146


400kPa (SRAB-25%RBR-CAL 360 dias de cura) ...............................................................................147

Figura 4.86: tenso-dilatncia para diferentes relaes vazios/cal (SRAB-25%RBR-CAL 28 dias de

cura)...................................................................................................................................................... 147

Figura 4.87: tenso-dilatncia para diferentes relaes vazios/cal (SRAB-25%RBR-CAL 90 dias decura)...................................................................................................................................................... 148

Figura 4.88: tenso-dilatncia para diferentes relaes vazios/cal (SRAB-25%RBR-CAL 360 dias decura)...................................................................................................................................................... 148

Figura 4.89: tenso-dilatncia em amostras com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e 400kPa (SRAB-





25%RBR-CAL 360 dias de cura) ......................................................................................................... 150

Figura 4.92: tenso-deformao para diferentes relaes vazios/cal do SRAB-25%CV-CAL (28 dias

de cura) ................................................................................................................................................. 151

Figura 4.93: deformao volumtrica para diferentes relaes vazios/cal do SRAB-25%CV-CAL (28dias de cura) ......................................................................................................................................... 152

Figura 4.94: tenso-deformao para diferentes relaes vazios/cal do SRAB-25%CV-CAL (90 diasde cura) ................................................................................................................................................. 152

Figura 4.95: deformao volumtrica para diferentes relaes vazios/cal do SRAB-25%CV-CAL (90

dias de cura) ......................................................................................................................................... 153

Figura 4.96: tenso-deformao da amostra com /Cav0,12 = 35 para 20, 200 e 400 kPa (SRAB-

25%CV-CAL 28 dias de cura) ............................................................................................................. 154


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Figura 4.103: variao do mdulo secante com a deformao axial para diferentes relaes vazios/cal

do SRAB-25%CV-CAL (28 dias de cura) ...........................................................................................159

Figura 4.104: variao do mdulo secante com a deformao axial para diferentes relaes vazios/caldo SRAB-25%CV-CAL (90 dias de cura) ...........................................................................................159


400kPa (SRAB-25%CV-CAL 28 dias de cura) ...................................................................................160


400kPa (SRAB-25%CV-CAL 90 dias de cura) ...................................................................................160

Figura 4.107: tenso-dilatncia para diferentes relaes vazios/cal (SRAB-25%CV-CAL 28 dias decura)...................................................................................................................................................... 161

Figura 4.108: tenso-dilatncia para diferentes relaes vazios/cal (SRAB-25%CV-CAL 90 dias decura)...................................................................................................................................................... 162





Figura 4.111: tpico sinal recebido do ensaio com bender elements de um corpo de prova curado por28 dias .................................................................................................................................................. 165

Figura 4.112: tpico sinal recebido do ensaio com bender elements de um corpo de prova curado por

90 dias .................................................................................................................................................. 165

Figura 4.113: tpico sinal recebido do ensaio com bender elements de um corpo de prova curado por180 dias ................................................................................................................................................ 166

Figura 4.114: variao do G0em relao quantidade de cal de amostras com 7 dias de cura ...........167

Figura 4.115: variao do G0em relao quantidade de cal em amostras com 15 dias de cura ........167



Figura 4.118: variao do G0em relao quantidade de cal em amostras com 180 dias de cura ......169

Figura 4.119: variao do G0em relao porosidade de amostras com 7 dias de cura ..................... 170

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Figura 4.128: mdulo cisalhante versus relao vazios/cal de amostras com 180 dias de cura ...........175

Figura 4.129: mdulo cisalhante versus relao vazios/cal ajustado de amostras com 7 dias de cura 176

Figura 4.130: mdulo cisalhante versus relao vazios/cal ajustado de amostras com 15 dias de cura.............................................................................................................................................................. 176




Figura 4.134: mdulo cisalhante versus relao vazios/cal ajustado (todas as amostras) ....................179

Figura 4.135: variao do G0em relao porosidade, teor de cal e tempo de cura ........................... 179

Figura 4.136: razo G0/quversus relao vazios/cal ajustado de amostras com 90 dias de cura .........180

Figura 4.137: camada de solo-cal assente sobre o solo residual determinao da capacidade desuporte .................................................................................................................................................. 181

Figura 4.138: posicionamento dos pontos de moldagem .....................................................................183

Figura 4.139: determinao da relao vazios/cal para dosagem da mistura .......................................183

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LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1: Faixa de validade para aplicao da metodologia proposta por Thom et al. (2005) .........31

Tabela 2.2: Composio mdia das cales brasileiras (GUIMARES, 2002) ........................................ 33

Tabela 2.3: Previso da quantidade de cal em funo do tipo de solo (adaptada de INGLES;METCALF, 1972) ..................................................................................................................................38

Tabela 3.1: etapas e ensaios do programa experimental ........................................................................60

Tabela 3.2: caracterizao da cal utilizada .............................................................................................63

Tabela 4.1: propriedades fsicas dos materiais .......................................................................................81

Tabela 4.2: anlise semi-quantitativa dos materiais ...............................................................................81

Tabela 4.3: caracterizao qumica dos materiais ..................................................................................83

Tabela 4.4: resultados reatividade potencial pelo mtodo qumico ....................................................... 83

Tabela 4.5: valores tpicos para o parmetro B (adaptado de LAMBE;WHITMAN, 1979) ............... 112

Tabela 4.6: programa de ensaios triaxiais em SRAB-CAL ..................................................................113

Tabela 4.7: programa de ensaios triaxiais em SRAB-25%RBR-CAL .................................................133

Tabela 4.8: programa de ensaios triaxiais em SRAB-25%CV-CAL ...................................................151

Tabela A.1: dados gerais dos corpos-de-prova do SOLO-CAL com 90 dias de cura .......................... 201

Tabela A.1 (continuao): dados gerais dos corpos-de-prova do SOLO-CAL com 90 dias de cura ...202

Tabela A.1 (continuao): dados gerais dos corpos-de-prova do SOLO-CAL com 90 dias de cura ...203

Tabela A.2: dados gerais dos corpos-de-prova do SOLO-CAL com 360 dias de cura ........................ 204

Tabela A.2 (continuao): dados gerais dos corpos-de-prova do SOLO-CAL com 360 dias de cura .205

Tabela A.2 (continuao): dados gerais dos corpos-de-prova do SOLO-CAL com 360 dias de cura .206

Tabela A.3: dados gerais dos corpos-de-prova do SOLO-RBR-CAL com 28 dias de cura ................. 207

Tabela A 3 (continuao): dados gerais dos corpos-de-prova do SOLO-RBR-CAL com 28 dias de cura

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Tabela A.4 (continuao): dados gerais dos corpos-de-prova do SOLO-RBR-CAL com 90 dias de cura

.............................................................................................................................................................. 214

Tabela A.5: dados gerais dos corpos-de-prova do SOLO-RBR-CAL com 360 dias de cura ............... 215

Tabela A.5 (continuao): dados gerais dos corpos-de-prova do SOLO-RBR-CAL com 360 dias decura ....................................................................................................................................................... 216



Tabela B.1: dados gerais dos corpos-de-prova ensaiados compresso triaxial do SOLO-CAL ........220

Tabela B.2: dados gerais dos corpos-de-prova ensaiados compresso triaxial do SOLO-RBR-CAL.............................................................................................................................................................. 221

Tabela B.3: dados gerais dos corpos-de-prova ensaiados compresso triaxial do SOLO-CV-CAL .222

Tabela C.1: dados gerais dos corpos-de-prova ensaiados com bender elements ................................. 224

Tabela C.1 (continuao): dados gerais dos corpos-de-prova ensaiados com bender elements ..........225

Tabela C.1 (continuao): dados gerais dos corpos-de-prova ensaiados com bender elements ..........226

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LISTA DE SMBOLOS

a: massa de gua

B: parmetro de poro-presso de Skempton

c: coeso efetiva

Ca: teor de cal calculado em relao massa de solo seco e expresso em porcentagem

ca: massa de cal

Cav: teor volumtrico de cal, expresso em porcentagem do volume total

Cu: coeficiente de uniformidade

d: parmetro de dilatncia igual ao quociente entre os incrementos de deformao plsticavolumtrica e cisalhante

D10: dimetro efetivo

e: base do logaritmo neperiano (2,7183)

e: ndice de vazios

Es: mdulo de deformao axial secante

G: mdulo cisalhante

G0, Gmax: mdulo cisalhante mximo

LL: limite de liquidez

LP: limite de plasticidade

p: tenso efetiva normal mdia

q: tenso desvio

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: porosidade

: teor de umidade

f: teor de umidade aps a imerso do corpo-de-prova por 24 horas

: incremento de deformao

a: deformao axial

s: deformao cisalhante

v: deformao volumtrica

: ngulo de atrito efetivo

1,3 : tenses principais totais maior e menor

1,3: tenses principais efetivas maior e menor

d: tenso desvio

: ngulo de dilatncia

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LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

ABNT: Associao Brasileira de Normas Tcnicas.

ASTM: American Society for Testing and Materials

CIENTEC: Fundao de Cincia e Tecnologia do Estado do Rio Grande do Sul

CV: Cinza VolanteNORIE: Ncleo Orientado para a Inovao da Edificao

LEEG: Laboratrio de Engenharia Geotcnica e Geotecnologia Ambiental

NBR: Norma Brasileira

PPGEC: Programa de Ps Graduao em Engenharia Civil

RBR: Resduo de Britagem

SUCS: Sistema Unificado de Classificao de Solos

UFRGS: Universidade Federal do Rio Grande do Sul

USACE: United States Army Corps of Engineers

USBR: United States Bureau of Reclamation

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1 INTRODUO

1.1 PROBLEMA E RELEVNCIA DA PESQUISA

Tendncias evidentes em Geotecnia encontram-se na busca de novas tecnologias e

alternativas que tornem economicamente viveis as obras de engenharia e busquem solucionar

os problemas relacionados com a agresso ao meio ambiente. A utilizao de bases granulares

para rodovias, por exemplo, torna-se invivel quando a jazida est muito distante do local da

obra, pelos elevados custos associados ao transporte e danos ambientais provenientes da

prpria explorao e transporte do material.

Outro exemplo a execuo de fundaes em terrenos de baixa capacidade de suporte

e alta deformabilidade, onde a utilizao de fundaes profundas e os custos associados a essa

soluo podem-se tornar incompatveis com porte do empreendimento, como no caso deconjuntos habitacionais de baixo custo.

Nesses casos, uma alternativa disponvel o melhoramento das propriedades do solo

do local atravs da adio de cal ou cimento. A aplicao da tcnica de tratamento de solos

com cal vem sendo empregada com sucesso na construo de bases para pavimentos.

Inmeras pesquisas (NEZ, 1991; THOM, 1994; CARRARO, 1997; CONSOLI,

2001; LOVATO, 2004; LOPES JUNIOR, 2007; CONSOLI et al., 2009a, 2009b; DALLA

ROSA 2009a) sobre solos tratados com cal tm sido realizadas na Universidade Federal do

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inicial fornecida pela literatura ou norma, seguida pela execuo de uma srie de ensaios

laboratoriais. Na busca de metodologias baseadas em critrios racionais como existe, porexemplo, para o concreto convencional, onde a relao gua/cimento desempenha papel

fundamental na obteno da resistncia desejada, pesquisas recentes (LOPES JUNIOR, 2007;

CONSOLI et al., 2009a; DALLA ROSA, 2009a) mostraram que a relao vazios/cal, definido

pela razo entre a porosidade da mistura compactada e o teor volumtrico de cal, ajustado por

uma potncia pode ser utilizada na previso da resistncia mecnica de solos tratados com calno estado no saturado.

Solos tratados com cal exibem um comportamento mecnico complexo, influenciado

por diversos fatores, dentre os quais se destacam a quantidade de cal adicionada, a porosidade

da mistura, teor de umidade e principalmente tempo de cura.

A presente pesquisa, ao identificar e quantificar as variveis mais importantes no

controle do comportamento de solos artificialmente tratados com cal fornecer subsdios para

que, a partir da manipulao adequada de tais variveis por meio de dosagem, se possa atingir

de forma objetiva e com maior confiabilidade as propriedades requeridas.

1.2 OBJETIVOS

O objetivo geral desta pesquisa validar o uso da relao vazios/cal na estimativa da

resistncia compresso simples e triaxial e verificar o comportamento tenso-deformao,comportamento tenso-dilatncia e rigidez inicial de um solo siltoso tratado com cal, com ou

sem adies (finos), curado por perodos longos.

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Quantificar a influncia da adio de resduos (normalmente utilizados em solos

arenosos) de diferentes potenciais de reatividade no comportamento do solo-calestudado e verificar os efeitos das adies na relao vazios/cal.

Estabelecer uma relao entre a resistncia compresso simples e o mdulo

cisalhante inicial (G0) na metodologia de dosagem, expressa pela relao

vazios/cal.

1.3 ORGANIZAO DA TESE

A presente tese est estruturada em cinco captulos descritos sucintamente a seguir:

No captulo 1 feita uma introduo, onde so apresentados o problema e a relevncia

da pesquisa e so definidos os objetivos gerais e especficos a serem atingidos.

O captulo 2 constitui-se numa reviso da literatura acerca de aspectos relevantes ao

tema abordado. Pretende-se dar ao leitor uma viso geral sobre a tcnica de solos tratadoscom cal, enfatizando sua aplicao, os materiais utilizados e os mtodos de dosagem

existentes. Ainda neste captulo, so abordadas as caractersticas comportamentais tpicas de

solos tratados com cal, bem como, nos fatores que exercem influncia sobre tais

caractersticas, incluindo trabalhos recentes sobre o uso da relao vazios/cal na previso da

resistncia mecnica de solos artificialmente cimentados.

No captulo 3 feita uma descrio detalhada do programa experimental adotado,

especificando as variveis de interesse, os materiais e mtodos utilizados.

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2 REVISO BIBLIOGRFICA

2.1 VISO GERAL SOBRE A TCNICA DO SOLO-CAL

O uso da cal como aditivo no tratamento de solos o mais antigo mtodo de

estabilizao qumica conhecida, utilizada nas mais variadas aplicaes, como a Via Apia,

construda pelos Romanos. Pode-se definir solo-cal como o produto resultante da mistura

ntima compactada de solo (geralmente argila), cal e gua, em propores estabelecidas

atravs de dosagem (USBR, 1998).

A adio de cal ao solo tem sido denominada de maneiras diferentes conforme o autor,

sendo que termos como solo estabilizado, solo melhorado, solo modificado e solo tratado, so

comumente utilizados. De maneira geral o critrio para a adoo de uma ou outra

denominao o grau de alterao das propriedades do solo natural em funo da quantidadede aglomerante aplicado. Entretanto os processos so conceitualmente os mesmos, ou seja, a

introduo e mistura de cal ao solo para obteno de propriedades como resistncia ou

deformabilidade adequadas a um determinado uso de engenharia. Nesta reviso da literatura

no ser feita distino entre os termos, sendo mantido o termo utilizado pelo autor citado.

Utiliza-se solo-cal quando no se dispem de um material ou combinao de materiais

com as caractersticas de resistncia, deformabilidade e permeabilidade adequados ao projeto.

A estabilizao com cal comumente empregada na construo de estradas, sendo geralmente

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II Rodovia Curitiba/Porto Alegre (Paran) prximo ao km 10, com 1000 metros de

extenso. Foi utilizado um solo siltoso, com 3% e 7% de cal;

III Rodovia Braslia/Fortaleza (Distrito Federal) proximidades de Sobradinho,

foram construdos dois trechos de 150 metros cada e bases com 1% e 3% de cal;

IV Avenida Sernambetiba Guanabara (Rio de Janeiro) trecho de 18 km, com

base de 3% a 4% de cal;

V Rodovia Cruz Alta/Carazinho (BR-377/RS) dois trechos experimentais em solo

argiloso com 4% de cal.

Outra importante aplicao do solo-cal tem sido na proteo de taludes contra a eroso

em obras hidrulicas como, por exemplo, no canal de irrigao de Friant-Kern na Califrnia,

no qual foi utilizada cal virgem pulverizada (3% a 5%). Tanto no aspecto estanqueidade,

como no de estabilidade, o canal, com vazo de 150 m3/min, no apresentou nenhuma eroso

significativa aps um ano de servios contnuos (LITTLE, 1999; GUIMARES, 2002).

A tcnica de melhoramento do solo tambm pode ser utilizada nas fundaes deedificaes de pequeno porte, em solos com baixa capacidade de suporte ou que apresentam

baixa estabilidade volumtrica. Tais condies so problemticas na medida em que podem

causar severas patologias na edificao (INGLES; METCALF, 1972).

A soluo tradicionalmente utilizada para suportar as cargas das construes nestes

locais o uso de fundaes profundas, no entanto, este tipo de soluo tcnica pode

inviabilizar a obra dependendo do tipo do empreendimento (THOM et al., 2005).

Sandroni e Consoli (2010) apresentam uma ampla reviso bibliogrfica sobre a prtica

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estaqueada e congelamento. A adoo de uma ou mais solues tcnicas est associada

principalmente ao tipo de obra e a espessura da camada de baixa resistncia.

Thom et al. (2005), a partir de uma srie de resultados de ensaios de placa sobre

sistemas de dupla camada, sendo a superior cimentada, e simulaes numricas atravs do

Mtodo dos Elementos Finitos, apresentam um mtodo semi-emprico de dimensionamento

de fundaes superficiais apoiadas sobre uma camada de solo resistente, a qual se encontra

assente sobre uma camada de baixa resistncia.

As principais concluses apresentadas por Thom et al. (2005) so:

I - possvel utilizar um modelo simples para representar o comportamento de solos

cimentados e no-cimentados, como o modelo elstico perfeitamente plstico com critrio de

ruptura de Drucker-Prager em conjunto com o Mtodo dos Elementos Finitos, para prever o

comportamento de fundaes superficiais apoiadas em um sistema de dupla camada;

II - dos parmetros dos materiais, o mdulo de elasticidade e o ngulo de atrito da

camada cimentada no influenciam significativamente o valor de capacidade de carga

referente a 2% de recalque relativo (sendo o recalque relativo igual ao recalque observado

divido pelo dimetro da placa);

III - os parmetros dos materiais que mais influenciam a capacidade de carga em um

sistema de dupla camada, sendo a superior cimentada, em ordem e importncia so: coeso da

camada cimentada; coeso, mdulo de elasticidade e ngulo de atrito interno da camada no-cimentada;

IV - a resposta tenso versus recalque relativo ser nica para uma mesma relao

H/D d H d d i d D di d f d Q i

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Portanto a partir de um ensaio de placa de pequeno dimetro sobre um sistema de

dupla camada, alm do valor da capacidade de carga a 2% de recalque relativo, possvelreproduzir a curva carga versus recalque de fundaes de maiores dimenses. De acordo com

os autores, os valores da capacidade de carga a 2% de recalque relativo de fundaes

superficiais apoiadas em sistema de dupla camada, sendo a superior cimentada, podem ser

obtidos atravs das equaes (2.1), (2.2) e (2.3) abaixo:

Para H/D = 1,00: Fu

ePa

q 3235,0%2 10,2 = (equao 2.1)

Para H/D = 0,50: Fu

ePa

q 3365,0%2 31,1 = (equao 2.2)

Para H/D = 0,25: Fu ePa

q 3328,0%2 84,0 = (equao 2.3)

Onde: qu2%: tenso de ruptura a 2% de recalque relativo.

F: fator de parmetros

+

+

+

=Pa

E

Pa

c

Pa

cF

2

24

21ln

cos

1'ln

'ln (equao 2.4)

Pa: presso atmosfrica.c1: coeso da camada cimentada.c2: coeso da camada no-cimentada.2: ngulo de atrito interno da camada no-cimentada.

E2: mdulo de elasticidade da camada no-cimentada.

Como esta formulao foi obtida a partir de dados experimentais, necessrio

explicitar a sua faixa de validade. Na tabela 2.1 apresentada a faixa de variao dos

parmetros para os quais a metodologia aplicvel.

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Alm das aplicaes destacadas anteriormente, como execuo de fundaes

profundas, construo de caminhos de servio, reforo em aterros, conteno em escavaes(injeo de lama de cal sob presso ou grouting), a tcnica de solo-cal tambm pode ser

utilizada na confeco de blocos para alvenaria ou ainda no fechamento de trincheiras abertas

para passagem de canalizaes (INGLES; METCALF, 1972; GUIMARES, 2002).

2.1.1 Materiais Utilizados no Solo-Cal

2.1.1.1 Solo

A cal tem pouco efeito em solos altamente orgnicos e tambm em solos com pouca

ou nenhuma quantidade de argila. mais eficiente em solos argilosos, podendo ser mais

efetivo que o cimento em pedregulhos argilosos (INGLES; METCALF, 1972).

Para verificar qual aglomerante mais indicado a ser utilizado na estabilizao de solosdeve-se levar em considerao a granulometria do solo e a plasticidade. Solos com mdia a

alta plasticidade so mais reativos a cal, a qual aumenta a trabalhabilidade, diminui a

expanso volumtrica e aumenta a resistncia (USACE, 1994).

Thompson (1966) denominou de reativos aqueles solos que ao reagirem com a cal

sofrem substancial ganho de resistncia, qual seja, 345 kN/m2, aps 28 dias de cura

temperatura de 22,8 C. Solos que apresentam limitada reatividade pozolnica (ganhos de

resistncia inferiores a 345 kN/m2) so denominados de no-reativos.

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Ormsby e Kinter (1973) constataram para um solo contendo como principal argilo-

mineral a caulinita, que a mistura com cal clcica apresentou maior resistncia compressosimples que a mistura com cal dolomtica. Quando o principal argilo-mineral presente era a

montmorilonita, a cal dolomtica apresentou desempenho um pouco superior. Segundo

Bhattacharja et al. (2003), independentemente da fonte de clcio utilizada, necessrio que

uma quantidade equivalente de clcio seja disponibilizada para as reaes pozolnicas. Na cal

dolomtica a presena de magnsio reduz a disponibilidade de clcio por peso unitrio, o quepoderia ser compensado pela dosagem de um maior teor de cal.

2.1.1.2 Cal

Conforme Guimares (2002), a cal utilizada na estabilizao ou melhoria dos solos

produto resultante da calcinao, em temperaturas prximas de 1000C, de rochas

carbonatadas clcicas e magnesianas existentes na superfcie terrestre. Na forma hidratada

deve obedecer s determinaes da Norma Brasileira NBR 7175.

Na tabela 2.2 so apresentadas as propriedades com valores mdios das cales

comercializadas no mercado brasileiro, segundo Guimares (2002).

Tabela 2.2: Composio mdia das cales brasileiras (GUIMARES, 2002)

TIPO DE CAL CaO(%)MgO(%)

Insolvelno HCl

(%)

Fe2O3+Al2O3(%)

Perda aoFogo (%)

CO2(%) SO3(%)

CaO + MgO

Base deNo-Voltil

(%)

MgO

NoHidratado

(%)

CAL VIRGEM

CLCICA9098 0,10,8 0,53,5 0,21,0 0,55,0 0,23,8 0,10,6

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2.1.1.3 Resduos Industriais

A preocupao com o destino dos resduos proveniente de qualquer tipo de indstria

alvo de inmeros trabalhos e pesquisas na atualidade. A introduo de resduos industriais na

rea de melhoramento de solos visa basicamente solucionar problemas de carter econmico,

tecnolgico, de consumo energtico e de ordem ambiental (CINCOTTO, 1988).

Thom (2008) apresenta uma ampla reviso bibliogrfica do uso de resduosindustriais no melhoramento de solos no Brasil. Entre os materiais utilizados no

melhoramento de solos no Brasil esto o fosfogesso, cal de carbureto, cinza pesada, fibras de

garrafas PET, alcatro de madeira, resduo da indstria de pedras preciosas, resduos de

britagem, resduos de construo e demolio e raspas de pneu.

O uso de resduos como a cinza volante e filler proveniente da britagem de rochas

baslticas, materiais utilizados nessa pesquisa, em principio so normalmente utilizados como

adies no melhoramento de solos com cal, onde a matriz predominantemente arenosa com

escassez de argila coloidal, a qual no reage satisfatoriamente cal. Para a estabilizao

desses solos, quando o consumo de cal muito elevado (economicamente invivel) ou quando

a correo da granulometria no possvel (por falta de outros materiais), a adio de

materiais silicosos pode torn-los reativos cal (TRB, 1976; CONSOLI et al., 2001; LOPES

JUNIOR, 2007; DALLA ROSA, 2009a).

2.1.2 Reaes Solo-Cal

Castro (1995) observa que quando se adiciona cal a um solo fino em presena de gua,

ocorrem simultaneamente algumas reaes qumicas A estabilizao qumica com cal

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As reaes pozolnicas so responsveis pelo contnuo aumento da resistncia

mecnica de misturas solo-cal. Esse aumento ocorre porque as fontes de slica, alumina eferro presentes no solo reagem com a cal e a gua, formando diversos produtos cimentantes.

Segundo Rogers e Glendinning (2000), os ons hidroxila liberados da cal elevam o pH

da mistura a um valor suficientemente alto, de modo que a slica e a alumina sejam

dissolvidas da argila. Essas reaes formaro gis de silicatos ou aluminatos hidratados de

clcio. Segundo relato do TRB (1987) esta reao no cessar enquanto houver Ca(OH)2

reagindo e slica disponvel no solo. Conforme Ingles e Metcalf (1972), os gis de silicato

resultantes da reao imediatamente cobrem e ligam as partculas de argila, bloqueando os

vazios. Os gis so cristalizados lentamente e transformados em silicatos hidratados de clcio

bem definidos. Os autores salientam que esta reao s ocorre em presena de gua, que tem a

funo de carregar os ons clcio e hidroxila para a superfcie da argila. Este mecanismo

mostrado na figura 2.2.

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37

2.1.3 Dosagem Solo-Cal

2.1.3.1 Mtodos Clssicos

A dosagem visa selecionar a quantidade de cal a ser adicionada ao solo que fornecer a

resistncia e a durabilidade adequadas ao uso que o material se destina. O procedimento dedosagem feito atravs de baterias de testes de laboratrio (INGLES; METCALF, 1972).

Entre os mtodos clssicos de dosagem de misturas solo-cal mais utilizados destacam-

se:

I Mtodo do pH (EADES; GRIM, 1966) consiste na determinao do teor mnimode cal que produza um aumento no valor de pH para 12,4.

II Mtodo do ICL (Initial Consumption of Lime) proposto por Rogers et al. (1997),

uma variao do mtodo do pH, onde o teor mnimo de cal aquele onde o pH atinge um

valor constante (mximo);

III Mtodo doLime Fixation Point(HILT; DAVIDSON, 1960) baseado no limite

de plasticidade, que determina o teor de cal mximo que proporciona melhoria na

trabalhabilidade, sem ganhos significativos de resistncia;

IV Mtodo de Thompson (1966) que define como reativo um solo que apresenteum aumento de resistncia compresso simples de pelo menos 345 kPa quando estabilizado

com cal.

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como Gley Hmico, verificou que o mtodo Eades e Grim (1966) no se apresentou adequado

para a determinao do teor timo de cal, o valor adotado pelo mtodo (9%) simplesmentemelhorou as caractersticas do material, no cimentando as partculas como esperado.

Segundo Bhattacharja et al. (2003), os mtodos de dosagem existentes geralmente

consideram a resistncia como um critrio secundrio e no levam em considerao a

durabilidade.

A ttulo de ilustrao, a tabela 2.3, adaptada de Ingls e Metcalf (1972), apresenta um

indicativo da quantidade de cal a ser adicionada para a estabilizao, de acordo com o tipo de

solo.

Tabela 2.3: Previso da quantidade de cal em funo do tipo de solo(adaptada de INGLES; METCALF, 1972)

TIPO DE SOLOTEOR DE CAL PARA

MODIFICAOTEOR DE CAL PARA

ESTABILIZAO

Pedra finamente britada 2 a 4 No recomendado

Pedregulho argiloso bem graduado 1 a 3 3

Areias No recomendado No recomendado

Argila arenosa No recomendado 5

Argila siltosa 1 a 3 2 a 4

Argilas 1 a 3 3 a 8

Solos orgnicos No recomendado No recomendado

2.1.3.2 Metodologia Relao Vazios/Cal

A relao volume de vazios/volume de agente cimentante na previso do

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39

Em seu estudo, Lopes Junior (2007) utilizou solo residual de arenito Botucatu

misturado com 25% de rocha basltica pulverizada. As porcentagens de cal utilizadas, emrelao massa de solo seco, foram de 3%, 5%, 7%, 9% e 11%. Para cada porcentagem de cal

foi feita uma srie de ensaios de resistncia compresso simples, moldadas a diferentes

teores de umidade e massas especficas aparentes secas, ambos determinados a partir das

curvas de compactao das misturas de solo-cal.

A relao vazios/cal utilizada por Lopes Junior (2007) definida pela seguinte

expresso:

caldeabsolutoVolume

gua)(arvaziosdeabsolutoVolume +=

ca

v

V

V (equao 2.5)

Para Lopes Junior (2007), a melhor maneira de representar a relao vazios/cal na

previso da resistncia compresso simples e compatibilizar as taxas de variao das

grandezas foi atravs da aplicao de uma potncia igual a 0,06 sobre o parmetro Vca. Na

figura 2.3 so mostrados os resultados obtidos para amostras com 28 e 90 dias de cura. Para o

autor, o uso deste tipo de relao pode ser de utilizada para dosagem de solo-cal e controle de

execuo de misturas em campo.

1000

1200

1400

1600

1800

2000

qu(kPa)

Cal 28 dias : qu= 4,22.1009

(Vv/(Vca)0,06

)-3,89

(R2= 0,97)

Cal 90 dias : qu= 4,15.1010

(Vv/(Vca)0,06

)-4,29

(R2= 0,98)

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40

Posteriormente Dalla Rosa (2009a), utilizando o mesmo conceito vazios/cal, tratou um

solo silte arenoso misturado com diferentes propores de cinza volante (12,5%, 25% e 50%)com 3%, 5%, 7% e 9% de cal. Para cada porcentagem de cal foi feita uma srie de ensaios de

compresso simples, moldadas a diferentes massas especficas aparente secas e curadas por

distintos perodos de cura. A figura 2.4 apresenta a relao vazios/cal, expressa na forma de

porosidade/teor volumtrico de cal, com os resultados de compresso simples das amostras de

solo-cal com 25% de cinza volante curadas previamente por 28, 60 e 90 dias. Paracompatibilizao das grandezas, o autor utilizou uma potncia igual a 0,12, o qual no variou

com o tempo de cura.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

qu

(kPa)

/ (Cav)0,12

28 dias : qu = 1,37x1010(/Cav

0,12)-4,58 (R2 = 0,93)

60 dias : qu = 2,11x1010(/Cav

0,12)-4,58 (R2 = 0,88)

90 dias : qu = 3,44x1010(/Cav

0,12)-4,58 (R2 = 0,92)

Figura 2.4: relao porosidade/teor volumtrico de cal ajustado versus

resistncia compresso simples (adaptado de DALLA ROSA,

41

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41

resultados de resistncia compresso simples obtidos por Foppa (2005). Foram adotados trs

valores de /(Civ)0,28

(relao entre a porosidade e o teor volumtrico de cimento ajustadospor um fator 0,28) para avaliao (20, 25 e 35), como apresentado na figura 2.6.

Os autores concluram que a relao vazios/cimento tambm fornece bons resultados

para a previso da tenso desvio dos ensaios triaxiais adensados no-drenados. Observaram,

tambm, que a curva de ajuste dos ensaios triaxiais ficou prxima, porm, um pouco acima da

curva de ajuste dos ensaios de compresso simples, devido ao efeito do confinamento (Figura

2.5).

qu = 5,025.107(

/(Civ)0,28

)-3,32

R

2

= 0,97

d = 2,948.106(

(Civ)0,28

)-2,31

R2= 0,85

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

10 15 20 25 30 35 40 45

/(Civ)0.28

qu(kPa)

Compresso Simples

Triaxiais N o-drenados

Figura 2.5: previso da tenso desvio atravs da relaovazios/cimento (CONSOLI et al., 2007)

Cruz (2008) utilizando o conceito vazios/cimento tratou uma areia fina com 2% 3%

42

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42

Figura 2.6: tenso versus relao vazios/cimento para diferentestenses confinantes (CRUZ, 2008)

Na figura 2.7 so apresentas as correlaes entre a relao vazios/cimento e a rigidez

inicial (G0). A partir dos resultados de compresso simples e rigidez inicial, Cruz (2008)

relacionou as duas variveis de resposta, obtendo como equao resultante:

ivu Cq

G 10000 (equao 2.6)

43

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43

2.2 VARIVEIS DETERMINANTES DO COMPORTAMENTO DO SOLO-

CAL

2.2.1 Efeito da Cal

A primeira resposta da mistura solo-cal ser a reduo do ndice de plasticidade e

melhoria na trabalhabilidade e a segunda ser o ganho de resistncia atravs da cimentao

das partculas (INGLES; METCALF, 1972; ATTOH-OKINE, 1995; TRB, 1987).

Guimares (1971) afirma que, de modo geral, a cal afeta favoravelmente certas

propriedades dos solos, o que se reflete em variaes das caractersticas fsicas seguintes:

granulometria, plasticidade, contrao e retrao, umidade de campo, densidade,

trabalhabilidade, desintegrao e compactao, resistncia e permeabilidade.

Consoli et al. (2001), ao estudar um solo arenoso tratado com cinza volante e cal decarbureto, verificaram que para uma mesma tenso confinante, o aumento da quantidade de

cal provoca aumento da resistncia de pico e diminuio da deformao na qual o pico

atingido.

2.2.2 Efeito da Densidade e Compactao

De similar importncia quantidade de cal a densidade na qual a mistura

44

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44

As partculas do solo, quando adicionada cal, se tornam mais floculadas, devido

substituio dos ons sdio monovalentes da argila por ons clcio divalentes. Devido floculao, a quantidade de vazios e o tamanho dos vazios no solo aumenta. Esta estrutura

floculada forte o suficiente para resistir aos esforos de compactao com um ndice de

vazios mais alto, reduzindo assim o ddo solo. Quanto mais vazios houver, mais gua ser

necessria para preench-los, o que resultar em uma umidade tima maior, e uma curva de

compactao mais achatada (SIVAPULLAIAH et al., 1998).

2.2.3 Efeito do Teor de Umidade e da Relao gua/Cal

Solos estabilizados com cal normalmente so compactados em campo na umidadetima para obteno da massa especfica aparente seca mxima, como determinado no ensaio

de compactao de Proctor. Entretanto, estudos com solo-cal e solo-cimento mostram que em

alguns casos, o teor de umidade que proporciona mxima resistncia e durabilidade no

necessariamente igual ao teor de umidade que gera a maior massa especfica aparente seca, e

sim um valor levemente inferior ao teor timo (CARRARO, 1997; FOPPA, 2005).

Kzdi (1979) observou que no existe uma correlao entre o teor de umidade de

moldagem que confere aos corpos-de-prova o mximo valor de resistncia e aquele que

permite a compactao na mxima densidade.

Osinubi (1998) estudou a influncia do retardamento da compactao em misturassolo-cal, observando uma reduo na umidade tima da mistura com a espera na

compactao, o que pode ser atribudo s trocas catinicas e floculao das partculas de

argila que ocorrem simultaneamente deste modo diminuindo a gua disponvel no sistema

45

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clcica e dolomtica, o autor observou uma umidade tima em mdia 1,3% maior para as

misturas com cal clcica que para as misturas com cal dolomtica.

Lopes Junior (2007) estudou misturas de solo residual de arenito Botucatu com 25%

de rocha basltica pulverizada, tratadas com 3%, 5%, 7%, 9% e 11% de cal. Nessas misturas

utilizou-se 10%, 12%, 14% e 16% de umidade de moldagem. Os resultados mostraram que a

variao de umidade de moldagem no afetou a resistncia compresso simples para os

tempos de cura estudados (28 e 90 dias), verificou-se no existir relao entre a resistncia

compresso simples e a relao gua/cal. Segundo o autor, para o solo-cal estudado, a relao

gua/cal no a melhor maneira de prever a resistncia em solos no estado no-saturado. Em

solos tratados com cal, Ingls e Metcalf (1972) afirmam que a gua somente necessria para

transportar os ons clcio e hidroxila para a superfcie da argila para que ocorram as reaes

qumicas, e que o teor timo de gua obtido pelo ensaio de compactao suficiente para

efetivar esse processo.

2.2.4 Efeito do Tempo de CuraIngls e Metcalf (1972) apresentam um estudo sobre a influncia do tempo de cura em

diferentes tipos de solos, tratados com 5% de cal hidratada, observando taxas de ganhos de

resistncia maiores em pedregulhos arenosos, conforme a figura 2.8.

Thom (1994) estudou misturas de uma argila mole (pedologicamente conhecidacomo Gley Hmico) com 5, 7 e 9% de cal dolomtica. Observou que a resistncia no

apresentou variao significativa para tempos de cura superiores a 7 dias. Segundo o autor, as

reaes pozolnicas foram impedidas ou sua quantidade insuficiente para cimentar as

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6

simples fundamentalmente dependente do teor de cal de carbureto, apresentando uma

relao aproximadamente linear.

Figura 2.8: efeito do tempo de cura sobre a resistncia compresso

simples para alguns solos estabilizados com cal (adaptado deINGLS; METCALF, 1972)

Lopes Junior (2007) verificou que misturas de solo residual de arenito Botucatu com

25% de rocha basltica pulverizada, tratadas com 3%, 5%, 7%, 9% e 11% de cal, curadas com

90 dias, apresentaram em mdia, resistncias 50% superiores em relao s amostras com 28

dias de cura.

Para as misturas de solo residual de Arenito Botucatu com 25% de cinza volante,

d 3% 5% 7% 9% d l D ll R (2009 ) ifi d

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2.3 COMPORTAMENTO MECNICO DO SOLO-CAL

2.3.1 Resistncia Compresso Simples

A resistncia de misturas solo-cal normalmente avaliada atravs dos ensaios de

compresso simples, compresso triaxial e ndice de Suporte Califrnia (ISC), e depende de

diversas variveis como: tipos de solo e cal, teor de cal, tempo e temperatura de cura (TRB,

1987).

Segundo Ingls e Metcalf (1972), geralmente, a resistncia compresso simples

aumenta linearmente com a quantidade de cal at certo nvel, usualmente 8% para solos

argilosos. A partir deste ponto a taxa de acrscimo de resistncia diminui com a quantidade de

cal, devido s misturas solo-cal apresentarem uma cimentao lenta e depender do tipo de

solo (Figura 2.9).

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Herrin e Mitchell (1961) afirmaram que no h, aparentemente, um teor timo de cal,

que produza a mxima resistncia em um solo estabilizado. Apontaram o teor e tipo de cal, otipo de solo, a massa especfica, o tempo e tipo de cura, como sendo os principais fatores que

influenciam a resistncia de misturas de solo e cal.

Ormsby e Kinter (1973), por sua vez, constataram que em solos ricos em caolinita a

adio de cal clcica d maiores resistncias do que a dolomtica, sendo a resistncia

compresso simples funo linear do teor de cal adicionado. J para solos contendo

montmorilonita a relao uma equao do segundo grau, e os melhores efeitos so obtidos

com a adio de cal dolomtica.

O aumento da resistncia compresso simples de misturas solo-cal, com o aumento

da energia de compactao, foi observado por Mateos (1964), que afirmou que a resistnciadas misturas fortemente influenciada pela temperatura de cura, recomendando a construo

de camadas de pavimento estabilizadas com cal no incio do vero. Carraro (1997) verificou

que a energia de compactao influencia e de fundamental importncia na determinao da

resistncia mecnica de solos tratados com cal de carbureto e cinza volante.

2.3.2 Resistncia Trao

A resistncia trao do solo-cimento de grande interesse em projetos de

pavimentos e tem sido investigada por vrios pesquisadores. (TRB, 1987).

Conforme citado por Nez (1991), Thompson (1975) afirmou que a resistncia

trao por compresso diametral conduz a menores valores que a resistncia trao na

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Segundo TRB (1987), estudos de Thompson (1969) demonstraram que o quociente

entre a resistncia trao na flexo e a resistncia trao na compresso diametral emtorno de 2. Assim pode-se estimar que a resistncia trao na flexo 25% da resistncia

compresso simples.

2.3.3 Resistncia ao Cisalhamento

Existe um entendimento geral que, para uma dada variao de tenses, a resistncia ao

cisalhamento de solos naturalmente e artificialmente cimentados pode ser representada por

uma envoltria reta de Mohr-Coulomb, definida por um intercepto coesivo, que apenas

funo da cimentao, e por um ngulo de atrito que parece no ser afetado pela cimentao(SCHNAID et al, 2001).

O principal efeito na resistncia ao cisalhamento de um solo fino reativo o de

produzir um substancial aumento da coeso; sendo o aumento do ngulo de atrito bem menos

expressivo. Considerando as baixas tenses confinantes atuantes no interior de pavimentos

flexveis ou fundaes superficiais, o aumento da coeso da maior importncia. Para os

solos de Illinois, Thompson (1966) observou que o ngulo de atrito interno de misturas solo-

cal variava de 25 a 35 e obteve a seguinte relao entre a coeso (c) e a resistncia

compresso simples (RCS):

c = 9,3 + 0,292 RCS (equao 2.6)

Onde: c e RCS so medidas em psi (1 psi 0,7 kgf/cm2)

Th (1994) t bili l l ifi d Gl H i 5% 7%

50

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2.3.4 Resposta Tenso-Deformao

As caractersticas tenso-deformao so essenciais para a anlise do comportamento

de uma estrutura de pavimento ou fundaes superficiais assentes sobre uma camada em solo-

cal.

Em geral, o comportamento tenso-deformao de solos cimentados pode ser descrito

como inicialmente rgido, aparentemente linear at um ponto de plastificao bem definido,alm do qual o solo sofre aumento nas deformaes plsticas at a ruptura. Outra

caracterstica apresentada a marcante fragilidade na ruptura com a formao de planos de

ruptura. Tal fragilidade aumenta com o aumento da quantidade de aglomerante e diminui com

o aumento da tenso efetiva mdia (SCHNAID et al., 2001).

O efeito da cal nas caractersticas de deformabilidade de um solo fino reativo so

marcantes. A tenso de ruptura aumenta significativamente, enquanto que a deformao para

ruptura diminui. Akoto e Singh (1986) observaram que quando as tenses de trao so

elevadas, as amostras de laterita tratadas com cal se deformam notavelmente antes de

romperem. Thompson (1965), entretanto, afirmou que a anlise da curva tenso deformao

revela o comportamento frgil das misturas solo-cal.

Para o solo classificado como Gley Hmico, Thom (1994) observou que o mdulo

secante, entre a origem e 75% da tenso de ruptura, aumenta com o teor de cal. Aps 7 dias de

cura, a mistura de solo tratado com 9% de cal apresentou mdulo secante 2,63 vezes maior

do que o solo natural.

Consoli et al. (1997) apresentam resultados de ensaios triaxiais CIU contendo o

comportamento tenso-deformao-poropresso de misturas de argila com alto teor de

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mas tambm as condies de compactao. Os autores observaram tambm que o mdulo de

deformao secante decresce de forma acentuada com o aumento das deformaes axiais.

Figura 2.10: Curvas (ensaios triaxiais CIU) tenso-deformao-poropresso (CONSOLI et al., 1997)

2.3.5 Rigidez Inicial

O aumento da rigidez inicial o efeito mais evidente em solos cimentados, por esta

razo, e em funo dos avanos tecnolgicos realizados nas reas de medio de deformaes

e de aquisio de dados em laboratrio, diversos autores tm se dedicado ao estudo do

comportamento a pequenas deformaes de materiais geotcnicos. Entre eles, esto ostrabalhos apresentados por Clough et al. (1981), Bressani (1990), Chang e Woods (1992),

Hight e Jardine (1993), Tatsuoka et al (1999), Consoli et al (2000) e Schnaid et al (2001).

52

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Atravs dos trabalhos realizados por Atkinson e Sallfors (1991) e Mair (1993),

Atkinson (2000) apresenta na figura 2.11 uma tpica curva rigidez-deformao, onde seobserva a degradao da rigidez com o aumento da deformao, as faixas de deformaes a

que o solo est submetido em condies de servio para diferentes estruturas geotcnicas e as

faixas de deformaes para as quais a rigidez pode ser determinada em diferentes ensaios

laboratoriais. Verifica-se que para pequenas deformaes a rigidez relativamente alta,

enquanto que, para deformaes prximas da ruptura, o seu valor diminui drasticamente. Estadegradao, demostra claramente a forte dependncia da rigidez com o nvel de deformao,

comprovando o carter no linear dos solos.

Figura 2.11: curva de degradao da rigidez com o nvel dedeformao (adaptado de ATKINSON, 2000)

Assim vrios estudos tm proposto a utilizao de um modelo de comportamento

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contatos das partculas, sendo que quando superada a mesma, notveis mudanas no vetor de

incremento de deformaes plsticas so constatadas. Por final, uma terceira superfcie define olimite onde a partir deste ponto, deformaes em larga escala so observadas, e como

consequncia, ocorre progressiva degradao da estrutura cimentante. Sendo assim, esta

superfcie somente afetada por deformaes relativamente grandes.

O comportamento na faixa de deformaes intermedirias (10-5a 10-2) caracteriza-se

por deformaes irreversveis no lineares, muito importantes na avaliao de movimentos

em massas de solo e estrutura de engenharia, mas que, porm, so mais difceis de

caracterizar do que as propriedades quase-elsticas. A obteno de parmetros adequados para

projeto nesta faixa de deformaes normalmente baseada em uma combinao das seguintes

abordagens: (1) a combinao de parmetros de rigidez quase-elsticos obtidos a partir de

medidas ssmicas com dados a grandes deformaes obtidos em ensaios de carregamento emcampo; (2) a anlise no linear de resultados de ensaios de placa ou pressiomtricos; e (3)

ensaios de laboratrio com medidas na faixa de deformaes de interesse, realizados sobre

amostras da melhor qualidade possvel e utilizando-se trajetrias de tenses relevantes

(TATSUOKA et al., 1999).

Segundo Tatsuoka e Kohata (1994), a avaliao da rigidez inicia

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