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CONINFRA 2010 – 4º CONGRESSO DE INFRAESTRUTURA DE TRANSPORTE (CONINFRA 2010 - 4º TRANSPORTATION

INFRASTRUCTURE CONFERENCE) August 4th to 6th 2010

São Paulo – Brasil

04-035 ISSN 1983-3903

CONINFRA 2010 – 4º CONGRESSO DE INFRA-ESTRUTURA DE TRANSPORTES (CONINFRA 2010 – 4º TRANSPORTATION INFRASTRUCTURE CONFERENCE)

August 4th to 6th 2010 São Paulo – Brasil

AVALIAÇÃO DA RESISTÊNCIA DE SOLO-CIMENTO ESTABILIZADO COM CP-II-F-32 E CP-V-ARI (RESISTANCE EVALUATION OF SOIL-

CEMENT STABILIZED WITH CP-II-F-32 AND CP-V-ARI). 1 Engenheiro Civil, M. Sc. em Engenharia de Estruturas. Universidade Federal do Pará - UFPA. Rua Itaipu, 36 – Vila Permanente. 68464-000. Tucuruí – PA - Brasil. [email protected] 2 Engenheira Civil, Universidade Federal do Pará - UFPA. Rua Itaipu, 36 – Vila Permanente. 68464-000. Tucuruí – PA - Brasil. [email protected] 3 Engenheira Civil, Universidade Federal do Pará - UFPA. Rua Itaipu, 36 – Vila Permanente. 68464-000. Tucuruí – PA - Brasil. [email protected] RESUMO Os mecanismos pelos quais a mistura de solo com cimento se torna um material estável são muito complexos (LIMA, ALEXANDRE e ALVES, 2009). O processo de estabilização do solo com cimento Portland se inicia com desenvolvimento das reações químicas que são geradas na hidratação do cimento. A partir daí, desenvolvem-se vínculos químicos entre as superfícies dos grãos de cimento e as partículas do solo. Sabe-se que solos granulares respondem melhor a estabilização que solos predominantemente finos, entretanto outros fatores influenciam na estabilização, entre eles, o teor e a finura do cimento Portland utilizado. Silva (2005) afirma que quanto mais fino o cimento, menor o teor de cimento necessário para a estabilização. Visando a economia de cimento, possível redução de custos e melhoria no desempenho dos pavimentos executados com base de solo-cimento foi avaliada a resistência a compressão axial do solo A-2-6 estabilizado com os teores de 3% e 5% de CP-II-F-32 e CP-V-ARI, aos 7 e 28 dias. O solo utilizado foi coletado a margem direita do Rio Tocantins e caracterizado no Laboratório de Solos da Eletronorte. Foi feita ainda a caracterização dos cimentos utilizados no Laboratório de Concreto. Os resultados dos ensaios realizados comprovaram que para este solo e para os teores ensaiados, o CP-V-ARI teve resistência inferior ao CP-II-F-32, com ruptura aos 7 dias. Para o teor de 3%, CP-V-

AARÃO FERREIRA LIMA

NETO1

CHAIRA LACERDA

NEPOMUCENO2

JÉSSICA DA SILVA RIBEIRO3




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ARI apresentou resistência inferior inclusive aos 28 dias. Constatou-se que o CP-II-F-32 proporciona maior empacotamento dos grãos do solo e o emprego do CP-V-ARI não se justifica, principalmente na região Norte, onde este tipo de cimento tem disponibilidade bastante reduzida e preço bastante elevado. PALAVRAS-CHAVE: Solo-cimento, CP-II-F-32, CP-V-ARI, Resistência. ABSTRACT The mechanisms by which the mixing of soil with cement becomes a stable material are very complex (LIMA, ALEXANDRE e ALVES, 2009). The process of soil stabilization with Portland cement begins with the development of chemical reactions that are generated in the hydration of cement. From there, they develop chemical bonds between the surfaces of the grains of cement and soil particles. It is known that granular soils that respond best to stabilize soils mostly fine, although other factors influence the stability, including the content and the fineness of Portland cement used. Silva (2005) argues that the finer the cement, the lower the cement content required for stabilization. Aiming at saving cement, possible cost reduction and performance improvement of pavements performed on the basis of soil-cement was evaluated for resistance to axial compression of the soil-2-6 levels stabilized with 3% and 5% CP- II-F-32 and CP-V-ARI, at 7 and 28 days. The soil was collected from the right bank of the Rio Tocantins and characterized at the Laboratory of Eletronorte. It was also made to characterize the cement used in the Laboratory of Concrete. The results of tests carried out showed that for this soil and the levels tested, the V-ARI-CP had lower resistance to CP-II-F-32, with break at 7 days. For the content of 3%, CP-V-ARI also showed lower strength at 28 days. It was found that the CP-II-F-32 provides greater packing of the grains of soil and the use of CP-V-ARI is not justified, particularly in the region, where this type of cement has very low availability and high price tag. KEY WORDS: Soil-cement, CP-II-F-32, CP-V-ARI, Resistance.




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INTRODUÇÃO Visando soluções que minimizem a degradação ambiental e ao mesmo tempo reduzam os custos do produto final, a indústria da construção civil está pesquisando materiais e técnicas que utilizem racionalmente os recursos naturais, necessitem de pouco investimento financeiro, gerem tecnologias apropriadas, utilizem materiais de baixo consumo energético e reaproveitem os materiais residuais. Dentro desse âmbito, o resgate do uso do solo compactado como material de construção tem se intensificado, tendo sido seu comportamento físico-mecânico melhorado através da estabilização por adição de cimento Portland, dando origem ao material solo-cimento. A utilização do cimento como agente estabilizador de solos teve início nos Estados Unidos em 1916, quando foi empregado para solucionar problemas causados pelo tráfego de veículos de rodas não-pneumáticas (FREIRE, 1976 apud SEGANTINI et al., 2006). Segundo a ABCP, Associação Brasileira de Cimento Portland, os pavimentos com base ou sub-base de solo-cimento são empregados no Brasil desde 1939, quando foi construída a estrada Caxambu-Areias, um empreendimento no qual a ABCP juntou-se ao DNER. Desde então, foram executados no país mais de 25.000 km com essa solução, um marco mundial. A base de solo-cimento consiste em uma mistura homogênea compactada, curada e endurecida de solo, cimento e água. Pode empregar solos do próprio leito da futura base, misturados no local com equipamento pulvimisturador ou usar solos selecionados de jazidas, misturados em usina central ou no próprio local. O baixo custo inicial e a alta durabilidade são dois pontos fortes dessa alternativa, que é indicada como base e sub-base de pavimentos flexíveis e de peças pré-moldadas de concreto e também sub-base de pavimentos de concreto. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Solo-cimento O solo-cimento é o produto resultante da mistura íntima de solo, cimento Portland e água que compactados na umidade ótima e sob a máxima massa específica aparente seca, em proporções previamente estabelecidas, adquire resistência e durabilidade através das reações de hidratação do cimento (ABCP, 1980). Estabilização dos solos A estabilização dos solos consiste, em geral, em um processo que modifica as características do sistema solo – água – ar, com a finalidade de se obter propriedades necessárias a uma aplicação particular, conferindo ao solo maior resistência estável às cargas, desgaste ou erosão. Para a finalidade de utilização do material solo-cimento são aplicados dois métodos de estabilização: por adição de cimento (química) e por compactação (mecânica), que serão detalhadas a seguir.




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A estabilização dos solos por adição de cimento Portland se inicia com desenvolvimento das reações químicas que são geradas na hidratação do cimento. A partir daí, desenvolvem-se vínculos químicos entre as superfícies dos grãos de cimento e as partículas do solo. São os solos granulares que respondem melhor a estabilização por adição de cimento Portland, porque desenvolvem vínculos da coesão nos pontos de contato entre os grãos, de forma semelhante ao concreto. Silva (2005) acrescenta que o grau de finura de cimento influencia no teor de cimento necessário para estabilização e quanto mais fino o cimento, menor o teor de cimento necessário na mistura. A compactação do solo é o processo pelo qual suas partículas são forçadas a agruparem-se mais estreitamente, através da redução dos vazios do ar, geralmente por meio mecânico, ocorrendo a densificação do material (GRANDE, 2003). É um dos requisitos básicos para utilização do solo-cimento e para obter-se a densificação máxima do material, deve-se manter o solo na umidade ótima e sob máxima massa específica seca. Escolha do solo adequado para a composição do solo-cimento Existem vários critérios de escolha dos melhores solos a serem empregados na composição da mistura de solo-cimento. Segundo ABCP (1980), para fins rodoviários e para a construção de aeroportos, podem ser empregados solos com as seguintes características:

Tabela 1. Especificações da ABCP para o solo a ser empregado na mistura de solo-cimento para fins de pavimentação (ABCP, 1980). Diâmetro máximo 75 mm

Passando na peneira nº 4 (4,8 mm) Mais de 50% Passando na peneira nº 40 (0,42 mm) De 15% a 100%

Passando na peneira nº 200 (0,075 mm) Até 50% Índice de plasticidade ≤ 18%

Limite de liquidez ≤ 40%

Dosagem do solo-cimento A ABCP publicou dois métodos de dosagem do solo-cimento: o método geral e o simplificado. Este último aplica-se a solos que contenham, no máximo, 50% de material com diâmetro inferior de 0,05 mm (silte e argila) e no máximo 20% com diâmetro inferior a 0,005 mm (argila). O método consta em determinar o teor de cimento para o qual a mistura alcançará resistência a compressão mínima de 2,1 MPa aos 7 dias. Por outro lado, o método geral é aplicado aos solos que não se encaixam nos critérios da dosagem simplificada. Fundamenta-se em determinar um teor de cimento para o qual o solo-cimento ensaiado não ultrapasse um valor limite de perda de massa no ensaio de durabilidade por molhagem e secagem.




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MATERIAIS E MÉTODOS Neste item serão descritos os procedimentos de coleta, preparação e os ensaios realizados com as amostras de solo; o tipo de cimento utilizado na estabilização; os procedimentos empregados para a dosagem e os ensaios realizados com os corpos-de-prova de solo-cimento. Solo Foi extraída uma amostra de solo em uma área de empréstimo localizada à margem direita do rio Tocantins, endereçada como MD-AE-12. No laboratório, a amostra foi seca ao ar, destorroada, pesada e submetida aos ensaios de caracterização (análise granulométrica, determinação do limite de liquidez e plasticidade e massa específica real dos grãos) e compactação (energia normal).

Figura 1. Local da coleta da amostra.

A amostra foi identificada como solo A-2-6, conforme curva granulométrica mostrada abaixo.




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Gráfico 1. Curva granulométrica do solo.

A Tabela 2 apresenta as frações granulométricas constituintes da amostra, que é predominantemente composta por areia.

Tabela 2. Frações granulométricas de cada amostra de solo. Fração

granulométrica Intervalo de diâmetro

(mm) Amostra de solo - percentual (%)

Pedregulho d>2,00 mm 13,60 Areia 0,06 mm < d < 2,00 m 55,60 Silte 0,002 mm < d < 0,06 mm 11,80

Argila d < 0,002 mm 19,00

Índices de consistência

O limite de liquidez foi calculado através da curva de ajuste linear mostrada no gráfico 2 e o limite de plasticidade foi calculado através da média das umidades apresentadas na tabela 3.




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Gráfico 2. Curva do limite de liquidez do solo.

O valor encontrado para o limite de liquidez do solo foi de 26,80%.

Tabela 3. Resultados do limite de plasticidade do solo. Cod. Cápsula 232 233 234 235 236

Cápsula + Amostra úmida (g) 10,837 11,305 11,225 10,702 11,212

Cápsula + Amostra seca (g) 10,654 11,094 11,031 10,498 11,016 Cápsula (g) 9,507 9,797 9,85 9,256 9,829

Água (g) 0,183 0,211 0,194 0,204 0,196 Amostra seca (g) 1,147 1,297 1,181 1,242 1,187

Lim

ite d

e pl

astic

idad

e

Umidade (%) 15,95% 16,27% 16,43% 16,43% 16,51%

E o limite de plasticidade calculado foi de 16,20%. Resultando em um índice de plasticidade de 10,60%.

Ensaio de compactação Com os dados obtidos no ensaio de compactação foi traçada a curva de compactação deste solo, conforme gráfico 3, obtendo-se, aproximadamente, o valor de 10,4% de umidade ótima e 2,190 g/cm3 de massa específica aparente máxima. Para este solo foram utilizados apenas quatro pontos de umidade, +1,5%, +3,0%, +4,5% e +6,0%.

LL = 26,80%




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Gráfico 3. Curva de compactação do solo.

O ensaio de compactação de solo-cimento, realizado com o cimento CP-V-ARI, gerou o gráfico abaixo, que forneceu os valores de 9,5% de umidade ótima e massa específica seca máxima de 2,020 g/cm3.

Gráfico 4. Curva de compactação do solo-cimento.

Cimento Foram utilizados dois tipos de cimento na pesquisa: o CP-II-F-32, cimento composto com fíler, e o CP-V-ARI, cimento de alta resistência inicial.




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Dosagem do solo-cimento Foram testados os teores de 3% e 5% de cimento com a amostra de solo coletada, para efetuar uma análise da influência do tipo de cimento na estabilização do solo. Os traços calculados estão apresentados na Tabela 4. A quantidade de água adicionada a mistura foi determinada pela umidade ótima encontrada no ensaio de compactação de solo-cimento efetuado com as amostras, conforme apresenta a Tabela 5. Com os corpos-de-prova moldados foram efetuados ensaios de resistência a compressão aos 7 e 28 dias.

Tabela 4. Traços da mistura de solo-cimento.

Cimento: solo seco 3% 5% Traço 1:33,3 1:20

Tabela 5. Umidade ótima e máxima massa específica seca do solo-cimento.

Características físicas Unidade Norma da ABNT Valor

Umidade ótima % 12023 9,50 Massa específica seca máxima g/cm3 12023 2,020

RESULTADOS Nesta seção serão apresentados os resultados mais relevantes dos ensaios efetuados com os corpos-de-prova de solo-cimento. Cimento CP-II-F-32 O gráfico abaixo mostra os resultados obtidos com os corpos-de-prova de solo-cimento moldados com 3 e 5% de cimento CP-II-F-32.

Gráfico 5. Evolução da resistência do solo-cimento utilizando CP-II-F-32.




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Os valores encontrados para a resistência foram de 2,60 MPa para 3% aos sete dias e 3,17 MPa aos 28. O teor de 5% apresentou resistência de 4,40 MPa aos sete dias e 5,99 MPa aos 28, conforme pode ser verificado na tabela 6.

Tabela 6. Resultados da resistência à compressão do solo-cimento utilizando CP-II-F-32.

Idade Tensão

de ruptura

Teor de cimento

Grau de compactação Umidade

Massa específica aparente

seca

Média Coeficiente de variação

(dias) (MPa) (%) (%) (%) (g/cm3) (MPa)

Desvio padrão

(%) CP- 20 7 2,59 3% 99,5 9,88 2,010 CP- 21 7 2,62 3% 99,4 9,78 2,007 CP- 22 7 2,59 3% 99,5 9,91 2,010

2,60 0,02 0,67%

CP- 23 28 3,25 3% 99,1 10,08 2,002 CP- 24 28 3,01 3% 99,5 9,87 2,010 CP- 25 28 3,25 3% 99,4 9,93 2,009

3,17 0,14 4,37%

CP- 14 7 4,94 5% 99,1 9,63 2,001 CP- 15 7 4,10 5% 99,1 9,75 2,002 CP- 16 7 4,16 5% 99,6 9,53 2,011

4,40 0,47 10,65%

CP- 17 28 6,48 5% 99,3 9,68 2,006 CP- 18 28 5,45 5% 99,3 9,77 2,007 CP- 19 28 6,03 5% 99,6 9,83 2,012

5,99 0,52 8,63%

Cimento CP-V-ARI

Gráfico 6. Evolução da resistência do solo-cimento utilizando o CP-V-ARI.

Para o teor de 3% foram encontradas as resistências de 2,30 MPa e 3,12 MPa, para ruptura aos 7 e 28 dias. Já para o teor de 5%, os valores encontrados foram 3,12 MPa e 3,79 MPa, de resistência a compressão aos 7 e 28 dias, respectivamente, conforme pode ser verificado na tabela 7.




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Tabela 7. Resultados da resistência à compressão do solo-cimento utilizando CP-V-ARI.

Idade Tensão

de ruptura

Teor de cimento

Grau de compactação Umidade

Massa específica aparente

seca

Média Coeficiente de variação

(dias) (MPa) (%) (%) (%) (g/cm3) (MPa)

Desvio padrão

(%) CP- 8 7 2,56 3% 98,0 9,83 1,980 CP- 9 7 2,23 3% 98,4 9,55 1,987 CP- 10 7 2,11 3% 97,9 9,99 1,977

2,30 0,23 10,13%

CP- 11 28 3,19 3% 98,5 9,73 1,989 CP- 12 28 2,95 3% 98,5 9,77 1,989 CP- 13 28 3,22 3% 98,1 9,82 1,982

3,12 0,15 4,74%

CP- 1 7 3,59 5% 98,3 9,24 1,986 CP- 2 7 3,71 5% 98,9 9,53 1,998 CP- 3 7 4,07 5% 98,4 9,58 1,988

3,79 0,25 6,59%

CP- 4 28 5,91 5% 99,4 9,30 2,009 CP- 5 28 4,91 5% 98,5 9,73 1,990 CP- 6 28 4,94 5% 98,2 9,82 1,984 CP- 7 28 4,49 5% 98,5 9,60 1,990

5,06 0,60 11,88%

Comparação dos tipos de cimento Verificou-se que a evolução da resistência do solo-cimento com CP-II-F-32 foi maior que a evolução da resistência do solo-cimento com CP-V-ARI, para as idades analisadas, pois devido as suas características tecnológicas, o CP-V-ARI ganha a maior parte de sua resistência até os 7 dias de moldagem, conforme apresentado nos gráficos abaixo.

Gráfico 7. Evolução da resistência do solo-cimento com 3% de cimento.




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Gráfico 8. Evolução da resistência do solo-cimento com 5% de cimento.

Para o teor de 3%, o CP-V-ARI tem desempenho inferior aos 7 dias, porém, aos 28 dias alcança o mesmo patamar. Para o teor de 5% ocorre que o CP-V-ARI é superado pelo CP-II-F-32 em ambas as idades analisadas. Em seu trabalho, Grande (2003) comparou tijolos de solo-cimento moldados com CP-II-E-32 e CP-V-ARI chegando a conclusão de que aos 7 dias poderiam ser utilizados os tijolos confeccionados com este último, enquanto que utilizando o CP-II-E-32 somente poderiam ser utilizados aos 28 dias, devido a exigência normativa de resistência a compressão mínima do material. E ainda, segundo Grande (2003), são obtidos resultados melhores utilizando um cimento mais fino e com propriedades pertinentes (maior teor de clínquer), o que contribui para um melhor comportamento mecânico dos tijolos. Possivelmente, os resultados inferiores obtidos para o CP-II-E-32 se devem a necessidade de maior tempo para a ocorrência das reações pozolânicas em decorrência do percentual de escória de alto-forno adicionado a este cimento. Nesta pesquisa foi utilizado o CP-II-F-32, portanto não se dependia da ocorrência destas reações, pois o fíler é apenas um material extremamente fino, utilizado para preenchimento de vazios, que visa dar lubrificação a mistura e aumentar o empacotamento dos grãos. E considerando-se que o empacotamento dos grãos, refletido na massa específica do material é o principal fator que influencia na resistência do solo-cimento, se justifica o melhor desempenho deste cimento, comparado com o CP-V-ARI. E ainda, pode-se observar que se obtiveram os maiores graus de compactação para os corpos-de-prova moldados com o CP-II-F-32, mantendo-se constante a energia de compactação e tendo o mesmo operador de laboratório trabalhando nas duas séries, indicando que o fíler atuou da maneira descrita no parágrafo acima. CONSIDERAÇÕES FINAIS Foi constatado que para o solo ensaiado, o CP-V-ARI não apresentou melhor desempenho que o outro cimento testado, composto com fíler. E para a região Norte pode-se afirmar que mesmo o ganho inicial de resistência em comparação a outros cimentos, citado por vários autores, não




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justifica o emprego do CP-V-ARI, devido ao alto custo deste cimento e, principalmente, a indisponibilidade deste cimento nas lojas de materiais de construção.

REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE CIMENTO PORTLAND. Dosagem das misturas de solo-cimento. Normas de dosagem e métodos de ensaios. São Paulo, SP: ABCP, 1980. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE CIMENTO PORTLAND. Controle e fiscalização de obras de solo-cimento. São Paulo, SP: ABCP, 1980. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12023 – Solo-cimento: ensaio de compactação. Método de ensaio. Rio de Janeiro, 1990. 6p. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12024 – Solo-cimento: moldagem e cura de corpos-de-prova cilíndricos. Método de ensaio. Rio de Janeiro, 1990. 5p. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12025 – Solo-cimento: ensaio de compressão simples de corpos-de-prova cilíndricos. Método de ensaio. Rio de Janeiro, 1990. 5p. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12253 – Solo-cimento: dosagem para emprego como camada de pavimento. Procedimento. Rio de Janeiro, 1992. 4p. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 13554 – Solo-cimento: durabilidade por molhagem e secagem. Método de ensaio. Rio de Janeiro, 1996. 3p. GRANDE, Fernando Mazzeo. Fabricação de tijolos modulares de solo cimento por prensagem manual com e sem a adição de sílica ativa. São Carlos, SP: EESC - Escola de Engenharia de São Carlos, 2003. LIMA, Thiago V.; ALEXANDRE, Jonas; ALVES, Maria G. Estabilização de solos argilosos para a produção de blocos ecológicos. Revista de Engenharia Civil da Universidade do Minho, Vol. 34, 1-12 p., 2009. SEGANTINI, A. A. S. et al. Confecção de solo-cimento plástico com resíduos de construção para uso em obras de pequeno porte. Ilha Solteira, SP: UNESP, 2006. SILVA, Sandra Regina. Tijolos de solo-cimento reforçados com serragem de madeira. Belo Horizonte, MG: UFMG, 2005.

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