UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO

CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

VALQUIRIA BARBOSA

ESTUDO DO COMPORTAMENTO GEOTÉCNICO DE UM SOLO

ARGILOSO DE CABROBÓ, POTENCIALMENTE EXPANSIVO,

ESTABILIZADO COM CAL

RECIFE, 2013

i

UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO

CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

VALQUIRIA BARBOSA

ESTUDO DO COMPORTAMENTO GEOTÉCNICO DE UM SOLO

ARGILOSO DE CABROBÓ, POTENCIALMENTE EXPANSIVO,

ESTABILIZADO COM CAL

Dissertação submetida ao Corpo Docente da

Coordenação do Programa de Pós-Graduação

em Engenharia Civil da Universidade Federal

de Pernambuco como parte dos requisitos

necessários para a obtenção do grau de Mestre

em Engenharia Civil

ORIENTADOR: SILVIO ROMERO DE MELO FERREIRA

RECIFE, 2013

Catalogação na fonte

Bibliotecário Vimário Carvalho da Silva, CRB-4 / 1204

B238e Barbosa, Valquiria.

Estudo do comportamento geotécnico de um solo argiloso de

Cabrobó, potencialmente expansivo, estabilizado com cal. /

Valquiria Barbosa. - Recife: A Autora, 2013.

xviii, 111 folhas, il., gráfs., tabs.

Orientador: Profº. Silvio Romero de Melo Ferreira, D.

Sc.

Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de

Pernambuco. CTG. Programa de Pós-Graduação em Engenharia

Civil, 2013.

Inclui Referências bibliográficas.

1. Engenharia Civil. 2. Solo expansivo. 3. Estabilização. 4.

Cal. 5. Melhoramento. I. Ferreira, Silvio Romero de Melo

(orientador). II. Título.

UFPE

624 CDD (22. ed.) BCTG/2013-266

ii

VALQUIRIA BARBOSA

ESTUDO DO COMPORTAMENTO GEOTÉCNICO DE UM SOLO

ARGILOSO DE CABROBÓ, POTENCIALMENTE EXPANSIVO,

ESTABILIZADO COM CAL

DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS

PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DA UNIVERSIDADE FEDERAL DE

PERNAMBUCO COMO PARTE INTEGRANTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS À

OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL.

Aprovada por:

_________________________________________________

Silvio Romero de Melo Ferreira, D.Sc.

(ORIENTADOR)

_________________________________________________

José Fernando Thomé Jucá, D. Sc.

(EXAMINADOR INTERNO)

__________________________________________________

Joaquim Teodoro Romão de Oliveira, D. Sc.

(EXAMINADOR EXTERNO)

AGOSTO, 2013

iii

Dedico este trabalho à minha mãe

Mª Luciene Barbosa.

iv

AGRADECIMENTOS

A Jeová Deus por dar-me força para perseverar nas minhas conquistas;

Ao professor Drº Silvio Romero de Melo Ferreira pela amizade, confiança, apoio, orientação,

paciência, incentivo e disponibilidade dedicados durante todo o decorrer do trabalho;

Aos meus pais, por tudo que fizeram por mim até hoje.

A todos os professores da pós-graduação, Universidade Federal de Pernambuco, que

contribuíram para o meu enriquecimento profissional;

À equipe técnica do Laboratório de Solos e Instrumentação da Universidade Federal de

Pernambuco e da Universidade Católica de Pernambuco (em especial aos laboratoristas

Francisco e Léo, respectivamente);

Ao prof. Sergio Paiva (Universidade Católica de Pernambuco) pelos ensaios químicos.

Aos professores da Área de Geotecnia da Universidade Federal de Pernambuco, Centro

Acadêmico do Agreste em Caruaru, pelo apoio na realização deste trabalho.

Aos meus amigos Robson, Leandro, Marta, Wellington, Pedro e Oberdan que me apoiaram

neste período.

E a todos aqueles que, de alguma forma, auxiliaram na realização desta pesquisa.

v

RESUMO

Solos expansivos ocorrem em várias partes no mundo. A variação de volume dos solos

devido à inundação causa danos em diversas edificações. A mistura da cal com solo

expansivo é um dos métodos de estabilização. A cal é um aglomerante aéreo, resultante da

calcinação dos calcários ou dolomitos através de decomposição térmica e posteriormente

hidratação formando o hidróxido de cálcio - Ca(OH)2 que tem diversas utilidades em várias

atividades humanas. Este material tem propriedades físico-químicas capazes de conferir aos

solos, quando misturado, por meio de reações, mudanças na microestrutura das partículas dos

solos. O presente trabalho tem por objetivo analisar e interpretar os resultados do

comportamento do solo natural e do estabilizado com a cal. Foram coletadas amostras

indeformadas do solo expansivo de Cabrobó, realizados ensaios de caracterização física pelas

normas da ABNT, química seguindo as recomendações do Manual da Embrapa, análise

termogravimétrica, e ensaios edométricos simples e duplos para avaliar a tensão de expansão

e expansão “livre” no solo natural (sem cal) e estabilizado com cal nas proporções em peso de

3%, 5% e 7%. Verificou-se que o acréscimo, em peso, de 7% de cal hidratada ao solo

expansivo de Cabrobó estabiliza o solo quanto à expansão. A mistura da cal ao solo expansivo

melhora as propriedades mecânicas e estabiliza a expansão dos solos.

Palavras - chaves: Solo expansivo, Solo não saturado, Solo-Cal, Melhoramento de Solo.

vi

ABSTRACT

Expansive soils occur in various parts of the world. The volume chance of the soil due to

wetting causing damage in several buildings. The mixing of the lime with the soil of the

expansive is a stabilization methods. Lime is a binder air calcinations of the limestone and

dolomite through thermal decomposition and subsequently forming the hydration of calcium

hydroxide – Ca (OH)2 which has many uses in various human activities. This material has the

physicochemical properties capable of giving soils when mixed by means of reactions,

changes in the microstructure of particulate soils. This work aims to analyze and interpret the

results of the behavior of atural soil and stabilized with lime. Undisturbed samples were

collected from Cabrobó expansive soil, physical characterization tests conducted by ABNT,

chemistry following the recommendations of the Manual of Embrapa, thermogravimetric

analysis, and single and double edométricos trials to evaluate the expansion tension and

expansion “free” in natural soil stabilized with lime in proportions by weight 3%, 5% and 7%.

It was found that the increase in weight of 7% hydrated lime to the soil of the expansive

Cabrobó stabilizes the soil and expansion. The mixture of lime to the soil expansive improves

the mechanical properties and stabilizes the expanding soil.

Keywords: expansive soil, unsaturated soil, soil-cal, soil improvement

vii

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS

LISTA DE TABELAS

1 INTRODUÇÃO 1

1.1 OBJETIVOS 2

1.1.1 Objetivo geral 2

1.1.2 Objetivos específicos 2

1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO 3

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 4

2.1 FASES DO SOLO 4

2.2 FRAÇÃO ARGILA DOS SOLOS 5

2.2.1 Capacidade de Troca de Cátion 9

2.2.2 Floculação e Dispersão da Argila 11

2.2.3 Ponto de Carga Zero 12

2.3 EXPANSÃO DOS SOLOS 12

2.3.1 Mecanismo de Expansão 13

2.3.2 Critério de Identificação dos Solos Expansivos e Técnicas de Ensaios 16

2.3.2.1 Métodos Diretos 17

2.3.2.2 Métodos Indiretos 19

2.3.3 Fatores Influentes na Expansão 20

2.3.4 Locais de ocorrência de Solos Expansivos 21

viii

2.4. CONCEITO SOBRE ESTABILIZAÇÃO DE SOLOS E FORMAS DE

APLICAÇÃO 23

2.4.1 Tipo de Estabilização 23

2.4.2 Formas de Aplicação 24

2.5. EVOLUÇÃO DO USO DA CAL 25

2.6. ESTABILIZAÇÃO DE SOLOS COM O USO DA CAL 26

2. 6.1. REAÇÃO SOLO-CAL 30

2. 6.1.1 Troca Catiônica e Floculação 31

2. 6.1.2 Reação de Carbonatação 32

2. 6.1.3 Reação Pozolânica 33

2. 6.2 ALTERAÇÕES NOS SOLOS ESTABILIZADOS COM A CAL 35

2. 6.2.1 Granulometria 36

2. 6.2.2 Plasticidade 37

2. 6.2.3 Compactação 39

2. 6.2.4 Expansão 40

2. 6.2.5 Resistência 41

3 MATERIAIS E MÉTODOS 45

3.1. PROGRAMA DE INVESTIGAÇÃO 45

3.2. DESCRIÇÃO DA ÁREA EM ESTUDO 46

3.3 MATERIAIS UTILIZADOS 48

3.3.1 SOLO 48

ix

3.3.1.1. Coleta das amostras 48

3.3.2 CAL 49

3.4 MÉTODOS 49

3.4.1. PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS 49

3.4.2 MISTURA 49

3.4.3 CARACTERIZAÇÃO FÍSICA 50

3.4.3.1 Análise Granulométrica 50

3.4.3.2 Densidade Real dos Grãos 51

3.4.3.3 Limites de Atterberg 52

3.4.3.4 Ensaios de Compactação 52

3.4.4 CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA 52

3.4.4.1 Determinação do potencial hidrogeniônico (pH) em KCl, H2O e

CaCl2 53

3.4.4.2 Capacidade de troca catiônica (com pH 7,0) 54

3.4.4.3 Determinação do carbono orgânico e matéria orgânica 55

3.4.4.4 Determinação dos Óxidos dos Solos 56

3.4.4.5 Caracterização da Cal 56

3.4.5 CARACTERIZAÇÃO MICRO ESTRUTURAL 57

3.4.6 CARACTERIZAÇÃO MINERALÓGICA POR TERMOGRAVIMETRIA 57

3.4.7 CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA 59

3.4.7.1 Ensaio de Expansão “Livre” 59

3.4.7.2 Ensaio de Tensão de Expansão 60

x

3.4.7.3 Ensaio de Resistência à compressão simples 63

4 RESULTADOS E ANÁLISE DOS ENSAIOS REALIZADOS 65

4.1 SOLO 65

4.1.1 CARACTERIZAÇÃO FÍSICA 65

4.1.1.1 Granulometria e Limites de Atterberg 65

4.1.1.2 Compactação 67

4.1.2 CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA 69

4.1.2.1 Capacidade de troca catiônica 70

4.1.2.2 Acidez do Solo 71

4.1.2.3 Óxidos dos Solos 72

4.1.2.4 Determinação de Matéria Orgânica 73

4.1.3 EXPANSÃO “LIVRE” E TENSÃO DE EXPANSÃO 73

4.1.3.1 Expansão “livre” 73

4.1.3.2 Tensão de expansão 74

4.1.4 COMPRESSÃO SIMPLES 77

4.2 CAL 78

4.3. MISTURA SOLO-CAL 79

4.3.1 CARACTERIZAÇÃO FÍSICA 81

4.3.2 CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA 87

4.3.3 MICROESTRUTURA 88

4.3.4 ANÁLISE POR TERMOGRAVIMETRIA 91

4.3.5 EXPANSÃO LIVRE E TENSÃO DE EXPANSÃO 94

4.3.6 RESISTÊNCIA A COMPRESSÃO SIMPLES 96

xi

5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES 100

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 102

xii

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 – Unidade estrutural tetraédrica (CRISTELO, 2001). 6

Figura 2.2 – Unidade estrutural octaédrica, (CRISTELO, 2001). 6

Figura 2.3 – Representação esquemática da estrutura de uma Caulinita (duas camadas),

Montmorilonita e Ilita (ambas com três camadas), (CRISTELO, 2001). 7

Figura 2.4 – Eletromicrografias das microestruturas da Caulinita, Montmorilonita e Ilita,

respectivamente, (IQ, 2010). 7

Figura 2.5 – Cargas elétricas da fração argila e matéria orgânica. Fonte:

www.pedologiafacil.com.br 11

Figura 2.6 – Formação da dupla camada difusa numa micela mostrando: (a) a partícula

seca e (b) hidratada, (FILHO, 2012). 11

Figura 2.7 – Comportamento da variação de deformação no período de tempo sob tensão

(a) pequena alteração na umidade do solo, (b) mudança de umidade na periferia do solo,

(c) apenas o núclo central mantém a umidade inicial, (d) não há mudança na umidade do

solo, (FERREIRA, 2010). 15

Figura 2.8 – Curvas da Termogravimetria, (CINCOTTO, 1980). 28

Figura 2.9 – Eletromicrografia da cal hidratada (a) de matéria prima não decomposta por

calcinação ou por hidratação (aumentada em 100X); (b) aglomerados de cristais em

placas (aumentada em 10.000X), (CINCOTTO, 1980). 29

Figura 2.10 – Formação de material cimentante numa mistura solo-cal, (CRISTELO,

2001). 34

xiii

Figura 2.11 – Eletromicrografia (a) Latossolo compactado após adição de cal; (b)

Preenchimento de vazios interagregados; (c) Assembleia cristalina neoformada. (V –

vazios; M – Microagregado; AC – Assembleia cristalina), (NÓBREGA, 1981). 37

Figura 2.12 – Limites de Atterberg em função do teor de cal com um dia de cura,

(THOMÉ, 1994). 38

Figura 2.13 – Efeito da cal sobre os limites de consistência (GOOSEN et al, 2006). 39

Figura 2.14 – Efeito da cal e do tempo de cura na pressão de expansão, (GOOSEN et al

2006). 41

Figura 2.15 – Efeito da quantidade de cal sobre a resistência a compressão simples para

alguns solos tratados com cal e curados por 7 dias, (INGLÊS E METCALF, 1972). 43

Figura 3.1 – Esquema do programa de Investigação Experimental. 45

Figura 3.2 – Carta de Suscetibilidade à Expansão dos solos no Estado de Pernambuco,

(AMORIM, 2004). 47

Figura 3.3 – Mapa Pedológico da região de Cabrobó – PE, (EMBRAPA, 2013). 48

Figura 3.4 – Aparelho analisador de partículas por difração a laser “granulômetro”,

(FERREIRA, 2013). 51

Figura 3.5 – Equipamento Picnômetro Gás Hélio, (FERREIRA, 2013). 51

Figura 3.6 − (a) Determinação química do pH. (b) Solução de KCl para determinação de

pH em KCl. 53

Figura 3.7 − (a, b) Determinação do sódio, potássio, cálcio e magnésio. 55

Figura 3.8 − Digestão do carbono orgânico. 55

Figura 3.9 − a) Célula, colarinho para ensaio de adensamento b) Prensa de

Adensamento. 59

xiv

Figura 3.10 − Etapas dos ensaios edométricos. 61

Figura 3.11 − a) Cilindro na prensa para compactação b) Cilindro de bronze. 63

Figura 3.12 − a) Célula e prensa para ensaio de Compressão Simples. b) Corpo de prova

rompido. 64

Figura 4.1 – Curva granulométrica do Solo de Cabrobó. 65

Figura 4.2 –Peso Específico Real dos Grãos obtida através do picnômetro de gas Hélio.66

Figura 4.3 – Carta de plasticidade e Atividade em solo natural e das misturas solo-cal. 67

Figura 4.4 – Curva de Compactação do solo de Cabrobó. 68

Figura 4.5 – Resultado do ensaio químico de CTC, com cura de 1 hora e após 120 dias.70

Figura 4.6 – Métodos de tensão de expansão a) Expansão sob tensão; b) Método 1 –

Carregamento após expansão com diferentes tensões verticais de consolidação; c)

Método 2 – Expansão e colapso; d) Volume constante e de Rao et al (1988); e) Justo et al

(1984). 74

Figura 4.7 – Comportamento da variação de deformação no período de tempo sob tensão

(a) pequena alteração na umidade do solo; (b) mudança de umidade na periferia do solo;

(c) apenas o núclo central mantém a umidade inicial; (d) não há mudança na umidade do

solo. 76

Figura 4.8 – Resistência a Compressão Simples do solo, sem cal em relação a

deformação. 78

Figura 4.9 – Variação do pH em água com o teor de cal. 80

Figura 4.10 – Curvas granulométricas no solo e nas misturas solo-cal. 81

Figura 4.11 – Variação das frações areia, silte e argila. 81

xv

Figura 4.12 – Distribuição dos tamanhos das partículas do solo obtida por difração a

laser. 82

Figura 4.13 – Análise do ensaio de Limite de Liquidez no solo e nas misturas solo-cal.83

Figura 4.14 – Variação de água no extrato de saturação na mistura solo-cal. 84

Figura 4.15 – Curva de compactação do solo e da mistura solo-cal. 85

Figura 4.16 – Variação do Peso específico aparente seco e Umidade para diferente teor de

Cal. 86

Figura 4.17 – Eletromicrografias do solo de Cabrobó compactado (a) aumentada 200X;

(b) aumentada 500X; (c) aumentada 1000X; (d) aumentada 2000 X das microestruturas

do solo expansivo de Cabrobó – PE; (e, f) Eletromicrografias em outro ângulo

(aumentadas em 1000 e 5.000 X) respectivamente. 89

Figura 4.18 – (a, b). Eletromicrografias (aumentadas 500 e 5.000 X) das microestruturas do

solo com adição de 3%cal. 90

Figura 4.19 – (a, b) Eletromicrografias (aumentadas 500 e 5.000 X) das microestruturas do

solo com adição de 5% cal. 90

Figura 4.20 – (a, b) Eletromicrografias (aumentadas 500 e 5.000 X) das microestruturas

do solo com adição de 7% cal. 91

Figura 4.21 – Curvas TG e DTG nas amostra (a) solo natural; (b) cal; (c) solo + 3% de

cal; (d) solo + 5% de cal; (e) solo + 7% de cal. 91

Figura 4.22 – Variação de expansão livre com o teor de cal. 95

Figura 4.23 – Variação da tensão de expansão com o teor de cal. 95

Figura 4.24 – Corpo de prova (a) antes do rompimento; (b) após o rompimento. 96

xvi

Figura 4.25 – Evolução dos valores da RCS para as amostras de solo natural e com adição

de 3% de cal, para cura de 48 horas. 97

Figura 4.26 –Evolução dos valores da RCS para as amostras de solo natural e com adição

de 5% de cal, para cura de 48 horas. 97

Figura 4.27 – Evolução dos valores da RCS para as amostras de solo natural e com adição

de 7% de cal, para cura de 48 horas. 98

xvii

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 – Tabela de classificação granulométrica do solo. 5

Tabela 2.2 – Métodos de Identificação de Solos Expansivos (FERREIRA, 1995). 16

Tabela 2.3 – Classificação do grau de expansão de um solo (GOOSEN, 2006) 18

Tabela 2.4 – Ocorrência de Solos Expansivos no Brasil (Modificado por FERREIRA,

2012). 22

Tabela 2.5 – Resultado obtido da Termogravimetria (CINCOTTO, 1980) 28

Tabela 2.6 – Exigências das cales hidratadas Nacionais (NBR 7175/2003). 29

Tabela 2.7 – Características da compactação do solo e das misturas, (LOVATO, 2004).40

Tabela 2.8 – Resistência à compressão simples (kPa), (LOVATO, 2004)). 43

Tabela 3.1 – Composição química da cal hidratada CH-I (Cabomil S/A). 49

Tabela 4.1 – Caracterização Física do solo e da mistura solo-cal. 66

Tabela 4.2 − Caracterização de química do solo e das misturas solo-cal. 69

Tabela 4.3 – Valores de pH encontrados na amostra de solo após 1 hora de cura 72

Tabela 4.4 – Valores de pH encontrados na amostra de solo. 72

Tabela 4.5 – Valores das porcentagens de óxidos e Perda ao fogo no solo. 73

Tabela 4.6 – Tensão de expansão da argila de Cabrobó,na argila de Petrolândia-PE, por

Ferreira e Ferreira (2009), na argila de Pesqueira-PE por Silva e Ferreira (2007) e na

Barreira La Paz de Arahal (Serilla) por Delgado (1986) 77

Tabela 4.7 – Resistência a Compressão Simples do solo e das misturas solo-cal. 78

xviii

Tabela 4.8 – Resultados das análises químicas. 78

Tabela 4.9 – Resultado dos Óxidos da Cal. 79

Tabela 4.10 – Valores de pH (Método de Eades e Grim, 1966). 80

Tabela 4.11 – Tabela do resultado do ensaio de Difração a Laser. 83

Tabela 4.12 – Peso específico aparente seco máximo e umidade ótima para o solo natural e

com a adição de cal. 85

Tabela 4.13 – Valores das porcentagens de óxidos e Perda ao fogo nas misturas solo-cal.87

Tabela 4.14 – Resultado da Capacidade de Troca Catiônica da mistura solo-cal. 87

Tabela 4.15 – Perda de Massa. 92

Tabela 4.16 – Massa Residual. 93

Tabela 4.17 – Resultado obtido através das curvas TG / DTG. 93

Tabela 4.18 – Valores de expansão para as misturas solo-cal. 94

Tabela 4.19 – Valores de deformação, tensão e módulo de elasticidade dos ensaios 98

1

1. INTRODUÇÃO

Solos expansivos ocorrem em várias partes no mundo, como Cuba, México,

Marrocos, Turquia, Estados Unidos, Argentina, China, África do Sul. No Brasil, os

solos expansivos são encontrados em várias regiões: no centro sul, nos estados do

Paraná, São Paulo e Santa Catarina; no nordeste, no norte da Bahia passando por

Pernambuco até atingir o Ceará.

A variação de volume dos solos expansivos, devido à inundação, causa danos

em diversas edificações. Os prejuízos causados em obras civis sobre solos expansivos,

em alguns países, atingem o dobro dos custos com os danos causados com enchentes,

furacões e terremotos. O custo real dos prejuízos pode ser bem maior, sobretudo quando

são considerados os casos não conhecidos ou não reparados ou ainda, os casos em que

as causas não são atribuídas a esses solos. Atualmente o crescimento socioeconômico

do estado de Pernambuco é expressivo e encontram-se em execução grandes programas

habitacionais e obras de infraestrutura. Algumas dessas obras encontram-se localizadas

em áreas de ocorrência de solos expansivos, como o canal de transposição do rio São

Francisco e a refinaria em Suape.

Embora a solução de remover e substituir o solo expansivo por outro sem essa

característica ainda seja usada, em algumas ocasiões, isso pode se tornar inviável com

transportes de grandes volumes em grandes distâncias, e principalmente por causar

impactos ambientais pela necessidade de local para o descarrego do material. Nesse

contexto a estabilização de solos assume grande importância por permitir a utilização de

solos locais, ao invés da importação de outros solos.

A estabilização dos solos pode ser obtida pelo uso de várias técnicas. Essas

técnicas são divididas em dois grupos: a estabilização mecânica e a estabilização

química. A opção por uma ou outra é influenciada por fatores econômicos, finalidade da

obra, características dos materiais e propriedades que devem ser corrigidas.

2

Um dos tratamentos que vem sendo aplicados no melhoramento dos solos

expansivos, e que é base deste estudo, é a adição de cal. A cal é um aglomerante aéreo,

resultante da calcinação dos calcários ou dolomitos através de decomposição térmica e

posteriormente hidratação formando o hidróxido de cálcio - Ca(OH)2 que tem diversas

utilidades em várias atividades humanas. Ao ser adicionado ao solo, o hidróxido de

cálcio modifica imediatamente o pH deste solo; o cálcio evita a penetração da água nos

vazios dos argilominerais neutalizando suas cargas negativas e favorecendo a floculação

e a troca catiônica. Com o tempo, há reações de cimentação, finalizadas com a reação

com o CO2 do ar formando silicatos, aluminatos e aluminosilicatos de cálcio hidratado,

com propriedades cimentantes, (BOSCOV, 1990). Esse método, além de ser econômico,

permite obter melhorias em nível de resistência mecânica, deformabilidade e

permeabilidade.

1.1 OBJETIVOS

1.1.1 Objetivo geral:

O objetivo principal deste trabalho é analisar o comportamento de estabilização

de um solo expansivo mediante o uso da cal. O solo a ser estudado está localizado no

município de Cabrobó – PE.

1.1.2 Objetivos Específicos:

realizar a caracterização física, química e estrutural de um solo expansivo de

Cabrobó;

investigar qual o menor percentual, em peso, de cal que estabiliza o solo de

Cabrobó, quanto à expansão “livre” e à tensão de expansão;

verificar as modificações ocorridas nas misturas estabilizadas, em função dos

diferentes teores do aditivo e períodos de cura analisados (resistência a

compressão simples).

3

1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO

A dissertação está organizada em cinco capítulos, estando apresentado da seguinte forma:

No Capítulo I, introdutório, são apresentados os problemas dos solos expansivos, a

ocorrência de solos expansivos e os métodos de tratamento, além dos objetivos da

dissertação.

No Capítulo 2 apresenta-se uma revisão da literatura, abrangendo o mecanismo dos

solos potencialmente expansivos, a estabilização de solos com adição da cal e seus

efeitos sobre as propriedades do solo.

No Capítulo 3 faz-se uma caracterização sumária dos materiais utilizados no âmbito

deste estudo, em seguida são descritos o programa de investigação detalhando as

atividades de laboratório e os métodos utilizados para realização dos ensaios

laboratoriais.

O Capítulo 4 apresenta e analisa, levando em conta outros resultados encontrados na

literatura, os resultados obtidos na etapa experimental.

No Capítulo 5 são apresentadas as conclusões do trabalho e as sugestões para futuras

pesquisas.

.

4

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Inicialmente é feito uma revisão sobre a constituição e estrutura do solo, com o

enfoque nas propriedades físicas química das argilas, como acontece e o que influência o

mecanismo de expansão do solo. Em seguida, é descrito os tipos de estabilização de solos

existentes, o uso da cal como estabilizante, as reações da mistura solo-cal, as alterações de

propriedade que a adição da cal pode trazer ao solo.

2.1. FASE DOS SOLO

Os solos são resultado do intemperismo das rochas por desintegração mecânica ou

decomposição química (processo em que há modificação química ou mineralógica das rochas

originais). Por desintegração mecânica formam-se os pedregulhos e areias e até siltes, as

argilas são o último produto do processo de decomposição.

O solo é composto por partículas, com dimensões e formas variadas, que formam o

seu esqueleto sólido. Esta estrutura não é maciça e por isso não ocupa todo o volume do solo,

ela é porosa e portanto possui vazios. Os vazios podem estar totalmente preenchidos por água,

quando então dizemos que o solo está saturado, podem estar completamente ocupados pelo ar,

o que significa que o solo está seco ou com ambos (ar e água) que é a forma mais comum na

natureza. Por isso o solo é composto por três fases: sólidos, água e ar.

Na fase sólida, as partículas de solos são compostas por minerais e materiais

orgânicos, se apresentando em forma de grãos esféricos ou mesmo angulosos, alongados ou

achatados e esses grãos podem variar tanto em textura como em composição mineralógica,

(MITCHEL, 1993). A fase líquida é composta de água livre (formada por água capilar e

gravitacional) e sais dissolvidos na água. A concentração desses sais na água pode afetar o

desenvolvimento da camada dupla difusa. A fase gasosa é constituída por ar e vapor de água,

quando o solo encontra-se seco ou não saturado.

As frações constituintes do solo recebem designações de acordo com as dimensões das

suas partículas, conforme Tabela 2.1.

5

Tabela 2.1 − Tabela de classificação granulométrica do solo.

Frações ABNT (6502/95) SI

Argila

< 0,005mm < 0,002mm

Silte

0,005mm a 0,05mm 0,002mm a 0,02mm

Areia

Fina 0,05mm a 0,42mm 0,02mm a 2,00mm

Média 0,42mm a 2,0mm

Grossa 2,0mm a 4,8mm

Pedregulho 4,8mm a 7,6cm > 2,00mm

Pedra

7,6cm a 25,0cm -

Matacão 25,0cm a 1,0m -

2.2. FRAÇÃO ARGILA DOS SOLOS

A argila origina-se da desagregação de rochas como o granito e o gnaisse, muito

abundantes na crosta terrestre, por ataque químico ou físico, que produz a fragmentação de

partículas muito pequenas. A argila é um silicato de alumínio hidratado, composto por

alumínio (óxido de alumínio), sílica (óxido de silício) e água, tem dimensões muito pequenas,

de acordo com a terminologia adotada pela ABNT (6502/95) a argila é inferior a 0,005mm. A

argila pode ser formada por apenas um mineral argiloso, mas o mais comum é ser formada

por uma mistura deles, com predomínio de um, e também matéria orgânica e outras

impurezas. Todos, porém, são filossilicatos - ou seja, silicatos que formam lâminas, de baixa

dureza, densidade também relativamente baixa e boa clivagem em uma direção. Rochas

argilosas como folhelho e siltito são também incluídos neste conceito no comércio desses

materiais, (CPRM, 2012).

Os minerais argilosos são os minerais constituintes e característicos das argilas, aos

quais estas devem as suas propriedades. São geralmente cristalinos, tratando-se quimicamente

de silicatos hidratados podendo conter cátions tais como Al3+

, Mg2+

, Fe2+

, Ca2+

, K+, entre

outros, e dispõem-se estruturalmente em camadas e folhas ou, mais raramente, em cadeias ou

fitas, (SILVA, 2010).

A maior parte dos argilominerais encontrados na natureza são de estrutura lamelar.

Estes podem ser divididos em grupos ou famílias: camadas 1:1; camadas 2:1; camadas 2:2 ou

2:2:1 . A nomenclatura 1:1 e 2:1 refere-se ao número de camadas de tetraedros de SiO4 e de

6

octaedros de Al2(OH)6, respectivamente, que entram na constituição da cela unitária da

estrutura cristalina do argilomineral, (SANTOS, 1989 ).

A unidade estrutural tetraédrica, Figura 2.1, é constituída por quatro átomos de

oxigênio, O2-

, equidistante de um átomo de sílicio, Si4+

, formando um tetraedro. Os átomos de

oxigênio posicionam-se nos vértices do tetraedro e o de silício ocupa o seu centro. Os

tetraedros dispõem-se hexagonalmente, de modo que as suas bases são complanares e os

topos apontam todos na mesma direção, (SILVA, 2010).

Figura 2.1 – Unidade estrutural tetraédrica, (CRISTELO, 2001).

Quanto à unidade estrutural octaédrica, Figura 2.2, esta é constituída por seis átomos

de oxigênio, O2-, ou hidróxilo, OH

-, que se dispõem segundo os vértices de um octaedro,

estando igualmente espaçados de um átomo de alumínio, Al3+

, ou de magnésio, Mg2+

. Estas

unidades básicas dispõem-se hexagonalmente através da partilha de hidróxilos ou oxigênios

por octaedros vizinhos, dando origem a folhas estruturais octaédricas, (SILVA, 2010).

Figura 2.2 – Unidade estrutural octaédrica, (CRISTELO, 2001).

É com base no número e natureza das folhas estruturais existentes nas camadas

estruturais que se estabelecem os tipos estruturais (1.1, 2:1, 2:1:1). Assim, a combinação de

uma folha tetraédrica com uma folha octaédrica dá origem a uma unidade estrutural do tipo

Átomos de Oxigênio

Átomo de Sílica

Íons Hidroxila

Átomo de Alumínio ou Magnésio

7

1:1, designada por unidade Te-Oc, enquanto que a combinação de duas folhas tetraédricas e

uma folha octaédrica forma uma unidade estrutural do tipo 2:1 ou Te-Oc-Te.

A seqüência repetitiva das capas tetraédricas e octaédricas determinam o grupo do

mineral argiloso. Os grupos dos minerais argilosos cristalinos mais importantes para esta

pesquisa são: grupo da Caulinita, grupo da Montmorilonita, e o grupo da Ilita, como estão

apresentadas nas Figuras 2.3 e 2.4.

Figura 2.3 – Representação esquemática da estrutura de uma Caulinita (duas camadas),

Montmorilonita e Ilita (ambas com três camadas), (CRISTELO, 2001).

Figura 2.4 – Eletromicrografias das microestruturas da Caulinita, Montmorilonita e Ilita,

respectivamente, (IQ, 2010).

As Caulinitas são formadas por unidades de sílica alumina, que se unem

alternadamente, conferindo-lhe uma estrutura rígida. Em consequência, são relativamente

estáveis em presença de água. Os minerais deste grupo podem ser considerados pouco

expansivos por não haver hidratação das camadas estruturais, pois a distância reticular é

mínima e há pouca adsorção superficial (a baixa adsorção se dá porque a estrutura é quase

8

eletricamente neutra, ou seja, não se tem ou é pouca, a substituição isomórfica), (PEREIRA,

2004). O autor ainda afirma que os minerais do grupo das caulinitas apresentam baixa

capacidade de troca catiônica, no entanto maior capacidade de troca aniônica por causa de

íons 0H- presente fora das lâminas estruturais.

As montmorilonitas são estruturalmente formadas por unidade de alumínio entre duas

unidades de silício. Entre as camadas das montmorilonitas existem moléculas de água com

arranjos ocorrendo de forma orientada e regular, dando coordenação aos cátions permutáveis,

sendo possível a entrada de moléculas orgânicas. As ligações entre as camadas ocorrem de

acordo com as forças de Van der Walls.

As ilitas são estruturalmente similares às montmorilonitas, sendo menos expansivas. A

principal diferença entre a ilita e a montmorilonita é que a primeira não apresenta

característica de expansividade intracristalina, devido à atração iônica exercida pela presença

de íons K+ que se encontram entre as camadas, (PEREIRA, 2004). Ainda que, segundo o

mesmo autor, na montmorilonita K+ ocorre expansividade intracristalina, isto devido à

presença inferior de íons de potássio e pela carga negativa estar localizada na folha octaédrica,

assim estando a uma distância maior dos íons de potássio, possibilitando forças eletrostáticas

mais fracas.

As partículas de argila apresentam cargas elétricas negativas nas faces e cargas

positivas nos bordos. Devido às cargas negativas, as partículas de argila atraem íons positivos

(cátions) de sais dissolvidos na água. As moléculas de água mais próximas da superfície da

partícula de argila estão submetidas a tensões elevadíssimas, encontrando-se praticamente em

estado sólido. Cada partícula pode atrair várias camadas de moléculas de água e cátions até

ficar eletricamente neutra. Designa-se essa água por água adsorvida.

A carga elétrica pode resultar de certas imperfeições, tais como posições incompletas

ou valências não equilibradas causadas por substituições isomórficas na estrutura cristalina,

da adsorção física ou química de íons em radicais ativos e da adsorção de íons na estrutura da

partícula, (GILLOTT, 1987). Embora, teoricamente, as cargas devessem estar uniformemente

distribuídas pelo exterior da partícula, verifica-se que, nas argilas, isso não acontece.

9

As cargas negativas que retém os cátions trocáveis podem ser originadas nas partículas

do solo de duas maneiras principais: cargas permanentes e cargas dependentes de pH. As

cargas negativas permanentes existem nas estruturas dos minerais e são originadas da

substituição isomórfica (substituição dos cátions das unidades tetraédricas e/ou octaédricas,

por outros de diâmetro aproximado) o que permite manter as mesmas dimensões, mas uma

carga menor, originando um excesso de cargas negativas dos oxigênios, chamadas de

permanentes. As principais substituições são:

Si4+ pelo Al3+ nas camadas tetraédricas;

Al3+ pelo Fe2+ ou Mg2+ nas camadas octaédricas

As cargas negativas variam conforme o pH do solo, quando o pH aumenta, também

aumenta a quantidade de cargas negativas. As cargas negativas dependentes de pH são

formadas basicamente pela dissociação e associação de prótons (H+) e adsorção específica de

cátions e ânions.

Com a elevação do pH do solo, ocorre a dissociação dos íons H+

da superfície e, assim,

a liberação de cargas negativas para a troca de cátions. Por outro lado, com a acidificação do

meio ou diminuição de pH , a superfície do óxido adsorve íons de H+

e passa a apresentar

carga positiva, e, portanto, troca de ânios. As cargas dependentes de pH, tanto positivas como

negativas, e ambas podem ocorrer ao mesmo tempo nos solos, (MARQUES, 2012).

Às faces dos cristais lamelares estão associadas cargas negativas, enquanto que os

bordos dos cristais podem ser globalmente neutros, positivos ou negativos. Uma vez que a

superfície das faces é muito maior do que a dos bordos, a coparticipação da carga elétrica

negativa é muito maior. Assim se explica a eletronegatividade global das partículas argilosas,

(SILVA, 2010).

2.2.1 CAPACIDADE DE TROCA DE CÁTIONS

Devido à presença de cargas negativas que predomina nas superfícies das partículas de

argila, há a atração de íons positivos existentes em soluções aquosas que entram em contato

com a argila podendo facilmente infiltrar-se entre as lâminas dos minerais argilosos e dali

10

saírem também facilmente, pois suas ligações químicas são fracas. Eles não penetram na

estrutura do mineral, apenas prendem-se às superfícies das partículas de argila, (CPRM,

2012).

A facilidade como são atraídos depende da valência dos cátions em solução. A

sequencia de preferencialidade de troca de cátions para uma mesma concentração foi

estabelecida por Hofmeister, sendo conhecida como sequencia de Hofmeister ou série

liotrópica. Esta sequencia é a seguinte:

Al3+

> Ca2+

> Mg2+

> NH4+

> Rb > K+ > Na

+ > Li

+ > H

+

Qualquer íon a esquerda pode substituir íons situados à sua direita, este processo é

denominado de troca de cátions.

A capacidade de troca catiônica (CTC) exprime-se em milimol por carga, detidos em 100g de argila

seca e varia com o tipo de argila. As argilas motmorillonitas, por exemplo, apresentam CTC entre 800 e

1500 (10-3

mol/c* x 100g), (MEURER , 2006). Muitas condições do solo têm influência sobre a

CTC, dentre as quais: pH, natureza dos cátions trocáveis, concentração da solução e natureza

da fase sólida.

A Figura 2.5 apresenta as cargas elétricas de um coloide (sistema no qual um ou mais

componentes apresentam pelo menos uma de suas dimensões dentro do intervalo de 1mm a

1µm, ou seja, sistema contendo tanto moléculas grandes como partículas pequenas),

mostrando que cargas elétricas de polos diferentes se atraem e de cargas semelhantes se

repelem.

* c - representa o valor da carga de cátion.

11

Figura 2.5 – Cargas elétricas da fração argila e matéria orgânica. Fonte:

www.pedologiafacil.com.br

2.2.2 FLOCULAÇÃO E DISPERSÃO DA ARGILA

Devido ao pequeno tamanho da partícula de argila e sua grande área superficial, a

argila torna-se suscetível aos efeitos dos campos de forças desbalanceadas, que surgem das

interações entre as interfaces das partículas do solo, os cátions adsorvidos e a água,

(MITCHELL, 1993). A dupla camada elétrica ou camada difusa é uma superfície com carga

na fase sólida e a distribuição de íons na fase adjacente (solução do solo). A interação entre

duas partículas depende da intensidade de forças a atração (Van der Waals), que ocorrem

quando as partículas estão muito próximas; e repulsão, que são consequência da repulsão das

cargas elétricas de mesmo sinal. À medida que se afasta da superfície vamos ter menos força

de atração e mais força de difusão, Figura 2.6.

Figura 2.6 – Formação da dupla camada difusa numa micela mostrando: (a) a partícula seca e

(b) hidratada, (FILHO, 2012).

O efeito líquido resultante das interações na dupla camada poderá promover a

floculação ou a dispersão. Assim, quando em uma dispersão coloidal em meio líquido

predominam as forças de atração, ocorre a floculação ou coagulação e as partículas

12

aproximam-se formando pequenos flocos que decantam até o fundo do recipiente. A

tendência de floculação se dá por um decréscimo na espessura da dupla camada, reduzindo a

repulsão elétrica, em razão do aumento de determinadas variáveis (concentração eletrolítica

do meio, valência do íon e temperatura); e da diminuição de outras características (constante

dielétrica, tamanho do íon hidratado, pH e adsorção aniônica), (LAMBE e WHITMAN,

1979).

Quando predominam as forças de repulsão, a dispersão tende a se estabilizar, não

ocorrendo à aproximação entre as partículas, temos a dispersão. A dispersão tem relação com

o aumento da espessura da Dupla Camada Difusa.

2.2.3 PONTO DE CARGA ZERO

É o valor de pH (logaritmo negativo da concentração, atividade, de hidrogeniônica)

em que a quantidade de prótons adsorvidos gerando cargas positivas é igual ao número de

hidroxilas que geram cargas negativas, sendo a carga superficial do colóide igual a zero. É

específico para cada mineral. No ponto de carga elétrica zero (PCZ), ocorre a floculação que,

por sua vez, tem influência favorável na estruturação do solo, razão pela qual é aconselhável

que o pH de solos com os referidos tipos de colóides não se afastem muito do PCZ.

2.3. EXPANSÃO DOS SOLOS

O solo pode se expandir sem ser um solo expansivo. A expansão não é uma

característica única de solo expansivo, pois qualquer estrutura carregada, ao retirar a carga

poderá haver aumento de volume do solo devido ao alívio de tensão. Por outro lado, durante o

processo de cisalhamento dos solos muito compactos, a superfície de ruptura poderá estar em

cisalhamento devido ao entrosamento das partículas e ao rolarem uma sobre as outras, pode

causar uma dilatação provocando variação de volume apesar de não ser solo expansivo.

Para o solo ser expansivo deve ter características mineralógicas que são:

argilominerais de estrutura laminar do tipo 2:1, combinação de duas folhas tetraédricas (Te) e

uma folha octaédrica (Oc), principalmente do grupo esmectitas, nas montmorilonita e

13

vermiculita verifica-se uma maior instabilidade volumétrica, além dos interestratificados de

montmorilonita como a clorita, ilita e vemiculita ou até mesmo de outros minerais, como a

haloisita também apresentam capacidade de expansão, porém mais limitada, (FERREIRA,

1995).

A expansibilidade constitui um fenômeno essencialmente físico-químico, podendo

estar também associado a causas mecânicas, e tem sido explicada com base nas forças

existentes entre partículas e entre camadas estruturais. O propósito do conhecimento da

expansão de um solo é identificar e classificar o seu potencial de expansão (entenda-se

variação volumétrica específica) e a sua pressão de expansão, ou pressão a ser aplicada a uma

amostra que já sofreu expansão, para que o seu volume retorne ao valor inicial de modo a

permitir ao engenheiro uma avaliação quantitativa dos problemas que possam advir da sua

utilização como material de construção. As características que evidenciam o comportamento

dos solos expansivos são evidenciadas por Ferreira (1995), como é mostrado:

SOLOS EXPANSIVOS: São solos não saturados; possuem argilominerais de estrutura

laminar do tipo 2:1 principalmente do grupo esmectitas, como as montmorilonita ou

vermiculita. Contrações e expansões com aparecimento de superfícies de fricção; solos com

drenagem baixa e atividade alta, derivados de rochas ígneas, basicamente Basalto, Diabases e

Gabos, e de rochas sedimentares basicamente: Folhelhos, Margas e Calcários; São de regiões

onde a evapotranspiração excede a precipitação, regiões de alternância de estações secas e

chuvas intensas e concentradas.

2.3.1 MECANISMO DE EXPANSÃO

Os mecanismos de expansibilidade físico-químicos podem ser intercristalinos ou

intracristalinos e osmóticos. A expansibilidade intercristalina ocorre quando a absorção de

água se faz através das superfícies externas dos cristais dos minerais argilosos, e dos vazios

entre esses cristais, ou seja, quando é possível a absorção de água no interior dos cristais, ou

entre as camadas estruturais. A água absorvida forma sucessivas camadas monomoleculares

sobre as partículas dos minerais argilosos, afastando as unidades estruturais e as próprias

partículas, (NEVES, 1993). A ilita apresenta expansibilidade intercristalina devido à forte

14

atração eletroestática gerada pelos íons monovalentes K+ que ligam as camadas estruturais e

não permitem a entrada de água.

A expansibilidade intracristalina é justificada pelo desequilíbrio entre as forças

atrativas que ligam as camadas estruturais (inferiores) e as forças atrativas responsáveis pela

absorção de água e depende da natureza cristalográfica do argilomineral, (GILLOT, 1987).

Como nas argilas predominam cargas eletronegativas, quando estas entram em contato com a

água, seus íons H+

são atraídos pelas partículas de argila e ocupam posições entre as lâminas

cristalográficas, separando-as para atraí-los. Resultando em “dupla camada” (várias capas de

molécula de água fortemente adsorvidas). Existindo cátions trocáveis, cada cátion tende a

rodear-se de dipolos de água, em consequência há um aumento do espaço laminar e, com isso,

do inchamento.

São admitidas duas fases no processo de expansibilidade osmótica de um solo,

(OLPHEN, 1963). Este tipo de expansibilidade é o que origina as maiores variações de

volume. Na primeira, as moléculas de água penetram entre as camadas estruturais das argilas

ou entre as superfícies planas das partículas adjacentes, tendendo a separá-las; interação

eletroestático entre as superfícies e os cátions dispersos; e a energia de adsorção das

moléculas de água. Esta última é a mais importante e é da ordem de vários milhares de

atmosferas para a primeira camada de água, decrescendo rapidamente com a adição das

camadas seguintes. Na segunda fase, as superfícies das partículas estão já separadas por

distâncias superiores a quatro camadas monomoleculares de água, sendo por isso a energia de

adsorção já relativamente reduzida, o que permite que a energia de repulsão da dupla camada

elétrica se sobreponha. Com a continuação da adsorção de moléculas de água a referida

distância tende a aumentar, e com ela as forças de repulsão.

A expansibilidade osmótica depende da natureza dos cátions trocáveis. As argilas em

que o cátion trocável é o sódio exibem uma expansibilidade muito maior de que aquelas em

que esse papel é assumido pelo cálcio. Isto porque os cátions monovalentes, e em fraca

concentração, originam pressões de expansão superior devido à formação de duplas camadas

elétricas mais extensas. Assim, a adição de produtos à base de cálcio, nomeadamente a cal, é

um dos processos existentes para diminuir a expansibilidade das argilas, embora nem todos os

minerais argilosos apresentem este tipo de expansibilidade, especialmente os minerais de

maiores dimensões.

15

As montmorilonitas são as argilas que apresentam maiores variações volumétricas por

absorção de água, o que se entende ser justificado pelo seguinte: quando uma partícula de

montmorilonita é posta em contacto com a água as moléculas de água penetram entre as

camadas estruturais fazendo aumentar o espaçamento basal, originando um aumento de

volume que pode, no máximo, duplicar o volume da partícula, (CASTRO, (1974) apud

CRISTELO (2001)). As caulinitas são argilas que não exibem expansibilidade de natureza

físico-química. A reduzida distância entre camadas estruturais impede a entrada de água e o

fraco potencial elétrico implica uma fraca adsorção superficial. Se ocorrer expansão nas

caulinitas, ela será de origem mecânica.

Roo (2006) apud Fereira(2010) considerou três fases para o processo de deformação

de expansão e/ou colapso do solo, Figura 2.7. O Inicial - a intervalos de menos de 1 minuto,

há pequenas deformações no solo e a água se infiltra apenas na periferia; Primário - intervalo

de 1 a 300 minutos, a água se infiltra a partir da periferia para o centro, umidificando o solo

progressivamente, ocorrendo deformações com maior intensidade; Secundário - intervalo

superior a 300 minutos, a água chega ao centro do núcleo, e os espaços vazios são quase

completamente cheios de água e a velocidade da deformação diminui. O autor conclui que as

defornações iniciais estão associadas com a microestrutura, enquanto que as deformações

primária e secundária estão associadas com a macroestrutura.

Figura 2.7 – Comportamento da variação de deformação no período de tempo sob tensão (a)

pequena alteração na umidade do solo, (b) mudança de umidade na periferia do solo, (c)

apenas o núclo central mantém a umidade inicial, (d) não há mudança na umidade do solo,

(FERREIRA, 2010).

16

2.3.2 CRITÉRIO DE IDENTIFICAÇÃO DOS SOLOS EXPANSIVOS E TÉCNICAS

DE ENSAIOS

Atualmente, há inúmeros métodos de identificar argilas potencialmente expansivas,

critérios esses definidos por diversos pesquisadores que diante da complexidade do problema

de identificação desses solos fizeram hipóteses simplificadoras e uso de métodos numéricos

em busca de solução. Esses métodos podem ser identificados como sendo métodos diretos e

métodos indiretos, Tabela 2.2, (SCHREINER (1987) e FERREIRA (1995)).

Tabela 2.2 – Métodos de Identificação de Solos Expansivos, (SCHREINER (1987) e

FERREIRA, 1995)).

Métodos Sub-Divisões Critério Referência

INDIRETOS

Identificativos

Difração e raio X,

Microscopia eletrônia de

varredura, Análise termo-

diferencial e Adsorção de

etilenoglicol e glicerina.

AYALA et al. (1986)

Físico-químico FINK et al. (1971)

Orientativos

Granulometria,

Consistência e Índices

físicos e Classificação

Geotécnica

PRIKLONSKIJ (1952),

SKEMPOM (1953), SEE et al.

(1962), VAN DER MERWE

(1964) CHEN (1965),

VIJAYVERVIA e GHAZZALY

(1973), RODRIGUEZ ORTIZ

(1975), CUELLAR (1978).

DAKSANAMURTHY e RAMAN

(1973).

Qualitativos

Geologia, Geomorfologia,

Pedologia e Identificação

visual.

PATRICK e SNETHEN (1976),

AYALA et al. (1986),

FERREIRA (1990c e 1993a).

DIRETOS

Avaliativos Ensaio de Expansão de

Lambe LAMBE (1960).

Quantitativos

Expansão Livre e Tensão

de Expansão, Ensaios

Edométricos Duplos e

Simples.

SEED et al. (1962), CHEN

(1965), VIJAYVERVIYA e

GHAZZALY (1973),

RODRIGUEZ ORTIZ (1975),

CUELLAR (1978), JIMENEZ

SALAS (1980).

Ensaios Edométricos de

Sucção controlada

ESCARIO (1967 e 1969),

AITCHISON et al. (1973),

JOHNSON (1978), McKEEN

(1980).

17

2.3.2.1 Métodos Diretos

Os métodos diretos são baseados na medida da expansão induzida ao solo ou da

tensão necessária para impedir esta expansão, realizando-se ensaios mecânicos do tipo

edométrico onde procuramos simular, ao máximo, a condição de campo sendo por

carregamento, por inundação ou percolante. Inundam-se os corpos de prova, quando as

deformações decorrentes de certa pressão já se estabilizaram mede-se a expansão ocorrida. A

expansão depende da pressão aplicada à amostra, sendo tanto menor quanto maior a pressão.

Existe uma pressão na qual não há expansão, pressão esta denominada de pressão de

expansão. Para pressões maiores que esta, é comum ocorrer contração do solo. Para a

determinação da pressão de expansão, diversos corpos de prova são ensaiados, cada qual

inundado com uma pressão diferente, medindo-se a expansão correspondente. Obtém-se por

interpolação a pressão para qual não há expansão.

Este critério oferece informações quantitativas a respeito dos valores das deformações

volumétricas devido à expansão.

QUANTITATIVO – é simulado e quantificado a expansão em função do carregamento, do

nível de tensão que está sendo aplicado. A simulação é feita nas duas condições mais comuns

de campo: carregar e inundar, ou inundar e carregar. No laboratório pode-se fazer variação de

umidade simulando diferentes tensões.

Métodos quantitativos obtidos através de ensaios edométricos (o ensaio edométrico ou

ensaio de adensamento lateralmente confinado, é um tipo de ensaio utilizado para medir as

propriedades mecânicas dos solos: resposta do solo a uma dada solicitação no que diz respeito

a deformações verticais) utilizam duas características básicas: a expansão “livre” e a tensão de

expansão, (FERREIRA, 1995).

Os ensaios de expansão “livre” medem a variação de espessura da amostra fazendo-se

uma relação entre a sua altura inicial e final, quando é colocada dentro de um recipiente com

água. Para se determinar a expansão livre coloca-se a amostra do solo no edômetro e

inundando-se com uma pequena tensão, permitindo a sua expansão livremente. A expansão

“livre” é determinada em percentual após a sua estabilização. As metodologias aplicadas para

este ensaio são com relação a sobrecarga aplicada, nessas metodologias as tensões mais utilizadas

18

são 1kPa, 7 kPa e 10 kPa, e a metodologia que utiliza a tensão de 50 kPa em amostras deformadas

(compactadas ou ressecadas ao ar), (CHEN, 1965).

A percentagem de expansão “livre” pode ser encontrada através da equação 1.

El (livre) (%) = ∆𝐻

𝐻* 100 (1)

Onde,

El = expansão “livre”, em percentagem.

∆H = altura da expansão devido à saturação

H =altura do corpo de prova antes da inundação

A Tabela 2.3 apresenta a classificação de um solo de acordo com seu potencial de

expansão.

Tabela 2.3 – Classificação do grau de expansão de um solo (GOOSEN et al. 2006).

Grau de Expansão Chen (1983) Seed et al. (1962) Daksanamurthy and Raman

(1973)

Muito Alto LL > 60 IP > 35 LL > 70

Alto 40 < LL ≤ 60 20 < IP ≤ 35 50 < LL ≤ 70

Médio 30 ≤ LL ≤ 40 10 ≤ IP ≤ 20 35 < LL ≤ 50

Baixo LL< 30 < 10 20 ≤ LL ≤ 35

A tensão de expansão é avaliada através de diferentes métodos envolvendo diferentes

trajetórias de tensão. Entre esses estão:

Método 1: Carregamento após expansão com diferentes tensões verticais de

consolidação. Aplica-se uma tensão na amostra confinada na lateral induzindo-a a expandir

pela inundação, mede-se esta expansão em intervalos de tempo até sua estabilização, em

seguida a amostra é consolidada com aumento da tensão aplicada até que se alcance a altura

inicial. A tensão de expansão da amostra será a máxima tensão obtida.

Método 2: Expansão e colapso sobtensão. Aplica-se uma tensão na amostra de solo,

após a consolidação inunda-se e mede-se a deformação ocorrida. Usando um papel semi-

logarítmo marca-se o ponto correspondente a tensão aplicada e a deformação ocorrida. Com

19

estes pontos traça-se uma reta e a tensão de expansão é obtida por extrapolação

correspondente a deformação zero.

Método 3: Volume constante. Consiste em medir no edômetro a tensão necessária para

impedir a mudança de volume da amostra de solo depois de inundá-lo.

Método 4: Rao et al (1988). Aplicam-se sucessivas pequenas tensões quando o corpo de

prova é inundado, procurando impedir a expansão de volume. Assim, como no ensaio de

adensamento, continua-se a aplicar tensões. A tensão de expansão é obtida por procedimento

gráfico similar a determinação da tensão de pré-consolidação de um solo saturado.

Método 5: Justo et al (1984). A tensão de expansão é obtida pela interseção da curva de

inundação sob tensão com a curva de umidade constante.

Método 6 : "Edométrico duplo". Consiste em determinar a tensão de expansão através

das curvas obtidas a partir do ensaio edométrico duplo. A tensão de expansão será a tensão que

corresponde, no corpo de prova inundado, ao mesmo índice de vazios inicial do corpo de prova

na umidade natural.

2.3.2.2 Métodos Indiretos

São aqueles que recorrem à identificação mineralógica, índices físicos, limites de

consistência ou parâmetros ligados à textura, composição e comportamento dos solos.

O método mais usual para identificação e analisar o comportamento do argilomineral

se baseia no ensaio de Difração de Raios-X. Os ensaios de Índices de consistência tem uma

ampla aceitação, isto se deve ao fato de que a plasticidade está relacionada com a

expansividade, porcentagem da fração argilosa e tipo de argilomineral. Um solo que tem um

valor do índice de plasticidade (IP) alto e baixas porcentagens de argila, tem uma

expansividade alta.

Os critérios deste grupo são informações de caráter Identificativo, Orientativo e

Qualitativos, sendo de fácil obtenção em ensaios de laboratório e/ou campo.

20

IDENTIFICATIVO – este método nos permite ver a estrutura do solo. Para solos expansivos

precisamos identificar o mineral. Os ensaios realizados são a difração de Raios-X e

microscopia eletrônica de varredura. A difração de Raios-X é uma técnica que permite uma

análise não destrutiva e rápida que fornece informações relativas à identificação dos minerais

presentes numa argila.

QUALITATIVO - informa a porcentagem de argila, de silte, o limite de liquidez e o limite

de plasticidade. Não é um critério de identificação com precisão para esses solos especiais,

pois o resultado do ensaio pode apresentar uma argila que seria identificada como expansiva e

não ser.

ORIENTATIVO - é um método de orientação com base na pedologia que nos informa

aspectos com respeito à porosidade do solo, a mineralogia, o ambiente em que o solo foi

formado. Obtendo este mapa pedológico do solo podemos nos orientar qual o verdadeiro

potencial do solo analisado.

As diferentes técnicas podem levar a valores diferentes e parâmetros equivalentes. Por

isso Schreiner (1987) afirma que não há um método que julgue ser universalmente

representativo.

2.3.3 EXPANSÃO: FATORES INFLUENTES

Na avaliação de fatores que influenciam na expansão de um solo, deve ser feita

distinção entre expansividade intrínseca do solo, potencial de expansão para o teor de

umidade do campo e potencial de levantamento da superfície ou de qualquer outro ponto no

interior do mesmo.

Schreiner (1987) diferencia o conceito de expansividade intrínseca, expansão e

inchamento. Expansividade intrínseca é a capacidade do argilomineral absorver água,

propriedade resultante em que a composição mineralógica interage com a água. A expansão

de um solo é a mudança de volume associada à variação no estado das tensões (tensão

vertical, estrutura e sucção). O inchamento é o deslocamento vertical resultante de um solo

expansivo, sendo um parâmetro usualmente medido em campo.

21

Ayala et al. (1986) afirma que para que o solo seja expansivo é necessário que exista e

entre em funcionamento mecanismos que produzam a instabilidade volumétrica do solo e que

haja forças capazes de transferir a umidade de um ponto a outro do solo.

Estes requisitos são classificados em intrínsecos, próprios dos solos (composição

mineralógica, textura, capacidade de troca catiônica, cátions trocáveis, estrutura do solo) que

estabelecem a capacidade expansiva teórica, e extrínseco são impostos por fatores externos,

tais como a climatologia, hidrogeologia, vegetação e até mesmo a atuação antrópica, que

determinam se o potencial pode ou não se desenvolver.

Para que um solo seja potencialmente expansivo é necessário que esteja na condição

de solo não saturado. Desta forma seu teor de umidade está em equilíbrio com a transpiração

da vegetação presente, a evaporação à superfície do terreno e a ascensão capilar da água. A

atividade expansiva do solo se manifesta quando este equilíbrio é temporariamente

interrompido, seja pela ação antrópica ou por fatores naturais, (FERREIRA, 1988).

Ferreira (1995) aponta, ainda, outros condicionantes, igualmente importantes: fatores

ligados ao solo (distribuição das partículas de argila, porosidade, orientação mineralógica,

cimentação etc.); e à estrutura (o perfil estratigráfico, a espessura do solo, a descontinuidade

etc.). Adverte que a capacidade expansiva do solo não depende somente do tipo de argila

existente, mas, também, da natureza da fração argilosa e de sua formação.

2.3.4 LOCAIS DE OCORRÊNCIA DE SOLOS EXPANSIVOS

Chen (1975) lista que há registro de solos expansivos em todo o mundo Cuba, México,

Marrocos, Turquia entre outros. Ferreira (1995) acrescenta Estados Unidos, Canadá,

Argentina, Peru, Venezuela, Austrália, China, Índia, Romênia, Reino Unido, Espanha,

Angola, Etiópia, Gana, Kênia, Nigéria, África do Sul, Israel, Jordânia, Arábia Saudita. No

Brasil os solos expansivos são encontrados em várias regiões, conforme Tabela 2.4. No

Centro Sul, nos Estados do Paraná, São Paulo e Santa Catarina; no nordeste, no norte da

Bahia passando por Pernambuco até atingir o Ceará.

22

Tabela 2.4 – Ocorrência de Solos Expansivos no Brasil, (Modificado por FERREIRA et al.

2012).

Nº LOCAL REFERÊNCIA

ORIGEM/TIPO DE

SOLO/CLASSE

PEDOLÓGICA

1 Paulo Dutra - MA FERREIRA (1988) -----------------

2 Parelhas - RN LINS et al. (1986) Formação Seridó

3 Carnaíba - PE FERREIRA (1988) Complexo Monteiro/Bruno não

Cálcico

4 Afrânio - PE FERREIRA (1989)

Grupo

Salgueiro/Cachoeirinha/Areia

Quartzosa/Bruno não Cálcico

5 Petrolina - PE FERREIRA (1989) Grupo Salgueiro/Areia

Quartzosa/Bruno não Cálcico

6 Cabrobó - PE FERREIRA (1989) Complexo Presidente

Juscelino/Bruno não Cálcico

7 Salgueiro - PE FERREIRA (1989) Bruno não Cálcico

8 Serra Talhada - PE FERREIRA (1989) Complexo Monteiro/Bruno não

Cálcico

9 Petrolândia - PE FERREIRA (1989) Areia Quartzosa

10 Ibimirim - PE FERREIRA (1989) Bruno não Cálcico

11 Pesqueira / PE SILVA e FERREIRA (2007) Planossolo

12 Nova Cruz/ PE FERREIRA (1997) Formação Barreiras

13 Paulista - PE FERREIRA (1989) Formação Maria Farinha

14 Olinda - PE COSTA NUNES et al. (1982) Formação Maria

Farinha/Silticos

15 Olinda - PE JUCA et al. (1992) Formação Maria Farinha

16 Cabo - PE COSTA NUNES et al. (1982) Rochas Extrusivas Básicas

17 São Francisco/PE LEITE e FERREIRA (2012) Sedimento do Recôncavo,

Tucano e Jatobá.

18 Suape/PE FERREIRA et al..(2012) Formação Maria Farinha do

Grupo Barreiras

19 Reservatório de

Itaparica - PE - BA

SIGNER et al. (1989), VARGAS

et al. (1989) Silticos e Argilitos

20 Reservatório de

Itaparica - PE - BA SANTOS e MARINHO (1990)

Sedimentos da Bacia do Jatobá

da Formação Aliança

21 Maceió - AL FERREIRA (1988) Bruno não Cálcico

22 Aracaju / SE CAVALCANTE (2007) Formação Calimbi

23 Juazeiro - BA FERREIRA (1989) Grupo Salgueiro

24 Recôncavo Baiano -

BA

SIMÕES e COSTA FILHO

(1981)

Grupos Ilha e Santo Amaro e

Formação São Sebastião/

Vertissolo

25 Baía de Aratu - BA BARRETO et al. (1982) Vertissolo

26 Feira de Santana - BA PRESA (1986) Solos Residuais/Vertissolo

23

27 Recôncavo Baiano -

BA SIMÕES (1986)

Grupos Ilha e Santo Amaro e

Formação São Sebastião/

Vertissolo

28 Salvador - BA PRESA (1986) -----------------

29 Cuiabá / MT RIBEIRO JÚNIOR et al (2006) Grupo Cuiabá / Filito

30 Campinas - SP SÃMARA (1981) Podzólico

31 Sudeste de São Paulo e

Paraná VARGAS et al (1989) Formação Tubarão

32 Curitiba / PR PEREIRA e PEJON (2004) Formação Guabirotuba

33 Porto Alegre - RS VARGAS et al (1989) Formação Rosário do Sul

34 Laranjeiras - SE GUSMÃO FILHO et al (2002) Formação Barreiras

35 N.S. do Socorro - SE GUSMÃO FILHO et al (2002) Formação Barreiras

36 Grajaú - MA GUSMÃO FILHO et al (2002) -----------------

2.4. CONCEITO SOBRE ESTABILIZAÇÃO DE SOLOS E FORMAS DE

APLICAÇÃO

Estabilizar um solo é de um modo geral, utilizar um processo de natureza física, físico-

química ou mecânica, de maneira a tornar esse solo estável para os limites de sua utilização,

fazendo com que esta estabilidade permaneça sob ações de cargas exteriores e ações

climáticas variáveis, (BAPTISTA, 1976).

2.4.1 TIPO DE ESTABILIZAÇÃO

Guimarães (2002) afirma que há várias técnicas sendo usadas na estabilização de

solos, essas técnicas são divididas em dois grupos:

estabilização mecânica - procura-se melhorar as características do solo através de correção da

sua composição granulométrica e plasticidade por incorporar ou retirar determinadas

quantidades de frações do solo, até a obtenção de parâmetros estabelecidos por normas.

estabilização química - modifica-se permanentemente as propriedades físicas e mecânicas do

solo com a utilização de aditivos como a cal, o cimento Portland, silicatos de sódio, materiais

betuminosos, resinas, compostos de fósforo, em quantidade que seja suficiente para que se

possam influenciar positivamente essas propriedades melhorando-as.

24

Silva (2012) afirma que além de aditivos químicos convencionais como o cimento

Portland, a cal, o betume, há também os nãos convencionais como Licor Kraft, DS- 328,

vinhoto, alcatrão de madeira, etc.

Há métodos e processos de estabilização de solos, além dos mencionados

anteriormente, que podem oferecer ao solo características de resistência e melhoria de suas

qualidades naturais, como: solos reforçados com geossintéticos, solo pregado, colunas solo-

cal, colunas solo-brita, compactação dinâmica, Jet grounting, compaction grounting, drenos

verticais de areia, mico estacas, estabilização via fenômenos de condução em solos, (SILVA,

2012).

A opção por um ou outro método de estabilização é influenciada por uma série de

fatores, entre os quais se destacam: os econômicos, a própria finalidade da obra, as

características dos materiais e as propriedades do solo que devem ser corrigidas.

Em função do objetivo proposto neste estudo enfatizou-se no método de estabilização

química com a adição de cal, do que outros.

2.4.2 FORMAS DE APLICAÇÃO

Silva (2010) relata que de uma forma geral a aplicação da cal ao solo é feita por se

espalhar a cal em determinada área, em seguida é feito a mistura com o solo através de um

veículo munido com equipamento de mistura, por fim, após um período de espera é realizado

a compactação. No entanto há outras formas de se aplicar essa técnica de estabilização:

através de estacas de cal - consiste em furos de pequeno diâmetro preenchidos com cal

usados para melhorar a estabilização de taludes, como benefício de sua utilização está

o fato delas secarem o solo envolvente, no entanto a logo prazo o solo vai retornando

ao seu teor em água e pressão intersticial original, mas a estaca permanece com uma

fina crosta em sua volta.

ainda há estacas de cal reforçadas, essas contêm uma barra de aço no centro

(protegidas pela cal quanto a corrosão) que contribui para a estabilização do talude,

25

(PERRY et al, 1996).

através de coluna de solo - as colunas de solo estabilizado com cal foram

desenvolvidas especificamente para melhorar a capacidade de carga e reduzir o

assentamento de argilas moles. Este método consiste em remoldar solo in situ

misturando-o, simultaneamente, com cal, através da utilização de injetores rotativos

dotados de alhetas. A ação conjugada do remeximento e da injeção dá origem a uma

coluna de solo estabilizado. O óxido e o hidróxido de cálcio são os produtos mais

utilizados. A resistência ao corte não drenada do solo estabilizado relativamente ao

solo natural é cerca de 10 a 40 vezes superior, dependendo do valor inicial, (VAN

IMPE, 1989).

2.5. EVOLUÇÃO DO USO DA CAL

A cal começou a ser usada como material ligante, misturada ou não com outros

produtos, pelo homem desde a pré-história, recebendo mais destaque com a documentação

arqueológica das construções das pirâmides pelos Egípcios, cerca de 3000 anos aC, passando

a arte de manipular a cal para os Gregos, em sequência os Romanos e depois para outras

regiões mediterrâneas e circunvizinhas até a modernidade, (GUIMARÃES, 2002). No

entanto, foram os Romanos que desenvolveram a aplicação da cal para a área da geotecnia na

secagem de terrenos.

Nos Séculos XVIII e XIX houve uma abordagem científica pelo químico inglês Joseph

Black, completado o seu trabalho por Vicat e Debray, esses escreveram sobre as reações que

ocorriam na fabricação da cal, a identificação das propriedades físico-químicas, todos os tipos

de cal e suas utilizações, (CRISTELO, 2001).

No século XX, com o desenvolvimento industrial, os EUA (1924) passaram a criar

vários centros de produção e a usar a cal em grande escala. No entanto, foi entre os anos 40 e

50 que eles começaram a realizar estudos em laboratório de solos e esta técnica evoluiu e cada

vez mais se popularizou e se propagou para outros países.

No Brasil foi em 1549, na cidade de Salvador da Bahia que ocorreu a instalação das

primeiras “caideiras” para a fabricação de cal virgem, a partir de conchas marinhas, para

26

argamassas de revestimento e pintura de casarios. A colonização portuguesa levara para o

Brasil a arte de fabricar cal, (MME, 2009).

No entanto, no século XX, na década de 50, houve um desenvolvimento tecnológico e

produtivo na produção brasileira de cal. Guimarães (2002) relata que na década de 60(do

mesmo século) a técnica como corretivo de solo começou a ser utilizada em obras como: a

Área de hangares da Varig, no aeroporto de Congonhas, rodovia Brasília – Fortaleza, rodovia

Curitiba-Porto Alegre. Nos dias de hoje o parque industrial da cal possui empresas com

capacidade produtiva e tecnologia nivelados como as mais modernas do mundo.

O Brasil mantém a 5ª posição entre os países produtores, a China lidera o ranking da

produção mundial de cal, com uma participação de mais de 80%, seguida pelos Estados

Unidos, que respondem por mais de 9% deste mercado, e nas terceira e quarta posição estão

Japão e Rússia com quase 4% cada, ABPC (2008), Cerca de 73% da produção brasileira de

cal é realizada no Sudeste, onde se concentram os maiores produtores, principalmente em

Minas Gerais, vindo logo a seguir São Paulo, Rio de Janeiro e Espírito Santo. Na região

Nordeste, encontra-se 6% da oferta brasileira de cal. O Rio Grande do Norte destaca-se como

grande produtor dessa região, com destaque para a região de Mossoró, o Ceará também

registra produção de cal, no município de Altaneira, localizada no Cariri Oeste, que tem como

principal fonte de renda a produção de cal, (CETEM, 2012).

2.6. ESTABILIZAÇÃO DE SOLOS COM O USO DA CAL

Uma das técnicas mais antigas utilizadas pelo homem para obtenção da estabilização

ou melhoria de solos instáveis é a adição da cal, (GUIMARÃES, 2002). Ao aplicar esta

técnica de estabilização química “solo-cal” procurou-se identificar qual o percentual ideal de

cal com relação ao solo para que este perca de forma desejável a sua expansividade.

A cal utilizada na estabilização ou melhoria dos solos é o produto da calcinação, em

temperatura aproximadamente de 1000°C, de rochas carbonatadas constituídas

predominantemente por carbonato de cálcio e/ou carbonato de cálcio e magnésio, resultando,

respectivamente, em óxidos de cálcio (CaO) e cálcio Magnésio (CaO – MgO), denominadas

genericamente de cal virgem, cal aérea ou cal viva (Guimarães, 2002). A adição controlada de

27

água à cal viva (CaO) produz a cal hidratada Ca(OH)2, que é o produto de maior uso em

trabalhos de estabilização de solos, (MENDONÇA, 1998).

As reações da formação da cal virgem e da cal hidratada, respectivamente, são

representadas pelas equações 2 e 3.

CaCO3 + calor→ CaO + CO2 (2)

CaO + H2O → Ca(OH)2 + calor (3)

CaCO3 → Carbonato de Cálcio

CaO → Cal Cálcica Virgem

CO2 → Dióxido de Carbono

H2O → Água

Ca (OH)2 → Cal Cálcica Hidratada

Cincotto (1980) com o objetivo de conhecer a qualidade da cal brasileira realizou um

programa de caracterização da cal seguindo as especificações da ABNT – Associação

Brasileira de Normas Técnicas. Amostras foram submetidas a análise termogravimétrica com

a finalidade de detalhar quantitativamente a composição química da cal hidratada. A análise

térmica diferencial obtida está representada na Figura 2.8. Na interpretação das curvas a

autora admitiu, aproximadamente, até 300 ºC, perda de umidade; entre 300 ºC e 380 ºC (1ª

inflexão) desidroxilação do hidróxido de magnésio; entre 380 ºC e 620 ºC (2ª inflexão)

desidroxilação do hidróxido de cálcio; e entre 620 ºC e 740 ºC (3ª inflexão) dissociação do

carbonato de cálcio. As perdas de peso indicadas nas curvas TG da Figura 2.8 estão reunidas

na Tabela 2.5.

28

Figura 2.8 – Curvas da Termogravimetria, (CINCOTTO, 1980).

Tabela 2.5 – Resultado obtido da Termogravimetria, (CINCOTTO, 1980).

Amostra

Massa

Total de

amostra

(mg)

Umidade

(mg)

Perdas de peso devidas a reações de composição dos

compostos

Mg (OH)2

(mg)

Ca (OH)2

(mg)

CaCO3

(mg)

Total

(%)

1 6,284 0,040 0,500 0,751 0,300 25,32

2 5,189 0,025 0,235 0,590 0,525 26,50

3 4,859 0,050 0,425 0,425 0,300 24,70

4 5,833 0,025 0,235 0,690 0,225 16,52

5 5,031 0,025 0,050 7,770 0,375 22,85

A análise por difração de raios-X indicou uma composição diferente da obtida por

cálculo a partir da análise química, com relação aos óxidos de cálcio e de magnésio, acusando

a presença de ambos em todas as amostras, enquanto o cálculo indicou a ausência de óxidos

de cálcio para todas e a presença de magnésio em algumas delas. O fato observado coloca em

dúvida a validade da Especificação Brasileira de “Cal hidratada para argamassas”, EB-153,

para a aceitação ou rejeição, visto que ela especifica limites para os teores de óxidos de cálcio

e de magnésio obtidos através de cálculos. O elevado teor de anidrito carbônico de algumas

amostras indicaram problemas de fabricação. A autora analisou a microestrutura da cal

29

através da microscopia eletrônica de varredura e observou que o resíduo da amostra era

constituído de grãos angulosos, aparentemente de matéria prima não decomposta por

calcinação ou por hidratação, Figura 2.9 (a), e na fração fina da amostra observou-se

aglomerados de cristais em placas, Figura 2.9 (b).

Figura 2.9 – Eletromicrografia da cal hidratada (a) de matéria prima não decomposta por

calcinação ou por hidratação (aumentada em 100X); (b) aglomerados de cristais em placas

(aumentada em 10.000X), (CINCOTTO, 1980).

As cales na forma hidratada utilizada na estabilização ou melhoria dos solos no

Brasil deve obedecer as exigências da norma NBR – 7175, (GUIMARÃES, 2002) . A Tabela

2.6 mostra algumas exigências contidas nessa norma.

Tabela 2.6 − Exigências das cales hidratadas Nacionais (NBR 7175/2003).

Exigências Químicas Limites

Compostos CH-I CH-II CH-III

Anidrido Na Fábrica ≤ 5% ≤ 5% ≤ 13%

Carbônico (CO2) No Depósito ≤ 7% ≤ 7% ≤ 15%

Óxidos de Cálcio e Magnésio não hidratado

calculado (CaO+Mgo) ≤ 10% ≤ 15% ≤ 15%

Óxidos Totais na base de não-voláteis

(CaOt+MgOt)² ≥ 90% ≥ 88% ≥ 88%

Exigências Físicas Limites

Compostos CH-I CH-II CH-III

Finura (% retida

acumulada)

Peneira 0,600 mm ≤ 0,5% ≤ 0,5% ≤ 0,5%

Peneira 0,075 mm ≤ 10% ≤ 15% ≤ 15%

Retenção de Água ≥ 75% ≥ 75% ≥ 70%

Incorporação de Areia ≥ 3,0 ≥ 2,5 ≥ 2,2

Estabilidade

Ausência de cavidade ou

protuberâncias

Plasticidade ≥ 110 ≥ 110 ≥ 110

30

2. 6.1. REAÇÃO SOLO-CAL

A adição de cal a um solo e na presença de água desencadeia uma série de reações.

Quando se adiciona cal a um solo fino acontecem reações em duas etapas, uma de forma

imediata (após alguns minutos de contato), devido ao mecanismo de troca catiônica,

floculação, compressão da dupla camada elétrica, adsorção de cal e reações químicas. E a

segunda de forma lenta (meses ou anos), caracterizada pelas reações de cimentação

pozolânicas e a carbonatação. A existência e intensidade destas reações estão relacionadas

com o tipo de solo, (granulometria, mineralogia das partículas), com o tipo e teor de cal,

temperatura e tempo de cura, (THOMÉ, 1994).

A troca de íons é uma reação rápida e consiste na troca de base com os cátions fortes

da cal substituindo os íons metálicos fracos, como sódio, magnésio e hidrogênio na superfície

da partícula de argila. Esta reação diminui a plasticidade do solo. A floculação e a aglutinação

ocorrem na fração de argila, com aparente mudança de textura, aglutinando as partículas de

argila de maior diâmetro. A carbonatação envolve a absorção de dióxido de carbono (CO2) do

ar que reage com o hidróxido de cálcio ou magnésio da cal, formando um agente cimentante

fraco, ou seja, uma reação indesejável, tendo em vista que esta pode deter a reação

pozolânica. A reação pozolâmica é lenta e ocorre entre a sílica ou alumínio do solo e a cal,

produzindo um gel de silicato de cálcio aluminatos cimentante das partículas de solo,

(BAPTISTA, 1978).

Para o melhor entendimento de cada ação, Castro (1981) considerou cinco faixas de

pH.

i) pH < 4,0 - ocorre, essencialmente, troca iônica de grande parte do íon H+ e de

alguns cátions;

ii) 4,0 < pH < 5,6 - O Al+3

trocável é neutralizado e pequena parte H+ depende do pH

deslocado;

iii) 5,6 < pH < 7,6 - caracteriza-se pelo início da reação de polímeros terminais de

hidroxi-alumina – Al(OH)3;

iv) 7,6 < pH < 10,0 - os agrupamentos silanol começam a reagir;

v) pH > 10,0 - início das reações ditas pozolânicas.

31

Embora esta explicação seja a mais aceita, não é a única. Nóbrega (1985) afirma que a

troca catiônica e floculação não podem ser consideradas como mecanismo de estabilização,

porque solos saturados por cálcio reagem e melhoram com cal. Para o autor, a forte

alcalinidade do meio, alterando as condições físico-químicas em nível de superfície das

partículas, é a principal responsável pela mudança imediata no comportamento do material.

Castro (1988) não considera que a troca catiônica ocorra com a magnitude

frequentemente considerada e que ela não justificaria a diferença de comportamento tão

acentuada observada nas misturas solo-cal em prazos reduzidos. Para o autor a adsorção de

moléculas de hidróxidos de cálcio seria a responsável por estas modificações de curto prazo e

que as reações de características pozolânicas tem início imediato.

Do ponto de vista da engenharia, Pinto (1985) distingue dois tipos de fenômenos, a

alteração das características geotécnicas do solo (floculação, modificações na plasticidade,

expansividade e características de compactação) e a aglomeração dos grãos (expressa pela

mudança nas características reológicas do solo). As alterações nas características geotécnicas

proposta pelo autor coincidem com as reações imediatas exceto quanto à importância dada ao

tempo. Já as reações de longo prazo, Pinto (1985) considera apenas os efeitos das reações de

cimentação, com o nome de ação aglomerante. Esta abordagem pode ser mais satisfatória para

ampliar os estudos de estabilização do solo com a cal.

2. 6.1.1 Troca Catiônica e Floculação

A troca catiônica e a floculação são as primeiras reações após a mistura solo-cal.

Prusinski et al (1999), afirmam que a superfície do argilomineral é deficiente em carga e, para

neutralizar essa deficiência, cátions e moléculas de água são atraídos para a superfície de

clivagem com cargas negativas, resultando numa dupla camada difusa. A ordem da troca

contínua de cátions adsorvidos será: cátions de menor valência por cátions de maior valência

diminuindo a repulsão elétrica entre as partículas. Com a diminuição das forças de repulsão

entre as partículas de argila há uma aglomeração causada pelas forças de atração dessas

partículas, verifica-se assim a floculação das partículas resultando na diminuição do índice de

plasticidade (IP) e expansão do solo.

32

Hilt e Davidson (1960) relataram que os íons cálcio inicialmente reduzem o índice de

plasticidade dos solos coesivos. Segundo os autores, há uma troca ou adsorção de cátions pela

argila causando mudanças físico-químicas nas partículas do solo até que seja alcançado certo

teor denominado como ponto de fixação da cal (LFP – lime fixation point). A cal acima do

LFP, continua na forma molecular e é utilizada na cimentação. Assim a fixação da cal está

relacionada com a capacidade de troca de cátions do solo.

Castro (1981) afirma que quando a cal é misturada a um solo argiloso juntamente com

água, parte dela se dissolve na água dos poros, fornecendo Ca2+

, CaOH+ e OH

-. Se o solo for

ácido, os íons H+ e Al

+3 são neutralizados, fornecendo água e os hidróxidos de alumínio e

possivelmente de ferro. Caso o solo seja alcalino não ocorrerá neutralização. Em paralelo a

neutralização, os íons hidroxila interagem com os grupamentos de sílica e alumínio, presentes

nas argilas, e por transferência de carga criam condições para a formação de pontes partícula-

partícula, o que é efetivado pela ação dos íons cálcio. Com a intensificação deste mecanismo,

a granulometria do solo começa a modificar-se passando de argilosa para siltosa com a

formação de grumos resistentes à água. Segundo o autor, a troca catiônica não é responsável

pela fase inicial da estabilização.

2. 6.1.2 Reação de Carbonatação

A carbonatação tem a característica de ação imediata, é uma importante reação para o

mecanismo de estabiliação solo-cal. É a combinação do óxido ou hidróxido de cálcio ou

magnésio com o anidrido carbônico presente nas minúsculas bolhas de ar, absorvidas ou

retiradas no momento da mistura ou pela penetração do ar nos poros após a execução. A

reação tende a refazer o carbonato de cálcio, na forma de um novo corpo sólido que se

entrelaça com os demais constituintes do solo. Isto ocorre porque, com o aparecimento do

carbonato, há também o aparecimento de grãos de dimensões bem maiores, face à diferença

das estruturas cristalinas unitárias entre a do carbonato e a do primitivo hidróxido de cálcio,

(GUIMARÃES, 2002).

Entretanto, para Queiroz de Carvalho (1979), o carbonato de cálcio e/ou magnésio

formado é um composto cimentante fraco, que é prejudicial em termos de ganhos de

resistência. Este é um composto relativamente insolúvel, que deve ser evitado através de

33

procedimentos construtivos adequados, (TRB, 1987).

Le Roux (1969) apud Nóbrega (1981) relata que a carbonatação da cal resulta numa

perda de reatividade, pois a cal na forma de carbonato torna-se inerte, limitando o processo de

estabilização. Para evitar a carbonatação é indispensável a compactação imediatamente após a

execução da mistura solo-cal, neste caso a compactação tem o objetivo de reduzir a

porosidade do material, principalmente os macroporos, diminuindo a circulação interna de ar.

As boas condições de cura é a melhor forma de prevenir a carbonatação do material

estabilizado. Se o material possui boas características de durabilidade são mínimos os

problemas causados por este fenômeno, (LITTLE, 1995). O autor sugere que como forma de

reduzir o risco de carbonatação da mistura o material seja sempre mantido úmido durante a

cura, evitando ciclos de molhagem-secagem; manter afastado o dióxido de carbono,

minimizando o tempo de exposição da mistura ao ar; realizar a compactação da mistura logo

que possível, de forma a obter maiores densidades e menor permeabilidade, reduzindo o

volume de vazios.

2. 6.1.3 Reação Pozolânica

As reações de ação lenta são as responsáveis pelo ganho de resistência da mistura

solo-cal com o tempo, e está fundamentada no caráter pozolânico dos minerais estabilizados.

Um material com característica pozolânica é aquele que em combinação com a cal e em

presença de água, sob condições de temperatura ambiente, produz compostos hidratados

estáveis com propriedades ligantes, (MILLET, 1979).

Cristelo (2001) explica que a cal adicionada ao solo resulta em acréscimos

consideráveis do pH, o que facilita a dissolução da sílica presente nos minerais argilosos e a

entrada de cal na solução saturada, onde ocorre a combinação da sílica com o cálcio,

formando silicato hidratado de cálcio. Simultaneamente, o ataque das argilas pela cal e a sua

provável decomposição e destruição conduz à formação de aluminato hidratado de cálcio.

Estes novos elementos encontram-se inicialmente em forma de gel, revestindo as partículas do

solo formando um encadeamento que eventualmente resulta em novos compostos minerais:

silicatos e aluminatos de cálcio hidratados. Ou seja, a reação da cal com os minerais origina

34

um gel de silicato/aluminato de cálcio insolúvel em água que, após cristalizar, leva à

cimentação das partículas entre si, constituindo uma estrutura envolvente das mesmas, Figura

2.8. Contudo, este gel só se forma se houver água suficiente para permitir a transferência dos

íons Ca2+

e OH- para a superfície do mineral argiloso, (INGLÊS e METCALF, 1972).

Kézdy (1979) considera que a fase de formação do gel é a mais importante no

aumento da resistência mecânica do solo estabilizado com cal, podendo ser facilmente

identificada ao microscópio.

Figura 2.10 – Formação de material cimentante numa mistura solo-cal, (CRISTELO, 2001).

A adição de água a cal provoca uma crosta cimentante ao redor das partículas de cal.

Em resultado, a parte exterior do aglomerado transforma-se em cal hidratada enquanto o

núcleo permanece óxido de cálcio. A formação da crosta retarda a velocidade com que a água

se mistura com a cal, pelo que as condições de equilíbrio podem não ser rapidamente

atingidas. Com o tempo, porém, a crosta será dissolvida e o núcleo atingido pela água.

Contudo, na presença de solo e com o passar do tempo, os produtos resultantes da reação

pozolânica acabam por selar os íons presentes nos núcleos da cal viva. Na melhor das

hipóteses, qualquer nova reação pozolânica irá depender da velocidade de difusão dos íons ao

longo do cimento pozolânico circundante, (HILT e DAVIDSON, 1960).

Lima (1981) considera que, de um modo geral, todos os solos de granulometria fina

reagem com a cal, ocorrendo trocas catiônicas e floculação que afetam, de forma benéfica, a

sua trabalhabilidade, plasticidade e caráter expansivo. Contudo, as reações pozolânicas entre o

35

solo e a cal nem sempre ocorrem, sendo influenciadas pelas propriedades naturais dos solos,

tipo e teor de cal empregada na mistura, pelas condições de cura e teor de umidade.

Lima e Rõhm (1993) mencionam que a reação pozolânica entre o solo e a cal é lenta e

só se completa alguns anos depois, requerendo ainda, temperaturas acima de 21 °C. No

entanto para reduzir o período de cura podem-se usar temperaturas de cura elevadas,

conforme estudo de cura acelerada de Herrin e Mitchel (1961) esses autores relataram que em

alguns casos, foi obtido, em 10 dias a 60°C a resistência mecânica correspondente a 4 (quatro)

meses de cura a 21°C. Esse fato pode ser explicado pela aceleração pozolânica ocasionando

um possível ataque de sílica (Quartzo) granular presente no solo.

Eades et al (1960) analizaram, através de difratogramas de raio X, a formação de

novos minerais pela reação da cal com os argilomenerais mais comuns encontrados nos solos

(caulinita, ilita e montmorilonita). Concluiram que a caulinita reage bem com a cal, sendo que

para este argilomineral o ataque do cálcio inicia-se pelas arestas. Já nos argilominerais 2:1

(ilita e montmorilonita), é necessário uma saturação dos espaços entre camadas pelo cálcio,

para após um ataque da estrutura dos mesmos. Os autores observaram a formação de novas

fases cristalinas nas misturas de caulinita e cal, as quais foram identificadas como silicatos

hidratados de cálcio (CSH).

2. 6.2 ALTERAÇÕES NOS SOLOS ESTABILIZADOS COM A CAL

Na adição de cal a um solo fino, faz com que as propriedades físicas deste solo sofram

alterações, havendo uma melhoria na plasticidade, trabalhabilidade e na variação de volume.

No entanto, nem todos os solos apresentam melhoria de resistência e durabilidade, vai

depender de algumas variáveis influenciáveis, são estes: o tipo de solo, o tipo e a quantidade

de cal, período e condições de cura, temperatura.

36

2. 6.2.1 Granulometria

A adição de cal ao solo de granulometria fina resulta, primeiramente, na floculação e

aglomeração das partículas argilosas, produzindo um solo mais grosso, mais permeável e mais

friável, (GUIMARÃES, 2002). O referido autor ainda comenta que, uma argila com 10% de

cal, após 14 dias de “cura” passa a ter granulometria de silte e, depois de 240 dias, a

granulometria de areia. Assim, quanto mais fino e argiloso for inicialmente o solo, maior será

a influência da cal na sua granulometria.

A adição de cal ao solo proporciona uma alteração considerável em sua textura. Tal

fato se deve, principalmente, à capacidade da cal em flocular e aglomerar as partículas devido

ao aumento da concentração eletrolítica e redução da espessura da camada dupla difusa, visto

que a cal possibilita um equilíbrio da deficiência de carga da partícula de argila. Este

fenômeno foi observado por Silva Junior (2010) que estudou uma argila expansiva com

elevado percentual de partículas menores do que 0,002 mm (52%) e constatou que a adição de

cal (9%) permite um aumento no percentual de partículas de textura mais grossa.

Os processos de formação do solo são os responsáveis pela organização dos

constituintes e que se traduz, pela estrutura do solo. A estrutura do solo é “a constituição

física de um material expressada pelo tamanho, forma e arranjo das partículas sólidas e

vazios, incluindo as partículas primárias que formam as partículas compostas, e estas

propriamente”, (BREWER, 1976). A microestrutura pode ser observada por microscopia

óptica sobre lâminas delgadas e também por microscopia eletrônica de varredura. Nóbrega

(1981) adicionou 5% de cal a um latossolo e observou os efeitos desta adição do ponto de

vista mecânico e micromorfológico (através de microscopia ótica e microscopia eletrônica de

varredura) e mineralógico. O efeito que a cal trouxe nas características micromorfológicas é

verificado na Figura 2.11 (a), onde se observa os microagregados, após a compactação com

adição de cal, que os grãos se acomodam com a energia aplicada deixando entre si vazios,

com o aumento da imagem percebe-se que além dos vazios dessa acomodação existe uma

microporosidade a nível de borda, oriunda da ação da cal em contato com o plasma, esta

reação promove a neoformação de assembleias cristalinas neoformadas, Figura 2.11 (b, c).

37

Figura 2.11 – Eletromicrografia (a) Latossolo compactado após adição de cal; (b)

Preenchimento de vazios interagregados; (c) Assembleia cristalina neoformada. (V – vazios;

M – Microagregado; AC – Assembleia cristalina), (NÓBREGA, 1981).

2. 6.2.2 Plasticidade

A adição de cal aos solos modifica os limites de consistência, esta adição aos solos

argilosos faz diminuir rapidamente o índice de plasticidade do solo, reduzindo os problemas

às construções advindos dos solos argilosos.

Hilt e Davidson (1960) observaram que o limite de plasticidade (WP) de solos

argilosos aumenta com a adição da cal. Esse efeito foi mais acentuado em solos contendo

montmorilonita, sendo que aqueles contendo caulinita foram menos afetados.

Estudos realizados por Castro (1969) mostraram que a adição de cal é indicada para os

solos com alta plasticidade. Concluiu-se que os solos que tem como principal argilomineral a

ilita e a montmorilonita são mais beneficiados em relação à plasticidade quando comparados

com solos de argila caulinita. Em relação ao tempo de cura necessário para que se desse a

redução da plasticidade situou-se entre 0 e 2 dias para cal cálcica e para cal domomítica nos

primeiros quatro dias.

Blandl (1981), concluiu que a rápida mudança que a adição de cal traz aos limites de

consistência do solo dá-se devido às transformações estruturais e floculação do material.

Quanto maior for à fração coloidal do solo e a atividade da argila, tanto maior será a

diminuição do Limite de Liquidez (WL).

38

A adição de cal a um solo argiloso causa um imediato aumento do (WP), (BELL,

1988). No entanto observando os resultados obtidos por Thomé (1994), Figura 2.12, o WP

apresentou uma pequena redução até 4% de cal, isso ocorreu porque até este teor a cal foi

utilizada para neutralizar a matéria orgânica, em seguida o (WP) passou a aumentar. Com o

teor de 11% o (WP) passou a diminuir, de acordo com Hilt e Davidson (1960) isso ocorreu

porque esse teor de cal (11%) foi o necessário para atingir o que é chamado de “ponto de

fixação da cal”, até esse ponto a cal contribui para a melhoria na trabalhabilidade do solo.

Figura 2.12 – Limites de Atterberg em função do teor de cal com um dia de cura, (THOMÉ,

1994).

Lima et al (1993) afirmam que em geral o limite de liquidez aumenta nos solos com

menor plasticidade. Eles verificaram reduções de até 80% no índice de plasticidade de argilas

plásticas. Também, comentam que sensíveis reduções do índice de plasticidade, quando

ocorrem, processam-se poucas horas após a adição de cal, com ressalva de que toda a variação

na plasticidade em geral ocorre no intervalo de dois a três dias.

Goosen et al (2006), afirma que o acréscimo de cal aumenta o limite de plasticidade e

diminui os limites de liquidez e o de contração, conforme pode ser observado na Figura 2.13.

Diamond e Kinter (1965) argumentam que mesmo em solos que o WL aumenta com o teor de

cal, o acréscimo não é maior que o WP, resultando numa redução do IP

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Teo

r d

e U

mid

ade

(%

)

Teor de Cal (%)

WL

WP

IP

39

Figura 2.13 – Efeito da cal sobre os limites de consistência, (GOOSEN et al, 2006).

2. 6.2.3 Compactação

Vários estudos relativos a mistura solo-cal revelaram um menor peso específico

aparente seco máximo que o solo natural, para uma mesma energia de compactação, enquanto

que a umidade ótima aumenta.

Mitchell e Hooper (1961) pesquisando o efeito do tempo de espera entre a mistura e a

compactação verificaram que a espera de 24 horas diminui o peso específico aparente seco

máximo (γd) em relação a amostra que foi compactada após a mistura.

TRB (1987) também afirma que à medida que o teor de cal em uma mistura solo-cal

aumenta, o (γd) continua diminuindo. Além disso, a umidade ótima (wot) aumenta com o

acréscimo do teor de cal.

Lima et al, (1993) afirma que os solos estabilizados com cal viva apresentam, em

geral, uma umidade ótima ligeiramente mais elevada do que aqueles tratados com cal

hidratada, para uma mesma energia de compactação. No que se refere ao peso específico seco,

o tipo de cal parece não exercer influência significativa.

40

Bell (1996) relata que no tratamento de solos cauliníticos são obtidos valores maiores

do peso específico aparente seco máximo seco, do que em solos onde há a presença de

argilosminerais expansivos.

Osinubi (1998) ao estudar a influência do retardamento no tempo de espera entre a

mistura e a compactação, constatou uma tendência na diminuição do (γd) à medida que o

tempo de espera aumenta. Também foi observada uma redução na umidade ótima da mistura,

esse resultado pode ser atribuído as trocas catiônicas e a floculação das partículas de argila,

que ocorrem simultaneamente, deste modo diminuindo a água disponível no sistema. De

acordo com o autor, em materiais compactados imediatamente após a mistura, a mudança nas

características de compactação é principalmente devida à alteração na granulometria do solo;

quando ocorre uma demora na compactação, os produtos de hidratação se unem às partículas

tornando necessária à ruptura dessas agregações para que o solo seja compactado

satisfatoriamente, o que pode não recuperar sua total resistência.

Os resultados obtidos por Lovato (2004), Tabela 2.7, confirmam o relatório do TRB

(1987) que constatou que a adição de cal ao solo proporciona uma redução no peso específico

aparente seco máximo e um aumento na umidade ótima de compactação, em relação ao solo

no estado natural, devido ao fenômeno de floculação das partículas do solo quando a cal é

adicionada. Com o aumento do índice de vazios a estrutura floculada será forte para resistir a

compactação, o que reduz o γd do solo. Quanto mais vazios no solo, mais água será necessária

para preenchê-los, resultando em uma umidade ótima maior.

Tabela 2.7 – Características da compactação do solo e das misturas, (LOVATO, 2004).

Material Peso Específico Aparente

Seco Máximo (kN/m³) Umidade Ótima (%)

Solo - natural 17,62 17,4

Solo - Cal (3% cálcica) 16,64 18,5

Solo - Cal (4% cálcica) 16,6 18,2

Solo - Cal (5% cálcica) 16,62 18,7

Solo - Cal (3% dolomítica) 16,87 17,2

Solo - Cal (4% dolomítica) 16,85 18,2

Solo - Cal (5% dolomítica) 16,74 18,3

41

2. 6.2.4 Expansão

A expansão e a contração de um solo são normalmente reduzidas quando o solo é

tratado com cal. A cal tende, pela floculação das partículas, a reduzir as mudanças de volume

apresentadas pelos solos. A diminuição da expansão é atribuída à redução da afinidade por

água das argilas saturadas pelo íon cálcio e pela formação de uma matriz cimentante. Valores

de expansão medida no ensaio CBR em solos tratados com cal variam, mas é comum se

observar reduções na expansão para menos de 0,1%, em comparação com 7% a 8% do solo

não tratado, (TRB, 1987).

Os autores Herrin e Mitchell (1961) afirmaram que a cal influencia a expansão dos

solos e que sua adição, até certo teor, causa redução nas suas variações volumétricas. Acima

do teor ótimo, observam-se reduções muito pequenas. E que, quanto mais expansivo for o

solo, maior é a influência da cal na redução das variações volumétricas.

Goosen et al (2006), constataram o que é apresentado na literatura quando ensaiou em

laboratório um solo (com Limite de Liquidez de 67,8%; Limite de Plasticidade e 22,2%;

Índice de Plasticidade de 45,6%; fração de argila ( < 0,002 mm ) de 33% e alta atividade

(1,38) ), e observou nos resultados que o acréscimo de cal diminui a pressão de expansão do

solo, conforme se observa na Figura 2.14, e que o tempo de cura influencia diminuindo, para

cada teor de cal, a pressão de expansão.

Figura 2.14 – Efeito da cal e do tempo de cura na pressão de expansão, (GOOSEN et al,

2006).

42

2. 6.2.5 Resistência

A resistência de solos estabilizados com cal é obtida utilizando ensaios como:

compressão simples, compressão triaxial e o ensaio de Índice de Suporte Califórnia (ISC) ou

CBR (Califórnia). Sendo mais comum a utilização do ensaio de compressão simples. Os

ensaios de CBR, apesar de utilizado, não são recomendados para avaliar a resistência curada

destas misturas. No entanto, a resistência de misturas solo-cal dependerá de fatores como: tipo

de solo e cal, teor de cal, tempo e temperatura de cura, (TRB, 1987).

Eades e Grim (1960) pesquisaram, através de ensaios de compressão simples, o

aumento de resistência de um solo contendo caulinita, ilita e montmorilonita. Constataram

que o aumento de resistência, para solos com caulinita, inicia com a adição dos primeiro

teores de cal, enquanto que para solos contendo ilita e montmorilonita são necessários

adicionar 4 a 6 % de cal para que ele se desenvolva. Isto se dá porque, no caso das argilas

contendo ilita e montmorilonita, é necessário que haja uma saturação das camadas pelo íon

cálcio para que se inicie o ataque ao argilomineral. E no caso das caulinitas, o aumento da

resistência começa devido ao ataque do cálcio nas arestas da partícula.

Ormsby e Kinter (1973) estudaram a relação entre resistência de mistura solo-cal e o

tipo de cal utilizada. Observaram que para solos contendo como principal argilomineral a

caulinita, a adição de cal cálcica confere maiores resistências a compressão simples do que a

mistura com cal dolomítica. Para solos com principal argilomineral a montmorilonita os

melhores resultados são obtidos com a cal dolomítica.

Bell (1996) constatou um rápido aumento inicial na Resistência de compressão

simples (RCS) de um solo contendo montmorilonita, com pequenos teores de cal (2 a 3%).

Além disso, para este solo, 4% de cal foram o suficiente para atingir a resistência máxima,

enquanto que para um solo rico em caulinita, a resistência máxima foi atingida com teores

entre 4 a 6%. No entanto, o nível de resistência alcançado pela adição de cal ao solo

caulinítico foi sensivelmente superior a mistura com solo contendo montmorilonita. Foi

constatado também que a resistência não aumenta linearmente com o teor de cal, e a cal em

excesso diminui a resistência.

43

Lovato (2004) confirmou a constatação feita por esses autores quando verificou em

seus ensaios que as misturas com cal cálcica apresentaram um desempenho superior as

misturas com cal dolomítica, com valores de RCS de 28 a 55% superiores, conforme tabela

2.8.

Tabela 2.8 – Resistência à compressão simples (kPa), (LOVATO, 2004).

Tipo de Cal Cálcica Dolomítica

Teor de Cal 3% 4% 5% 3% 4% 5%

Tempo

de

Cura

(Dias)

14 881 1429 1997 389 698 756

28 905 1519 2002 561 706 769

56 910 1553 2124 644 736 807

112 731 1044 1468 687 783 888

140 741 1066 1396 686 811 903

168 758 1003 1387 (*) (*) 840

(*) Corpos de prova desintegraram-se gradualmente durante as 24 horas de imersão prévia ao ensaio,

possivelmente devido à perda de umidade durante o período de cura.

A literatura mostra que o ganho de resistência das misturas solo-cal também é

influenciado pelo tempo e temperatura de cura. Em geral esses solos apresentam um rápido

aumento de resistência no início do período de cura, mas vão diminuindo após atingir

determinado valor máximo.

Mendonça et al (1996), pesquisaram a estabilização com cal de dois solos da região de

Viçosa-MG acelerando o tempo de cura. Concluíram que a reação pozolânica da mistura solo-

cal está ligada a temperatura de cura, pois houve pequeno aumento na resistência mecânica

das misturas quando estas foram curadas a baixa temperatura, ao passo que, essas resistências

evoluíram com extrema rapidez para temperaturas mais elevadas. Com relação à influência do

tempo de cura, constataram que há limites para ganho de resistência com a evolução do tempo

e temperatura de cura.

O aumento da resistência a compressão simples da mistura solo-cal se dá de forma

linear de acordo com a quantidade de cal, usualmente 8% para solos argilosos. A partir desse

ponto há um decréscimo da resistência devido às misturas solo-cal apresentarem uma

cimentação lenta a depender do tipo de solo, Figura 2.15, (INGLÊS e METCALF, 1972).

44

Figura 2.15 – Efeito da quantidade de cal sobre a resistência a compressão simples para

alguns solos tratados com cal e curados por 7 dias, (INGLÊS e METCALF, 1972).

Ao estudar a variação na resistência a compressão simples (RCS) de um solo arenoso

misturado a cal, em função do tempo de espera para compactação e tempo de cura, Nunez

(1991) observou que o retardamento na compactação reduz em até 50% a RCS de mistura

solo-cal. Para o tempo de espera de uma hora entre a mistura e a compactação a resistência foi

reduzida em 42%, essa resistência evolui linearmente com o teor do aditivo e com o logaritmo

do tempo. Sivapullaiah et al (1998) afirmou que para um solo com predominância da

montmorilonita, estabilizado com 2% de cal e na umidade ótima, houve uma diminuição de

241 kPa para 117 kPa na RCS ao retardar a compactação em 1 dia. Quando esse retardamento

foi de 7 dias, a RCS caiu para 83 kPa. Os compostos cimentantes, formados neste período,

não contribuíram para o ganho de resistência.

Ainda podemos verificar que segundo os estudos de Thompson (1964) a presença de

matéria orgânica também influência o processo de estabilização, retardando as reações e

produzindo pequenos ganhos de resistência a mistura solo-cal. O autor afirmou que um solo

com teor de matéria orgânica maior que 1% não responde bem ao tratamento com a cal.

Queiroz de Carvalho (1979) constatou que os menores ganhos de resistência ocorreram em

solos com maior teor de matéria orgânica.

45

3 - MATERIAIS E MÉTODOS

Inicialmente é descrito o programa de investigação em laboratório, em seguida serão

apresentadas informações gerais sobre a região de Cabrobó – PE e uma caracterização

sumária dos materiais utilizados para o desenvolvimento desta pesquisa. Por fim, são

detalhados os métodos utilizados para realização dos ensaios laboratoriais.

3.1. PROGRAMA DE INVESTIGAÇÃO

O programa de investigação geotécnica do solo expansivo de Cabrobó constou de

coleta de amostras indeformadas e deformadas. A investigação tem como objetivo obter a

caracterização física e química do solo, da cal e da mistura, avaliar a expansividade do solo e

averiguar as alterações ocorridas no solo com a adição da cal.

A investigação foi dividida em três etapas, como mostra o esquema da Figura 3.1.

Figura 3.1 − Esquema do programa de Investigação Experimental.

1ª etapa: Contemplou a caracterização das amostras de solo e das misturas solo-cal,

determinando seus atributos físicos, mecânicos e microestruturais. Para isto foram realizados

ensaios de caracterização granulométrica por peneiramento, sedimentação e difração a lazer

Programa Experimental

1ª Etapa

Ensaio de Caracterização Física,

Mecânica e Microestrutural

2ª Etapa

Ensaio de Caracterização

Química e Mineralógica

3ª EtapaAnálise dos Resultados

46

(neste a cal também foi ensaiada), densidade real dos grãos obtido através do picnômetro de

gás Hélio e com a bomba de vácuo, determinação de limites de liquidez (WL) e limite de

plasticidade (WP), bem como os ensaios de compactação realizados na energia de Proctor

normal, para obter os parâmetros ótimos de compactação do solo (peso específico aparente

seco máximo (γdmáx) e umidade ótima (Wot)). A caracterização mecânica englobou os

ensaios de Resistência à Compressão Simples (RCS), o índice de expansão “livre” e a tensão

de expansão. Na caracterização de microestrutura foi feito o ensaio de Microscopia Eletrônica

de varredura (MEV).

2ª etapa: Foram realizados os ensaios químicos das amostras de solo, cal e das misturas de

solo-cal com teores de 1%, 3%, 5% e 7%. A determinação e quantificação dos óxidos da cal

também foi obtida através da técnica analítica de espectometria de fluorescência de Raio – X

(FRX). Foi determinado para as amostras de solo natural e da mistura solo-cal: o pH, a

capacidade de troca catiônica e o ensaio de complexo sortido(cálcio, magnésio, potássio e

sódio); Para a amostra de cal foi realizado: ensaios de umidade, perda ao fogo, teor de

insolúveis, óxido de silício e massa específica, retenção de água e finura. Foi realizado o

ensaio de Termogravimetria do solo, da cal e da mistura.

3ª etapa: Análise e interpretação dos resultados e comparação com a literatura.

3.2. DESCRIÇÃO DA ÁREA EM ESTUDO

Para este estudo foram coletadas amostras deformadas e indeformadas do solo

localizado no município de Cabrobó. Este município encontra-se na mesorregião São

Francisco e na Microrregião Petrolina do Estado de Pernambuco, limitando-se a norte com

Terra Nova, a sul com Estado da Bahia, a leste com Salgueiro e Belém de São Francisco, a

oeste com Orocó e Parnamirim, distando 536,1 km da capital Recife. A localização da área

em estudo está ilustrada na carta de suscetibilidade à Expansão dos solos no estado de

Pernambuco, Figura 3.2, (AMORIM, 2004). De acordo com esta carta a região de Cabrobó

encontra-se numa área de média a alta suscetibilidade à expansão.

47

Figura 3.2 − Carta de Suscetibilidade à Expansão dos solos no Estado de Pernambuco,

(AMORIM, 2004).

Cabrobó está inserido na unidade geoambiental da Depressão Sertaneja, que

representa a paisagem típica do semiárido nordestino, caracterizada por uma superfície de

pediplanação bastante monótona, relevo predominantemente suave-ondulado, cortada por

vales estreitos, com vertentes dissecadas. Elevações residuais, cristas e/ou outeiros pontuam a

linha do horizonte. Esses relevos isolados testemunham os ciclos intensos de erosão que

atingiram grande parte do sertão nordestino. A vegetação é basicamente composta por

Caatinga Hiperxerófila com trechos de Floresta Caducifólia. De acordo com a classificação de

Koppen, o clima nesta área apresenta-se como semiárido quente tipo BSLHW, apresentando

temperatura média anual de 26ºC, e nos meses de fevereiro a março é chuvoso, (FERREIRA

et al, 2011). A precipitação pluviométrica anual é de 517 e a evapotranspiração total de

3157,3mm (INMET, 2013).

Quanto a Pedologia local, nos patamares compridos e baixas vertentes do relevo suave

ondulado observa-se a ocorrência de Planossolos, mal drenados, fertilidade natural média e

problemas de sais; nos topos e altas vertentes, os solos Brunos não Cálcicos, rasos e

fertilidade natural alta; nos topos e altas vertentes do relevo ondulado ocorrem os Podzólicos,

drenados e fertilidade natural média e as elevações residuais com os solos Litólicos, rasos,

pedregosos e fertilidade natural média, conforme Figura 3.3.

48

Figura 3.3 − Mapa Pedológico da região de Cabrobó – PE, (EMBRAPA, 2013).

3.3 MATERIAIS UTILIZADOS

3.3.1 SOLO

3.3.1.1. Coleta das amostras

Foram coletadas 2 (dois) blocos de solos indeformados e amostras amolgadas

representativas de solo residual Bruno não Cálcico em Cabrobó-PE na profundidade de 0,80

m com o seguinte procedimento:

Escavação manual do poço, com picareta e pá, até a profundidade de 0,50 metros e

seção de 1,20 X 1,40 m para a moldagem do bloco;

Extração de amostras deformadas em cada horizonte, durante a escavação do poço, e

armazenamento em sacos plásticos;

Moldagem do bloco em formato cúbico, com arestas de 0,30 m, feita com espátulas. O

topo e as laterais foram envolvidos com papel filme, papel alumínio, talagarça e

parafina com espessura de 15 mm, para proteção e preservação da umidade do solo;

Coleta de amostras indeformadas, durante e no entorno da extração do bloco, pesando

cerca de 50 kg. Armazenamento em saco plástico resistente e etiquetado por dentro e

por fora;

Armazenamento do bloco de solo em caixa de madeira, com a base voltada para cima,

recebendo o tratamento de proteção que foi aplicado no topo e nas laterais do bloco,

com posterior preenchimento dos vazios laterais da caixa com solo;

LEGENDA

Bruno não Cálcico

Planossolo Solonetz

Solos Litólicos

Ilha

Podzólico amarelo

49

Etiquetagem no bloco e na caixa, contendo informações como: local, data da coleta,

número do bloco, profundidade;

Transporte para o Laboratório da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE),

Recife - PE, tomando todos os cuidados para não haver perturbações como choques e

vibrações durante o trajeto.

3.3.2 CAL

Para a realização das misturas solo-cal foi utilizada no estudo cal hidratada do tipo

CH-I. A Tabela 3.1 apresenta a composição química desta cal, de acordo com o fabricante.

Tabela 3.1 – Composição química da cal hidratada CH-I(FONTE: Fabricante)

Composição Química - Cal Hidratada CH-I

PPC* Ca (OH)2 MgO RI** (Insolúvel em HCL) SiO2 R2O3

23 - 25% 92,5 - 98,5% 3,5% Max 0,5% Max 0,3% Max 1,5% Max

*PPC - Perda por Calcinação

**RI - Resíduo Insolúvel

3.4 MÉTODOS

3.4.1. PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS

A preparação das amostras de solo foi realizada de acordo com o ensaio a ser

executado. Para os ensaios de caracterização (granulometria, densidade real dos grãos, limites

de consistência) e compactação foram seguido as especificações da ABNT, NBR 6457/86.

3.4.2 MISTURA

Para a realização dos ensaios tomou-se o peso seco das amostras de solo e foi

adicionado cal em teores de 3%, 5% e 7%, em peso. A mistura (solo e cal) foi

homogeneizada e os ensaios foram realizados após 1 hora, com exceção dos ensaios químicos

que também foram realizados após 120 dias.

50

3.4.3 CARACTERIZAÇÃO FÍSICA

3.4.3.1 Análise Granulométrica

A análise granulométrica das amostras de solo e da mistura solo-cal foi realizada de

acordo com os procedimentos estabelecidos na NBR 7181/84, que emprega o procedimento

de peneiramento associado à sedimentação, para as partículas com diâmetro superior a

0,075mm. As frações com diâmetro inferior ao mencionado recorreram-se ao método de

granulometria por difração a laser.

O ensaio de difração a laser é realizado com utilização de um equipamento chamado

granulômetro a laser. Este ensaio incrementa a pesquisa das propriedades do solo no aspecto

da identificação e caracterização, determinando o tamanho de suas partículas. Ele se sobressai

ao ensaio de sedimentação tradicional pela repetibilidade que o aparelho permite além da

confiabilidade.

O granulômetro a laser é composto pela unidade óptica (usada para coletar os dados

obtidos durante o processo de medida do tamanho da amostra), a unidade de preparação de

amostras (assessora na preparação da amostra) e um computador (opera com um Software

comandando as operações do sistema de medições). A unidade óptica é constituída de três

partes: O transmissor (contém o dispositivo de geração do feixe que é usado para realizar as

medições nas amostras), a unidade de área da amostra (que fica entre o transmissor e o

receptor, é onde a amostra circula passando em frente ao feixe do laser que capta as medidas)

e o receptor (este coleta e armazena as informações recebidas pelo espalhamento do feixe de

laser que passa a amostra, enviando-as imediatamente para o sistema do computador para

serem analisadas). Para obter a composição granulométrica de materiais especiais como o

cimento, a cal etc, ensaios denominados de seco, é incorporado ao granulômetro a unidade de

dispersão da amostra em pó.

Para uma melhor análise da fração fina do solo de Cabrobó e da cal, sua distribuição

granulométrica foi analisada com o aparelho analisador de partículas por difração a laser,

“granulômetro”, Marca Malvem, modelo Martersiszer S long bed que permitiu realizar

medidas de tamanho de partículas no intervalo de 0,05 m a 3,50 mm. A Figura 3.4 ilustra o

51

equipamento da Universidade de São Paulo - USP utilizado para realização do ensaio.

Figura 3.4 – Aparelho analisador de partículas por difração a laser “granulômetro”,

(FERREIRA, 2013).

3.4.3.2 Densidade Real dos Grãos

Para a obtenção da densidade real dos grãos foi utilizado o procedimento descrito na

NBR 6508/84 e o picnômetro de gás Hélio, modelo Multipicnômetro Quantcharme- MVP

5DC, Figura 3.5.

Figura 3.5 – Equipamento Picnômetro Gás Hélio, (FERREIRA, 2013).

Para o ensaio com o picnômetro de gás Hélio, tomou-se 50 g de amostras de solo seco

inicialmente ao ar e posteriormente em estufa a uma temperatura de 60oC, até o peso

permanecer constante. Cerca de 10 g das amostras secas foram utilizadas para cada ensaio

com cinco repetições, considerando o valor médio encontrado.

52

3.4.3.3 Limites de Atterberg

Foram realizados ensaios de Limite de Liquidez e Plasticidade, respectivamente,

segundo a NBR 6459/84, NBR 7180/84. Para isso foram ensaiadas amostras de solo natural e

com dosagens 3%, 5% e 7% de cal.

De acordo com a literatura, um solo passível de ser estabilizado através da adição de

cal é aquele cuja fração de diâmetro inferior a 0,075mm é igual ou superior a 25% e cujo IP é

igual ou superior a 10%, (SILVA, 2010).

3.4.3.4 Ensaios de Compactação

Para a determinação dos valores dos pesos específicos aparentes secos máximos e das

umidades ótimas do solo natural e das misturas de solo-cal, foram realizados ensaios de

compactação, inicialmente de acordo com a NBR 7182/86 com energia Normal, e

posteriormente com pequenos acréscimos de umidade, variando de 1% a 3%, considerando

inicialmente as amostras secas ao ar.

3.4.4 CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA

Os ensaios químicos foram realizados no laboratório de análises químicas da

Universidade Católica de Pernambuco (UNICAP). As análises do solo seguiram a

metodologia do Manual de Métodos de Análise de Solo da EMBRAPA (1997). Os resultados

da análise química do solo, foram calculados, de acordo com o novo sistema de classificação

de solos da Embrapa (1999). Sendo realizadas com a amostra do solo natural (sem cal) e

acrescidas com teores de 1% 3%, 5%, 7% de cal, analisadas após 1 hora e após 120 dias de

cura. Cada resultado foi obtido a partir de uma determinação feita em triplicata e a diferença

entre uma determinação e a outra não ultrapassou 0,1 % do valor em relação às titulações.

Nos casos onde a diferença ultrapassou este valor, a determinação foi repetida até obter um

resultado dentro da tolerância estabelecida pela EMBRAPA.

53

3.4.4.1 Determinação do potencial hidrogeniônico (pH) em KCl, H2O e CaCl2

O pH nas amostras de solo servem para determinar a presença de alumínio trocável e

também a predominância da argila em processo de intemperização que é verificado pela

variação do pH em água e o pH em KCl. O pH verifica também a tendência dos sistemas com

altas concentrações de H+ e Al

+++ de flocular. Podendo ser utilizado também para identificar

qual o tipo do argilomineral analisado.

As medições do pH, Figura 3.6 (a, b), foram realizadas por meio de um equipamento

chamado Potenciômetro com eletrodo combinado, imerso em suspensão solo: líquido (água,

KCl ou CaCl2 ), na solução 1:2,5. O procedimento desta análise química consiste em:

Colocar 10 ml de solo em copo plástico de 100 ml, numerado;

Adicionar 25 ml de líquido (água, KCl 1N ou CaCl2 0,01 M);

Agitar a amostra com bastão de vidro individual e deixar em repouso por uma hora;

Agitar cada amostra com bastão de vidro, mergulhar os eletrodos na suspensão

homogeneizada e proceder a leitura do pH.

Figura 3.6 − (a) Determinação química do pH. (b) Solução de KCl para determinação de pH

em KCl.

A dosagem das amostras de solo-cal, com teores de 1%, 3%, 5% e 7% em relação ao

peso seco de solo, foi realizada utilizando-se o método proposto por Eades e Grim (1966),

conhecido também como método do pH. O resumo do procedimento deste método consiste

nas seguintes etapas:

54

amostras representativas de 20 g de solo seco, passadas na peneira nº 40, são pesadas

com uma precisão de 0,1 g e, posteriormente, adicionadas a um recipiente plástico de

150 ml;

em seguida, são acrescentados teores crescentes da cal a cada recipiente, pesados com

uma precisão de 0,01 g.

posteriormente, acrescenta-se 100 ml de água destilada às misturas de solo-cal

agitando-as a fim de garantir a homogeneização;

a cada 10 minutos, agitam-se os recipientes por 30 segundos;

após uma hora de ensaio são determinados os valores de pH.

De acordo com estes autores, o menor teor da cal que proporcionar um valor de pH de

12,4 é o suficiente para estabilizar o solo.

3.4.4.2 Capacidade de troca catiônica (com pH 7,0)

A Capacidade de Troca Catiônica (CTC) do solo é definida como a quantidade de

cátions necessária para neutralizar as cargas negativas de uma quantidade unitária de solo em

determinadas condições, ou seja, a capacidade do solo de reter e trocar cátions para um

determinado pH. Sua determinação foi realizada através da remoção, por uma solução salina

de amônio, de cálcio, bário ou ácido diluído, sendo determinados por volumetria ou absorção

atômica.

A CTC representa a atividade de um solo; baixa atividade quando a CTC for menor

que 24 cmol/kg, típico de um solo caulinítico. A CTC é baixa nos solos muito intemperizados.

A determinação desse parâmetro está relacionada com a quantidade de cálcio, magnésio,

potássio e sódio trocável. A Figura 3.7 destaca o fotômetro de chama na determinação do

sódio e potássio e a titulação do cálcio e magnésio trocável.

55

Figura 3.7 − (a, b) Determinação do sódio, potássio, cálcio e magnésio.

3.4.4.3 Determinação do carbono orgânico e matéria orgânica

A matéria orgânica é de fundamental importância para as propriedades físicas,

químicas e biológicas do solo. Ela influi na agregação, friabilidade, porosidade e capacidade

de retenção de água e nutrientes. Os agregados formados por altos teores de matéria orgânica

(> 3,5 %) são instáveis; solos com teores < 3,5 g/kg de solo são estáveis. Como o teor de

carbono orgânico varia com o teor de argila na fração mineral, o cálculo de matéria orgânica é

sempre 1,724 vezes maior que o carbono orgânico. A Figura 3.8 mostra a digestão do carbono

orgânico para posterior análise.

A determinação do carbono orgânico e matéria orgânica têm como objetivo determinar

o teor, em massa, da quantidade de matéria orgânica existente numa quantidade de solo na

pesquisa.

Figura 3.8 − Digestão do carbono orgânico.

56

3.4.4.4 Determinação dos Óxidos dos Solos

A determinação e quantificação dos óxidos do solo, da cal e da mistura foi obtida na

Universidade Federal de Pernambuco através da técnica analítica de espectometria de

fluorescência de Raio – X (FRX), de acordo com a NBR 15693, em amostras fundidas, com

determinação de teores de dez óxidos de maior abundância: SiO2, Al2O3, Fe2O3 ,CaO, MnO,

MgO, Na2O, K2O, TiO2 e P2O5.

Uma porção de cada amostra foi colocada em estufa para secar a 110°C e então levada

a uma mufla, a 1000°C por 2 horas, para a determinação de perda ao fogo (PF). Foram feitas

pérolas fundidas usando tetraborato de lítio como fundente. As pérolas foram analisadas em

espectrômetro de fluorescência de raios X Rigaku modelo RIX 3000, equipado com tubo de

Rh, pelo método de curvas de calibração, que foram construídas com materiais de referências

internacionais.

3.4.4.5 Caracterização da Cal

A cal hidratada foi classificada segundo a ABNT. Os ensaios de caracterização físico-

químico realizados de acordo com a NBR 6473 (2003b) foram:

A determinação de umidade; Perda ao fogo – que consiste na calcinação da amostra a

1000°C, e que indica o teor de materiais voláteis como a água hidratada e o anidrito

carbônico; Teor de insolúveis (óxido férrico, óxido de cálcio, óxido de magnésio) por

tratamento as amostra com ácido clorídrico; Óxido de silício e massa específica.

A determinação da retenção de água foi realizada de acordo com a ABNT, NBR

9290/96 – Este ensaio é realizado com o auxílio do funil de Buchner o índice da capacidade

de retenção de água é obtido pela razão dos índices de fluidez medidos antes e após a sucção

no funil (expresso em porcentagem).

A determinação da finura pela ABNT, NBR 9289/98 – feita por peneiramento do

material através das peneiras nº 30 e nº 200 (a fração retida na peneira é expressa em

porcentagem da quantidade inicial).

57

3.4.5 CARACTERIZAÇÃO MICRO ESTRUTURAL

A contextura (microestrutura) presentes na fração fina dos solos foi observada a partir

das amostras indeformadas dos solos e das misturas solo-cal, a partir do ensaio de

compactação na umidade ótima e densidade seca máxima. As amostras foram retiradas

cuidadosamente e colocadas para secar ao ar, onde eram preparados três corpos de prova de

formato prismático com base de 9,8 mm e altura de 8,0 mm. Seguindo as seguintes etapas:

os corpos de prova foram moldados de modo que nenhum instrumento cortante ou

pontiagudo tocasse na superfície de observação;

os corpos de prova foram fixados em um cilindro de alumínio com diâmetro de 9,8

mm e altura de 11 mm por meio de fita 3M e reforçada por pequena quantidade de

cola no contato;

em seguida os corpos de prova foram colocados na campânula de vácuo do tipo Fine

Coat Íon Sputter JfC 1100 para metalização, onde recebiam uma película de ouro fina

que tinha por finalidade o carregamento eletrostático propiciando uma boa condução

do feixe de elétrons.

Após o processo de metalização, as superfícies das amostras foram observadas e

fotografadas no equipamento JSM LV1600 Sconning Microscope de marca Joel da UNICAP,

operando a 15 Kv.

3.4.6 ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA

A termografia (TG) é uma técnica termoanalítica empregada no estudo de substâncias

que se decompõem por aquecimento (enquanto a amostra é submetida a uma programação

controlada de temperatura) dando origem a compostos voláteis. A termogravimetria permite

um detalhamento por meio de registro da variação de massa da amostra (perda ou ganho) em

função da temperatura (T) ou tempo (t).

58

A termografia derivada (DTG) fornece a derivada primeira da curva

termogravimétrica, em função do tempo ou da temperatura.

Esta técnica possibilita conhecer as alterações que o aquecimento pode provocar nos

materiais; permitem estabelecer a faixa de temperatura que adquirem composição química

fixa, definida e constante; determinar a temperatura em que os materiais começam a se

decompor (estabilidade); acompanhar o andamento de reações de desidratação, oxidação,

combustão, decomposição, etc.

O equipamento utilizado para o ensaio é constituído basicamente por uma

microbalança, um forno, um programador de temperatura e um computador. E segue o

seguinte procedimento:

estabelecer no programa de computador, interligado ao equipamento, as temperaturas

inicial e final da análise e a velocidade de variação de temperatura;

colocar o cadinho vazio no equipamento, para zerar a massa deste recipiente;

retirar o cadinho do equipamento e colocar a amostra;

colocar a amostra e o cadinho no equipamento e acionar o comando para executar a

leitura;

tendo completado o ciclo de temperatura, pré-estabelecido, retira-se o cadinho com o

que restou da amostra e efetua-se a limpeza deste recipiente.

As informações são gravadas no computador que gera uma curva de Variação de

massa (%) x Variação de tempo. Hoje há livros, atlas e fichas que permitem a identificação da

maioria dos argilominerais e minerais conhecidos. A posição, forma e intensidade dos picos

endo e exotérmico dos termogramas possibilita a identificação bastante precisa destes

argilominerais puros.

A análise mineralógica por Termogravimetria foi realizada na Universidade de São

Paulo (USP), o equipamento utilizado foi o modelo NETZSCH STA 409PC com atmosfera de

Nitrogênio 5.0 analítico e taxa de aquecimento de 10 oC/minuto, até uma temperatura máxima

59

de 1000 oC. Foi utilizado, no cadinho, 1,0 g do solo não recebendo nenhum tratamento

prévio. Os resultados obtidos foram analisados com auxílio do programa NETZSCH Proteus

– Termal Analysis Version 4.2.1 e serão apresentados no próximo capítulo.

3.4.7 CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA

Na avaliação do comportamento mecânico, o solo foi estudado na sua condição sem

cal e com adição de cal nas proporções, em peso seco, de 3%, 5% e 7%, em seguida

realizaram-se ensaios edométricos em células convencionais, conforme Figura 3.9 (a, b).

Os corpos de prova foram compactados estaticamente na umidade ótima e peso

específico máximo. O objetivo deste ensaio foi analisar a influência do estado de tensão na

deformação do solo causada pela inundação do solo no estado natural e dosado com a cal.

Figura 3.9 − a) Célula, colarinho para ensaio de adensamento b) Prensa de Adensamento.

3.4.7.1 Ensaio de Expansão “Livre”

Os ensaios de expansão livre medem a variação de espessura da amostra, em

percentual, fazendo-se uma relação entre a sua altura inicial e final, quando é colocada dentro

de um recipiente com água. Os ensaios de expansão "livre" foram realizados em células

edométricas convencionais seguindo os procedimentos da Norma ASTM D4829/95, e da ABNT,

NBR 12007/90.

Amostras indeformadas do solo foram talhadas em anéis de aço inoxidável de altura

60

20,00 mm e diâmetro de 71,3 mm (célula edométrica convencional) e altura 20,00 mm e

diâmetro 40,7 mm (célula de expansão) e submetidas a pequenas tensões que variaram de 1,0 e

10 kPa. A expansão do solo foi acompanhada até a estabilização.

Os corpos de prova foram carregados a uma determinada tensão vertical e posteriormente

inundados, sendo medidas as deformações de compressão, de colapso ou de expansão. O papel

filtro era colocado previamente em contato com uma porção do solo, para que alcançasse a

umidade de equilíbrio, evitando, portanto, perda ou ganho de umidade do solo durante o ensaio.

O corpo de prova moldado no anel era colocado com auxílio de uma placa de acrílico sobre o

papel filtro e pedra porosa (seca ao ar) e todo o conjunto na célula edométrica. O topo da célula

foi envolvido por um plástico, sendo preso com uma borracha para impedir que houvesse perda

de umidade durante o processo de carregamento antes da inundação.

3.4.7.2 Ensaio de Tensão de Expansão

A tensão de expansão foi determinada no solo sem cal por cinco métodos: Método 1 -

Carregamento após expansão com diferentes tensões verticais de consolidação; Método 2 –

Expansão e colapso sobtensão; Método 3 – Volume constante; Método 4 - Rao et al (1988) e

Método 5 – Justo et al (1984). Serão descritos aqui apenas os procedimentos dos ensaios

específicos para as determinações das tensões de expansão.

No início do ensaio, uma tensão de 1,0 kPa era aplicada para se fazer o assentamento do

sistema e a leitura inicial para o processo de deformação. As tensões aplicadas nos ensaios

tiveram acréscimo igual à tensão anterior (∆H/H = 1), sendo o valor inicial de 10 kPa e o final de

1280 kPa. No descarregamento as tensões foram: 1280, 640, 160, 40 e 10 KPa. O tempo de

duração de cada estágio de tensão antes da inundação era tal que a deformação entre dois

intervalos de tempo consecutivos (∆t/t=1) fosse inferior a 5% da deformação total do solo

ocorrida até o tempo anterior e na tensão de inundação no mínimo de 24 horas.

61

Método 1 - Carregamento após expansão com diferentes tensões verticais de consolidação.

Após a colocação da amostra de solo na célula e ajustar a prensa, a amostra foi levada a

expandir, sendo inundada. A seguir, cada corpo de prova foi submetido a diferentes tensões

verticais de consolidação (10, 20, 80 kPa), estas aplicadas por estágios, tal como descrito

anteriormente. As deformações foram medidas em intervalos de tempo, até a estabilização ser

alcançada. Depois desta estabilização elas foram consolidadas sobre um aumento de tensão.

A tensão de expansão foi à média das tensões obtidas em cada corpo de prova,

correspondente àquela da altura inicial. A trajetória de tensão após a inundação foi iniciada com

a sobrecarga de inundação e aplicada por estágio com ∆ σ / σ =1 até a tensão de 640 kPa. O

tempo de duração de cada estágio era de 24 horas. A Figura 3.10 ilustra as quatro etapas dos

ensaios.

Figura 3.10 − Etapas dos ensaios edométricos.

Método 2 – Expansão e colapso sobtensão.

A amostra de solo foi colocada na célula e ajustado a prensa, em seguida cada corpo de

prova foi submetido a uma das seguintes tensões: 10, 20, 80, 160, 320, 640 e 1280 kPa que

-15

-10

-5

0

5

10

15

1 10 100 1000 10000

Tensão vertical de consolidação (kPa)

De

form

açã

o v

olu

mé

tric

a e

sp

ecífic

a (

%)

4

2

12

3

5

1

1 2 Carregamento a umidade constante

2 3 Inundação a carregamento constante

3 4 Carregamento após variação de volume

4 5 Descarregamento a umidade constante

Tensão de

inundação

62

foram aplicadas por estágios, sendo o corpo de prova, em seguida, inundado e medidas as

deformações ocorridas.

Método 3 – Volume constante.

Posteriormente a colocação do corpo de prova na célula e ajustado a prensa, o corpo de

prova foi inundado e à medida que o solo aumentava de volume, foi colocada uma sobrecarga

para impedir esta variação. Nas primeiras horas de ensaio, permitiu-se uma pequena expansão de

0,02mm para a aplicação da sobrecarga. A soma das sobrecargas corresponde a uma tensão, que

é a tensão de expansão do solo a volume constante e na outra não se considerou a deformação do

sistema, mantendo-se a leitura inicial constante do deflectômetro.

Método 4 - Rao et al (1988).

A amostra de solo foi colocada no edômetro e inundada sendo impedida a sua

deformação, através da aplicação de sucessivas pequenas tensões a estabilização das

deformações (expansão ou compressão). Após definir a tensão a volume constante, impediu-se a

variação de volume do solo, a amostra foi submetida a acréscimos de tensões de 10 a 640 kPa,

com ∆σ/σ = 1 em estágios de 24 horas. De acordo com Rao et al (1988), a tensão de expansão é

obtida com procedimento gráfico similar à determinação da tensão de pré-adensamento no

ensaio edométrico para argilas saturadas.

Método 5 – Justo et al (1984).

É um método gráfico que utiliza resultados dos ensaios já descritos acima e será

mostrado na análise dos resultados.

Nas misturas solo-cal as tensões de expansão foram determinadas pelo método de

Volume constante (3).

63

3.4.7.3 Ensaio de Resistência à compressão simples

As amostras foram moldadas mediante a compactação estática, em três camadas, na

energia normal até atingir a altura desejada. Ao fim da compactação de cada camada executamos

a escarificação na superfície para proporcionar uma maior aderência entre as interfases. Para este

processo utilizou-se um cilindro bipartido de bronze com 5,0 cm de diâmetro e 10 cm de altura,

Figura 3.11 (a, b).

Figura 3.11 − a) Cilindro na prensa para compactação b) Cilindro de bronze.

Seguindo como base a norma ASTM D5102/96, moldamos dois corpos de prova no

estado natural (sem cal) e dois corpos de prova para cada teor de cal. Após a compactação os

corpos de prova foram retirados do molde cilíndrico e pesados. Em seguida foram enroladas em

papel alumínio, identificadas e deixadas em cura por 48 horas a uma temperatura de 65°C. Foi

analisado o rompimento dos corpos de prova, das misturas de solos sem cal e de solos

estabilizados quimicamente pela cal, com teores pré-determinados de 3%, 5% e 7%.

Para a ruptura dos corpos de prova foi utilizada a célula do triaxial, Figura 3.12 (a, b),

com anel dinamométrico de capacidade máxima de 50 kN e velocidade de 0,48 mm/min. O

valor da resistência à compressão simples de cada mistura, para cada teor de cal especificado

e para cada período de cura analisado, foi determinado através do valor da média aritmética

dos dois resultados obtidos.

64

Figura 3.12 − a) Célula e prensa para ensaio de Compressão Simples. b) Corpo de prova

rompido.

65

4. RESULTADOS E ANÁLISE DOS ENSAIOS REALIZADOS

Serão apresentados e analisados os resultados dos ensaios realizados. Nesta análise

verifica-se a influência que a adição de cal trouxe ao solo e comparar com o seu

comportamento antes de ser misturado. Iniciaremos com a apresentação dos resultados dos

ensaios de caracterização física, química e de resistência para a amostra de solo no seu

estado natural (sem cal). Em seguida os resultados obtidos dos ensaios realizados com a cal

hidratada e por último a análise da amostra de solo estabilizada por diferentes teores da cal,

a fim de se obter um teor ótimo para a aplicação da cal durante a estabilização do solo

estudado.

4.1 SOLO

4.1.1 CARACTERIZAÇÃO FÍSICA

4.1.1.1 Granulometria e Limites de Atterberg

A análise da curva granulométrica do material com o uso do defloculante mostra que

o solo tem textura fina, com mais de 50% passando na peneira nº 200 (ASTM), Figura 4.1. É

constituído de 37% de argila, 34% de silte e 29% de areia, sendo 25% de areia fina, 4% de

areia média, não apresentam areia grossa ou pedregulho, Tabela 4.1.

Figura 4.1 − Curva granulométrica do Solo de Cabrobó.

66

Tabela 4.1 − Caracterização Física do solo e da mistura solo-cal.

Caracterização Física Solo Solo-Cal

3% 5% 7%

Pedregulho % 0 0 0 0

Areia % 29 42 40 40

Silte % 34 26 36 47

Argila % 37 32 24 13

Relação Silte/Argila 0,92 0,81 1,50 3,62

% < 0,002 mm 30 27 15 10

WL 37 45 42 39

WP 18 26 27 26

IP 19 17 15 13

O Peso específico real dos grãos, do solo sem cal, obtido pelo método do picnômetro

( de acordo com a NBR 7182/86) foi de 26,06 kN/m³ e pelo método de gás Hélio também foi

de 26,06 kN/m³ conforme Figura 4.2, havendo uma pequena variação com o acréscimo do

teor de cal para o segundo método.

Figura 4.2 – Peso Específico Real dos Grãos (a) obtido de acordo com a NBR 7182/86 (b)

pelo método de gás Hélio.

Quanto aos limites de consistência, o solo apresenta Limite de Liquidez de 37%,

Índice de Plasticidade de 19%. Tem alta Plasticidade e Atividade média, Figura 4.3. Na

classificação da TRB o solo está inserido na classe A-6 (Solos Argilosos) e pela

classificação Unificada CL (Argila de Baixa Compressibilidade).

a) b)

67

Figura 4.3 − Carta de plasticidade e Atividade em solo natural e das misturas solo – cal

Analisando os resultados dos ensaios acima se verifica que, o solo é apto à

estabilização com cal visto que segue as recomendações: possui uma fração de partículas

que passam na peneira n.º200 (ASTM) igual ou superior a 25%, apresenta um IP igual ou

superior a 10% e contém uma percentagem de matéria orgânica inferior a 1% (National

Lime Association, 2006). Van Impe (1989) afirma que para se ter sucesso na estabilização

de solos com uso de cal é necessário se ter pelo menos 35% de material argílico no total do

solo, que é o caso do solo em estudo.

4.1.1.2 Compactação

O ensaio de compactação do solo natural, obtido com pequenos acréscimos de

umidade a partir do solo seco ao ar é apresentado na Figura 4.4. A forma da curva de

compactação obtida apresenta pico duplo (segundo a classificação de Lee e Suedkamp (1972) é

do Tipo C, e pela classificação de Maccarini e Santos (1991) é do Tipo I). O primeiro pico

possui valor de peso específico aparente seco máximo (γdmax) de 15,97 kN/m3

e teores de

umidade ótima(Wot) de 8,5%. No segundo pico o valor do peso específico aparente seco

máximo (γdmax) é de 17,80 kN/m3 e a umidade ótima(Wot) com teores de 15,20%. Lee e

Suedkamp (1972) afirmam que curvas de compactação com pico duplo são frequentes em solos

com limite de liquidez entre 30 e 70%, muito coesivos e que possuam o argilomineral

68

montmorilonita. O solo estudado apresenta características próximas às encontradas por esses

autores.

Figura 4.4 − Curva de Compactação do solo de Cabrobó.

Pico duplo é característico de solos muito duros e de alta resistência, quando seco.

Quando é adicionada uma pequena quantidade de água na amostra que está com umidade

muito baixa (seca), estas se concentram em algumas partes, juntando os grumos e formando

outros. Esta distribuição desuniforme de água causa uma distribuição diferenciada da

granulometria do solo sem cal. Assim, o solo inicialmente comporta-se como se tivesse outra

granulometria (mais granular), apresentando o primeiro pico de peso específico aparente seco

na umidade de 8,5%. À medida que a umidade cresce, os grumos se tornam maiores, porém

menos resistentes a esforços mecânicos, e o efeito dos grumos começa a desaparecer e o solo

comporta-se com a sua granulometria real, apresentando um segundo pico de peso específico

aparente seco máximo na umidade de 15,20%, como foi mostrado na Figura 4.4.

Comportamento semelhante foi encontrado por Ferreira et al (2012) em solos de Suape,

Paulista e Petrolândia, em Pernambuco.

15,97

17,80

15,0

15,5

16,0

16,5

17,0

17,5

18,0

0 5 10 15 20 25

Cabrobó

Umidade ( %)

Pes

o e

spéc

ífic

o a

par

ente

sec

o (

kN/m

3)

69

4.1.2 CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA

Os resultados da caracterização química do solo obtidos nos ensaios são apresentados

na Tabela 4.2, que mostram valores do pH; da condutividade elétrica no extrato de saturação

(C.E.); das bases Na+, K

+, Ca

2+, e Mg

2+; e os ácidos Al

3+, e H

+. Foram calculados, de acordo

com o novo sistema de classificação de solos da Embrapa (1999): a Soma das Bases (S); a

Capacidade de Troca Catiônica (CTC); Retenção de Cátions (RC); a Atividade da Fração

Argila (Tr); o Grau de Saturação por Bases (V); a Saturação por Alumínio (m); e a

Saturação por Sódio.

Tabela 4.2 − Caracterização química do solo e das misturas solo-cal (após 120 dias de cura)

Amostra

pH CE Na+ K+ Ca2+ Mg+2 Al3+ H+ S CTC

T RC V m

T

Na100

H2O μS ---------------------- cmolc/kg------------------------- ----------- % -----------

-

Solo Natural 8,60 1992 3,13 0,11 12,80 12,00 0,2 10,40 29,53 31,13 92,90 94,86 0,67 10,05

Solo+1%Cal 9,44 - 2,96 0,07 20 7,2 0 0 30,16 30,16 94,25 100 0 9,8

Solo+3%Cal 13,85 - 3,18 0,07 20,8 15,2 0 0 39,18 39,18 122,4 100 0 8,1

Solo+5%Cal 13,97 - 3,35 0,07 28,8 11,2 0 0 43,35 43,35 135,5 100 0 7,7

Solo+7%Cal 14 - 3,13 0,11 31,2 12,8 0 0 47,13 47,13 147,4 100 0 6,6

Legenda (fórmulas utilizadas): S = Na+ + K+ + Ca2+ + Mg2+; CTC = Na+ + K+ + Ca2+ + Mg2+ +

Al3+ + H+; (%)ilaarg

AlS100RC

3 ;

T

S100V ;

3

3

AlS

Al100m .

Analisando o solo natural, de acordo com o grau de saturação, observamos que a

saturação por base expressa em porcentagem, encontrado na Tabela 4.2 como valor V, é

superior a 50%, tratando-se, portanto de um solo eutrófico, ou seja, solo fértil. Os valores de

saturação com sódio (100 Na+/T) são superiores a 6% e inferiores a 15% caracterizando o

caráter solódico ao solo, (o caráter solódico é usado para distinguir horizontes ou camadas

que apresentem saturação por sódio). A condutividade elétrica do extrato de saturação é alta

(CE = 1992 µS) indicando alta salinidade justificado pelo teor elevado de finos e a

dificuldade na penetração da água.

70

4.1.2.1 Capacidade de troca catiônica

Os cátions Na+, K

+, Ca

2+, Mg

2+ são denominados de bases trocáveis e os íons H

+ +

Al3+

são conhecidos por acidez extraível. Na Tabela 4.2 a soma destas bases trocáveis foi

denominada de S. A soma de S e da acidez extraível fornece o valor da CTC de um solo. O

solo estudado apresentou Capacidade de Troca Catiônica (CTC) com valor de 31,13

cmolc/kg, conforme Figura 4.5.

Figura 4.5 − Resultado do ensaio químico de CTC, com cura de 1 hora e após 120

dias.

Buol et al. (1997) comentam que a capacidade de troca catiônica de um solo pode

propiciar interpretações a respeito das características do mesmo, como: grau de

intemperismo, minerais argílicos constituintes e até expansividade. Ainda de acordo com o

autor solos minerais com CTC maiores que 20 cmolc/Kg podem apresentar significante teor

de montmorilonita, indicando, dessa forma, solos expansivos. A EMBRAPA indica um

valor de referência de 27 cmolc/Kg para distinguir valores altos de CTC de valores baixos.

Com base nessas referências o solo estudado apresentou uma alta Capacidade de Troca

Catiônica, justificando pela baixa permeabilidade.

150,23164,76

191,86

210,26

31,13 30,1639,18

43,35 47,13

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

0 1 2 3 4 5 6 7 8

CTC

(cm

ol/

kg)

Teor de Cal (%)

Após 1 Hora

Após 120 dias

71

4.1.2.2 Acidez do Solo

O pH nas amostras de solo servem para determinar a presença de alumínio trocável e

também a predominância da argila em processo de intemperização que é verificado pela

variação do pH em água e o pH em KCl. O pH verifica também a tendência dos sistemas

com altas concentrações de H+ e Al

+++ de flocular. Podendo ser utilizado também para

identificar qual o tipo do argilomineral analisado.

O pH de um solo não constitui um valor tão constante e característico como em

soluções aquosas. Além de oscilações apreciáveis que o pH pode sofrer no solo, devido à

atividade biológica, a variação do teor da água, as diferentes técnicas utilizadas na sua

determinação, fornecem resultados diferentes. As principais causas da variação são as

seguintes: efeito da diluição, efeito da suspensão, efeito de sais, CO2, oxidação e redução.

No presente trabalho, o pH foi determinado em H2O, em solução normal de KCl e em

solução de 0,01M de CaCl2. Os resultados apresentados na Tabela 4.3, sendo o maior valor

obtido em H2O. Conforme os resultados o solo de Cabrobó apresentou um pH (>7) assim é

fortemente alcalino. Guimarães (2002), divide o solo em função de seu pH, como:

Extremamente ácido: pH ≤ 4,3;

Fortemente ácido: 4,3 < pH < 4,4;

Ácido: 5,4 < pH < 4,5;

Moderadamente ácido: 5,5< pH < 5,9;

Levemente ácido: 6,0 < pH < 6,5;

Neutro: 6,6 < pH < 7,3

Alcalino: 7,4 < pH < 8

Fortemente Alcalino: pH >8,0;

72

Tabela 4.3 − Valores de pH encontrados na amostra de solo (após 1 hora de cura).

Amostra pH em H2O pH em KCl pH em CaCl2 RESULTADO

Solo sem Cal 8,6 6,45 7,92 Fortemente Alcalino(*)

Solo + 1% de Cal 11,37 10,09 10,95 Fortemente Alcalino

Solo + 3% de Cal 12,43 12,34 10,95 Fortemente Alcalino

Solo + 5% de Cal 12,52 12,44 12,42 Fortemente Alcalino

Solo + 7% de Cal 12,55 12,5 12,48 Fortemente Alcalino * Exceto o pH em KCl no solo sem cal que é considerado levemente ácido.

Embora, o pH não seja uma característica do solo, podendo assumir valores variáveis

com a técnica empregada na sua determinação e com as mudanças que podem ocorrer no

próprio solo, o seu conhecimento fornece importantes indicadores à Pedologia, Agronomia e

a Mecânica dos Solos.

A Tabela 4.4 também apresenta os valores de ΔpH (ΔpH = pH (KCl) – pH (água))

encontrado no solo analisado.

Tabela 4.4 − Valores de pH encontrados na amostra de solo

Amostra pH

∆pH Água KCL CaCl2

Solo 8,6 6,45 7,92 -2,15

De acordo com Kiehl (1979) apud Jacintho (2005) o valor de ΔpH negativo indica a

predominância de argilas silicatadas no solo, enquanto que um ΔpH positivo está

relacionado com a predominância de óxidos de ferro e de alumínio. Para a amostra de solo

ensaiada verificou-se resultado de ΔpH negativo indicando ser um solo com argilas silicatas

e com alumínios trocáveis. Esses componentes agem ativamente no processo de

estabilização do solo possibilitando uma melhoria nas suas propriedades.

4.1.2.3 Óxidos dos Solos

O ensaio de óxidos no solo nos permite saber o efeito de intemperismo. Os resultados

dos ensaios químicos de óxidos, pelo método de fluorescência de raio-X, realizados no solo

73

são apresentados na Tabela 4.5, onde o óxido de silício (Quartzo) prevalece com cerca de

60,75% sobre o óxido de alumínio e sobre o óxido de ferro.

Tabela 4.5 − Valores das porcentagens de óxidos e Perda ao fogo no solo

Amostra Óxidos

SiO2 Al2O3 Fe2O3t MgO MnO CaO Na2O K2O TiO2 P2O5 PF TOTAL

Solo sem Cal 60,75 12,97 4,39 0,75 0,06 2,93 0,94 2,24 0,82 0,02 10,37 96,23

4.1.2.4 Determinação de Matéria Orgânica

O valor de matéria orgânica obtida a partir do carbono orgânico no solo de Cabrobó

apresentou resultado com valor de 0,67%, demonstrando assim que o solo não apresenta

uma percentagem significativa de matéria orgânica, pois segundo a EMBRAPA (1979) um

solo rico em matéria orgânica possui teor > 5,0 %.

De acordo com as diretrizes da National Lime Association (2004), para o solo ser

apto à estabilização com cal este precisa que o seu teor em matéria orgânica não ultrapasse

1%.

4.1.3 EXPANSÃO “LIVRE” E TENSÃO DE EXPANSÃO

4.1.3.1 Expansão “livre”

A expansão “livre” do solo, obtido através do ensaio de expansão "livre" (El = 100∆h

/ ho), variou de 7,45% (para tensão de 1,0 kPa) a 3,20 % (para tensão de 10 kPa), A

magnitude da expansão "livre" depende da tensão de sobrecarga que o solo está submetido.

Deve-se, portanto, ao indicar o valor da expansão "livre", mencionar à tensão a que foi

submetido. Pelo critério de Vijayvergiya e Ghazzaly (1973) (inundação a 10 kPa), o solo

tem um grau de expansividade médio. Ferreira e Ferreira (2009), analisando uma argila

bruno-avermelhada de Petrolândia- PE constatou que a expansão “livre” é função da

pequena sobrecarga colocada e da umidade inicial de em que se encontra o solo.

74

4.1.3.2 Tensão de expansão

A tensão de expansão no solo sem cal foi analisada por diferentes métodos, como

está apresentado na Figura 4.6. Quando o solo foi inundado, sob as tensões verticais de

consolidação de 10 a 80 kPa, ele expandiu. Sob a tensão de 320 kPa houve a transição entre

expansão e colapso, para as tensões de 640 a 1280 kPa o solo colapsou. Na mesma Figura é

mostrado a expansão do solo devido à inundação com o tempo até a estabilização das

deformações, para diferentes tensões verticais de inundação (10, 20 e 80 kPa) e a

consolidação com o acréscimo de tensão até o solo atingir a altura inicial, antes da

inundação, mostrada na Figura 4.6 (b). No Método 1 (Carregamento após expansão com

diferentes tensões verticais de consolidação), Figura 4.6 (b) o valor médio da tensão de

expansão obtida foi de 90 kPa. Pelo Método 2 , Figura 4.6 (c), foi determinado o valor da

tensão de expansão de 100 kPa. A relação entre a expansão do solo após estabilização com a

tensão vertical de consolidação em escala logarítmica é aproximadamente linear.

Figura 4.6 − Métodos de tensão de expansão (a) Expansão sob tensão; (b) Método 1 –

Carregamento após expansão com diferentes tensões verticais de consolidação; (c) Método 2

– Expansão e colapso; (d) Volume constante e de Rao et al (1988); (e) Justo et al (1984).

c)

75

O valor da tensão de expansão a Volume Constante - Método 3, impedindo a

variação de volume do solo, foi de 87 kPa e a curva de deformação volumétrica específica é

apresentada na Figura 4.6 (d). Após a determinação da tensão de expansão a Volume

Constante, procedeu-se o carregamento para a determinação da tensão de expansão pelo

método 4, Rao et al. (1988). A mesma Figura mostra o resultado deste ensaio com o valor da

tensão de expansão de 120 kPa obtida. Na Figura 4.6 (e) a tensão de expansão determinada

pelo Método 5, Justo et al. (1984), tem um valor de 80 kPa e depende da curva de inundação

sob tensão e da curva de umidade natural.

A tensão de expansão do solo obtida pelo Método 1 depende da trajetória de tensão

seguida antes da inundação, notoriamente os valores mais baixos da tensão vertical de

consolidação.

A Figura 4.7 mostra o comportamento das curvas de tensão em função do tempo,

após a inundação no ensaio edométrico simples. Para a tensão de 10 a 80 kPa, a deformação

devido a inundação medido com o tempo, é de expansão, para a tensão de 320 kPa houve

expansão até os primeiros 100 minutos e em seguida colapso até os 1000 minutos. Houve

colapso para a tensões de 640 a 1280 kPa. Roo (2006) considerou três fases para o processo

de deformação de expansão e/ou colapso do solo, concluindo que a defornação inicial está

associada com a microestrutura, enquanto que a deformação primária e secundária está

associada com a macroestrutura, Figura 4.7. Na fase inicial, a intervalos de menos de 1

minuto, há pequenas deformações no solo e a água se infiltra apenas na periferia. Na fase

primária, intervalo de 1 a 300 minutos, a água se infiltra a partir da periferia para o centro,

umidificando o solo progressivamente, ocorrendo deformações com maior intensidade. Na

secundária, intervalo superior a 300 minutos, a água chega ao centro do núcleo, e os espaços

vazios são quase completamente cheios de água e a velocidade da deformação diminui.

76

Figura 4.7 − Comportamento da variação de deformação no período de tempo sob tensão (a)

pequena alteração na umidade do solo; (b) mudança de umidade na periferia do solo; (c)

apenas o núclo central mantém a umidade inicial; (d) não há mudança na umidade do solo.

A tensão de inundação sendo muito baixa, o desenvolvimento do mecanismo é mais

completo. Caso a inundação se processe depois (Método 2 e Método 5) ou de forma

simultânea (Mètodo 3), o mecanismo de expansão desenvolve-se no solo de forma parcial,

em virtude de estar sob tensão, atingindo um umedecimento menor.

A trajetória de tensão seguida para a determinaçao da tensão de expansão, Método 1,

é de menor interesse pois na prática só é aplicada quando se usa a técnica de inundação

prévia e posterior construção. A vantagem se apresenta caso a inundação seja realizada à

baixa tensão, para possiblitar uma maior expansão e, após a expansão, a construção não

transmita uma tensão elevada, em virtude de o solo inundado apresentar maior compressão

do que o solo não saturado sob cargas maiores.

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

0,1 1 10 100 1000 10000

Def

orm

ação

de

exp

ansã

o (

%)

Tempo (minutos)

10 kPa 20 kPa 80 kPa 320 kPa 640 kPa 1280 kPa

Expansão ou colapso

inicial

a b

EXPANSÃOExpansão ou

Colapso Secundário

Expansão ou colapso

primário

COLAPSO c d

77

Em relação aos métodos, a diferença entre eles é a ordem seguida entre a aplicação

de tensão e a inundação, por exemplo: Método 1 a amostra é inundada primeiro e carregada

depois; Método 2 a amostra é carregada primeiro e inundada depois; Método 3 a inundação

e carregamento ocorrem simultaneamente; Método 4 inicialmente ocorre como no Método 3

até a tensão de expansão a volume constante, posteriormente eleva-se o carregamento

comprimindo o solo. Método 5 a curva de inundação sob tensão depende mais do estado de

tensão do solo.

As diferentes trajetórias de tensões aplicadas ao solo utilizadas nos métodos levam a

valores distintos da tensão de expansão. Comportamento similar foi obtido na argila de

Petrolândia-PE, por Ferreira e Ferreira (2009), na argila de Pesqueira-PE por Silva e Ferreira

(2007) e por Delgado (1986) na argila compactada Arahal-A coletada da Barreira La Paz de

Arahal (Sevilla) conforme na Tabela 4.6.

Tabela 4.6 − Tensão de expansão da argila de Cabrobó,na argila de Petrolândia-PE, por

Ferreira e Ferreira (2009), na argila de Pesqueira-PE por Silva e Ferreira (2007) e na

Barreira La Paz de Arahal (Sevilla) por Delgado (1986).

Método de Tensão de

Expansão

Tensão de Expansão (kPa)

Argila de

Cabrobó

Argila de

Petrolândia. Ferreira

e Ferreira (2009)

Argila de

Pesqueira. Silva e

Ferreira (2007)

Argila de

Sevilha.

Delgado (1986)

1 Carregamento após expansão

com diferentes tensões

verticais de consolidação

90 333 168 260

2 Expansão e colapso sob

tensão 100 239 365 150

3 Volume Constante 87 242 110 193

4 Rao et al. (1988) 120 330 140 -

5 Justo et al. (1984) 80 277 310 200

6 Ensaio Edométrico duplo - 308 180 290

Média 95 288 212 219

4.1.4 COMPRESSÃO SIMPLES

Na Tabela 4.7 são apresentados os resultados do ensaio de resistência à compressão

simples para dois corpos de prova do mesmo solo. Para o solo sem cal, compactado,

observamos que houve uma resistência a compressão simples em média de

aproximadamente 37 kPa. Através de observação a Figura 4.8 verifica-se que as formas da

78

curva de resistência a compressão simples em relação a deformação são relativamente

parecidas para os dois corpos de prova, apresentando um comportamento de pico na curva

tensão deformação.

Tabela 4.7 − Resistência a Compressão Simples do solo e das misturas solo-cal.

Tempo de

Cura

Teor de Cal

0% (kPa) 3% (kPa) 5% (kPa) 7% (kPa)

CP*1 CP2 CP1 CP2 CP1 CP2 CP1 CP2

Imediato 36,81 37,79

48 horas 37,38 29,55 238,55 184,3 192,43 163,44 227,7 232,97 *Corpo de Prova

Figura 4.8 − Resistência a Compressão Simples do solo, sem cal, em relação a deformação.

4.2 CAL

Os resultados das análises química da cal são apresentados na Tabela 4.8.

Tabela 4.8 − Resultados das análises químicas

Determinações Unidade Resultado

Umidade % 1,31

Perda ao fogo % 24,23

Óxido de ferro (Fe2O3) % 0,22

Óxido de cálcio total (CaOT) % 66,93

36,81

37,79

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

40,00

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00

Ten

são

Cis

alh

ante

(kP

a)

Deformação Axial (%)

Solo sem Cal CP1

Solo sem Cal CP2

79

Óxido de cálcio disponível (CaOD) % 58,49

Anidrido Carbônico (CO2) % 4,09

Massa específica g/mL 0,445

Finura: Peneira 30 – 0,600 mm % 0,1

Peneira 200 - 0,075 mm % 0,13

Retenção de água % 87

A determinação da finura (ABNT, 1998) encontrou um resultado de: peneira 30 –

0,600 mm 0,10% e na peneira 200 – 0,075 mm 0,13%, onde a cal com o selo de qualidade

CHI apresenta limites de ≤ 0,5% e ≤ 10% respectivamente. A retenção de água foi 87% e a

norma estabelece um limite ≥ 75%, (ABNT, 1996). Verifica-se que todos os parâmetros

analisados apresentam resultados compatíveis com uma cal de ótima qualidade CHI,

segundo a ABNT (2003a).

Os valores do óxido de cálcio determinados segundo as recomendações da norma

ABNT (2003b), Tabela 4.9, e pela técnica analítica de espectrometria de fluorescência de

raios-X, Tabela 4.9, foram próximos.

Tabela 4.9 − Resultado dos Óxidos da Cal

Amostra Óxidos

SiO2 Al2O3 Fe2O3t MgO MnO CaO Na2O K2O TiO2 P2O5 PF TOTAL

Cal 0,00 1,50 0,00 1,93 0,00 66,42 0,00 0,12 0,06 0,01 27,44 97,48

4.3. MISTURA SOLO-CAL

Inicialmente a dosagem das misturas de solo-cal foi realizada utilizando-se o método

proposto por Eades e Grim (1966) que é baseado no valor do pH. De acordo com esses

autores a mais baixa porcentagem da cal que confere a mistura solo-cal um pH = 12,4, após

uma hora da realização da mistura, é a necessária para estabilizar o solo. Foram realizados

ensaios para determinar o pH da amostra de solo adicionada a cal nos teores de 1%, 3%, 5%,

7%. Os resultados obtidos pela mistura encontram-se na Tabela 4.10 e Figura 4.9.

80

Tabela 4.10 − Valores de pH (Método de Eades e Grim, 1966).

Tempo de Cura Teor de Cal (%)

0% 1% 3% 5% 7%

Após 1 Hora 8,6 11,37 12,43 12,52 12,55

Após 120 dias 8,6 9,44 13,85 13,97 14

Observa-se que o valor do pH em água encontrado para o solo, sem cal, inicialmente

foi de 8,6 (um solo fortemente alcalino). A medida que foi adicionado cal ao solo o pH foi

aumentado até atingir o valor de 12,55, para 7% de cal, Figura 4.8. Verifica-se que o

acréscimo de 3% de cal ao solo eleva o valor do pH da mistura a 12,43 (um aumento de

44,5%, em relação ao estado inicial), superior a 12,4 proposto por Eades e Grim (1966),

indicando que o solo se apresenta em condições adequadas para se ter o processo de

estabilização. Essa elevação de pH se deve a troca de íons, conforme estudos de Thomé

(1994).

Para verificar se com o tempo de cura da mistura solo-cal o pH continuava

estabilizado, os ensaios foram repetidos após 120 dias, tempo necessário para que todos os

elementos da cal interagissem com as partículas do solo proporcionando uma reação

pozolânica. Pudemos observar que com a concentração de 1% de cal ao solo o pH passa a

ser maior de que no seu estado inicial. Entretanto, a partir de 3% do teor os valores de

aumento são similares aos obtidos no ensaio após 1 hora (diferença em média de 1,44) até

atingir o pH de 13,85.

Figura 4.9 − Variação do pH em água com o teor de cal.

8,6

11,37 12,43 12,52 12,55

8,6

9,44

13,8513,97 14

5

7

9

11

13

15

0 1 2 3 4 5 6 7 8

pH

em

Águ

a

Teor de Cal (%)

Após 1 hora

Após 120 dias

7,6< pH < 10,0 - os agrupamentos silanol começam a reagirpH > 10,0 - início das reações pozolânicas

81

4.3.1 CARACTERIZAÇÃO FÍSICA

A adição de cal hidratada ao solo elevou a proporção das frações areia e silte, e

diminuição da fração argila, Tabela 4.1 e Figura 4.10. E consequentemente o aumento da

relação silte / argila de 0,92 para 3,82%, indicando um aumento no grau intemperizado,

Tabela 4.1. Para o acréscimo de 3% a 7% de cal ao solo a fração areia teve pequena variação

na mistura. A Figura 4.11 mostra a variação nas percentagens das frações para o solo no

estado natural e com a adição de cal.

Figura 4.10 − Curvas granulométricas no solo e nas misturas solo-cal.

Figura 4.11 − Variação das frações areia, silte e argila.

29

4240

40

34

26

36

47

37

32

24

1310

15

20

25

30

35

40

45

50

0 1 2 3 4 5 6 7 8

% d

e P

art

ícu

las

Teor de Cal (%)

Areia

Silte

Argila

82

O acréscimo da fração silte e areia com adição de cal confirma o que é apresentado

na literatura, que a adição de cal eleva o percentual de partículas da textura mais grossa. Isso

se dá devido a ação da reação química que ocorre imediatamente após a mistura do solo com

a cal, a troca catiônica, que reduz a espessura do espaçamento entre camadas e, assim,

levando a floculação do material. Em consequência, as partículas floculadas apresentam

partículas de maiores dimensões. Resultado similar foi observado por Silva Junior (2010) ao

estudar uma argila expansiva, o autor constatou que a adição de 9% aumentou o percentual

de partículas de textura mais grossa.

Para melhor avaliar a influência da adição da cal no aumento das dimensões das

partículas foram realizados ensaios por difração a laser para dimensões < 0,64mm. Os

resultados destes ensaios são apresentados na Figura 4.12.

Figura 4.12 − Distribuição dos tamanhos das partículas do solo obtida por difração a laser.

Analisando a Figura 4.12, é possível observar que a curva de distribuição de

frequência do ensaio de difração a laser monomodal é extremamente uniforme onde os grãos

estão dentro de uma faixa muito estreita de grãos de 0,002 à 0,02 mm, com pico de

frequência acumulado maior que 80%. A curva de distribuição de frequência da amostra de

solo e solo-cal apresentam distribuição de partículas com comportamento bimodal (2 picos).

No solo sem cal há uma maior concentração de grãos na primeira faixa com intervalo de

0,001 à 0,01mm, e percentual acumulado de aproximadamente 35%. Na segunda faixa o

intervalo é de 0,06 à 0,2 mm com pico de frequência acumulado de 45%.

83

Com a adição de cal ao solo observamos na Figura 4.12 e Tabela 4.11 que há um

deslocamento das curvas na direção do lado direito, mostrando que houve um aumento no

tamanho das partículas (aumento da porcentagem de silte e areia fina). A Tabela 4.11 mostra

a porcentagem acumulada de material para cada amostra.

Tabela 4.11 − Tabela do resultado do ensaio de Difração a Laser.

Amostra --------------------- Pico 1 ------------------ --------------------Pico 2 --------------------

Diam (µm) %Intervalo % Acumulada Diam (µm) %Intervalo % Acumulada

Solo sem Cal 0,0036 3,63 26,96 0,10358 4,71 83,41

Cal 0,009 8,71 71,24 --- --- ---

Solo + 3% 0,01048 3,16 37,13 0,12067 4,31 83,05

Solo + 5% 0,01048 2,91 32,28 0,16377 4,83 85,98

Solo + 7% 0,01221 3,26 40,81 0,14058 4,00 87,02

Os limites de consistência da amostra solo-cal mostram que o aditivo, a cal, elevou

os valores de Limite de Liquidez em menor intensidade do que o acréscimo de valores para

o Limite de Plasticidade, indicando redução no Índice de Plasticidade, conforme Tabela 4.1

e Figura 4.13 Esta redução do IP com o acréscimo de cal ao solo proporciona ao mesmo uma

melhor trabalhabilidade quando comparadas a amostra do solo sem cal.

Figura 4.13 − Análise do ensaio de Limite de Liquidez no solo e nas misturas solo-cal.

Brandl (1981) atribuiu que as rápidas mudanças nos valores dos limites de Atterberg

com adição de cal, devem-se as transformações estruturais e floculação do material. Para o

autor quanto maior a fração coloidal e a atividade da argila, maior será o decréscimo do

limite de liquidez.

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

40,00

45,00

50,00

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Teo

r d

e U

mid

ade

(%

)

Teor de Cal (%)

WL

WP

IP

84

Comportamento similar da variação do WP e IP foi obtido por Goosen et al. (2006),

Figura 2.13. A adição de cal a um solo argiloso causa um aumento do WP. Com relação ao

WL o autor afirma que há diminuição dos seus valores, o mesmo comportamento não

ocorreu no WL do solo estudado. No entanto, Diamond e Kinter (1965) argumentam que

mesmo em solos que o WL aumenta com o teor de cal, o acréscimo não é maior que o WP,

resultando numa redução do IP, assim como foi encontrado no presente trabalho, Figura

4.13.

Através do comparativo entre as composições granulométricas e os limites de

consistência do solo no seu estado natural (sem cal) e com adição de cal, conclui-se que a cal

proporcionou uma alteração considerável na textura do solo e no seu comportamento

plástico. O solo sem cal que era uma argila de baixa compressibilidade (CL), na

Classificação Unificada, para as maiores porcentagens de cal adicionada ao solo a mistura

tornou-se um silte (ML).

A adição de cal ao solo reduziu o valor do percentual de água no extrato de saturação

na mistura solo-cal para um teor 3% de cal. Para os valores superiores a 5% de cal

adicionada ao solo os valores dos percentuais de água no extrato de saturação não se

alteraram permanecendo praticamente constante, conforme Figura 4.14.

Figura 4.14 − Variação de água no extrato de saturação na mistura solo-cal.

48,2 43,8 44,2 45

0

20

40

60

80

100

120

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Cabrobó - PE

% Á

gua

no

ext

rato

de

satu

raçã

o

Teor de Cal (%)

85

A Figura 4.15 apresenta a curva de compactação do solo e das misturas solo-cal para

os diferentes teores de cal. A adição de cal ao solo modificou a forma da curva de pico

duplo (solo sem cal) para único pico (solo-cal), isto se deu porque a adição de cal ao solo

tornou a mistura com partículas de dimensões maiores (floculadas); houve uma diminuição

da umidade ótima enquanto o peso específico seco máximo da mistura solo-cal pouco variou

(de 17,10 kN/m³ à 17,6 kN/m³), Tabela 4.12 e Figura 4.14.

Figura 4.15 − Curva de compactação do solo e da mistura solo-cal.

Tabela 4.12 − Peso específico aparente seco máximo e umidade ótima para o solo natural e

com a adição de cal.

Material Peso específico aparente seco

máximo (kN/m³)

Umidade Ótima (%)

Solo sem Cal 17,80 15,33

Solo + 3% de Cal 17,30 11,19

Solo + 5% de Cal 17,10 10,96

Solo + 7% de Cal 17,60 12,45

15,00

15,50

16,00

16,50

17,00

17,50

18,00

5,00 8,00 11,00 14,00 17,00 20,00 23,00

Solo sem Cal

3% de Cal

5% de Cal

7% de Cal

Teor de Umidade (%)

Pes

oes

pec

ífic

o a

pa

ren

te s

eco

kN

/m³

86

A variação do peso específico aparente seco máximo e a umidade ótima, em relação

ao teor acrescido de cal, são apresentadas na Figura 4.16. É observado que o peso específico

aparente seco máximo e a umidade ótima decrescem com o acréscimo de cal até o teor de

5%, aumentando para o teor de 7% de cal na mistura.

Figura 4.16 − Variação do Peso específico aparente seco e Umidade para diferente teor de

Cal.

Este resultado confere com o que afirma Osinubi (1998), que constatou uma

tendência na diminuição do (γd) à medida que o tempo de espera entre a mistura solo-cal e a

compactação aumenta, e que há uma redução na umidade ótima da mistura, assim como foi

observado neste estudo. De acordo com o autor este resultado pode ser atribuído às trocas

catiônicas e a floculação das partículas de argila, que ocorrem simultaneamente, deste modo

diminuindo a água disponível no sistema.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

17

17,5

18

18,5

19

19,5

20

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Um

idad

e Ó

tim

a (%

)

Pes

o E

spec

ífic

o A

par

ente

Sec

o (

kN/m

³)

Teor de Cal (%)

γd solo

γd solo + 3% cal

γd solo + 5% cal

γd solo + 7% cal

Peso Específico

Wot solo

Wot solo + 3% cal

Wot solo + 5% cal

Wot solo + 7% cal

Umidade Ótima

87

4.3.2 CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA

A adição de cal ao solo causa redução dos óxidos de silício, alumínio, ferro, sódio,

potássio e no dióxido de titânio e consequentemente acréscimo dos óxidos de magnésio e

cálcio pertencentes a cal, conforme visto na Tabela 4.13.

Tabela 4.13 − Valores das porcentagens de óxidos e Perda ao fogo nas misturas solo-cal.

Óxidos Solo-Cal

Cal Solo 3% 5% 7%

SiO2 0,00 60,75 58,92 57,94 56,86

Al2O3 1,50 12,97 12,8 12,63 11,96

Fe2O3t 0,00 4,39 4,19 4,04 3,96

MgO 1,93 0,75 0,82 0,85 0,85

MnO 0,00 0,06 0,06 0,05 0,05

CaO 66,42 2,93 4,94 5,95 6,80

Na2O 0,00 0,94 0,92 0,90 0,88

K2O 0,12 2,24 2,17 2,12 2,10

TiO2 0,06 0,82 0,77 0,77 0,76

P2O5 0,01 0,02 0,02 0,02 0,02

PF 27,44 10,37 10,62 10,91 11,85

TOTAL 97,48 96,23 96,22 96,18 96,07

Os resultados da capacidade de troca catiônica para o solo sem cal e o solo-cal, com

tempo de cura de 1 hora e 120 dias, estão apresentados na Tabela 4.14 e na Figura 4.4.

Tabela 4.14 − Resultado da Capacidade de Troca Catiônica da mistura solo-cal.

CTC

Teor de Cal

0%

(cmolc/kg)

1%

(cmolc/kg)

3%

(cmolc/kg)

5%

(cmolc/kg)

7%

(cmolc/kg)

Após 1 hora 31,13 150,23 164,76 191,86 210,26

Após 120 dias 31,13 30,16 39,18 43,35 47,13

Analisando os resultados da capacidade de troca catiônica após 1 hora percebe-se

que houve um considerado aumento num espaço de tempo muito curto. Isto não que dizer

que houve um aumento de expansão do solo, mas evidencia que a interação solo-cal

desencadeou as reações químicas de imediato (a troca catiônica e em seguida a floculação)

para posterior reações químicas lenta (cimentação e carbonatação).

88

No entanto, há uma significativa redução da CTC quando o tempo de cura é maior

(120 dias). Isto se dá porque quando o solo é misturado a cal há, primeiro, uma lenta

assimilação do solo para depois começar a interação dos elementos da cal com o

argilomineral. Assim, este tempo de cura entre as misturas é necessário para que ocorra uma

completa reação, proporcionado ao solo um melhor processo de cimentação e uma maior

estabilização. Estes resultados confirmam o que Prusinski et al (1999) declararam, que a

troca catiônica e a floculação são as primeiras reações após a mistura solo-cal.

4.3.3 MICROESTRUTURA

O estudo da contextura (microestrutura) do solo sem cal e das misturas solo-cal na

umidade ótima e peso específico aparente seco máximo, respectivos, obtidos pela

microscopia eletrônica de varredura (MEV) são apresentados nas Figuras 4.17 (solo sem

cal), Figura 4.18 (solo com 3% de cal), Figura 4.19 (solo com 5% de cal) e Figura 4.20 (solo

com 7% de cal).

A argila expansiva de Cabrobó apresenta uma macroestrutura prismática composta de

fortes e grandes blocos angulares e subangulares com superfície de fricção, Figuras 4.17. O

plasma destes microagregados é constituído por grãos muito finos “criptovazios” (diâmetro

da ordem de 0,1 µm) representando uma parte da porosidade, a microestrutura é

caracterizada pela existência de uma armação contínua, formada pela união dos

microagregados, composto por um plasma argiloso, comportamento semelhante foi

observado por Chauvel (1981)

89

Figura 4.17 − Eletromicrografias do solo de Cabrobó compactado (a) aumentada 200X. (b)

aumentada 500X. (c) aumentada 1000X. (d) aumentada 2000 X.das microestruturas do solo

expansivo de Cabrobó – PE. (e, f) Eletromicrografias em outro ângulo (aumentadas em

1000 e 5.000 X) respectivamente.

As eletromicrografias (aumentadas em 500 e 5.000X) das misturas solo-cal

compactadas na umidade ótima e peso específico aparente seco máximo apresentadas nas

Figuras 4.18 (mistura solo-cal + 3% de cal), Figura 4.19 (mistura solo-cal + 5% de cal) e

Figura 4.20 (mistura solo-cal + 7% de cal), mostraram que os microagregados se comportam

como grãos “pseudo areias”, que se acomodam em consequência do esforço aplicado,

deixando entre si alguns vazios. Além da porosidade de acomodação do solo, existe uma

90

microporosidade, a nível de borda de microagregado, que não existe no solo sem cal e que é

resultado da ação da cal em contato com o plasma, identificações semelhantes foram

observadas por Nóbrega (1981), A cal provoca uma elevação do pH do solo tornando-o

alcalino e seus constituintes instáveis, podendo com o tempo se solubilizar e recombinar-se

com o cálcio, proveniente da cal, numa estrutura mineralógica estável. A microporosidade

observada é consequência desta reação da cal, que ataca o plasma promovendo a

neoformação de assembleias cristalinas nas bordas dos microagregados, preenchendo

parcialmente os vazios (fenômeno neosíntese).

Figura 4.18 − (a, b) Eletromicrografias (aumentadas 500 e 5.000 X) das microestruturas do

solo com adição de 3% de cal.

Figura 4.19 − (a, b) Eletromicrografias (aumentadas 500 e 5.000 X) das microestruturas do

solo com adição de 5% de cal.

91

Figura 4.20 − (a, b) Eletromicrografias (aumentadas 500 e 5.000 X) das microestruturas do

solo com adição de 7% de cal.

4.3.4 ANÁLISE POR TERMOGRAVIMETRIA

As curvas da TG (Termogravimetria) e DTG (Termogravimetria Derivada) para o

solo natural e das misturas solo-cal são apresentadas na Figura 4.21. Os valores das perdas

de massa e massa residual, correspondente as temperaturas, são mostrados nas Tabelas 4.15

e 4.16.

92

Figura 4.21− Curvas TG e DTG nas amostra (a) solo natural; (b) cal; (c) solo + 3% de cal;

(d) solo + 5% de cal; (e) solo + 7% de cal.

Para a interpretação das curvas foi tomado como referência o livro

Tecnologia das Argilas, Santos (1989). De acordo com esta literatura, as transformações

térmicas da montmorilonita ilustradas na Figura 4.21 (a) mostra que entre 100°C até 250°C

há um pico endotérmico intenso de perda de água adsorvida; A 400°C, inicia-se a reação de

desidroxilação do hidróxido de montmorilonita que é completada a 700°C.

Tabela 4.15 − Perda de Massa

Solo Natural Cal Solo + 3% Solo + 5% Solo + 7%

Temp. Perda Temp. Perda Temp. Perda Temp. Perda Temp. Perda

°C % °C % °C % °C % °C %

123,5 4,69 225 1,4 119,7 4,35 120,3 4,14 119,7 4,02

506,3 2,93 375 0,9 503,7 2,47 504,3 2,58 503,7 2,98

506,3 16,09 714,6 0,95 719,1 1,18 719,6 1,22

814,7 10,83

93

Tabela 4.16 − Massa Residual

Solo Natural Cal Solo + 3% Solo + 5% Solo + 7%

Temp. Resíduo Temp. Resíduo Temp. Resíduo Temp. Resíduo Temp. Resíduo

°C % °C % °C % °C % °C %

998,5 92,38 998,8 70,78 998,6 92,22 998,6 92,11 998,3 91,78

A análise do ensaio de TG/DTG da amostra de cal, mostrado nas curvas da Figura

4.21 (b), teve como base o estudo da composição química da cal hidratada feita por Cincotto

(1980), Figura 2.8 e Tabela 2.5. Na interpretação das curvas admitiu-se que até 225°C houve

perda de umidade (desidratação); entre a faixa de 225°C e 375°C houve desidroxilação do

hidróxido de magnésio, há desidroxilação do hidróxido de cálcio entre 375°C e 506°C; e

desidroxilação do hidróxido de cálcio entre 506°C e 815°C.

As curvas referentes aos solos acrescidos de cal apresentam similaridade entre si,

conforme se observa nas Figuras 4.21 (c), (d) e (e). Verifica-se até a faixa de 120 °C, perda

de água; na faixa entre 400,00 °C e 600°C picos que representam a desidroxilação do

hidróxido da montmorilonita e na faixa entre 600°C e 800°C há a descarbonatação (processo

de calcinação) da calcita.

Os dados da termogravimetria nos permitem realizar o cálculo da composição

quantitativa das amostras quanto aos teores de óxidos combinados, como está apresentado

na Tabela 4.17.

Tabela 4.17 − Resultado obtido através das curvas TG / DTG.

Amostra Ca (OH)2 (%) Mg (OH)2 (%) CaO (%) MgO (%)

Cal 51,84 44, 523 33,67 37,75

Solo-Cal (3%) 1,55 1,33 1,01 1,13

Solo-Cal (5%) 2,60 2,23 1,68 1,89

Solo-Cal (7%) 3,63 3,11 2,36 2,65

94

4.3.5 EXPANSÃO LIVRE E TENSÃO DE EXPANSÃO

A adição da cal ao solo reduziu a Expansão “Livre”, Tabela 4.18 e Figura 4.22,

utilizando o critério de Vijayvergiva e Ghazzay (1973) e a Tensão de Expansão obtida pelo

Método a Volume Constante, Tabela 4.18 e Figura 4.23. A adição de 3% de cal ao solo torna

a mistura menos expansiva, estabiliza-o quanto à Expansão Livre. Evans e Bell (1981)

encontrou comportamento semelhante ao estabilizarem um solo expansivo na Austrália. Os

autores afirmam que a adição de cal a um solo expansivo causa uma diminuição do potencial

de expansão, sendo que nos primeiros incrementos de cal ocorrem as maiores reduções do

comportamento expansivo do material.

Os valores obtidos com relação a expansão verificou-se que, após a adição da cal aos

solos estudados e compactados, as misturas estabilizadas apresentaram uma redução da

expansão à medida que uma maior quantidade de estabilizante foi adicionada a amostra

ensaiada. A Tabela 4.18 mostra os resultados do ensaio de expansão obtidos para todas as

misturas estabilizadas analisadas neste trabalho.

Tabela 4.18 − Valores de expansão para as misturas solo-cal

Amostra Expansão “Livre” (%)

Tensão de expansão (kPa)-

Método Volume Constante

Solo sem cal 7,45 87

Solo + 3% de Cal 0,4 10

Solo + 5% de Cal 0,06 5

Solo + 7% de Cal 0 0

95

Figura 4.22 − Variação de expansão livre com o teor de cal.

A variação dos valores da tensão de expansão no solo e nas misturas solo-cal

determinadas pelo método Volume Constante é apresentada na Figura 4.23. No solo sem cal

a tensão de expansão foi de 87 kPa. A adição de cal ao solo reduziu o valor da tensão de

expansão tornando a mistura solo-cal menos expansiva. O valor de 7% de cal adicionado ao

solo reduziu a tensão de expansão a zero.

Figura 4.23 − Variação da tensão de expansão com o teor de cal.

A redução nas características de expansão são geralmente atribuídas a uma

diminuição da afinidade com a água dos solos saturados pelo íon cálcio diminuindo a

7,45

0,40,06 0

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Cabrobó - PE

Exp

ansã

o L

Ivre

Teor de Cal (%)

Tempo de cura máximo t= 1 hora

87

10 50

475

10075 63

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Ten

são

de

Exp

ansã

o

% Cal

Solo Cabrobó

Goosen et al 2006

Mét odo Volune Constante

96

presença de água (a cal fornece cátions para equilibrar a superfície do argilomineral e,

conseqüentemente, diminuir a espessura da camada dupla difusa), e pela formação de uma

matriz cimentante, que resiste a expansão volumétrica (Blandl, 1981; TRB, 1987). Chen

(1975) considera que a cal é o agente mais favorável para reduzir o potencial de expansão

dos solos. Evans e Bell (1981) afirmam que nos primeiros incrementos de cal ocorrem as

maiores reduções do comportamento expansivo do material.

Os resultados obtidos confirmam a afirmação feita por Herrin e Mitchell (1961),

esses autores afirmaram que a cal influencia a expansão dos solos e que sua adição, até certo

teor, causa reduções volumétricas. Goosen et al (2006), também constatou o que é

apresentado na literatura que o acréscimo de cal diminui a pressão de expansão do solo,

conforme se observa na Figura 2.14, e que o tempo de cura influencia diminuindo, para cada

teor de cal, a pressão de expansão.

4.3.6 RESISTÊNCIA A COMPRESSÃO SIMPLES

Os corpos de prova (CP) ensaiados apresentaram uma ruptura brusca à compressão

simples, conforme Figura 4.24 (a, b). Apresentando uma superfície de ruptura com tendência

diagonal em relação ao eixo axial.

Figura 4.24 − Corpo de prova (a) antes do rompimento; (b)

após o rompimento.

97

As Figuras 4.25, 4.26 e 4.27 apresentam o comportamento do gráfico de Resistência

a compressão simples da amostra de solo natural (sem cal) e da amostra ensaiado com a

adição do estabilizante, a cal, nos teores de 3%, 5% e 7%. Essas misturas foram submetidas

a períodos de cura de 0 hora e 48 horas. A tabela 4.19 mostra os valores de deformação,

tensão e o módulo de elasticidade de cada ensaio.

Figura 4.25 − Evolução dos valores da RCS para as amostras de solo natural e com adição

de 3% de cal, para cura de 48 horas.

Figura 4.26 − Evolução dos valores da RCS para as amostras de solo natural e com adição

de 5% de cal, para cura de 48 horas.

0,00

25,00

50,00

75,00

100,00

125,00

150,00

175,00

200,00

225,00

250,00

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00

Ten

são

Cis

alh

ante

(kP

a)

Deformação Axial (%)

Solo sem Cal CP1

Solo sem Cal CP2

3% CP1

3% CP2

0,00

25,00

50,00

75,00

100,00

125,00

150,00

175,00

200,00

225,00

250,00

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00

Ten

são

Cis

alh

ante

(kP

a)

Deformação Axial (%)

Solo sem Cal CP1

Solo sem Cal CP2

5% CP1

5% CP2

98

Figura 4.27 − Evolução dos valores da RCS para as amostras de solo natural e com adição

de 7% de cal, para cura de 48 horas.

Tabela 4.19 – Valores de deformação, tensão e módulo de elasticidade dos ensaios.

Resistência à Compresão

Simples

Teor de Cal

0% 3% 5% 7%

CP1 CP2 CP1 CP2 CP1 CP2 CP1 CP2

Deformação Axial ea(%) 6,99 6,49 3,41 3,43 3,43 2,94 3,42 2,91

Tensão (kPa) 36,81 37,79 238,55 184,30 192,43 163,44 227,70 232,97

Módulo de Elasticidade

(σ/(ea/100)) 526,89 582,73 6992 5369,9 5612 5559 6665,6 7993,4

Com base nos resultados de RCS apresentados, observou-se que as amostras de solo

tratadas com cal apresentaram ganhos de resistência considerados, mostrando-se superiores

em relação ao solo no seu estado natural (sem cal). Semelhança foi encontrada nos estudos

de Eades e Grim (1960) que constataram que o aumento de resistência para solos com

caulinita, inicia com a adição dos primeiro teores de cal, enquanto que para solos contendo

ilita e montmorilonita são necessários adicionar 4 a 6 % de cal para que ele se desenvolva.

Isto se dá porque, no caso das argilas contendo ilita e montmorrrilonita, é necessário que

haja uma saturação das camadas pelo íon cálcio para que se inicie o ataque ao argilomineral.

Inglês e Metcalf (1972) observaram que o aumento da resistência a compressão simples da

mistura solo-cal se dá de forma linear e de acordo com a quantidade de cal, usualmente 8%

para solos argilosos. A partir desse ponto há um decréscimo da resistência devido às

0,00

25,00

50,00

75,00

100,00

125,00

150,00

175,00

200,00

225,00

250,00

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00

Ten

são

Cis

alh

ante

(kP

a)

Deformação Axial (%)

Solo sem Cal CP1

Solo sem Cal CP2

7% CP1

7% CP2

99

misturas solo-cal apresentarem uma cimentação lenta a depender do tipo de solo, Figura

2.15. No entanto Bell (1996) obteve um rápido aumento inicial na RCS de um solo contendo

montmorilonita, 4% de cal foi o suficiente para atingir a resistência máxima, enquanto que

para um solo rico em caulinita, a resistência máxima foi atingida com teores entre 4 a 6%.

Os resultados obtidos estão dentro do apresentado por estes autores, que apresentaram que a

maior resistência, para solos contendo montmorilonita, se dão entre 4 à 8% de teor de cal, no

estudo realizado verifica-se que o teor de 7% de cal apresentou a maior resistência, um

aumento de 7 vezes em relação as amostras no estado natural.

100

5. CONCLUSÕES E SUGESTÕES

Neste capítulo são apresentadas as principais conclusões e sugestões para

estudos futuros, que resultaram da aplicação do programa experimental ao solo

estudado.

Com base nos principais resultados encontrados nesta pesquisa conclui-se que:

o solo estudado, com 37% de argila, é classificado como CL – argila de baixa

compressibilidade (USCS) e A-6 (Solos Argilosos) pelo método da TBR;

apresenta um comportamento altamente plástico com Índice de Plasticidade de

19% e índice de atividade de Skempton (1953) igual a 0,75, o que classifica

como média atividade; a forma das curvas de compactação ,com pequenos

acréscimos de umidade a partir do solo seco, é do tipo-C (pico duplo), segundo a

classificação de Lee e Suedkamp (1972) e do tipo-I, segundo a classificação de

Maccarini e Santos (1991); é um solo eutrófico (fértil), apresentando pH >7

(fortemente alcalino); a resistência à compressão simples, em média, foi de 37 kPa;

a expansão livre foi de 7,45% para sobrecarga de 1 kPa sendo um solo de média

expansividade pelo critério de Vijayvergiya Ghazzaly (1973) e tensão de

expansão a volume constante de 87 kPa.

após a adição da cal ao solo estudado, as misturas estabilizadas apresentaram

uma redução à expansão à medida que uma maior quantidade de estabilizante foi

adicionada a amostra ensaiada. A adição de 3% de cal ao solo torna a mistura

menos expansiva, estabiliza-o quanto à expansão “livre”. O valor de 7% de cal

adicionado ao solo anulou a sua tesão de expansão.

a adição de cal hidratada ao solo elevou a proporção das frações areia e silte

tornando-o um solo de textura mais grossa e diminuiu o índice de plasticidade;

modificou as curvas de compactação de pico duplo para único pico, havendo

redução da umidade ótima e do peso específico aparente seco; a compressão

simples teve considerados aumentos em relação as amostras sem cal (aumento

101

de aproximadamente sete vezes); houve uma redução e estabilização da

capacidade de troca catiônica, para cura de 120 dias; aumentou a porcentagem

dos óxidos de magnésio e cálcio no solo, reduzindo outros presentes como

óxidos de silício, alumínio, ferro, sódio, potássio e no dióxido de titânio; o pH

da mistura aumentou tornando-o apto para a estabilização.

Com os resultados constatou-se que a aplicação da cal pode ser utilizada

satisfatoriamente na estabilização de solos potencialmente expansivos.

Com o intuito de complementar a pesquisa apresentada neste trabalho, sugere-se:

identificar quantitativamente os compostos formados nas reações pozolânica

através de difratometria de raios-X;

avaliar a resistência a compressão simples com o tempo mais prolongado de

cura para as misturas solo-cal;

avaliar a influência do tipo de cal no processo de estabilização da expansão e

aumento de resistência;

avaliar a influência da sucção na mistura;

avaliar a viabilidade econômica do uso da cal no melhoramento do solo e o

impacto que esta técnica pode trazer ao ambiente.

102

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