cap 4

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Universidade Federal de Juiz de Fora Faculdade de Engenharia – Departamento de Transporte s e Geotecnia TRN 032 - Pavimentação – Prof. Geraldo Luciano de Oliveira Marques

Capítulo 4

ESTABILIZAÇÃO DOS SOLOS PARA FINS DE PAVIMENTAÇÃO

4.1 - Conceito de estabilização para rodovias e aeroportos Estabilizar um solo significa conferir-lhe a capacidade de resistir e suportar as cargas e os esforços induzidos pelo tráfego normalmente aplicados sobre o pavimento e também às ações erosivas de agentes naturais sob as condições mais adversas de solicitação consideradas no projeto. 4.2 - Objetivo Compreende todos os processos naturais e artificiais aplicados aos solos, objetivando melhorar suas características de resistência mecânica, bem como garantir a constância destas melhorias no tempo de vida útil das obras de engenharia. 4.3 - Importância O domínio das técnicas de estabilização pode conduzir a sensíveis reduções nos tempos de execução das obras, viabilizando a industrialização do processo construtivo, propiciando uma economia substancial para o empreendimento. 4.4 - Estudos e análises Essencialmente, a estabilização de um solo consiste de um estudo da resistência do solo e da suplementação necessária desta resistência. Baseado neste estudo é

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escolhido um método qualquer para a suplementação da resistência, e isto é feito segundo análises econômicas e técnicas do problema em questão. 4.5 - Métodos de estabilização Devido às disparidades e semelhanças nos processos e mecanismos utilizados para a estabilização de solos, adota -se a natureza da energia transmitida ao solo como um critério para a classificação dos métodos de estabilização. Desta forma podem ser citados os seguintes tipos de estabilização: mecânica, granulométrica, química, elétrica e térmica. Além destes, tem surgido nos últimos tempos, uma grande variedade de outros métodos e processos construtivos que visam oferecer ao solo, características de resistência e melhoria de suas qualidades naturais e que podem ser classificados como Métodos especiais de estabilização: Solos Reforçados com Geossintéticos; Solo pregado; Colunas Solo-Cal; Colunas Solo-Brita; Compactação Dinâmica; Jet Grounting; Compaction Grounting; Drenos Verticais de Areia; Micro Estacas; Estabilização Via Fenômenos de Condução em Solos. A Estabilização Mecânica visa dar ao solo (ou mistura de solos) a ser usado como camada do pavimento uma condição de densificação máxima relacionada a uma energia de compactação e a uma umidade ótima. Também conhecida como estabilização por compactação. É um método que sempre é utilizado na execução das camadas do pavimento, sendo complementar a outros métodos de estabilização. A Estabilização Granulométrica consiste da alteração das propriedades dos solos através da adição ou retirada de partículas de solo. Este método consiste, basicamente, no emprego de um material ou na mistura de dois ou mais materiais, de modo a se enquadrarem dentro de uma determinada especificação. Também é chamada de Estabilização Granulométrica. A Estabilização Química quando utilizada para solos granulares visa principalmente melhorar sua resistência ao cisalhamento (causado pelo atrito produzido pelos contatos das superfícies das partículas) por meio de adição de pequenas quantidades de ligantes nos pontos de contato dos grãos. Os ligantes mais utilizados são o Cimento Portland, Cal, Pozolanas, materiais betuminosos, resinas, etc. Nos solos argilosos (coesivos) encontramos estruturas floculadas e dispersas que são mais sensíveis a presença de água, influenciando a resistência ao cisalhamento. É comum a adição de agentes químicos que provoquem a dispersão ou floculação das partículas ou uma substituição prévia de cátions inorgânicos por cátions orgânicos hidrorrepelentes seguida de uma adição de cimentos.

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A Estabilização Elétrica consiste na passagem de uma corrente elétrica pelo solo a estabilizar. As descargas sucessivas de alta tensão são usadas no adensamento de solos arenosos saturados e as de baixa tensão contínua são usadas em solos argilosos empregando os fenômenos de eletrosmose, eletroforese e consolidação eletroquímica. Não tem sido utilizada em pavimentos. A Estabilização Térmica é feita através do emprego da energia térmica por meio de congelamento, aquecimento ou termosmose. A solução do congelamento normalmente é temporária, alterando-se a textura do solo. O aquecimento busca rearranjos na rede cristalina dos minerais constituintes do solo. A termosmose é uma técnica de drenagem onde se promove a difusão de um fluido em um meio poroso pela ação de gradientes de temperatura. Também não é utilizada em pavimentos. 4.6 - Estabilização solo-cimento “Solo-cimento é o produto endurecido resultante da mistura íntima compactada de solo, cimento e água, em proporções estabelecidas através de dosagem racional, executada de acordo com as normas aplicáveis ao solo em estudo”. No Brasil, o solo cimento passou a ser utilizado a partir de 1940 na área de pavimentação. e em 1948 já havia aplicação na construção de paredes de solo-cimento. Mais de meio século de experiência brasileira com a tecnologia do solo-cimento possibilitaram o aparecimento de variadas aplicações dentro das obras de engenharia como: Pavimentação de ruas e estradas; passeios para pedestres; quadras esportivas; revestimento de barragens; silo -trincheira; terreiros de café; obras de contenção; canalização e proteção de pontes; habitação (tijolos, blocos, lajotas, paredes monolíticas, fundações e pisos). 4.6.1 - Tipos de misturas de solos tratados com cimento Toda mistura envolvendo solo e qualquer teor de cimento tem sido erroneamente chamado de mistura solo -cimento. Existem três diferentes tipos de misturas de solo estabilizado com cimento, sendo o solo -cimento, apenas uma delas: a) Mistura de solo-cimento Produto obtido pela compactação e cura de uma mistura íntima de solo, cimento e água, de modo a satisfazer a critérios de estabilidade e durabilidade exigidos.

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b) Solo melhorado com cimento (modificado com cimento) Quando um solo mostrar-se economicamente inviável de ser estabilizado com cimento, ainda poderá ser utilizado para fins de pavimentação através da adição de pequenas quantidades de cimento (1 a 5%), que visam modificar algumas de suas propriedades físicas, por exemplo, baixar o índice de plasticidade através do aumento do LP e da diminuição do LL ou diminuir as mudanças de volume e inchamento do solo. c) Solo-cimento plástico Material endurecido formado pela cura de uma mistura íntima de solo, cimento e quantidade suficiente de água para produzir uma consistência de argamassa. A quantidade de água no solo-cimento é apenas para permitir uma boa compactação e completa hidratação do cimento. No solo-cimento plástico a quantidade de cimento é aproximadamente 4% a mais para satisfazer os critérios de durabilidade e estabilidade exigidos e também devido a maior quantidade de água necessária para deixar a mistura na consistência de argamassa. 4.6.2 - Mecanismos de reação da mistura solo-cimento O processo de estabilização do solo com o cimento ocorre a partir do desenvolvimento das reações químicas que são geradas na hidratação do cimento (mistura do cimento com água). A partir daí, desenvolvem-se vínculos químicos entre as superfícies dos grãos do cimento e as partículas de solo que estão em contato com o mesmo. Sendo assim, durante o processo de estabilização do solo com cimento, ocorrem dois tipos de reações: as reações de hidratação do cimento Portland e as reações entre os argilominerais e a cal liberada na hidratação do cimento ( C3S, β-C2S, C3A, C4AF + H2O). Estas reações podem ser exemplificadas da seguinte forma: a) Reações de hidratação do cimento C3S + H2O → C3S2Hx (gel hidratado) + Ca(OH)2 Ca(OH)2 → Ca++ + 2(OH)- Se o PH da mistura abaixar: C3S2Hx → CSH + Cal b) Reações entre a cal gerada na hidratação e os argilominerais do solo: Ca++ + 2(OH)- + SiO2 (Sílica do solo) → CSH Ca++ + 2(OH)- + Al2O3 (Alumina do solo) → CAH As últimas reações são chamadas pozolânicas e ocorrem em velocidade mais lenta. O CSH é um composto cimentante semelhante ao C3S2Hx.

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Nos solos granulares desenvolvem-se vínculos de coesão nos pontos de contato entre os grãos (semelhante ao concreto, porém o ligante não preenche todos os espaços). Nos solos argilosos a ação da cal gerada sobre a sílica e alumina do solo resulta o aparecimento de fortes pontos entre as partículas de solo. Surge então a seguinte questão: Por que os solos granulares respondem melhor à estabilização com cimento? Porque nos solos argilosos a reação da cal gerada na hidratação e os argilominerais ocasionam uma queda no PH da mistura, afetando a hidratação e o endurecimento do cimento. Se o PH abaixar, o composto C3S2Hx reage novamente formando CSH e cal. Como o C3S2Hx é responsável pela maior parte da resistência da mistura solo-cimento, o aparecimento do CSH é indesejável quando provém deste composto, sendo benéfico apenas quando origina-se das reações da cal com os argilominerais. Portanto as reações de hidratação do cimento são as mais importantes e respondem pela maior parte da resistência final alcançada para a mistura. Nos solos argilosos a resistência devido às reações pozolânicas se dão às custas de um decréscimo de contribuição da matriz cimentante. 4.6.3 - Fatores que influenciam na estabilização solo-cimento Por envolver aspectos físico-químicos tanto do cimento quanto do solo, este tipo de estabilização é influenciada por inúmeros fatores: a) Tipo de solo Todo solo pode ser estabilizado com cimento, porém os solos arenosos (granulares) são mais eficientes que os argilosos por exigirem baixos teores de cimento. b) Presença no solo de materiais nocivos ao cimento A presença de matéria orgânica no solo afeta a hidratação do cimento devido à absorção dos ions de cálcio gerado, resultando uma queda no PH da mistura. Os sulfatos geralmente encontrados nas águas do solo combinam com o aluminato tricálcico do cimento hidratado formando o sulfo-aluminato de cálcio (sal de Candlot) que ocupa grande volume, provocando quebra de ligações cimentícias. c) Teor de cimento A resistência da mistura solo-cimento aumenta linearmente com o teor de cimento, para um mesmo tipo de solo. O teor de cimento depende do tipo de solo, quanto maior a porcentagem de silte e argila, maior será o teor de cimento exigido. Para alcançar o valor ideal do teor de cimento para um tipo de solo, deve -se recorrer aos procedimentos de dosagem.

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d) Teor de umidade da mistura Assim como nos solos naturais, as misturas solo-cimento exigirão um teor de umidade que conduza a uma massa específica seca máxima, para uma dada energia de compactação. O acréscimo de cimento ao solo tende a produzir um acréscimo no teor de umidade e um decréscimo na massa específica seca máxima, devido a ação floculante do cimento. O teor de umidade ótimo que conduz à máxima massa específica seca não é necessariamente o mesmo para a máxima resistência. Este último está localizado no ramo seco para os solos arenosos e no ramo úmido para os solos argilosos. e) Operações de mistura e compactação A demora de mais de duas horas entre a mistura e a compactação pode trazer significantes decréscimos tanto na massa específica seca máxima quanto na resistência do produto final. O decréscimo na massa específica seca máxima é causado pelo aumento do PH da água quando esta entra em contato com o cimento, causando floculação das partículas de argila. Se o tempo mistura-compactação for grande, são produzidos grandes quantidades de argila floculada, que irá absorver da compactação. Recomenda-se que a compactação deva iniciar-se logo após a mistura e complementada dentro de duas horas. f) Tempo e condições de cura Como no concreto, a mistura solo -cimento ganha resistência por processo de cimentação das partículas durante vários meses ou anos, sendo maior até os 28 dias iniciais. Neste período deve ser garantido um teor de umidade adequado à mistura compactada. Diferente do concreto, a temperatura de cura deve ser elevada para propiciar elevadas resistências. Durante as reações pozolânicas, a temperatura tende a elevar-se. Nos países de clima quente pode-se empregar um teor de cimento menor para atingir a mesma resistência à compressão que seria alcançada em um pais de clima frio. 4.6.4 – A dosagem do solo-cimento Solo-cimento é o produto endurecido resultante da mistura íntima compactada de solo, cimento e água, em proporções estabelecidas através de dosagem racional, executada de acordo com as normas aplicáveis ao solo em estudo. (ABCP, 1986) Dosagem de solo-cimento é a seqüência de ensaios realizados com uma mistura de solo, cimento e água, seguida de interpretação dos resultados por meio de critérios

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preestabelecidos, sendo o resultado final, a fixação das três varáveis citadas (ABCP, 1986). Em 1935, a Portland Cement Association (PCA) fez as primeiras tentativas para criação de normas para a mistura solo-cimento. Em 1944 e 1945 a ASTM e AASHO, respectivamente, adotaram o método de dosagem idealizado pela PCA. Aqui no Brasil, já em 1941, a ABCP publicou métodos análogos que constavam procedimentos análogos ao da PCA. Em 1962, foram feitas algumas modificações (simplificações) na Norma Geral de Dosagem do Solo-Cimento, dando origem à chamada Norma Simplificada de Dosagem Solo-Cimento. Em 1990, após ter sido estudada e aprovada pela comissão de estudos da ABCP (Associação Brasileira de Normas Técnicas), surgiu a nova norma de dosagem de mistura solo-cimento que recebeu o número de registro NB 01336, designada “Solo-cimento - dosagem para emprego como camada de pavimento (NBR 12253). As normas brasileiras baseiam-se nos métodos de dosagem da Portland Cement Association (PCA) e na comprovação dos resultados de um grande número de obras executadas e em uso, com uma enorme variedade de solos, desde 1939. Serão mostrados aqui, os procedimentos para dosagens de mistura solo-cimento pela nova norma (NBR 12253) assim como breve resumo das antigas “Norma geral” e “Norma Simplificada”. Breve resumo da norma geral de dosagem solo-cimento A dosagem de uma mistura solo-cimento pode ser considerada como experimental, onde diferentes teores de cimento são empregados nos ensaios e a análise dos resultados indica o menor deles capaz de estabilizar o solo sob a forma de solo-cimento. Como resumo das principais operações pode-se citar: a) Identificação e classificação do solo b) Escolha do teor de cimento para ensaio de compactação c) Execução do ensaio de compactação do solo-cimento d) Escolha dos teores de cimento para o ensaio de durabilidade e) Moldagem do corpo de prova para o ensaio de durabilidade f) Execução do ensaio de durabilidade por molhagem e secagem g) Escolha do teor de cimento adequado em função dos resultados do ensaio

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Breve resumo da norma simplificada de dosagem do solo-cimento A duração do ensaio de durabilidade por molhagem e secagem pode ser apontada como a maior desvantagem da aplicação da norma geral para uma dosagem de solo-cimento. Procurou-se então uma correlação entre o ensaio de durabilidade e outro ensaio mais simples. A PCA (Portland Cement Association), baseada em análises estatísticas dos resultados de ensaios de durabilidade e ensaios de compressão simples aos 7 dias criou a norma simplificada de dosagem solo-cimento. Esta análise foi baseada em amostras de 2438 solos arenosos. (ABCP, 1986) O fundamento do método foi extraído dos resultados desta série de resultados, onde foi constatado que um solo arenoso, com determinada granulometria e massa específica aparente máxima seca, requererá o mesmo teor de cimento indicado pelo ensaio de durabilidade se alcançar uma resistência à compressão aos 7 dias superior a um determinado valor especificado. Aplicação da Norma Simplificada Esta norma simplificada só é aplicável a solos que satisfaçam ao mesmo tempo às seguintes condições: - Possuir no máx. 50% de material com diâmetro médio menor que 0,05mm (Silte +

Argila). - Possuir no máx. 20% de material com diâmetro médio menor que 0,005mm (Argila). Métodos Empregados - Método A: Usado quando toda amostra original passar na peneira de 4,8mm. - Método B: Usado quando parte da amostra original de solo ficar retida na peneira

4,8mm (material passante na peneira 19mm). Sequência de Dosagem a) Ensaios preliminares de solo b) Ensaio de compactação do solo-cimento (hot e γdmax) c) Determinação da resistência à compressão simples aos 7 dias

d) Comparação entre a resistência à compressão simples média obtida e a resistência à compressão simples admissível para o solo em estudo.

4.6.5 - A nova norma de dosagem solo-cimento (NBR 12253) Baseado na experiência brasileira adquirida ao longo dos anos, o uso dos solos a serem utilizados nas bases e sub-bases de solo-cimento restringiu-se aos tipos A1, A2, A3 e A4. Desta forma os solos siltosos e argilosos foram descartados devido a dificuldades do processo de execução.

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Todo tipo de solo pode, a princípio, ser estabilizado com cimento, porém os solos finos requerem teores elevados de cimento, tornando-se assim inadequados para fins de estabilização devido ao fator econômico. Devido a esta limitação da utilização dos solos finos para a estabilização solo-cimento, eliminou-se também o ensaio de durabilidade por molhagem e secagem. Surgiu daí a necessidade de criação de um novo procedimento de dosagem mais preciso. (Nascimento, 1991). Procedimentos de dosagem a) Ensaios preliminares do solo: Visando sua identificação e classificação, utiliza-se a classificação HRB e somente os solos tipo A1, A2, A3 e A4 são estudados para a mistura solo-cimento, descartando-se assim os solos argilosos e siltosos. b) Escolha do teor de cimento para ensaio de compactação É baseado no quadro a seguir. Este quadro foi retirado da Norma Geral de dosagem e pode ser usado quando não se tenham experiências anteriores com o solo em questão.

Classificação do solo Teor de Cimento. Sugerido em Massa ( % )

A1-a 5 A1-b 6 A2 7 A3 9 A4 10

c) Execução do ensaio de compactação Feito para obtenção de hot e γdmax para o teor de cimento indicado. d) Determinação do teor de cimento para ensaio de compressão simples. Para solos que apresentam 100% de material passante na peneira de 4.8 mm utilizar a Figura 21 a seguir. Para solos que apresentam até 45% de material retido na peneira de 4.8 mm utilizar a Figura 22 a seguir.

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Figura 21 - Teor de Cimento em Massa Indicado

Figura 22 - Teor de Cimento em Massa Indicado

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e) Moldagem de 3 corpos de prova (no mínimo) para o teor de cimento selecionado

Para execução do ensaio de compressão simples. Podem ser moldados corpos-de- prova com um ou mais teores de cimento. Após a moldagem os corpos de prova devem ser submetidos ao período de cura. f) Execução do ensaio de compressão simples (MB 03361 - NBR 12025) g) Resultado da dosagem. Após a execução dos ensaios de compressão simples, calcula -se a média aritmética das resistências à compressão simples correspondentes a um mesmo teor de cimento. Não considerar os corpos de prova cuja resistência à compressão se afaste mais de 10% da média calculada. O número de corpos de prova mínimo para cálculo da média é dois. O teor de cimento a ser adotado, capaz de estabilizar uma camada de pavimento através de uma mistura solo-cimento, será o menor dos teores que forneça resistência média à compressão simples aos 7 dias igual ou superior a 2.1 Mpa ( 2100 Kpa ). O valor de 2.1 Mpa foi fixado por ser um número já consagrado no meio rodoviário devido ao bom desempenho dos pavimentos conseguido com solos estudados com este valor de resistência. Para a determinação do teor de cimento a ser adotado é permitida a interpolação dos dados de modo a indicar o valor mínimo de resistência à compressão média especificado de 2.1 Mpa. A extrapolação de dados não é permitida. O teor mínimo recomendado pela norma é de 5%. Para se transformar o traço obtido em peso (% massa) em volume (% volume) utilizar o ábaco da figura 23.

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Figura 23 - Ábaco de Transformação do Teor de Cimento em Massa em Teor de

Cimento em Volume (%) h) Exemplos numéricos

1) Considerar um solo com os seguintes resultados prévios de laboratório: - Granulometria: Pedregulho grosso: 10% Pedregulho fino: 5% Areias grossa: 23% Areia fina: 33% Silte: 6% Argila: 23% % pass. # nº 200: 32% - Índices de consistência: LL = 25% LP = 19% IP = 6% - Massa específica (agregado grosso): 2630 Kg/cm3 - Absorção (agregado graúdo): 1,2% - Umidade do solo miúdo: 3%

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2) Determinar o teor de cimento indicado para a realização do ensaio de compressão simples para o solo com as seguintes características: - Pedregulho fino: 3% - Areia fina: 60% - Argila: 18% - Areia grossa: 12% - Silte: 7% - Classificação segunda a HBR: A2 - Após execução do ensaio de compactação: σdmax = 1930 g/cm3 hot = 11,2 % 3) Para o exemplo acima, supondo que tenha sido executado o ensaio de compressão simples com os teores de 5%, 6% e 7%, qual o teor que você adotaria como definitivo com base nos seguintes resultados: CP 01 (5%) → RCS = 2080 Kpa CP 02 (6%) → RCS = 2355 Kpa CP 03 (7%) → RCS = 2400 KPa 4) Determinar o teor de cimento indicado para a realização do ensaio de compressão simples para o solo com a seguintes características: - Pedregulho grosso: 20% - Areia grossa: 19% - Silte: 12% - Pedregulho fino: 3% - Areia fina: 31% - Argila: 15% - Classificação segunda a HBR: A1a - Após execução do ensaio de compactação: σdmax = 2000 g/cm3 hot = 8,7 % 5) No exemplo anterior, supondo terem sido moldados 3 corpos de prova com os teores de cimento de 4%, 5% e 6% e estes submetidos a ensaios de compressão simples, cujos resultados encontram-se abaixo, determine qual o teor adotado para o caso em análise.

CP 01 (4%) → RCS = 1860 Kpa CP 02 (5%) → RCS = 2080 Kpa CP 03 (6%) → RCS = 2150 KPa

4.6.6 - Execução na pista (Senço, 1972) A mistura solo-cimento pode ser executada de duas formas: Mistura no local: com material da própria estrada com material vindo de fora Mistura em Central: usinas fixas: Betoneira, grandes centrais usinas móveis: Pulvi-mix

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As misturas feitas em usinas fixas (centrais de usinagem) constituem um processo mais eficiente, uma vez que o produto final é praticamente perfeito e muito mais rápido que o processo de mistura na pista. A utilização de usinas de solo-cimento é justificada em função da quantidade do serviço a ser executado, não sendo utilizada para pequenas quantidades. As instalações de uma usina de solo-cimento são praticamente as mesmas de uma usina de solos convencional, podendo-se destacar os seguintes componentes principais: a) Silos de solos Depósitos destinados a receber o solo (ou solos) que serão utilizados na mistura, construídos de madeira ou chapa metálica, normalmente em forma de tronco de pirâmide. A calibração é feita pelo processo usual onde a comporta de saída é aberta com diversas alturas, anotando-se a quantidade que se escoa em um determinado tempo. Com os pares de valores Abertura da comporta x Produção horária pretendida, traçados em um gráfico, obtém-se a abertura necessária do silo. Esta calibração também pode ser feita em função da quantidade de material que cai em um espaço linear de um metro da esteira transportadora. Neste caso varia-se a abertura da comporta ou a velocidade de transporte das correias. b) Silo de cimento Geralmente em formato cilíndrico, tem a função de armazenar o cimento a ser usado na mistura. Para grandes volumes de mistura, o carregamento do cimento é feito diretamente dos caminhões transportadores por meio de sucção. Nestes casos é recomendado a utilização de cimento a granel. O processo de calibração deste silo é similar ao de solo. c) Correias transportadoras São as responsáveis pelo transporte dos solos e do cimento dos silos até o misturador. Devem ter uma inclinação suficiente para levar os materiais desde as comportas dos silos até a boca do misturador. d) Depósito de água: Reservatório destinado a fornecer água para que a mistura solo-cimento já saia da usina com o teor ótimo de umidade. Dependendo da distância até o local da obra este teor pode ser majorado, para haver uma compensação devido as perdas por evaporação.

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e) Misturador É o compartimento destinado a execução da mistura propriamente dita do solo com o cimento e água. Normalmente é constituído por eixos dotados de pás (paletas) que giram em sentidos contrários, jogando os materiais contra as paredes do compartimento. A mistura da água pode ser feita continuamente (junto com o solo e o cimento) ou logo após a mistura “seca” (solo e cimento). Na figura 24 é mostrado um esquema de funcionamento de uma usina de solo-cimento.

Figura 24 - Esquema de uma usina de Solo-Cimento (Senço, 1972) 4.6.7 – Operações básicas para solo-cimento in-situ Nas misturas de solo-cimento feitas no local (mistura in situ) destacam-se as seguintes operações básicas: 1)Pulverização e determinação da umidade natural 2)Distribuição e espalhamento do cimento 3)Mistura do cimento com o solo pulverizado 4)Adição de água à mistura do solo-cimento 5)Mistura do solo-cimento umedecido 6)Compactação e acabamento 7)Cura 8)Preparo para execução do novo trecho

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a) Pulverização e homogeneização do solo O material vindo da jazida (ou já escarificado ) deve ser pulverizado e homogeneizado até que 80% do material miúdo esteja reduzido a partículas de diâmetro inferior a 4,8 mm .Usa-se Patrol, grade de disco, Pulvi-mix,etc. b) Distribuição e espalhamento do cimento Após a regularização do solo pulverizado em toda a seção transversal espalha-se o cimento (em sacos) nas quantidades projetadas, distribuindo-os uniformemente por toda a superfície de modo a assegurar posterior espalhamento por processo mecânico. Um esquema da distribuição manual dos sacos se cimento pela seção transversal é mostrado na figura 25. Este esquema será utilizado no exemplo numérico ao final deste assunto.

Figura 25 - Esquema de Distribuição Manual do Cimento na pista (Senço, 1972) c) Mistura do cimento com o solo pulverizado Executada através de escarificadores e pela lâmina da Patrol. A mistura do solo com o cimento deverá ocorrer em toda a espessura da camada, repetidas vezes até se conseguir uma tonalidade uniforme em toda a espessura. Em seguida a mistura deve ser nivelada obedecendo ao greide e a seção transversal. d) Adição de água a mistura Deverá ser feita progressivamente. É aconselhável que a umidade não aumente mais de 2% em cada passada do Carro-tanque. O caminhão Pipa deve ser equipado,

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quando possível, com dispositivo de controle de água por pressão. Desta forma pode-se calcular a quantidade de água a ser distribuída (função também do teor de umidade do solo) em cada passada. Pode-se ajuntar a água ao solo pulverizado na véspera, antes da adição do cimento, até atingir uma umidade próxima da hot. Tolera-se uma variação de 0,9 a 1,1 vezes o teor indicado (hot). e) Mistura do solo-cimento umedecida Feita por Pulvi-mix ou grade de disco. Na fase final a umidade deve ser controlada de 40 em 40 m. Qualquer deficiência deve ser corrigida. f) Compactação e acabamento Para solos arenosos deve-se empregar rolos pneumáticos ou lisos e para solos argilosos o rolo pé-de-carneiro deve ser usado no início e os pneumáticos ou lisos usados ao final. A espessura de compactação não deve ser menor que 5cm. A camada superficial deve ser mantida na umidade ótima ou ligeiramente acima e feita a conformação do trecho ao greide e abaulamento desejados. Após a conclusão da compactação deve ser feito um acerto final na superfície para eliminação de saliências, não podendo fazer correções de depressão através de adição de material. Pode-se usar grades de dentes ou escova metálica. g) Cura Após a compactação o trecho deverá ser protegido por um período de 7 dias. Usa-se cobrir o trecho com uma camada de solo de mais ou menos 5 cm ou capim (10 cm) que deverão ser mantidos unidos para conservação da umidade. Também pode ser usado material betuminoso para proteção. h) Controles de Execução Sendo feitas as misturas na pista ou em usinas, são realizados os seguintes controles tecnológicos: Granulometria; ensaio de finura do cimento; grau de pulverização; teor de cimento; teor de umidade; massa específica aparente “In situ”; ensaio de compactação; ensaio de resistência à compressão. Também são feitos os controles Geométricos necessários em relação à largura da plataforma, flecha de abaulamento e espessura média. i) Exemplo numérico Deseja-se construir uma camada de base de um pavimento rodoviário em solo-cimento. A execução deverá ser feita na própria pista, uma vez que não se dispõe de usina misturadora nas proximidades da obra. A seguir são dados todas as características técnicas dos materiais, do projeto e dos equipamentos a serem

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utilizados. Determine: a quantidade de solo a ser importado para a pista (n° de viagens, espessura solta, espaçamento p/ descarga), a quantidade de cimento (massa de cimento, n° de sacos, espaçamento dos sacos) e a quantidade de água (volume de água, número de viagens do carro-pipa) a ser utilizado no processo construtivo. L → extensão do trecho = 30 Km ec → espessura compactada = 15 cm L → largura da plataforma = 8m c → teor de cimento em volume = 10% δci → densidade do cimento = 1,42 g/cm3 δmax sc → densidade máxima do solo-cimento = 2,00 g/cm3 δs → densidade do solo solto = 1,50 g/cm3 Hosc → umidade ótima do solo -cimento = 11% Hn → umidade do solo natural = 4% He → perda por evaporação = 2% q → capacidade dos caminhões transportadores = 6 m3 Q → capacidade das irrigadoras = 8000 l Referências Bibbliográficas 1) ABCP. “Dosagem das misturas de solo-cimento - Normas de dosagem”. ET 35, São

Paulo, 1986. 2) Nascimento, A. A. P.; Junior, F. A. “Solo-cimento - a nova norma de dosagem”. 29ª

Reunião Anual de Pavimentação, São Paulo, 1991. 3) Senço, W. “Pavimentação” Escoloa Politécnica de São Paulo, Vol 1 e 2, 2ª edição,

São Paulo, 1972. 4.7 - Estabilização solo-cal: A Cal é um aglomerante resultante da calcinação de rochas calcárias (calcários ou dolomitos), a uma temperatura inferior à do início de fusão do material. Dentre as várias opções de aplicação da cal pode-se citar: dar plasticidade às argamassas, construção de sub-bases e bases, fabricação de tijolos, blocos e painéis. O esquema de produção da cal pode ser assim resumido: CaCO3 (calcário) + calor → CaO + CO2 CaCO3MgCO3 (dolomito) + calor→ CaOMgO + 2CO2 CaO → óxido de cálcio não hidratado → cal cálcica ou calcítica CaOMgO → cal dolomítica

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O processo de hidratação da cal acontece da seguinte maneira: CaO + H2O → Ca(OH)2 (cal cálcica hidratada) + calor CaCO3MgCO3 + H2O → Ca(OH)2MgO (cal dolomítica hidratada) + calor 4.7.1 - A mistura solo-cal É uma técnica de estabilização utilizada em vários países. Suas principais funções são: - Melhoria permanente das características do solo; - Aumenta a resistência à ação da água; - Melhoria do poder de suporte; - Melhoria da trabalhabilidade de solos argilosos. Ao misturar a cal ao solo em condições ótimas de umidade, ocorrem reações químicas que provocam alterações físicas nos mesmos, tais como: - O índice de plasticidade (IP) cai; - O limite de plasticidade (LP) aumenta e o limite de liquidez (LL) cai; - A fração do solo passante na peneira n°80 (0,42mm) decresce; - A contração linear e expansão decrescem;

- A água e a cal aceleram a desintegração dos torrões de argila durante a pulverização, tornando os solos mais trabalháveis;

- A resistência à compressão aumenta; - Aumento da capacidade de carga; - Facilita a secagem do solo em áreas alagadiças;

-Nas bases e sub-bases estabilizadas com cal, produz uma barreira resistente à penetração da água por gravidade e promove rápida evaporação da umidade existente.

4.7.2 - Mecanismos de reação da mistura solo-cal a) Troca catiônica: A adição de cal ao solo provoca substituição de cátions monovalentes por cátions bivalentes. b) Floculação e aglomeração: As reações provocam diminuição da dupla camada resultando na floculação das partículas argilosas. c) Reações pozolânicas: Reação da sílica e alumina do solo com a cal, formando os agentes cimentantes, que são os responsáveis pelo aumento de resistência na mistura solo-cal. d) Carbonatação: A cal reage com dióxido de carbono da atmosfera formando carbonatos de cálcio e/ou magnésio, que são compostos cimentantes fracos.

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4.7.3 - Fatores que influenciam no processo de estabilização dos solos com cal

a) Tipo de cal empregado: Pode-se empregar tanto cal virgem quanto cal hidratada. Cales calcíticas hidratadas produzem menores resistências que cales dolomíticas hidratadas. b) Tipo de solo: Solos finos correspondem melhor à estabilização com cal que solos granulares porque uma maior superfície específica refletirá em reações mais intensas entre a cal e as partículas de solo. A mineralogia do solo também influencia nas reações. c) Tempo de cura: Ganhos muito pequenos de resistência nas idades iniciais e maiores desenvolvimentos para maiores períodos de tempo. d) Influência da temperatura: Quando a cura for a baixas temperaturas, o aumento de resistência é lento, a temperaturas normais a velocidade é maior, e a altas temperaturas (60°C) as resistências evoluem rapidamente. 4.7.4 - Tipos de estabilização com cal a) Solo modificado com cal: visa reduzir a plasticidade do solo e aumentar a

trabalhabilidade. b) Solo cimentado com cal: visa obter um material com maior resistência e

durabilidade. Não existe no Brasil metodologia para dosagem e dimensionamento de misturas solo-cal. Para misturas que apresentam ganhos de resistência, o ensaio de compressão simples é utilizado para dosagem. A avaliação da capacidade de suporte das misturas solo-cal é feita mediante o ensaio de ISC (CBR). Normalmente são utilizados procedimentos de dosagem experimentais. 4.8 - Estabilização solo-betume É uma mistura de materiais betuminosos (emulsão, asfaltos líquidos, alcatrões) e solos argilo-siltosos ou argilo-arenosos para trabalharem como material estabilizado para base ou sub-base, impermeabilizando o solo e aumentando o seu suporte.

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4.8.1 - Tipos de misturas - Areia-asfalto ou areia-betume: é a mais difundida, com facilidade de controle da

qualidade e economicamente mais competitiva. - Solo-betume: seu controle é mais rigoroso, maior teor de betume e com funções de

impermeabilização. 4.8.2 - Principais funções do betume a) Quando usado em solos granulares (areia-betume): A função do ligante é gerar forças de natureza coesiva ao solo, aumentando de certa forma o seu valor de suporte. b) Quando usada em solos argilosos (solo-betume): A função do ligante é garantir a constância, na mistura, do teor de umidade de compactação, promovendo uma ação impermeabilizante. Esta ação é realizada tanto pelo obturamento dos canalículos do solo, por onde poderia ocorrer uma ação capilar da água, como pela criação de películas hidrorrepelentes envolvendo agregação de partículas finas que impedem que a água penetre na mistura. 4.8.3 - Teor de betume Varia em torno de 4 a 6% em peso de solo seco, sendo função da quantidade de argila, silte, areia, vazios e densidade do solo. Quanto mais fino o solo, maior será a quantidade de betume requerida. Quando usado em excesso, diminui a estabilidade e passa a agir como lubrificante. 4.8.4 - Métodos de dosagem Existem alguns métodos que podem ser utilizados, sendo todos extraídos da literatura americana: Método Califórnia modificado; Método Hubbard Field; Ensaio do penetrômetro de cone; Ensaio do valor do suporte Flórida; Ensaio do índice de suporte Texas.

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4.9 – Estabilização granulométrica Neste item serão abordados os processos pelos quais se misturam dois ou mais agregados de granulometrias diferentes de modo a enquadrá-los em uma especificação qualquer. É comum a apresentação da especificação em “faixas de trabalho” onde são mostrados os limites inferior e superior da granulometria. Desta forma, a granulometria ideal a ser alcançada ou exigida é aquela que representar o ponto médio dos limites extremos. Os projetos de mistura de agregados são muito utilizados na execução de bases e sub-bases estabilizadas granulometricamente, em misturas betuminosas ou quaisquer outras misturas que envolvam dois ou mais materiais de granulometrias diferentes (misturas solo-cimento, solo -cal, macadames, etc.). Os solos arenosos são, de um modo geral, facilmente destruídos por ações abrasivas, quando analisados separadamente, devido a falta do “ligante”. Já os solos argilosos, também analisados separadamente, são muito deformáveis, com baixa resistência ao cisalhamento, quando absorvem água. Na prática, é comum e necessário misturarmos estes dois tipos de solos, ou seja, solos com características granulares e solos com características coesivas, para obtermos uma mistura com propriedades ideais de resistência e trabalhabilidade. Surgiram então duas idéias básicas para as técnicas de correção de algumas propriedades dos solos através da manipulação de suas granulometrias:

a) Hipótese de graduação ideal: Em geral, a uma maior compacidade corresponde uma maior resistência. As diferentes formas das partículas têm grande influência neste conceito.

b) Hipótese de “Binder”: Nesta, além de levar em cinta a hipótese anterior, considera-se o solo constituído de duas frações (agregado e ligante) onde busca-se o máximo de compacidade para cada fração.

4.9.1 - Métodos de misturas Para se atender uma determinada granulometria, exigida por uma especificação qualquer, e dispondo-se de dois ou mais materiais, podemos construir um material ideal que seja uma mistura conveniente dos outros materiais. Para a perfeita execução desta mistura em causa, depõe-se de alguns processos de cálculo, quais sejam: - MÉTODO ANALÍTICO - MÉTODO DAS TENTATIVAS - MÉTODOS GRÁFICOS: - MÉTODO DO TRIÂNGULO EQUILÁTERO - MÉTODO DE RUTHFUCHS - MÉTODO DAS COMPOSIÇÕES SUCESSIVAS

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4.9.2 - Método analítico Sendo dados os agregados A, B, C, ..., com, respectivamente x%, y%, z%, ..., passante numa série de peneiras e desejando-se projetar uma mistura “M” com m1%, m2%, m3%, ..., passante na mesma série de peneiras, pode-se sempre estabelecer um sistema de N equações em que uma delas é:

x% + y% + z% + ... = 100

E as outras N - 1 equações são do tipo:

x An + y Bn + z Cn + ... = mn 100 100 100

Onde: x,y,z, ... ⇒ Porcentagens de cada material (A,B,C, ...) que entrará na mistura

para se obter o material M An,Bn,Cn, ⇒ Porcentagens passantes nas “n” peneiras de uma série mn ⇒ Porcentagens passantes, requeridas pela especificação, para as

“n” peneiras da série n ⇒ número de peneiras de uma série (N - 1)

Exemplo numérico e especificação Executar uma mistura com os materiais 1, 2 e 3 de modo a satisfazer a especificação dada a seguir, utilizando o método analítico.

Peneiras % em Peso Passante Especificação Especificação (Pol.) (mm) Mat 1 Mat 2 Mat 3 % Peso Pass. Ponto Médio

1” 25,40 100 100 100

3/4” 19,10 88 80 - 100 90 1/2” 12,70 75 65 - 95 80 3/8” 9,50 53 45 - 80 62 nº 4 4,80 31 100 28 - 60 44 nº 10 2,00 17 95 20 - 45 32 nº 40 0,42 8 70 100 10 - 32 21 nº 80 0,18 6 40 83 8 - 20 14

nº 200 0,074 3 0 52 3 - 8 5 Solução Armam-se tantas equações quantas forem o número de peneiras:

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Equações: 1) 100x + 100y + 100z = 100 2) 88x + 100y + 100z = 90 3) 75x + 100y + 100z = 80 4) 53x + 100y + 100z = 62 5) 31x + 100y + 100z = 44 6) 17x + 95y + 100z = 32 7) 8x + 70y + 100z = 21 8) 6x + 40y + 83z = 14 9) 3x + 0y + 52z = 5 Resolvendo o sistema: 1 - 2 ⇒ 100x + 100y + 100z = 100 88x + 100y + 100z = 90 12x = 10 então x = 10 / 12 = 83,33 % 1 - 3 ⇒ 100x + 100y + 100z = 100 75x + 100y + 100z = 80 25x = 20 então x = 20 / 25 = 80,00 % 1 - 4 ⇒ 100x + 100y + 100z = 100 53x + 100y + 100z = 62 47x = 38 então x = 38 / 47 = 80,85 % 1 - 5 ⇒ 100x + 100y + 100z = 100 31x + 100y + 100z = 44 69x = 56 então x = 56 / 69 = 81,15 % Adotando-se um valor médio para x = 80 % 5 - 6 ⇒ 31x + 100y + 100z = 44 17x + 95y + 100z = 32 14x + 5y = 12 então y = (12 - 14 x 0,80) / 5 = 16% z = 100 - 80 - 16 = 4% Outra opção: de (9) vem: 3 x 0,80 + 52z = 5 então z = (5 - 3 x 0,80) / 52 = 5%

y = 100 - 80 - 5 = 15% Solução final: x = 80% y = 16% z = 4% ou x = 80% y = 15% z = 5% Com as porcentagens encontradas para cada material, calcula-se a granulometria do material M e compara-se com a especificação.

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% em Peso Passante Especif. Especif. Peneiras Material M % Peso Pass. Pto. Médio

1” 0,80 x 100 + 0,15 x 100 + 0,05 x 100 = 100 100 100 3/4” 0,80 x 88 + 0,15 x 100 + 0,05 x 100 = 90,40 80 - 100 90 1/2” 0,80 x 75 + 0,15 x 100 + 0,05 x 100 = 80,00 65 - 95 80 3/8” 0,80 x 53 + 0,15 x 100 + 0,05 x 100 = 62,40 45 - 80 62 nº 4 0,80 x 31 + 0,15 x 100 + 0,05 x 100 = 44,80 28 - 60 44 nº 10 0,80 x 17 + 0,15 x 95 + 0,05 x 100 = 32,85 20 - 45 32 nº 40 0,80 x 8 + 0,15 x 70 + 0,05 x 100 = 21,90 10 - 32 21 nº 80 0,80 x 6 + 0,15 x 40 + 0,05 x 83 = 14,95 8 - 20 14 nº 200 0,80 x 3 + 0,15 x 0 + 0,05 x 52 = 5 3 - 8 5

Para o caso de três materiais e três faixas granulométricas, tem-se:

% em Peso Retido Peneiras Mat 1 Mat 2 Mat 3 Especificação

Ag. Graúdo (Ret.# 10) a = 83 d = 5 g = 0 M1 = 68 (80-55)

Ag. Miudo (#10 e #200) b = 14 e = 95 h = 48 M2 = 27 (17-37) Filler (Pass. # 200) c = 3 f = 0 i = 52 M3 = 5 (3-8)

% na Mistura x y z Seguindo-se uma formulação específica para o caso de três equações e três incógnitas, temos os seguintes va lores para o exemplo dado: x = (M2-h)(d-g) - (M1-g)(e-h) = (27-48)(5-0)-(68-0)(95-48) = (-21x5)-(68x47) = - 3301 (b-h)(d-g) - (a-g)(e-h) (14-48)(5-0)-(83-0)(95-48) (-34x5)-(83x47) -4071 x = 81,08% y = (M2-h) - x(b - h) = (27-48) - 0,8108 (14 - 48) = -21 + 27,57 = 6,57 ( e - h ) ( 95 - 48 ) 47 47 y = 13,97% z = 1 - ( x + y ) = 1 - ( 0,8108 + 0,1397 ) z = 4,95% 4.9.3 - Método das tentativas Neste processo são feitas tentativas sucessivas para se determinar as porcentagens com que cada material deve entrar na mistura. Após cada tentativa são feitas algumas comparações com a especificação a atender. As operações são repetidas até conseguir o atendimento satisfatório da especificação.

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O sucesso deste método depende da primeira tentativa. Quando se trabalha com três agregados com granulometrias próximas do agregado graúdo, agregado miúdo e filer, recomenda-se como regra prática para a primeira tentativa as seguintes correlações: M1 → Agregado Graúdo → X % M2 → Agregado Miúdo → Y % ⇒ X = 2Y M3 → Filer → Z % Z = ± 5 %

Por exemplo: X= 65%; Y= 30%; Z= 5% ou X= 60%; Y= 35%; Z= 5%; etc.

A metodologia consiste dos seguintes passos, de acordo com o quadro abaixo: 1- Arbitrar a primeira tentativa. Para o exemplo dado: X= 65%; Y= 30%; Z= 5% 2- Preencher as colunas 2, 5 e 8 com a granulometria de cada material a ser misturado 3- Preencher as colunas 3, 6 e 9, somando os resultados na coluna 11 4- Comparar os valores da coluna 11 com os da coluna 14 (faixa granulométrica

especificada) 5- Comparar os valores da coluna 11 com os da coluna 13 (ponto médio da

especificação) 6- Caso a primeira tentativa não tenha atendido a especificação fazer nova tentativa

baseada nos resultados encontrados até o momento. Analisar quais os materiais a serem diminuídos na mistura e quais a serem aumentados. Para o exemplo dado: X= 80%; Y= 15%; Z= 5%

7- Preencher as colunas 4, 7 e 10, somando os resultados na coluna 12 8- Comparar os valores da coluna 12 com os das colunas 14 e 13 Obs: No caso de 4 materiais, a primeira deve ser feita segundo o seguinte esquema:

M1 e M2 → Brita 1 e 2 → X% M1 e M2 → Dobro de M3 M3 → Areia → Y% ⇒ M1 ≈ M2 M4 → Filler → Z% M4 = ± 5%

1 M1 M2 M3 11 12 13 14

Penei ras 2

3

65%

4

80% 5

6

30%

7

15% 8

9

5%

10

5%

1ª Tent

2ª Tent

Ponto Médio

Espec.

1” 100 65,00 80,00 100 30,00 15,00 100 5,00 5,00 100,0 100,0 100 100

3/4” 88 57,20 70,40 100 30,00 15,00 100 5,00 5,00 92,20 90,40 90 80-100

1/2” 75 48,75 60,00 100 30,00 15,00 100 5,00 5,00 83,75 80,00 80 65-95

3/8” 53 34,45 42,40 100 30,00 15,00 100 5,00 5,00 69,45 62,40 62 45-80

nº 4 31 20,15 24,80 100 30,00 15,00 100 5,00 5,00 55,15 44,80 44 28-60

nº 10 17 11,05 13,60 95 28,50 14,25 100 5,00 5,00 44,55 32,85 32 20-45

nº 40 8 5,20 6,40 70 21,00 10,50 100 5,00 5,00 31,20 21,90 21 10-32

nº 80 6 3,90 4,80 40 12,00 6,00 83 4,15 4,15 20,05 14,95 14 8-20

nº200 3 1,95 2,40 0 0,00 0,00 52 2,60 2,60 4,55 5,00 5 3-8

cap 4

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