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Influência da Matéria Orgânica na Estabilização de Solos Tratados com Cimento Cesar Alberto Ruver Universidade Federal do Rio Grande – FURG, Rio Grande/RS, Brasil, cesar.ruver@gmail.com Alan Bristot Universidade Federal do Rio Grande – FURG, Rio Grande/RS, Brasil, alanbristot@hotmail.com Cíntia Rodales Machado Universidade Federal do Rio Grande – FURG, Rio Grande/RS, Brasil, cintiarodales@hotmail.com RESUMO: Solos que não apresentam características geotécnicas adequadas podem ser tratados com cimento, que visa a melhora das propriedades mecânicas dos solos. Sabe-se que o tratamento de solos contendo matéria orgânica requer maiores teores de cimento, ou, dependendo do teor de matéria orgânica e o tipo, a estabilização torna-se ineficiente. Visto que todo e qualquer solo a ser estabilizado pode conter fração de matéria orgânica, a pesquisa foi desenvolvida a fim de determinar a interferência da matéria orgânica no método de estabilização com solo-cimento. Os materiais utilizados nas misturas foram: (a) areia de duna (A-3: areias finas - classificação HRB), encontrada em abundância no litoral do estado do Rio Grande do Sul, (b) cimento Portland CP IV 32, como agente cimentante e (c) erva-mate (ilex paraguariensis), caracterizando a contaminação por matéria orgânica. Foram realizadas previamente misturas com a fração passante na # 60, da erva-mate, nas proporções de 2,0%; 1,0%; 0,5% e 0;25% com 10% de água, visando uma pré-hidratação. Posteriormente com as dosagens de solo, cimento (9%) e matéria orgânica (proporções entre 0,25% a 2,0%), se confeccionou corpos-de-prova (CPs) com diâmetro de 5 cm e altura de 10 cm, devidamente compactados. Após as idades de cura de 7, 28, 90 e 180 dias em câmara úmida, os CPs foram submetidos ao ensaio de resistência à compressão simples (RCS). Os resultados dos ensaios de RCS, quando comparados com o solo isento de matéria orgânica, indicam que a resistência tende a cair consideravelmente com o aumento crescente dos teores de matéria orgânica. Ao analisar a umidade da mistura no momento da moldagem e após a ruptura, verificou-se que a água, ao final do processo de cura, não estava sendo incorporada nas reações com o cimento, mostrando a não ocorrência das reações pozolânicos, responsáveis pela resistência do cimento. A matéria orgânica influencia significativamente na resistência à compressão simples quando se utiliza o método de estabilização solo-cimento, por interferir nas reações químicas fundamentais para que a mistura adquira melhores propriedades mecânicas. PALAVRAS-CHAVE: Matéria Orgânica; Estabilização Química; Solo-Cimento. 1 INTRODUÇÃO A estabilização química de solos com agentes cimentantes, como o cimento Portland, tem sido empregada com sucesso em vários ramos da engenharia, por exemplo: camadas de pavimentos (base e sub-base), reforço de fundações à tração e à compressão, revestimento de taludes e faces internas de barragens, confecção de tijolos e blocos, entre outras aplicações (ACI, 2009; Consoli et al, 2013; Machado e Ruver, 2013). Inclusive o tratamento de solos locais tem se mostrado uma alternativa mais econômica em relação ao uso de materiais mais nobres, como o caso de pedra britada (Clare e Sherwood, 1954; Ruver et al, 2013). O emprego da técnica de estabilização de solos com cimento Portland já está consolidado no meio técnico internacional e nacional, havendo inclusive normativas brasileiras formuladas pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), a exemplo das normas NBR 8.491, NBR 8.492, NBR 10.833, NBR 10.834, NBR 10.836, NBR 12.023, NBR 12.024, NBR 12.025, NBR 12.253 e NBR 12.254; e pelo Departamento Nacional de Infra- Estrutura de Transportes (DNIT), a exemplo das normas DNER-ME 201, DNER-ME 202, DNIT-140/ES, DNIT-142/ES e DNIT-143/ES. A dosagem do solo-cimento é realizada em laboratório por meio de experimentação, através do ensaio de compressão simples. No caso de camadas de pavimentação, o teor mínimo de cimento deve ser aquele que forneça uma resistência à compressão simples de no mínimo 2,1 MPa (ANBT, 1992 e DNIT, 2010 ). No caso de tijolos solo-cimento, a resistência média deve ser de 2,0 MPa, sendo que nenhum tijolo da amostra deve ter resistência inferior a 1,7 MPa (ABNT, 2013). De uma forma geral, qualquer solo pode ser estabilizado por cimento, no entanto, quanto maior o teor de finos, maior a quantidade de cimento necessária para se atingir a resistência mínima requerida. Bernucci et al (2008) salientam que um solo para ser estabilizado deve ter certa proporção de areia, pois uma quantidade muita alta de argila, pode requerer mais cimento, tornando a solução muito onerosa. Para a produção de tijolos e blocos a NBR 10.833 (ABNT, 2013), recomenda que os solos se enquadrem em uma faixa granulométrica (100% passante na peneira de malha 4,75 mm e 10% a 50% passante na peneira de malha 75 m), além de um limite de liquidez inferior a 45% e um índice de plasticidade inferior a 18%. Outro aspecto a ser observado nas misturas de solo-cimento, diz respeito à contaminação por matéria orgânica. A norma NBR 10.833 (ABNT, 2013), recomenda que o solo não deva ter quantidade significativa de matéria orgânica que prejudique a hidratação do cimento. Já Clare e Sherwood (1954) citam que certos solos podem conter matéria orgânica que impede o endurecimento do cimento. Os autores realizaram um estudo experimental para verificar a influência de diferentes substâncias orgânicas em diferentes concentrações, na resistência à compressão simples, aos sete dias de cura, de uma areia estabilizada com 10% de cimento. A partir dos resultados, Clare e Sherwood (1954), classificaram a matéria orgânica em 3 grupos, em função da perda de resistência à compressão simples: (a) inativo ou ligeiramente ativo – celulose, amido de trigo, ácido algínico, madeira, lignina de palha e grama, gelatina (perda de resistência entre 10 e 25%, para um teor de 1%); (b) ativo – celulose carboximetilica, pectina, caseína (perda de resistência entre 80 e 90%, para um teor de 0,5%); e (c) muito ativa – glicose e ácido nucléico (resistência zero para teores de 0,1 a 0,25%). Os autores citam que a redução na resistência pode ter sido causada pelo fato da matéria orgânica afetar a hidratação do cimento, bem como pode ter havido alterações na estrutura de cristalização do cimento ou, ainda, a matéria orgânica envolveu as partículas de areia impedindo a cimentação entre os grãos. Knop (2003) realizou um programa experimental com o objetivo de verificar a influência na resistência à compressão simples de um solo residual de arenito Botucatu estabilizado com cimento Portland CP-V, com a contaminação com óleo diesel. O autor utilizou teores de 0% a 100% (variando de 10% em 10%) de óleo diesel em substituição a água. Os resultados apresentados pelo autor mostram uma redução na resistência com relação quadrática, sendo verificada resistência zero para 100% de óleo diesel. Knop (2003) cita que para 100% de óleo diesel (sem água) não ocorria enrijecimento da mistura, havendo quebra dos corpos-de-prova durante a desmoldagem, que era feita ao final dos tempos de cura (3 e 7 dias). Ruver et al (2013) realizaram ensaios de estabilização de duas areias finas variando o teor de cimento entre 3% e 12%. As areias foram caracterizadas como “limpa” - com teor de 0,7% de finos, isenta de matéria orgânica e de coloração amarela – e “contaminada” – com teor de finos de9,1%, com 0,78% de matéria orgânica e coloração acinzentada. Os autores citam que as areias são, na verdade, o mesmo material, sendo a primeira obtida do alto de uma duna e a outra obtida de uma zona de várzea. Os ensaios mostram que para um teor de 3% de cimento, a areia “limpa” apresenta uma resistência maior que a areia “contaminada”, já para maiores teores de cimento (6%, 9% e 12%), ocorreu uma inversão, a areia “contaminada” apresentou uma resistência superior a areia “limpa”, da ordem de 8,5%. Os autores explicam que o aumento na resistência da areia “contaminada” é função de uma melhor distribuição granulométrica proporcionada pela presença de finos, uma vez que a resistência em mistura de solo-cimento é comandada pela cimentação nos pontos de contato. Verifica-se que a influência da presença de matéria orgânica manifesta-se de diferentes formas, em termos de resistência à compressão simples, na estabilização de solos com cimento. Neste sentido, o presente estudo visa verificar a ação da matéria orgânica em diferentes concentrações e ao longo do tempo de cura, para uma areia estabilizada com cimento Portland. 2 MATERIAIS Para a realização dos ensaios utilizou-se areia fina de origem eólica e erva-mate como matéria orgânica, os quais serão caracterizados a seguir. Como agente aglomerante empregou-se cimento Portland CP-IV 32 e água destilada. 2.1 Matéria Orgânica Como matéria orgânica escolheu-se um produto que fosse de fácil aquisição e com composição conhecida e homogênea. Para tanto escolheu se a erva-mate, Ilex paraguariensis, que é um produto alimentício utilizado para o preparo de chimarrão e chá (figura 1). A erva-mate utilizada é comercializada em embalagens plásticas (opacas e espelhadas internamente), com peso de 500 g. Utilizou-se erva-mate de um mesmo lote, safra de produção e marca, para reduzir a variabilidade nos resultados. Conforme Esmelindro et al (2002), os ramos com folhas de erva-mate são processados industrialmente por três etapas, desde a colheita até o empacotamento: (a) sapeco – secagem rápida (8 min) com chama em um cilindro rotativo (retirada da umidade superficial e inibição das enzimas oxidantes), (b) secagem - mais lenta (30 min a 3 h) que utiliza calor com ou sem contato direto com fumaça, e (c) concheamento – consiste na trituração e peneiramento. O trabalho de Esmelindro et al (2002), apresenta a composição química média da erva- mate da mesma marca utilizada neste trabalho. A erva-mate apresenta os seguintes compostos: cinzas (resíduo mineral) – 6,08%; fibras – 22,28%; gorduras – 6,06%; proteínas – 13,43%; glicose – 1,62%; sacarose – 1,48%. As análises realizadas neste trabalho mostram que a erva- mate apresentou um teor de umidade de 4,87% (segundo a NBR 6457 da ANBT, 1986) e teor de cinza (resíduo mineral após a queima) (figura 2) de 7,5% (segundo a NBR 13.600 da ABNT, 1996). A diferença no teor de cinza pode ser devido aos processos distintos adotados neste trabalho e por Esmelindro et al (2002). Para a realização dos ensaios deste trabalho utilizava-se somente a erva-mate passante na peneira de malha #60 (abertura de 250 m) (fração mais fina), que correspondia cerca da metade da quantidade total. Nessa condição no estado solto, a massa específica aparente seca era de 0,441 g/cm 3 . Figura 1. Aspecto da erva-mate (cor verde) após o peneiramento na peneira de malha #60 (250 m) Figura 2. Aspecto cinza da erva-mate após a queima em mufla à 440º C. 2.2 Areia A areia empregada é de origem eólica, coletada no alto de uma duna (depósito natural), no interior do Campus Carreiro da FURG, na cidade de Rio Grande/RS. A areia utilizada apresenta a seguinte distribuição granulométrica (conforme a NBR 7.181 da ABNT, 1984): 79,3% de areia fina, 20% de areia média e 0,7% de silte. Em função da granulometria, essa apresenta as seguintes propriedades: diâmetro efetivo (D10) de 0,12 mm, coeficiente de uniformidade (cu) de 1,3 (uniforme) e coeficiente de curvatura (cc) de 1,2. A areia é classificada como areia fina (conforme a NBR 6.502 da ABNT, 1995), A-3 pela HRB e SP pelo Sistema de Classificação Unificada de Casagrande. Possui peso específico real dos grãos de 25,9 kN/m 3 . Ainda, pode ser classificada como não plástica e não possui limite de liquidez. 3 DOSAGEM E EXECUÇÃO DOS ENSAIOS Para a realização dos ensaios de compressão simples adotou-se um teor de cimento Portland de 9% em massa, em substituição ao peso seco da areia. Também se adotou um teor de água de 10% em massa para a moldagem dos corpos-de- prova. Uma vez fixado os teores de areia fina, cimento Portland e água, variou-se o teor de erva mata (matéria orgânica) em 0,25%; 0,50%, 1,0% e 2,0% (em massa) em substituição ao peso total dos materiais secos. Ainda, moldou- se copos-de-prova sem erva-mate (0% de matéria orgânica) que serviram como referência. Para cada dosagem foram moldados cinco corpos de provas. Os ensaios de compressão simples foram avaliados em várias idades de cura (7, 28, 90 e 180 dias). Considerando as dosagens e os diferentes tempos de curas, foram moldados um total de 100 corpos-de-prova (5 CPs x 5 teores de erva-mate x 4 tempos de cura). Os corpos-de-prova possuíam um diâmetro de 5 cm e altura média de 10 cm. Inicialmente era feita a hidratação da erva- mate. Misturava-se a totalidade da água da dosagem com a erva-mate, deixando a mistura descansar por 7 dias. Para evitar a perda de água por evaporação, os recipientes eram fechados com filme de PVC. O processo de hidratação proporcionava o inchamento da erva-mate, a ponto de dobrar de volume. Para 0,25% e 0,50% de erva-mate, verifica-se a presença de água livre, para 1% a mistura apresentava uma consistência pastosa e para 2% o aspecto era mais seco, não se verificando água livre. Decorridos os sete dias, verifica-se que a mistura apresentava uma coloração escura, com forte odor (fétido) e com desenvolvimento de colônias de fungos de cor acinzentada. Decorridos os sete dias de pré-hidratação, era feita a moldagem dos corpos-de-prova. Misturava-se manualmente a areia ao cimento, em seguida, adicionava-se a erva-mate hidratada, misturando todos os materiais até a obtenção de uma mistura homogênea. Para a moldagem dos corpos-de-prova utilizava-se um molde, composto por um cilindro metálico tripartido aparafusado a uma base metálica. A moldagem era realizada por compactação estática, com golpes do mesmo soquete utilizado para a realização de ensaios de compactação (diâmetro de 5 cm, massa de 2,5 kg, altura de queda de 30 cm), em três camadas de mesma espessura. Cada camada era compactada com cinco golpes do soquete. O processo de compactação adotado é correspondente a energia normal (5,95 kg.cm/cm 3 ), empregada nos ensaios de compactação. Ao final da compactação, era feita a desmoldagem, guardava-se os corpos-de- prova em sacos plásticos, acondicionando-os em câmara úmida até atingirem os tempos de cura especificados. Atingido o tempo de cura, os corpos-de-prova eram rompidos em uma prensa automática com velocidade constante de 1 mm/min. A carga de ruptura era lida através de um anel dinamométrico com capacidade máxima de 10 kN, com resolução de 5,7 N. Para cada dosagem, determinou-se a umidade na moldagem (antes da compactação) e após a ruptura dos corpos-de-prova.Também se pesava e se media as dimensões dos corpos de provas após a moldagem e ao final da cura. Essas informações serviam como controle de qualidade de execução e controle das reações de hidratação. 4 RESULTADOS Os resultados foram expressos em função da resistência à compressão simples (RCS) (média dos 5 corpos-de-prova por dosagem) pelo teor de matéria orgânica (0,0%; 0,25%; 0,5%, 1% e 2%) (figura 3) e pelo tempo de cura (7, 28, 90 e 180 dias) (figura 4 e 5). Também se expressou os resultados do peso específico aparente seco (figura 6) e razão da umidade dos corpos-de- prova após a ruptura e da umidade após moldagem (figura 7) pelo tempo de cura. A figura 8 apresenta o aspecto de um corpo-de- prova após a ruptura. De uma forma geral, verifica-se que a resistência à compressão simples aumenta com o tempo de cura e diminui com o aumento do teor de erva-mate. Figura 3. Resultado de RCS x teor de matéria orgânica (erva-mate) Figura 4. Resultado de RCS (escala logarítmica) x tempo de cura dos corpos-de-prova Figura 5. Idem figura 4, com a RCS na escala decimal Figura 6. Resultado do peso específico aparente seco (d) x teor de matéria orgânica Figura 7. Gráfico da razão da umidade de moldagem pela umidade de ruptura x teor de matéria orgânica Figura 8. Aspecto de um corpo-de-prova após a ruptura na prensa Analisando os resultados da figura 3, verifica- se que um pequeno acréscimo (0,25%) de erva- mate reduz drasticamente a resistência à compressão simples, para um curto prazo de cura (7 e 28 dias). Já para um tempo de cura maior, para 90 dias, esta redução ocorre para 0,5% e para 180 dias para um teor de 1%. Para um teor de erva-mate de 2%, a resistência é praticamente nula (da ordem de 30 kPa), independente do tempo de cura. Os resultados das figuras 4 e 5 mostram a evolução da resistência à compressão simples para cada teor de erva em função do tempo de cura. Para os corpos-de-prova de referência, sem erva-mate, verifica-se um aumento de resistência de forma logarítmica com o tempo, com rápido ganho de resistência a curto prazo (63% e 93% da resistência à 7 e 28 dias, respectivamente, em relação a resistência aos 180 dias), e diminuição da taxa de aumento de resistência com o tempo, o que era esperado em função do tipo de cimento utilizado, que apresenta o mesmo comportamento, conforme pode ser visto em ABCP (2002). Para os menores teores de matéria orgânica (0,25% e 0,5%), verifica-se um aumento exponencial da resistência com o tempo de cura, com aumento da taxa de ganho de resistência com o tempo, chegando a 86% e 58% da resistência dos corpos-de-prova sem matéria orgânica, para 180 dias de cura. Para os maiores teores de erva- mate (1% e 2%), também se verifica um aumento da resistência com o aumento do tempo de cura, sendo esta evolução de resistência uma relação logarítmica, da mesma forma que a dosagem sem matéria orgânica, porém a taxa de aumento de resistência é maior. Analisando a figura 6, apesar da dispersão dos resultados (R 2 = 0,4), verifica-se uma tendência de redução, com relação quadrática, do peso específico aparente seco com o aumento do teor de matéria orgânica. Este fato pode ser explicado pelo baixo peso específico da erva- mate, conforme apresentado na subseção 2.1. Sabe-se que na estabilização de solos com cimento, a resistência é função da cimentação dos pontos de contato, logo quanto melhor a distribuição granulométrica e mais compacta for a matriz, maior será a resistência. Neste sentido, verifica-se que a redução no peso específico aparente seco pode ter sido um dos fatores responsáveis pela redução da resistência à compressão simples, verificada neste trabalho. De modo a mostrar a eficiência e ocorrência das reações de hidratação (pozolânicas), responsáveis pela resistência devido à cimentação, determinou-se a razão entre as umidades final de cada um dos tempos de cura (após a ruptura dos corpos-de-prova) pela umidade de início de cura (imediatamente após o final de moldagem dos corpos-de-prova). Como a umidade é determinada por secagem do material em estufa a uma temperatura entre 105º C e 110º C, conforme a NBR 6457 (ABNT, 1986), toda a água livre nos vazios do solo é eliminada (evapora) por meio deste processo. Como as reações pozolânicas são reações de hidratação do cimento, a água incorporada e que participa das reações químicas não pode ser eliminada pelo processo de secagem. Assim, se toda a água adicionada participar das reações químicas de hidratação, a razão entre a umidade ao final do tempo de cura e a de moldagem deve ser próxima de zero; agora se as reações químicas não ocorrem, a razão deverá ser próxima a cem por cento. Como pode ser visto na figura 7, a razão entre as umidades tende a aumentar (apesar de dispersão dos resultados, R 2 = 0,48), numa relação quadrática, com o teor de matéria orgânica. Para os corpos-de-prova sem matéria orgânica, verifica-se que para 7 dias de cura a razão das umidades é de 84%, reduzindo para 66% aos 180 dias de cura, mostrando a ocorrência significativa das reações de hidratação. Para os corpos-de-prova com teor de matéria orgânica de 2%, a razão entre as umidades é de aproximadamente 100% (indicando a ocorrência de poucas reações pozolânicas) para 7 dias de cura, reduzindo para aproximadamente 98%, evidenciando a ocorrência de poucas reações químicas. Analisando os resultados é possível verificar uma relação entre a razão das umidades com a resistência à compressão simples, pois ambas tem relação direta com as reações de hidratação. Essa relação é mostrada na figura 9. Pela figura é possível verificar que existe uma tendência (apesar da dispersão dos resultados, R 2 = 0,5) da resistência aumentar (relação potencial) com a redução da razão das umidades. Figura 9. Gráfico da resistência à compressão simples (escala logarítmica) x razão da umidade de ruptura pela umidade de moldagem Por fim, a análise dos resultados mostra que a redução na resistência à compressão simples associado à hidratação do cimento, pode ser devido a dois efeitos em relação: (a) a inibição e (b) ao retardo das reações químicas de hidratação do cimento. Verifica-se que nas figuras 5, para os menores teores de erva-mate (0,25% e 0,5%) ocorre um efeito mais acentuado de retardo; já para os teores maiores (1% e 2%), ocorre a inibição da ocorrência das reações. 5 CONCLUSÕES O objetivo do presente trabalho foi mostrar o efeito da presença da erva-mate na estabilização de areia com cimento, em relação ao teor (0,25%, 0,5%, 1% e 2%) e tempo de cura (7, 28, 90 e 180 dias). Verificou-se que um pequeno teor de erva-mate (0,25%) já afeta a consideravelmente a resistência. Como pode ser visto ao longo do trabalho, a redução da resistência à compressão simples pelo efeito da erva-mate pode estar associado a três fatores. Dois deles estão associados à hidratação do cimento (reações pozolânicas), no que diz respeito à inibição e ao retardo. O terceiro efeito está associado à redução do peso específico com o aumento do teor de erva-mate, devido o baixo peso específico da erva-mate. Assim, a presença e o tipo de matéria orgânica no solo sempre devem ser levados em consideração na estabilização química. AGRADECIMENTOSOs autores gostariam de agradecer à Universidade Federal do Rio Grande – FURG, pelos recursos financeiros disponibilizados na forma de Bolsa Permanência através do Programa de Desenvolvimento do Estudante. REFERÊNCIAS AMERICAN CONCRETE INSTITUTE (ACI). (2009) Report on Soil Cement. ACI 230.1R-09; ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE CIMENTO PORTLAND (ABCP). (2002) Guia Básico de Utilização de Cimento Portland. Boletim Técnico: BT-106. São Paulo/SP. 7ª Edição. 28p.; ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). (1984) Norma ABNT NBR 7.181: Solo – Análise Granulométrica, Rio de Janeiro/RJ, 13p.; ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). (1986) Norma ABNT NBR 6.457: Amostras de Solo – Preparação para Ensaios de Compactação e Caracterização, Rio de Janeiro/RJ, 9p.; ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). 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