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U�IVERSIDADE DO SUL DE SA�TA CATARI�A LUCAS MACHADO SE�A ESTABILIZAÇÃO DE SOLO COM CAL PARA USO EM VIAS �ÃO PAVIME�TADAS Palhoça 2008 LUCAS MACHADO SE�A ESTABILIZAÇÃO DE SOLO COM CAL PARA USO EM VIAS �ÃO PAVIME�TADAS Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Civil da Universidade do Sul de Santa Catarina, como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro Civil. Orientador: Prof. Rafael dos Reis Higashi, Dr. Palhoça 2008. LUCAS MACHADO SE�A ESTABILIZAÇÃO DE SOLO COM CAL PARA USO EM VIAS �ÃO PAVIME�TADAS Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado à obtenção do título de Licenciado em Engenharia e aprovado em sua forma final pelo curso de Engenharia Civil, da Universidade do Sul de Santa Catarina. ______________________________,_____de_________________de 20____. ______________________________ Eng. Civil Angela Grando, Mestranda PPGEC – Universidade Federal de Santa Catarina ______________________________ Eng. Civil Camila Maciel, Mestranda PPGEC – Universidade Federal de Santa Catarina _______________________________ Prof. Ismael Medeiros, Mestrando PPGEC – Universidade Federal de Santa Catarina _______________________________ Prof. e Orientador Rafael dos Reis Higashi, Dr. Universidade do Sul de Santa Catarina RESUMO Este trabalho de Estudo de Caso, tem por objetivo analisar uma solução para as jazidas do Município de Rio Negrinho, norte do estado de Santa Catarina para fins de pavimentação. Foram estudadas duas jazidas locais com a adição do aditivo cal e espera-se encontrar as características necessárias para seu uso na pavimentação. A característica mais importante é proveniente do Ensaio de CBR (Califórnia Bearing Ratio) ou ISC (Índice de Suporte Califórnia) que foi realizado com diferentes porcentagens de adição de cal, a fim de saber também qual seria o teor de solo/cal mais viável economicamente. Os Ensaios foram realizados no Laboratório de Mecânica dos Solos da UNISUL. As amostras foram coletadas pela empresa Battistella Florestal, nas jazidas denominadas Rio Feio e Cerro Azul. Os resultados aqui apresentados são de grande importância para a Prefeitura e para a empresa que irá realizar a pavimentação das vias. Palavras-chave: Estabilização de Solo; Cal; Solo-Cal; CBR. ABSTRACT This Study of Case has the objective to analyze a solution for the mineral soil in the city of Rio Negrinho located in the north of the State of Santa Catarina to be used in paving, two mineral sources with the ad of cal will be studied, the necessary conditions are expected to be found so they can be used in paving. The most important characteristic came from the CBR Test (California Bearing Ratio) which was made with different percentages of cal, also to recognize the best soil-cal ratio economically talking. The test has been realized in the Laboratory of Soil Mechanics of UNISUL. The samples were collected by the Battistella Florestal Company, in the mineral sources called Rio Feio and Cerro Azul. The results here showed have a valuable importance to the City Council and to the Company that will construct the ways. Key words: Soil Stabilizer; Cal; Soil-Cal; CBR. SUMÁRIO 1. I�TRODUÇÃO ............................................................................................... 7 1.1. OBJETIVO GERAL ....................................................................................................................... 8 1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS .......................................................................................................... 8 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ....................................................................... 9 2.1. PAVIMENTAÇÃO NO BRASIL ................................................................................................... 9 2.1.1. Classificação dos pavimentos ....................................................................................................... 10 2.1.2. Camadas do pavimento ................................................................................................................. 11 2.2. ESTRADAS FLORESTAIS ......................................................................................................... 12 2.3. SOLO ............................................................................................................................................ 13 2.3.1. A classificação de solos ................................................................................................................ 14 2.3.2. Classificação unificada (USCS) .................................................................................................... 15 2.3.3. Sistema rodoviário de classificação (HRB) .................................................................................. 15 2.4. A CAL........................................................................................................................................... 16 2.5. ESTABILIZAÇÃO DE SOLO ...................................................................................................... 17 2.5.1. Estabilização de solo com cal. ...................................................................................................... 17 2.5.2. Reações solo-cal. .......................................................................................................................... 18 2.5.3. Estabilização do solo no Brasil. .................................................................................................... 22 2.6. O USO DO ENSAIO DE CBR ...................................................................................................... 23 2.7. MÉTODO DAS PASTILHAS MCT ............................................................................................. 23 2.8. DETERMINAÇÃO DA DOSAGEM DE CAL ............................................................................. 25 2.8.1. Método do ph ................................................................................................................................ 25 3. CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO ......................................... 26 3.1. LOCALIZAÇÃO GEOGRÁFICA................................................................................................ 26 3.2. FORMAÇÃO GEOLÓGICA ........................................................................................................ 27 3.3. SOLOS .......................................................................................................................................... 27 3.4. COBERTURA VEGETAL E USO DO SOLO ............................................................................. 29 4. METODOLOGIA ......................................................................................... 30 4.1. PLANEJAMENTO ....................................................................................................................... 31 4.2. SELEÇÃO DAS JAZIDAS ........................................................................................................... 31 4.3. COLETA DE MATERIAL EXISTENTE ..................................................................................... 32 4.4. REALIZAÇÃO DE ENSAIOS EM LABORATÓRIO ................................................................. 33 4.4.1. Análise granulométrica .................................................................................................................34 4.4.2. Densidade real dos grãos .............................................................................................................. 39 4.4.3. Limites de Atterberg ..................................................................................................................... 41 4.4.4. Compactação................................................................................................................................. 44 4.4.5. Índice de suporte Califórnia (ISC) ................................................................................................ 49 4.5. DETERMINAÇÃO DA DOSAGEM DE CAL ............................................................................. 53 4.5.1. Método do ph ................................................................................................................................ 53 4.5.2. Método do lime fixation point (LFP) ............................................................................................ 54 4.5.3. Miniatura tropical compactada (MCT) ......................................................................................... 55 5. RESULTADOS ............................................................................................. 56 5.1. ENSAIOS EM LABORATÓRIO ................................................................................................. 56 5.1.1. Teor de umidade natural ............................................................................................................... 56 5.1.2. Análise granulométrica ................................................................................................................. 56 5.1.3. Densidade real dos grãos .............................................................................................................. 58 5.1.4. Limites de Atterberg ..................................................................................................................... 59 5.1.5. Compactação................................................................................................................................. 60 5.1.6. Índice de suporte califórnia (ISC) ................................................................................................. 62 5.1.7. Miniatura compactado tropical (MCT) ......................................................................................... 64 5.2. DETERMINAÇÃO DA DOSAGEM DE CAL ............................................................................. 64 5.2.1. Método do ph ................................................................................................................................ 64 5.3. ENSAIOS COM A ADIÇÃO DE CAL ......................................................................................... 65 5.3.1. Compactação................................................................................................................................. 65 5.3.2. Índice de suporte Califórnia (ISC) ................................................................................................ 70 5.3.3. Granulometria pós compactação ................................................................................................... 75 5.3.4. Limites de Atterberg pós compactação ......................................................................................... 77 5.3.5. MCT pós compactação ................................................................................................................. 79 5.4. QUADRO GERAL DE RESULTADOS ...................................................................................... 82 6. CO�CLUSÕES ............................................................................................. 84 7. SUGESTÕES................................................................................................. 86 8. REFERÊ�CIAS ............................................................................................ 87 7 1. I�TRODUÇÃO Desde os primórdios da sociedade o homem utiliza trajetos para chegar ao um determinado lugar, muitas vezes não pelo traçado mais curto, mas pelo mais fácil, seguro e confortável, a pé, por meio de transporte animal, veículos de tração animal, até chegar à forma de transporte atual. No Brasil, o transporte rodoviário é responsável por aproximadamente 52% das cargas transportadas e 95% do transporte de pessoas. Esses grandes números demonstram a importância das rodovias não só para a economia do país, mas para a sociedade toda em geral ressaltando a importância das condições de uso das rodovias. É comum observar vários problemas em rodovias em Santa Catarina. Chama-se a atenção para o exemplo da BR-101 que está em processo de duplicação. Observa-se que mesmo a parte que foi duplicada há pouco tempo já é possível notar problemas como buracos, adensamentos e fissuras, pelas mais diversas causas, algumas delas em razão do solo ruim que está abaixo do pavimento. Na pavimentação de uma rodovia, geralmente se utiliza o solo de uma jazida local para baratear o custo e acelerar o processo construtivo. Porém, muitas vezes, esse solo não possui as características de um solo bom para pavimentação. Ao invés de trazer solo de outro local no que implica custo, tempo e burocracia, existe um método que consiste na adição de aditivos no solo local a fim de estabilizá-lo. As estradas florestais são rodovias que possuem somente o revestimento primário, ou seja, não possuem a camada asfáltica. Este tipo de via é usada por empresas para o escoamento de material e funcionários, o que significa um tráfego de cargas elevadas e que devido à essas cargas, o solo deve apresentar uma boa resistência e pouca expansão. A empresa denominada Battistela Florestal que se encontra no Município de Rio Negrinho, necessita da construção de uma via para escoar a sua produção. Desta forma, devido ao fato de que conhecidamente os solos da região não são adequados para a sua utilização no estado compactado, esta pesquisa analisa o comportamento mecânico destes solos através de ensaios de CBR e Expansão, tendo como elemento estabilizador a cal. 8 1.1. OBJETIVO GERAL Este estudo tem com objetivo analisar os solos de Rio Negrinho, tendo como parâmetro geotécnico o uso do solo compactado com cal para a pavimentação, visando estabilizá-lo com um aditivo, para assegurar a qualidade da rodovia. 1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS − Caracterizar o solo do município de Rio Negrinho; − Determinar o comportamento do solo no estado compactado; − Estimar o comportamento do solo com elementos estabilizadores; − Determinar a porcentagem ideal de cada elemento para que o solo se estabilize a partir dos resultados do ensaio de CBR. 9 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1. PAVIMENTAÇÃO NO BRASIL O pavimento caracteriza-se por uma estrutura construída após a terraplanagem por meio de camadas de vários materiais de diferentes características de resistência e deformabilidade. Esta estrutura, assim constituída, apresenta um elevado grau de complexidade no que se refere ao cálculo das tensões e deformações (SOUZA, 1980). Para Guimarães (2002), pavimento é uma estrutura sobre o leito natural ou terrapleno de uma via, constituído de uma ou várias camadas, com a finalidade de melhorar as condições do trânsito em relação à segurança, conforto e uso constante. Deve ser resistente às tensões provocadas pelas cargas dos veículos e variações ambientais, distribuindo-as pelo sub-leito de forma equilibrada. Segundo o Manual de Pavimentação do DNIT (2006), o pavimento de uma rodovia é a superestrutura constituída por um sistema de camadas de espessuras finitas,assentes sobre um semi-espaço, considerado teoricamente como infinito – a infra- estrutura ou terreno de fundação, a qual é designada de subleito. O subleito, limitado assim superiormente pelo pavimento, deve ser estudado e considerado até a profundidade onde atuam de forma significativa, as cargas impostas pelo tráfego. O pavimento, por injunções de ordem técnico-econômicas é uma estrutura de camadas em que materiais de diferentes resistências e deformabilidades são colocados em contato, resultando daí um elevado grau de complexidade no que respeita ao cálculo de tensões e deformações e atuantes nas mesmas, resultantes das cargas impostas pelo tráfego. 10 2.1.1. Classificação dos pavimentos Marques (2007) classifica os pavimentos quanto à sua estrutura da seguinte forma: a) Pavimentos semi-rígidos (semi-flexívies): situação intermediária entre os pavimentos rígidos e flexíveis. É o caso das misturas solo-cimento, solo-cal, solo- betume dentre outras, que apresentam razoável resistência à tração. b) Pavimentos rígidos: são constituídos por camadas que trabalham essencialmente à tração. Seu dimensionamento é baseado nas propriedades resistentes de placas de concreto de cimento Portland, as quais são apoiadas em uma camada de transição, a sub-base. c) Pavimentos flexíveis: são aqueles constituídos por camadas que não trabalham à tração. Normalmente são constituídos de revestimento betuminoso delgado sobre camadas puramente granulares. A capacidade de suporte é função das características de distribuição de cargas por um sistema de camadas superpostas, onde as de melhor qualidade encontram-se mais próximas da carga aplicada. A determinação da espessura é conseguida a partir da resistência à tração do concreto e são feitas considerações em relação à fadiga, coeficiente de reação do subleito e cargas aplicadas. São pouco deformáveis com uma vida útil maior. O dimensionamento do pavimento flexível é comandado pela resistência do subleito e do pavimento rígido pela resistência do próprio pavimento. No dimensionamento tradicional, são consideradas as características geotécnicas dos materiais a serem usados, e a definição da espessura das várias camadas depende do valor do CBR e do mínimo de solicitação de um eixo padrão (8,2 ton.) 11 2.1.2. Camadas do pavimento Segundo o Manual do DNIT (2006), a definição dos diversos constituintes do pavimento, em seção transversa é a que se segue: a) Pavimento – é a estrutura construída após a terraplenagem e destinada, econômica e simultaneamente em seu conjunto, a: - resistir e distribuir ao subleito os esforços verticais oriundos do tráfego, - melhorar as condições de rolamento quanto à comodidade e conforto, - resistir aos esforços horizontais (desgaste) tornando mais durável a superfície de rolamento. b) Subleito – é o terreno de fundação do pavimento. c) Leito – é a superfície obtida pela terraplenagem ou a obra-de-arte e conformada ao seu greide e perfis transversais. d) Greide do leito – é o perfil do eixo longitudinal do leito. e) Regularização – é a camada posta sobre o leito, destina a conformá-lo transversal e longitudinalmente de acordo com as especificações. A regularização não constitui propriamente uma camada de pavimento, sendo, a rigor, uma operação que pode ser reduzida em corte do leito implantado ou em sobreposição a este, de camada com espessura variável. f) Reforço do subleito – é uma camada de espessura constante, posta por circunstâncias técnico-econômicas, acima da de regularização, com características geotécnicas inferiores ao material usado na camada que lhe for superior, porém melhores que o material do subleito. g) Sub-base – é a camada complementar a base, quando por circunstâncias técnico-econômicas não for aconselhável construir a base diretamente sobre a regularização. h) Base – é a camada destinada a resistir e distribuir os esforços oriundos do tráfego e sobre a qual se constrói o revestimento. i) Revestimento – é a camada, tanto quando possível impermeável, que recebe diretamente a ação do rolamento dos veículos e destinada a melhorá-la, quanto à comodidade e segurança, resistindo ao desgaste. 12 Figura 1 – Camadas de um pavimento Fonte: Manual do DNIT (2006). 2.2. ESTRADAS FLORESTAIS As estradas florestais são as mais importantes vias de acesso às florestas, servindo para viabilizar o tráfego de mão-de-obra e os meios de produção, necessários para implantação, proteção, colheita e transporte dos produtos florestais (Machado, 1989). Elas têm como principal características o baixo volume de tráfego, às vezes temporário, e o tráfego pesado e extrapesado, ocorrendo normalmente em um único sentido, por meio de veículos com capacidade de carga entre 30 e 40 toneladas e de veículos com carga acima de 40 toneladas, respectivamente. Os materiais de construção ou elementos de suporte das estradas são os solos, que no caso específico do Brasil, normalmente, não se enquadram nas especificações técnicas exigidas pelos órgãos rodoviários estaduais e federais. Segundo Rodriguez e Castillo (1984) existem três opções para serem adotadas: a) utilizar o solo local como ele se encontra, considerando suas más qualidades no projeto, b) eliminar o solo inadequado e substituí-lo por outro de características satisfatórias, c) modificar as propriedades do solo local, tornando-o apto para ser utilizado como suporte ou camada de pavimento. 13 2.3. SOLO Solo é um corpo natural, tridimensional, formado de camadas aproximadamente paralelas à superfície e constituído de elementos minerais e/ou orgânicos, em geral, com água e/ou ar preenchendo seus poros. Situa-se normalmente entre a camada superficial da crosta, onde floresce a vegetação, e a camada de alteração que recobre as rochas inalteradas da região. Em certos casos, falta a camada de alteração e o solo descansa diretamente sobre a rocha fresca. Assim, todo o solo argiloso utilizado em mistura solo-cal deve proceder desta camada de alteração. Solos pobres em minerais finos argilosos em condições normais, não reagem com a cal. Daí a necessidade do especialista proceder ao exame mineralógico do solo e demarca, no campo, o horizonte do solo a ser desmontado antes das experimentações e uso (GUIMARÃES, 2002). Segundo Caputo (1998), os solos são matérias que resultam do intemperismo ou meteorização das rochas, por desintegração mecânica ou decomposição química. Por desintegração mecânica, através de agentes como água, temperatura, vegetação e vento, formam-se os pedregulhos e areias e até mesmo os siltes, e somente em condições especiais as argilas. Por decomposição química entende-se o processo em que há modificação química ou mineralógica das rochas de origem. O principal agente é a água e os mais importantes mecanismos de ataque são a oxidação, hidratação, carbonatação e os efeitos químicos da vegetação. As argilas representam o último produto do processo de decomposição. Normalmente, esses processos atuam simultaneamente em determinados locais e condições climáticas, um deles pode ter predominância sobre o outro. O solo é, assim, uma função da rocha-mater e dos diferentes agentes de alteração. Os que mantêm uma nítida macroestrutura herdada da rocha da origem são designados por solos saprolíticos. 14 2.3.1. A classificação de solos Atualmente, no Brasil é utilizada a classificação de solos realizada pela Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária – EMBRAPA(1999), em parceria com instituições nacionais de ensino, pesquisa e planejamento. O novo sistema é estruturado com base em características de gênese do solo e propriedades pedogenéticas. As 14 classes da classificação dos solos são: − Alissolos: solos com alto teor de alumínio, argila de alta atividade e horizonte B textural ou B nítico; − Argissolos: solos com horizonte B textural e argila de atividade baixa; − Cambissolos: solos com horizonte B incipiente, argila de atividade baixa e/ou saturação por bases baixa; − Chernossolos: solos escuros, argila de atividade alta, saturação por bases altas e ricas em carbono; − Espodossolos: solos pobres, moderada a fortemente ácidos, saturação por bases baixa, altos teores de alumínio extraível; − Gleissolos: solos com horizonte glei, mal ou muito mal drenados e presença de matéria orgânica; − Latossolos: solos com horizonte B latossólico, com avançado estágio de intemperização e mal evoluídos; − Luviossolos: solos ricos em bases, horizonte B textural e alta atividade de argilas; − Neossolos: solos pouco desenvolvidos, constituídos por material mineral ou orgânico; − Nitossolos: solos com horizonte B nítico (reluzente), bem desenvolvidos em termos de estrutura e cerosidade e argila de baixa atividade; − Organossolos: solos orgânicos, pouco evoluídos, muito mal drenados; − Planossolos: solos com grande contraste textural, estrutura prismática, permeabilidade lenta e muito lenta e presença de sódio; − Plintossolos: solos com plintita, mal drenados, fortemente ácidos e com saturação por bases baixa; 15 − Vertissolos: solos com propriedades provenientes de argilas expansíveis. Possui desenvolvimento restrito pela grande capacidade de movimentação do material constitutivo do solo em conseqüência dos fenômenos de expansão e contração causados pela alta atividade das argilas. 2.3.2. Classificação unificada (USCS) Derivada do sistema de classificação elaborado por A. Casagrande em 1948, inicialmente denominado Sistema de Classificação de Aeroportos adaptado pelo Bureau of Reclamation e U.S.Corps of Engineers em1953 e normatizado pela ASTM D2487 em 1983 (FURG, 2006). Os solos são classificados em três grandes grupos: solos grossos, solos finos e turfas. No primeiro grupo, encontram-se os solos pedregulhosos designados pelas letras GW, GC, GP, GM e GW-GM e os solos arenosos subdividem-se em SW, SC, SP e SM. No segundo grupo encontram-se os solos finos: siltes, argilas e solos orgânicos, quando de baixa compressibilidade (LL < 50) são designados pelas siglas CL, ML e OL. Quando com alta compressibilidade (LL > 50), são designados pelas siglas CH, MH e OH. As turfas estão no terceiro grupo e são designadas pela sigla Pt. 2.3.3. Sistema rodoviário de classificação (HRB) Empregado na engenharia rodoviária em todo o mundo, proposto pelo Bureau of Public Roads e revisto pelo HRB em 1945. Normatizado pela AASHTO M145 em 1973. Classifica os solos em oito grupos (FURG, 2006): • Solos granulares (% passante #200 < 35%): A-1, A-2 e A-3 • Solos finos (% passante #200 > 35%): A-4, A-5, A-6 e A-7 • Solos altamente orgânicos: podem ser classificados como A-8 Os solos granulares do tipo A-1 e A-2 são subdivididos em A-1-a, A-1-b, A- 2-4, A-2-5, A-2-6 e A-207. Os solos finos do tipo A-7 são subdivididos em A-7-5 e A- 7-6. 16 2.4. A CAL Guimarães (2002) define a cal como sendo um aglomerante aéreo obtido a partir da calcinação de rochas carbonatadas, constituídas predominantemente por carbono de cálcio e/ou carbono de cálcio e magnésio. Segundo o autor, a cal virgem ou cal aérea ou cal viva é resultado da calcinação dos carbonatos de cálcio e de cálcio- magnésio que são, respectivamente, o óxido de cálcio (CaO) e o cálcio-magnésio (CaO - MgO). A cal hidratada é obtida pela hidratação da cal viva e encontra-se na forma de pó seco ou com aspectos de creme, lama, leite ou solução saturada dependendo da quantidade de água na reação. As reações de formação da cal viva e da cal hidratada são respectivamente as Equações 2.1 e 2.2. Estas reações dão origem à cal cálcica. CaCO3 + calor ↔ CaO + CO2 (2.1) CaO + H2O → Ca(OH)2 + calor (2.2) A partir da calcinação do calcário dolomítico obtém-se a cal dolomítica, que é uma mistura de óxido de cálcio e óxido de magnésio (CaO + MgO). Diante dessas possibilidades, podem ser encontradas: a cal cálcica virgem (CaO), a cal dolomítica virgem (CaO . MgO), a cal cálcica hidratada (Ca(OH)2), a cal dolomítica mono-hidratada (Ca(OH)2 . MgO) e a cal dolomítica bi-hidratada (Ca(OH)2 . Mg(OH)2). 17 2.5. ESTABILIZAÇÃO DE SOLO O Manual de Pavimentação do DNIT (2006), afirma que a estabilização das camadas da pavimentação ocorre por compactação de um material ou mistura de materiais que apresentem uma granulometria apropriada e índices geotécnicos específicos, fixados em especificações. De acordo com Guimarães (2002), quando o solo não possui as características geotécnicas exigidas para suportar a obra projetada, principalmente quanto a sua resistência, torna-se necessário corrigi-lo ou substituí-lo por outro, com a adição ou subtração de componentes, ou com a ação de agentes químicos. A escolha da técnica, denominada estabilização de solo, deve ser baseada na economia e ainda na finalidade da obra. 2.5.1.Estabilização de solo com cal. A mistura solo-cal é uma mistura de solo, cal e água. Também pode ser acrescido a esta mistura uma pozolana artificial, chamada fly-ash, que é uma cinza volante. Geralmente, solos de granulometria que reagem com a cal, proporcionando trocas catiônicas, floculações, aglomerações, produzem ganhos na trabalhabilidade, plasticidade e propriedades de caráter expansivo. Estes fenômenos processam-se rapidamente e produzem alterações imediatas na resistência ao cisalhamento das misturas. As reações pozolânicas resultam na formação de vários compostos cimentantes que aumentam a resistência e a durabilidade da mistura. A carbonatação é uma cimentação fraca. O solo melhorado com cal é a mesma idéia do solo-cal, porém neste caso há predominância dos fenômenos que produzem modificações do solo, no que se refere à sua plasticidade e sensibilidade à água, não oferecendo à mistura características acentuadas de resistência e durabilidade. As bases feitas desta maneira são consideradas flexíveis. (MARQUES, 2007). 18 2.5.2.Reações solo-cal. A adição de cal aos solos de granulometria fina e na presença de água, causa diversas reações químicas. A troca iônica, floculação e aglomeração causam um melhoramento imediato na plasticidade e trabalhabilidade do material, mas é desenvolvida pouca resistência permanente. As reações pozolânicas provocam a formação de agentes cimentantes, produzindo assim, aumentos na resistência e durabilidade com o passar do tempo. A carbonatação é a reação do hidróxido de cálcio com o dióxido de carbono do ar atmosférica. Esta reação é rápida e inicia-se imediatamente após a exposição da cal ao ar atmosférico. 2.5.2.1.Troca iônica e floculação Para Guimarães (2002), a troca iônica é uma ação imediata que promove, após alguns minutos de contato, mudanças nas propriedades físicas do solo: a) A granulometria é alterada pela floculação ou agregação das partículas originais. Isto se traduz pelo deslocamento da curva granulométrica para o lado grosseiro; b) Nos Limites de Atterberg, as modificações são notórias no limite de Plasticidade (LP), que geralmente aumenta, e no Índice dePlasticidade (IP) que diminui; c) Quanto à expansão-contração pode ser observada menor variação volumétrica; d) A capacidade de suporte também tem considerável aumento. Este é o parâmetro pelo qual se deve definir o sucesso ou não da estabilização. Segundo Fossberg e Greg (1963) apud Guimarães (2002), quando a cal é adicionada ao solo, o fenômeno de troca de bases ocorre com os argilo-minerais. Essa reação leva à floculação das partículas argilosas, a qual causa o aumento no ângulo de atrito da massa do solo. Isto se manifesta pelo decréscimo no LL e no IP e, freqüentemente aumento da umidade ótima. 19 A redução do LL e do IP, com a adição de cal ou cimento, é provocada pela diminuição da espessura das camadas de água adsorvidas devido à troca de bases. Segundo Moore et al, (1987), apud Pomatti (2000), assumindo igual concentração, a ordem de adsorção preferencial de cátions comuns, associados aos solos, é dada pela seguinte série: Na+ < K+ < Ca++ < Mg++ < Al3+, da direita para a esquerda, ou seja, cátions de menor valência são substituídos por cátions de maior valência. A adição de cal, em quantidades suficientes, cria uma concentração de Ca++ livre, que substituirá cátions adsorvidos na superfície coloidal, pois a cal é uma fonte de cálcio livre. A floculação e aglomeração produzem uma aparente mudança da textura das partículas de argila, produzindo um solo mais grosseiro e friável. 2.5.2.2.Carbonatação Esta reação é de ação imediata, mas de origem diferente das anteriores e se caracteriza por ter como resultante cimentante a combinação do óxido de cálcio do hidróxido com o anidrido carbônico presente nas minúsculas bolhas de ar existentes nos poros do solo e da cal hidratada, bem como na água presente (equação 2.3). Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O (2.3) A reação tende a refazer o carbonato de cálcio, um novo corpo sólido que se entrelaça com os demais do solo e compacta o sistema. Isto ocorre porque, com o aparecimento do carbono há também o aparecimento de grãos de dimensões bem maiores. Segundo Guimarães (2002), a carbonatação é limitada no tempo e no espaço e, por si só, não produziria as substanciais alterações nas propriedades físicas do solo, necessárias à sua utilização como suporte dos pavimentos. A reação de carbonatação para misturas solo-cal foi verificado em Angelim (2006) e Silva e Angelim (2006). Os autores verificaram, por meio de ensaios de ISC, os efeitos da carbonatação em misturas de solo + 3% de cal e solo + 6% de cal compactadas com energias Proctor Normal e Proctor Intermediário e curadas ao ar em ambiente de laboratório por 28 dias. Verificaram que a cura ao ar por este período, 20 independentemente da energia de compactação, provocou aumento do valor de ISC tanto no solo natural (sem cal), quanto nas misturas de solo-cal. O aumento de ISC foi crescente conforme o teor de cal adicionado à mistura. Porém, os autores concluíram que amostras não curadas ao ar apresentaram maiores valores de ISC, fato explicado pela condição de submersão por quatro dias, o que propiciou o transportes dos íons no interior da amostra, catalisando as reações de troca iônica entre o solo e cal. 2.5.2.3.Ação pozolânica Esta é uma ação em longo prazo e está inserida no caráter pozolânico dos materiais estabilizados e esta reação também é a principal responsável pela cimentação. Segundo Millet e Nóbrega, apud Guimarães (2002), 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. Os solos, apesar de não se constituírem em pozolanas propriamente ditas, podem apresentar uma fração de argila com este caráter (GUIMARÃES, 2002) Quando a cal é adicionada ao solo, seu pH eleva-se de 4,5 – 6,5 para 11 – 12, criando-se condições alcalinas para que os minerais da fração argila e até o próprio quartzo possam reagir com o aditivo. Estas reações ocorrentes são formadoras de aluminatos, silicatos e aluminatos de cálcio hidratado, em números bastante significativos, todos com influência no processo de estabilização pelas suas características cimentosas, principalmente CSH, CSH(gel), C4AH13, C2AH8, C3AH6 e o A2ASHn (onde as abreviações C = Cal, S = SiO2, A = Al2O3, e H = H2O). A consolidação desses géis cimenta as partículas vizinhas, aglomerando-as. Alguns fatores importantes são levantados por alguns autores e mostram que o processo é lento e requer uma temperatura de 21ºC e o mínimo de algumas semanas. Além da temperatura, o grau de cristalinidade dos minerais e o teor de água existente no sistema aparecem como fatores de influência na química solo-cal. O processo das reações pozolânicas é relativamente complexo, como explica Queiroz de Carvalho (1988), e pode ser influenciado por outros fatores, os quais participam de maneira positiva ou negativa. Por exemplo, a presença de matéria orgânica não favorece a interação solo-cal. Já a participação do ferro é de difícil 21 previsão, uma vez que, existem evidências na literatura, segundo o autor, de que o ferro pode contribuir de maneira positiva ou negativa nas reações solo-cal. Se este estiver presente como partículas discretas o mesmo não deve interferir negativamente na reação, mas se estiver presente como partículas encobrindo a superfície dos argilominerais ou como agente cimentante (nos solos de comportamento laterítico), o ferro deve, neste caso, ser um fator negativo para a reação solo-cal. A resistência esperada para o material estabilizado com cal pode ser afetada pela presença de enxofre na forma de gipsita (Guimarães, 2002). Esta pode produzir etringita (Ca6Al2(OH)12(SO4)3.26H2O) quando a cal estiver presente, o que é um aspecto negativo para o desenvolvimento da resistência e para as vantagens da umidificação após a compactação. Alem disso, a presença de sulfatos pode prejudicar as reações solo-cal, pois há a formação de etringita e taumasita inibindo a formação de silicatos e aluminatos hidratados. Segundo relato do �ational Lime Association - NLA (2001), basicamente quatro componentes são responsáveis pela formação da etringita durante as reações solo-cal: cálcio, alumínio, água e sulfatos. Este composto detém grande quantidade de água dentro de sua estrutura e durante a sua formação, elevadas pressões podem desenvolver e assim, podem surgir aumento no volume da estrutura. Quando cal e água são adicionados ao solo, o cálcio é fornecido pela cal, bem como o alumínio é liberado a partir da argila no alto pH do sistema solo-cal-água. Se o solo contém uma elevada concentração de sulfato, todos os ingredientes, com exceção de água, estão presentes para a formação do mineral expansivo. Este efeito deletério ocasionado pela formação da etringita pode ser reduzido, pois se forçar a formação do composto expansivo antes da compactação da mistura solo-cal, nenhum dano poderá ser apresentado no pavimento. Para isto, há a necessidade de se fazer um período de espera entre a mistura solo-cal e a compactação de 24 horas a 7 dias, dependendo do teor de sulfato no solo natural. De acordo com Rollings e Rollings (2003) o volume do composto etringita é superior a 200 % do volume dos constituintes originais (desconsiderando a água), que resulta em enorme expansão e trincas na estrutura. No entanto só é expansivo quando na sua formação e uma vez formado não mais se expande. 22 De acordo com relato do NLA (2001), solos onde há menos de 0,3% de sulfatos, o potencial de formação de compostos expansivos é baixo, no entanto, parateores acima de 1,0%, estes solos não deveriam ser estabilizados com cal. 2.5.3.Estabilização do solo no Brasil. Em se tratando de pistas experimentais coma utilização de solo-cal no Brasil, os relatos de Guimarães (1971) proferem: • Aeroporto de Congonhas (São Paulo) – na área de hangares da Varig (10000m2) foi construída uma base de solo-cal-agregado, com 6% de cal hidratada, e um solo classificado como A-7-5, IP igual a 12. O material apresentou resistência à compressão simples de 1,5 MPa aos 28 dias; • Rodovia Curitiba/ Porto Alegre – próximo ao km 10, no Estado do Paraná, com 1000 metros de extensão. Foi utilizado um solo siltoso, com 3% e 7% de cal; • Rodovia Brasília/ Fortaleza – nas proximidades de Sobradinho/DF foram executados dois trechos de 150m cada, base com 1% e 3% de cal, e sub-base em solo laterítico (LL = 41% e IP = 11%); • Avenida Sernambetiba (Rio de Janeiro, Guanabara) – trecho de 18km com base de solo-cal. Utilizou-se um solo com 25% a 33% retido na #200 e os teores de 3% e 4% de cal; • Rodovia Cruz-Alta/ Carazinho (BR-377/RS) – 2 trechos experimentais em solo argilo-arenoso e 4% de cal cálcica. Verifica-se que nestes exemplos a utilização da cal se limita a teores baixos da mesma, fato observado por Nardi (1987) apud Ide e Peixoto (2006), o qual verificou numa pista experimental (com utilização de solo arenoso), que os teores de cal de 4% e 6% apresentaram as melhores condições funcionais e estruturais e que misturas de elevada rigidez apresentam trincas de retração que podem refletir no revestimento betuminoso. 23 2.6. O USO DO ENSAIO DE CBR O ensaio CBR, desenvolvido inicialmente pelo Departamento de Rodovias do Estado da Califórnia, EUA, foi adotado pelo Corpo de Engenheiros dos Estados Unidos, que, após introduzir modificações, divulgou-o amplamente durante a Segunda Guerra Mundial (NOGAMI e VILLIBOR, 1995). No Brasil, os resultados desse ensaio são adotados quase que com exclusividade para o dimensionamento de pavimentos flexíveis, determinando-se a capacidade de suporte do subleito e das camadas do pavimento rodoviário. Exemplos nesse sentido são os métodos de dimensionamentos de pavimentos flexíveis do DNIT, antigo DNER, na versão mais atual do seu Manual de Pavimentação (DNIT, 2006). O Ensaio de CBR consiste na determinação da relação entre a pressão necessária para produzir uma penetração de um pistão num corpo-de-prova de solo, e a pressão necessária para produzir a mesma penetração numa brita padronizada O valor de relação, expressa em percentagem, permite determinar, por meio de equações empíricas, a espessura de pavimento flexível necessária, em função do tráfego. 2.7. MÉTODO DAS PASTILHAS MCT Este método permite a classificação do solo, através do comportamento de pastilhas moldadas em anéis de aço inox de 20mm de diâmetro interno e 5mm de altura. A fração do solo que passa na peneira de 0,42mm de abertura é umedecida e espatulada até apresentar consistência plástica para posterior moldagem das pastilhas, as quais são postas a secar em estufa ou ao ar livre. A contração é medida pela diferença entre o diâmetro do anel e o diâmetro da pastilha seca. Os anéis contendo os corpos de prova são colocados sobre pedra porosa com livre suprimento de água. Ao absorver água, são observados fenômenos como inchamento, trincamento e amolecimento. Este último é determinado através da penetração de uma agulha padronizada com massa de 10g e diâmetro de 1,30 mm. O ensaio é realizado em três pastilhas e posteriormente é efetuada a média dos valores obtidos. De posse do valor da média da contração e da penetração, estes são 24 locados no Gráfico da Figura 2 e determina-se a classificação MCT. O coeficiente c’ não é utilizado para a classificação expedita com uso das Pastilhas. Este método classifica os solos em duas grandes classes: os lateríticos e os não lateríticos, no total são sete grupos de solos com características distintas quanto ao seu comportamento geotécnico. Os solos lateríticos são subdivididos em argilosos (LG’), arenosos (LA’) e areias (LA). E os não lateríticos são subdivididos em argilosos (NG’), siltosos (NS’), arenosos (NA’) e areias (NA). NA - NS' NS' - NA' NS'/NA' NS' - NG' NA NA'/NS' NA' - NS' NA'/ NG' (NG' - NS') LA LA - LA' LA' LA' - LG' LG' Contração diametral (mm) P en et ra çã o (m m ) Coeficiente c' 0,2 0,5 0,9 1,3 1,7 4 3 2 1 0 1 0,15 0,22 0,55 0,9 1,4 Figura 2 – Carta de Classificação - Método das Pastilhas Fonte: (Nogami e Villibor, 1994) (Fortes, 2002). 25 2.8. DETERMINAÇÃO DA DOSAGEM DE CAL 2.8.1. Método do ph Proposto por Eades e Grim (1966) apud Núñez (1991), o método do pH fundamenta-se no pH da mistura solo-cal. O princípio básico deste procedimento é adicionar suficiente quantidade de cal de modo a assegurar um pH de 12,4 para a ocorrência das reações pozolânicas (que proporcionam resistência à mistura). Este método foi desenvolvido para solos de climas temperados. Em alguns solos tropicais o limite de pH de 12,4 é impossível de ser alcançado. Pesquisas relatadas por Harty (1970) apud Núñez (1991) demonstram que os teores de cal determinados pelo método do pH não são suficientes para estabilizar solos tropicais e subtropicais. 26 3. CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO 3.1. LOCALIZAÇÃO GEOGRÁFICA A área de estudo é pertencente à Empresa BATTISTELLA FLORESTAL, situada no município de Rio Negrinho - SC. O município localiza-se no planalto norte do estado de Santa Catarina e faz parte da Bacia do Rio Iguaçu. A região apresenta uma altitude média de 792 m e caracteriza-se por ter um clima temperado com ares de cidade serrana e frio intenso no inverno. Figura 3 - Área de estudo. Fonte: Elaboração do autor (2008). 27 3.2. FORMAÇÃO GEOLÓGICA Segundo Bortoluzzi et al. (1987), o substrato do município de Rio Negrinho, é formado por rochas sedimentares pertencentes aos Grupos Itararé e Guatá, do Super Grupo Tubarão. Esta unidade compreende um conjunto de espessas camadas de sedimentos derivados de rochas em ambiente glacial e periglacial. Os processos de deposição se entenderam do Carbonífero Superior ao Permiano Médio. Segundo os mesmos autores, o grupo Itararé é representado pelas Formações Mafra e Rio do Sul. Na formação Mafra predominam arenitos finos a grosseiros de coloração esbranquiçada a vermelha com matriz arenosa argilosa a argilosa, derivadas de uma seqüência flúvio marinha com influência glacial. Enquanto a de Rio do Sul é composta por folhelhos de argilitos cinza escuros e pretos e arenitos finos a médios de origem glácio-marinha, com cobertura superior em argilitos, folhelhos, arenitos finos e médios. O grupo Guatá é representado pela formação Rio Bonito, composto por depósitos litorâneos e fluviais abrange a parte sul do município de Rio Negrinho, composto por arenitos finos a muito finos, intercalado com argilitos e folhelhos carbonosos. No município de Rio Negrinho a formação Mafra é predominante. A parte central é representada pela formação Rio do Sul e na região sul pela de Rio Bonito. Na área de estudo predomina a formação geológica sedimentar. 3.3. SOLOS Segundo o mapa de solosda Embrapa (2004) para o Estado de Santa Catarina, em escala 1:250.000, o solo na fazenda Rio Feio caracteriza-se como Cambissolo Álico Tb A moderado (Ca9), textura argilosa, fase floresta subtropical perenifólia, relevo suave ondulado e ondulado, mostrado na figura 4. 28 área de estudo Figura 4 - Solos da área de estudo Fonte: Embrapa (2004). Esta nomenclatura era utilizada pela antiga classificação de solos da Embrapa Solos. A partir da nova classificação, o solo Ca9, passou a ser classificado pelo Sistema Brasileiro de Classificação (EMBRAPA, 1999) como Cambissolo. Os Cambissolos são tipicamente derivados de rochas sedimentares, com baixa fertilidade e elevados teores de matéria orgânica. Possui horizonte subsuperficial B incipiente, definido pelo baixo gradiente textural, pela média e alta relação silte/argila 29 ou pela presença de minerais primários de fácil decomposição (TASSINARI et al., 1990 apud DALAGNOL, 2001). A EMBRAPA (2004) define estes solos em função da seguinte combinação de características: argila de atividade baixa, horizonte A do tipo moderado e textura argilosa. Solos com estas características ocorrem principalmente nas microrregiões Carbonífera, Colonial do Alto Itajaí, Colonial de Joinville, Colonial Serrana Catarinense e Florianópolis, em altitudes que vão desde os 30m nas microrregiões de Florianópolis e Colonial de Joinville, até 800m na microrregião Colonial do Alto Itajaí. São solos desenvolvidos, dominantemente, a partir da meteorização de rochas sedimentares, e em menor escala da intemperização de rochas efusivas da Formação Serra Geral. O horizonte A, com espessura entre 15 e 25 cm quando úmido e ligeiramente plástico a plástico e ligeiramente pegajoso com o solo molhado. O horizonte A moderado possui textura média (menos que 35% de argila e mais do que 15% de areia), com colorações bruno - amareladas escuras, bruno - escuras e bruno - amareladas escuras. Quando a textura é mais argilosa neste horizonte, há um desenvolvimento maior em termos de estrutura, sendo de pequena a média granular ou até em blocos subangulares. 3.4. COBERTURA VEGETAL E USO DO SOLO O uso do solo da área de estudo é o reflorestamento de Pinus taeda. A cobertura vegetal anteriormente existente era de mata nativa, pertence ao bioma Mata Atlântica, onde predominava a Floresta Ombrófila Mista que se caracterizava, principalmente, pela presença de pinheiro-do-paraná (Araucaria angustifolia) (EPAGRI/CIRAM, 2006). Sua formação apresentava um estrato superior constituído pela araucária, e submatas bastante heterogêneas, contando ainda com a presença de espécies como imbuia (Ocotea porosa), sapopema (Sloanea lasiocoma), erva-mate (Ilex paraguariensis) e taquara (Merostachys multiramea) (EPAGRI/CIRAM, 2006). 30 4. METODOLOGIA m Figura 5 – Fluxograma da metodologia aplicada. Fonte: Elaboração do Autor (2008). Coleta das Amostras Secagem Ensaios de Caracterização Compactação CBR Granulometria MCT Limites de Atterberg (LL e LP) Densidade Real das Partículas Teor de Umidade Natural Determinação do Teor Ótimo de Cal por PH Teor Ótimo de Cal Compactação CBR Granulometria Pós-Compactação LL/LP -1% de CAL -2% de CAL -3% de CAL +1% de CAL +2% de CAL +3% de CAL Compactação CBR Granulometria Pós-Compactação LL/LP Compactação CBR Granulometria Pós-Compactação LL/LP Compactação CBR Granulometria Pós-Compactação LL/LP Compactação Granulometria Pós-Compactação LL/LP Compactação CBR Granulometria Pós-Compactação LL/LP Compactação CBR Granulometria Pós-Compactação LL/LP CBR Planejamento Análise de Resultados MCT MCT MCT MCT MCT MCT MCT Verificação do teor ótimo de cal 31 4.1. PLANEJAMENTO O planejamento é necessário para a organização de todo o estudo, tanto na parte escrita como na parte prática, evitando o aparecimento de problemas que podem acarretar em perda de tempo, desperdício de material e ensaios mal-realizados. Esta etapa engloba toda a pesquisa, a fim de visualizar todas as etapas. Sendo assim, foram levantadas todas as questões que poderiam afetar o desenvolvimento de trabalho, como por exemplo: infra-estrutura, logística, tempo, viabilidade do assunto, bibliografia, entre outras. Com a confirmação da viabilidade foi iniciado o TCC. 4.2. SELEÇÃO DAS JAZIDAS Foram escolhidas as duas jazidas, localizadas no município de Rio Negrinho, no qual será realizada a construção da rodovia, A escolha das jazidas levou em conta o seu volume, pois caso o solo seja viável, deve haver volume suficiente para sua extração. Levou-se em conta também sua proximidade com o local da construção, a fim de baratear o custo da obra (Figura 6 e 7). Figura 6 - Jazida Rio Feio Fonte: Arquivo do Autor (2008). 32 Figura 7 - Jazida Cerro Azul Fonte: Arquivo do Autor (2008). 4.3. COLETA DE MATERIAL EXISTENTE A coleta de amostras foi realizada em sacos, de forma irregular. Foram coletados em média oito sacos de aproximadamente 40 kg de material pertencente ao horizonte C (Figura 8). Figura 8 - Transporte das amostras de solo Fonte: Arquivo do Autor (2008). 33 Após a coleta, o material foi trazido ao laboratório de Mecânica dos Solos da UNISUL (Universidade do Sul do Estado de Santa Catarina), campus Ponte do Imaruim, onde ficou estocado até o fim dos ensaios. Antes de iniciar os ensaios, uma parte dos solos coletados foi espalhada ao ar livre para a secagem, tendo em vista que apresentavam um alto teor de umidade devido ao clima que se encontrava no dia da coleta das amostras (Figura 9). Figura 9 - Secagem das amostras de solo em laboratório Fonte: Arquivo do Autor (2008). 4.4. REALIZAÇÃO DE ENSAIOS EM LABORATÓRIO Os solos foram submetidos aos ensaios que fazem parte desta pesquisa no laboratório de mecânica dos solos da UNISUL. Os ensaios realizados foram os seguintes: • Caracterização que consistem em: Compactação, Índice de Suporte Califórnia, Limites de Atterberg, Densidade Real dos Grãos, Analise Granulométrica e o Ensaio de MCT. • Determinação da quantidade ideal de cal a ser misturado, pelo método do PH. 34 • Compactação e Índice de Suporte Califórnia na energia normal, com imersão e sem imersão, para o solo estabilizado com o teor ótimo e também para uma variação de -3%, -2%, -1%, +1%, +2% e +3 % do teor ótimo. • Densidade Real dos Grãos e o Limite de Atterberg com o material que foi compactado nas diferentes variações do teor de cal. Foi feito apenas para o teor ótimo o Ensaio de Compactação e Índice de Suporte Califórnia na energia intermediaria. Os ensaios que foram realizados nesta pesquisa estão sucintamente descritos nos itens seguintes, com a citação da norma empregada e descrição da metodologia utilizada. 4.4.1. Análise granulométrica O ensaio de granulometria é o processo utilizado para a determinação da percentagem em peso que cada faixa especificada de tamanho de partículas representa na massa total ensaiada. A análise granulométrica dos solos é um ensaio de caracterização rotineiro realizado por peneiramento e por sedimentação. Foi utilizado o procedimento descrito na norma NBR 7181/1984 – Solo: Análise Granulométrica. 4.4.1.1. Execução do ensaio A preparação da amostrapara a realização do ensaio de granulometria segue as seguintes etapas: a) Seleciona-se uma quantidade de 1,5kg de material seco ao ar ou úmido; determina-se sua umidade; b) Passa-se o material na peneira #10 (2,0mm); c) Separar 120g do material passante na peneira #10 para o ensaio de sedimentação,120g para o peneiramento fino e 120g para o peneiramento grosso; 35 Após a preparação da amostra, a execução do ensaio prossegue com alguns procedimentos: Peneiramento Grosso a) Lava-se 1,5kg do material previamente pesado utilizando a peneira #10, colocando-o na estufa por 24 horas; b) Peneira-se o material seco por meio do conjunto de peneiras, até a peneira #10. c) Pesa-se a fração retida em cada peneira (Figura 10) Figura 10 - Peneiramento Grosso antes da compactação Fonte: Arquivo do Autor (2008) Peneiramento Fino a) Lava-se 120g do material utilizando a peneira #200 (0,075mm), colocando-o na estufa por 24 horas; b) Peneira-se o material seco por meio do conjunto de peneiras com aberturas menores que a #10; c) Pesa-se a fração retida em cada peneira; 36 Sedimentação a) Coloca-se 120g do material com 125ml de defloculante (solução de hexametafosfato de sódio) por 14 horas; b) Agita-se a mistura no dispersor elétrico por 15 minutos; c) Transfere-se a mistura para a proveta graduada, completando com água destilada até 1000ml e realiza-se o balanceamento durante de 1 minuto; d) Efetua-se leituras do densímetro nos instantes de 30s, 1, 2, 4, 8, 15, 30min, 1, 2, 4, 8, 16 e 24 horas; Figura 11 – Dispersor Elétrico Fonte: Arquivo do Autor. 2008 4.4.1.2. Cálculo Massa total da amostra seca Calcular a massa total da amostra seca, utilizando-se a expressão: MS = (MT-MG).fc + MG onde: MS = massa total da amostra seca; MT = massa da amostra seca ao ar; MG = massa do material seco acumulado retido na peneira de 2,0 mm; fc = fator de correção da umidade = 100 / (100 + h); h = umidade higroscópica do material passado na peneira de 2,0 mm. 37 Calcular as porcentagens de materiais que passam nas peneiras de 50, 38, 19, 9,5, 4,8, e 2,0 mm, utilizando a expressão: Qg = 100 (Ms – Mi) / Ms onde: Qg = porcentagem de material passado em cada peneira Ms = massa total da amostra seca Mi = massa do material retido acumulado em cada peneira Porcentagens do material em suspensão Calcular as porcentagens correspondentes a cada leitura do densímetro, referidas à massa total da amostra, utilizando-se a expressão Qs = N.d.V.dc.Lc / [(d-dd).Mh.fc)] onde: Qs = porcentagem de solo em suspensão no instante da leitura do densímetro; N = porcentagem de material que passa na peneira de 2,0 mm; d = massa específica dos grãos do solo, em g/ cm3 ; dd = massa específica do meio dispersor, em g/ cm3; V = volume da suspensão, em cm3; dc = massa específica da água, à temperatura de ensaio, em g/cm3; Lc = leitura corrigida = L – Ld + (erro causado pelo menisco); L = leitura do densímetro na suspensão; Ld = leitura do densímetro no meio dispersor, na mesma temperatura da suspensão, durante o ensaio; Mh = massa do material úmido submetido à sedimentação, em g ; h = umidade higroscópica do material passado na peneira de 2,0 mm 38 Calcular o diâmetro máximo das partículas em suspensão, no momento de cada leitura do densímetro, utilizando-se a fórmula de Stokes: Æ = [ 1800 h . a / {t.(d-dd)} ] 0,5 onde: Æ = diâmetro máximo das partículas, em mm ; h = coeficiente de viscosidade do meio dispersor, à temperatura de ensaio, em g.s/cm2; a = altura de queda das partículas, com resolução de 0,1 cm, correspondente à altura do densímetro, em cm; t = tempo de sedimentação, em segundos; d = massa específica dos grãos do solo, em g/ cm3; dd = massa específica do meio dispersor, à temperatura de ensaio, em g/cm 3; Calcular as porcentagens dos materiais que passam nas peneiras de 1,2, 0,6, 0,42, 0,25, 0,15 e 0,075mm, utilizando-se a expressão Qf = N.(Mh.fc-Mi)/(Mh.fc) onde: Qf = porcentagem de material passado em cada peneira; Mh = massa do material úmido submetido ao peneiramento fino ou à sedimentação, conforme o ensaio tenha sido realizado apenas por peneiramento ou por combinação de peneiramento e sedimentação, respectivamente; fc = fator de correção = 100 / (100 + h); h = umidade higroscópica do material passado na peneira de 2,0 mm; Mi = massa do material retido acumulado em cada peneira; N = porcentagem de material que passa na peneira de 2,0 mm. 4.4.1.3. Resultados À partir dos valores calculados, traça-se a curva de distribuição granulométrica, marcando-se no eixo das abscissas em escala logarítmica os “diâmetros” das partículas menores do que aqueles considerados. 39 4.4.2. Densidade real dos grãos A massa específica real de um solo é o valor médio da massa específica dos grãos do solo, ou seja, os vazios não são computados. A sua obtenção é necessária para o cálculo do ensaio de sedimentação e a determinação do índice de vazios e demais índices físicos do solo. Tem como fundamentação teórica o princípio de Arquimedes, segundo o qual, um corpo submerso num líquido desloca um volume deste igual ao volume do próprio corpo. 4.4.2.1. Execução do ensaio O procedimento para o ensaio de massa específica real dos grãos foi realizado de acordo com a Norma NBR 6508/1984 – Solo: Determinação da massa específica, através do procedimento do picnômetro. 4.4.2.2. Preparação da Amostra Para a determinação da massa específica real de um solo, utiliza-se uma amostra do material que passa na peneira #10, podendo ser úmida ou seca em estufa. Se úmida, deverá ter sua umidade calculada para posterior transformação de peso úmido em peso seco. 4.4.2.3. Execução do Ensaio Seguem-se as etapas enumeradas na seqüência: a) Pesar o picnômetro seco; b) Colocar certa quantidade da amostra no picnômetro e pesar o picnômetro com solo; c) Adicionar água até metade do volume do picnômetro; d) Ferver em fogareiro por 10 a 15 minutos ou aplicar vácuo por 15 minutos. Essa etapa destina-se a retirada de todo o ar existente entre as partículas do solo; 40 e) Deixar o picnômetro em repouso até que sua temperatura se estabilize anotando o valor da mesma; f) Pesar o picnômetro com o conteúdo (solo + água); g) Obter na curva de calibração do picnômetro o peso do picnômetro cheio d’água; h) Repetir o processo mais uma vez, no mínimo. 4.4.2.4. Cálculos Para o cálculo da massa específica dos grãos do solo, utiliza-se a seguinte relação: γs = d.γw onde: d = Ps / (Ps + Pa - Pas) γs – massa especifica real do solo d – densidade do solo γw – massa especifica da água na temperatura do ensaio Ps – peso do solo seco Pa – Peso do picnometro cheio de água destilada Pas – Peso do picnometro cheio de água e solo. 4.4.2.5. Conclusões Considerar os ensaios satisfatórios quando seus resultados diferirem 0,02 g/cm3 ou menos. 41 4.4.3. Limites de Atterberg Geralmente os ensaios para a determinação dos Limites de Plasticidade, Liquidez e Contração são feitos em conjunto. De uma amostra previamente preparada de acordo com a norma NBR 6457 (seca ao ar, destorroada, homogênea) deve ser separada por sucessivas passagens no repartidor de amostras, uma quantidade que permita que do passante na peneira 40 (0,42 mm) sejam tomadas 250 gramas, para a execução dos trêsensaios. Para cada ensaio de determinação do LP serão separados cerca de 100 gramas. Limite de Liquidez O Limite de Liquidez (LL em porcentagem) é o teor de umidade do solo com o qual se unem, em um centímetro de comprimento, os bordos inferiores de uma canelura, feita em uma massa de solo colocada na concha de um aparelho normalizado (Concha de Casagrande), sob a ação de 25 golpes desse aparelho. Sendo assim, o limite de liquidez marca a transição do estado plástico ao estado líquido. Para a realização deste ensaio foi consultada a norma NBR 6459/1984 – Solo: Determinação do Limite de Liquidez. 4.4.3.1. Execução do ensaio a) O solo é peneirado em uma peneira de abertura 0,42mm. Retirou-se do solo peneirado uma amostra de 350 g; colocada em uma cápsula de porcelana, adiciona- se água destilada, em quantidade suficiente para formar uma pasta uniforme, relativamente consistente; b) A amostra é submetida a um processo de mistura, fazendo-se contínuos movimentos com uma espátula, com o objetivo de homogeneizá-la. c) Este processo deve ter duração de cerca de 30 min, evitando-se triturar as partículas sólidas do solo; 42 d) Transfere-se, com uma espátula, parte da amostra para a concha do aparelho de Casagrande e se alisa-se a superfície, de forma a se obter uma camada com espessura de 10 mm na seção mais profunda; e) Faz-se uma ranhura ao longo do plano de simetria da concha, utilizando- se o cinzel de Casagrande, que foi mantido normal à concha no ponto de contato durante o movimento; f) A concha deve estar limpa, evitando-se dissipação de energia durante os golpes; g) A manivela é girada, procurando-se respeitar a razão de duas revoluções por segundo e então é iniciada a contagem dos golpes necessários para que as duas bordas inferiores da ranhura se unam, numa distância de 13 mm, ao longo do eixo de simetria; h) Em seguida, são coletados aproximadamente 20 g de solo junto às bordas, que se uniram para posterior determinação da umidade. i) O material da concha é retirado para se promover a sua limpeza e secagem. A amostra ensaiada deve ser misturada novamente ao restante do material preparado; j) Adiciona-se um pouco de água para aumentar a umidade e, em seguida, homogeneizou-se a pasta novamente; Este procedimento deve ser repetido cinco vezes, para se obter 5 valores de umidade versus número de golpes situados, esses últimos, entre 15 e 35. Figura 12 – Aparelho de Casagrande Fonte: Arquivo do Autor (2008) 43 4.4.3.2. Resultados Os dados foram representados graficamente, com o número de golpes na abscissa e a umidade correspondente na ordenada foi, em seguida, traçada a reta que melhor se ajustou os pontos. A umidade correspondente à projeção de 25 golpes, sobre a reta traçada, foi considerada limite de liquidez. Limite de Plasticidade O Limite de Plasticidade (LP em porcentagem) é o teor de umidade com o qual consegue-se fazer um cilindro, com uma pequena massa de solo, de 3mm de diâmetro com 6 a 10cm de comprimento. Para este procedimento foi consultada a norma NBR 7180/1984 – Solo: Determinação do Limite de Plasticidade. 4.4.3.3. Execução do ensaio a) Colocar a amostra na bacia de porcelana, adicionar água destilada com pequenos incrementos, amassando e revolvendo, vigorosa e continuamente, com a espátula, de forma a obter uma pasta homogênea, de consistência plástica. O tempo de homogeneização deve estar entre 15 e 30 minutos, sendo o maior intervalo de tempo para solos mais argilosos; b) Tomar cerca de 10 g da amostra assim preparada e formar com os dedos uma pequena bola, que deve ser rolada sobre a placa de vidro com pressão suficiente da palma da mão (melhor usar os dedos, posicionados de forma inclinada em relação à direção de movimento da mão) para lhe dar forma de cilindro; c) Enquanto a amostra se fragmentar antes de atingir o diâmetro de 3 mm, retorná-la à bacia de porcelana, adicionar água destilada, homogeneizar durante pelo menos 3 minutos, amassando e revolvendo vigorosa e continuamente com auxílio da espátula e repetir o procedimento descrito em (b); d) Quando a moldagem do cilindro com as dimensões mencionadas for conseguida, estará caracterizado que o solo está no estado plástico. Refazer a esfera e repetir a rolagem até que haja fragmentação do cilindro com dimensões próximas às do gabarito de comparação; e) Transferir imediatamente as partes fragmentadas para um recipiente adequado, para determinação da umidade pelo método da estufa (NBR 6457); 44 f) Repetir as operações (b) à (e) para obter pelo menos três valores de umidade que difiram de sua respectiva média menos que cinco por cento do valor dessa média. 4.4.3.4. Conclusões Na prática, obtêm-se cinco ou seis valores, para que haja boa probabilidade de que pelo menos três valores satisfaçam à esta condição (os que não a satisfaçam são descartados). 4.4.4. Compactação O ensaio de compactação é um procedimento que visa a densificação do solo e a obtenção da massa específica aparente seca máxima (γsmax) e da umidade ótima (Wót) de um solo. Pode ser realizado com a energia de compactação Proctor Normal, Intermediária e Modificado. Neste estudo foi utilizada a energia de compactação Proctor Normal tanto na parte de caracterização do solo como também após a adição do aditivo em todos os teores já listados, e apenas para o teor ótimo foi utilizada a energia de compactação Proctor Intermediária. Para este ensaio foi adotada a Norma NBR 7182/1986 – Solo: Ensaio de Compactação. 45 Tabela 1 – Energias de compactação Fonte: Manual do DNIT (2006) CILINDRO CARACTERISTICAS REFERENTES À ENERGIA DE COMPACTAÇÃO PROCTOR NORMAL PROCTOR INTERMEDIARIO PROCTOR MODIFICADO Soquete Pequeno Grande Grande PEQUENO Número de camadas 3 3 5 Número de golpes por camada 28 21 27 Soquete Grande Grande Grande GRANDE Número de camadas 5 5 5 Número de golpes por camada 12 26 55 Altura do disco espaçador (mm) 83,5 83,5 83,5 4.4.4.1. Execução do ensaio Ensaio realizado primeiramente a fim de caracterizar o solo, e posteriormente foi novamente realizado com os sete teores de cal para as duas diferentes jazidas. a) Fixar o molde cilíndrico à sua base, acoplar o cilindro complementar e apoiar o conjunto em uma base rígida. Caso se utilize o cilindro grande, colocar o disco espaçador. Se necessário, colocar uma folha de papel-filtro com diâmetro igual ao do molde utilizado, de modo a evitar a aderência do solo compactado com a superfície metálica da base ou do disco espaçador. b) Tomar a amostra preparada para ensaios com reuso de material de acordo com o Método de Ensaio – ME-1, da PC c) Na bandeja metálica, com auxílio da proveta de vidro, adicionar água destilada, gradativamente e removendo continuamente o material, de forma a se obter o teor de umidade em torno de 5% abaixo do teor de umidade ótima presumível. Para determinados solos, a uniformização da umidade, quando da incorporação da água no material seco até a umidade de higroscópica, pode apresentar algumas dificuldades. Neste caso, recomenda-se que a amostra a ser ensaiada, após a 46 adição da água e o revolvimento do material, seja colocada em saco plástico vedado e mantida em processo de cura numa câmara úmida durante 24 horas. Antes da compactação, deve-se proceder a um revolvimento adicional da amostra. Para o ensaio realizado sem reuso do material, proceder de forma análoga, paracada uma das porções a serem ensaiadas. Quando for adotado este procedimento, o mesmo deve ser explicitado junto com os resultados. d) Após completa homogeneização do material, proceder a sua compactação, atendo-se ao soquete, número de camadas e número de golpes por camada, correspondentes à energia desejada. Neste trabalho utilizou-se a energia normal para todos os teores de cal, apenas no teor ótimo foi utilizada a energia intermediária. Os golpes do soquete devem ser aplicados perpendicularmente e distribuídos uniformemente sobre a superfície de cada camada, sendo que as alturas das camadas compactadas devem resultar aproximadamente iguais. A compactação de cada camada deve ser precedida de uma ligeira escarificação da camada subjacente. e) Após a compactação da última camada, retirar o cilindro complementar depois de escarificar o material em contato com a parede do mesmo, com auxílio de espátula. Deve haver um excesso de, no máximo, 10 mm de solo compactado acima do molde que deverá ser removido e rasado com auxílio de régua biselada. Feito isso, remover o molde cilíndrico de sua base e, no caso do cilindro pequeno, rasar também a outra face. f) Pesar o conjunto, com resolução de 1 g e por subtração do peso do molde cilíndrico, obter o pés o úmido do solo compactado, Ph. g) Com o auxílio do extrator, retirar o corpo-de-prova do molde e do centro do mesmo, tomar uma amostra para determinação do teor de umidade, h, de acordo com o Método de Ensaio – ME-1, da PCR. h) Destorroar o material, com auxílio da desempenadeira e da espátula, até que passe integralmente na peneira de 4,8 mm ou na de 19 mm, respectivamente, 47 conforme a amostra, após preparada, tenha ou não passado integralmente na peneira de 4,8 mm. i) Juntar o material assim obtido com o remanescente na bandeja e adicionar água destilada, revolvendo o material, de forma a incrementar o teor de umidade de aproximadamente 2%. j) Repetir as operações descritas nas alíneas a e d em diante, até se obter cincos pontos, sendo dois no ramo seco, um próximo ao teor de umidade ótima, preferencialmente no ramo seco, e dois no ramo úmido da curva de compactação 4.4.4.2. Cálculos a) Determinar a massa específica aparente seca, utilizando-se a expressão: ãs = Phx100 V(100+h) Onde: ãs = massa específica aparente seca, em g/cm³; Ph = peso úmido do solo compactado, em g; V = volume útil do molde cilíndrico, em cm³, e h = teor de umidade do solo compactado, em %. 48 b) Recomenda-se determinar a curva de saturação (relação entre a massa específica aparente seca e o teor de umidade, para grau de saturação do solo igual a 100%), utilizando-se a expressão: γs = S__ h + S δa δ Onde: γs = massa específica aparente seca, em g/cm³; S = grau de saturação, igual a 100%; h = teor de umidade, arbitrado na faixa de interesse, em %; δ = massa específica dos grãos do solo, determinada de acordo com os Métodos de Ensaios – ME-2 ou ME-3, da SVP/PMSP, em g/cm³; e δa = massa específica da água, em g/cm³ ( considerar igual a 1,00 g/cm³). 4.4.4.3. Conclusões a) Curva de compactação Utilizando coordenadas cartesianas normais, traçar a curva de compactação, marcando-se em abscissas os teores de umidade, h, e em ordenadas as massas específicas aparentes secas (γs) correspondentes. A curva resultante deve ter um formato aproximadamente parabólico conforme a figura 13. Figura 13 – Simulação de curva de compactação. Fonte: Elaboração do autor (2008). w (%) γd (%) γdmax W ótima 49 b) Massa específica aparente seca máxima: Valor correspondente à ordenada máxima da curva de compactação, expresso com aproximação de 0,01 g/cm³. c) Teor de umidade ótima. Valor correspondente, na curva de compactação, ao ponto de massa específica seca máxima, expresso com aproximação de 0,1%. d) Curva de saturação. Recomenda-se traçar a curva de saturação, no mesmo desenho da curva de compactação 4.4.5. Índice de suporte Califórnia (ISC) Este ensaio é realizado para avaliação da resistência a penetração e medição da expansão. Para determinar o Índice de Suporte Califórnia foi utilizada a norma NBR 9895/1987: Solo – Determinação do Índice de Suporte Califórnia. Figura 14 - Prensa de CBR. Fonte: Arquivo do autor (2008). Ensaio dever ser iniciado somente após ter sido encontrada a umidade ótima para o solo em questão. 50 4.4.5.1. Execução do ensaio a) Fixar o molde cilíndrico à sua base, acoplar o cilindro complementar e apoiar o conjunto em uma base rígida. Caso se utilize o cilindro grande, colocar o disco espaçador. Se necessário, colocar uma folha de papel-filtro com diâmetro igual ao do molde utilizado, de modo a evitar a aderência do solo compactado com a superfície metálica da base ou do disco espaçador. c) Na bandeja metálica, com auxílio da proveta de vidro, adicionar água destilada, gradativamente e removendo continuamente o material, de forma a se obter o teor de umidade ótima. d) Após completa homogeneização do material, proceder à sua compactação, atendo-se ao soquete, número de camadas e número de golpes por camada, correspondentes à energia desejada, Os golpes do soquete devem ser aplicados perpendicularmente e distribuídos uniformemente sobre a superfície de cada camada, sendo que as alturas das camadas compactadas devem resultar aproximadamente iguais. A compactação de cada camada deve ser precedida de uma ligeira escarificação da camada subjacente. e) Após a compactação da última camada, retirar o cilindro complementar depois de escarificar o material em contato com a parede do mesmo, com auxílio de espátula. Deve haver um excesso de, no máximo, 10 mm de solo compactado acima do molde que deverá ser removido e rasado com auxílio de régua biselada. Feito isso, remover o molde cilíndrico de sua base e, no caso do cilindro pequeno, rasar também a outra face. f) Retirar o disco espaçador de cada corpo-de-prova, inverter os moldes e fixá-los nos respectivos pratos-base perfurados; g) Para o ensaio de CBR sem imersão, onde o corpo de prova é rompido logo após sua compactação, recomenda-se deixá-lo de cura por cerca de 1 dia. Após esse período, o corpo-de-prova está preparado para penetração. Para a execução do ensaio CBR imerso deve-se seguir os seguintes passos: 51 Expansão a) Colocar em cada corpo-de-prova, no espaço deixado pelo disco espaçador, o prato perfurado com haste de expansão e sobre ele, dois discos anelares, cuja massa total deve ser de aproximadamente 4540g. b) Apoiar na haste de expansão do prato perfurado, a haste do extensômetro aclopado ao porta-extensômetro, colocado na borda superior do cilindro. Anotar a leitura inicial e imergir o coprpo-de-prova no tanque. Cada corpo-de-prova deve permanecer no banho durante no mínimo quatro dias e as leituras no extensômetro devem ser efetuadas de 24 em 24 horas. c) Terminado o período de imersão, retirar cada corpo-de-prova do tanque deixar escoar a água durante 15 minutos. Após esse tempo, o corpo-de-prova está preparado para penetração. Figura 15. Cilindro equipado com extensômetro antes de ser imerso Fonte: Arquivo do Autor (2008). 52 Penetração a) Colocar no topo de cada corpo-de-prova, dentro do molde cilíndrico, as sobrecargas utilizadas
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