Pavimentos de base cimentada

Pavimentos de base cimentada

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Curso de Especialização para Projetista de Pavimento de Concreto

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Materiais Estabilizados com Aglomerantes Hidráulicos para Pavimentos de Concreto de Cimento Portland

1993-2002, direitos autorais reservados, e reprodução autorizada para a ABCP para o curso de especialização em 2002

José Tadeu Balbo (texto estratificado a partir da publicação do próprio autor “Pavimentação – Materiais, suas Propriedades e Técnicas Construtivas”, no prelo, Editora USP, 2002)

Neste item são apresentadas para estudo as misturas de solos e materiais granulares estabilizados com cimento, isto é, quimicamente alterados com as reações de hidratação do cimento Portland ou outro ligante hidráulico, como por exemplo as adições de cal ou de cinzas volantes.

O termo estabilização química aqui empregado reflete-se de dois modos que podem ser objetivo da mistura simultaneamente ou isoladamente: a alteração da suscetibilidade de um material à água e incremento expressivo de sua resistência como material de construção. Ênfase será dada às misturas de solo melhorado com cimento, solo-cimento e brita graduada tratada com cimento.

Não se pode afirmar que a estabilização de materiais com ligantes hidráulicos como técnica construtiva, seja uma invenção recente. Conscientes da necessidade de construção de pavimentos mais robustos para, por um lado permitir sua utilização por tráfego mais intenso e, por outro, reduzir as necessidades de manutenção, as grandes vias consulares na época áurea de Roma já eram construídas com técnicas de estabilização utilizando-se adições de pozolanas e cal (Bolis & Renzo, 1949).

Os ligantes hidráulicos, em engenharia civil, são entendidos como "material pulvurulento mineral finamente moído que, por meio de adição de água, forma uma pasta que após determinado tempo, solidificando-se, permite sua ligação com outros materiais, sendo que tal processo pode ocorrer mesmo em meio aquoso" (Haberli & Wilk, 1990).

A primeira notícia existente sobre a aplicação de processos de estabilização de solos com cimento na era moderna data de 1917, como um fato isolado e não investigado ocorrido no Reino Unido, quando o engenheiro H. E. Brooke-Bradley aplicou tais processos para fornecer melhor condição de tráfego a estradas de terra existentes na planíce de Salisbury (Andrews, 1955).

O grande passo para a evolução desta técnica ocorreu entretanto nos EUA, no início das atividades da PCA, quando um largo experimento no uso de solo-cimento para pavimentos teve

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De maneira mais ou menos discreta, durante a 2a. Guerra Mundial, as recém desenvolvidas técnicas de estabilização de solos foram aplicadas na construção de diversos aeródromos, na fase de expansão da Alemanha (Lilley, 1971).

Modernamente, os ligantes hidráulicos utilizados para a estabilização de solos, não se restringem aos cimentos Portland. São ainda aplicáveis os ligantes pozolânicos ativados por cal e o cimento Portland com aditivos como as pozolanas naturais, as cinzas volantes, as escórias granuladas e as sílicas ativas. Cada tipo de cimento apresenta características próprias em função da proporção de silicatos de cálcio, aluminatos de cálcio e de ferro-aluminatos de cálcio, que são seus principais componentes (Haberli & Wilk, 1990).

Esta noção de adição de agentes ligantes aos solos sugere a idéia de alteração química dos materiais de pavimentação. Entretanto tal alteração deve ser encarada como um meio e não um fim, no caso de uso dos ligantes hidráulicos, em particular, o cimento Portland.

Também para o caso de uso da expressão estabilização, não se pode afirmar a existência de uniformidade de significação para os diversos autores; além disso, podem ser definidas diversas formas de estabilização, muito distintas entre si: estabilização mecânica, física, química, por ligantes aéreos ou hidráulicos, granulométrica, por betumes (Cembureau, 1960).

Vogt (1967) define por estabilização de um solo "uma modificação de suas propriedades geotécnicas por adição de outro material (ligante ou fração granulométrica) que deverá estar intimamente ligado ao solo, e subsequente compactação total da mistura". Tal definição é bastante apropriada para o caso dos materiais cimentados na medida em que se torna possível extrair da mesma dois aspectos essenciais: a presença de um ligante (o que requer o domínio de técnicas de mistura e de tecnologia do ligante propriamente dito) e a necessidade de compactação da mistura (tecnologia de solos).

A estabilização de solos com cimento para a construção de pavimentos pode ser encarada como técnica que contribui para melhorar a capacidade portante de determinados materiais, conferindo às estruturas menor deformabilidade, além de tornar o material estabilizado menos suscetível à água. No entanto, a idéia primária de estabilizar um solo com cimento era criar um material altamente estável sob ação do gelo e da umidade (La Route en Beton, 1961) face às características climáticas tipicamente encontradas no hemisfério norte.

Este conceito básico muitas vezes encontrava-se associado à possibilidade de utilização de um solo de características pobres, do ponto de vista de pavimentação, estabilizando-o com cimento, o que evitaria inclusive os elevados custos de aquisição e transporte de materiais de qualidade superior, como é o caso das pedras britadas.

Catton (1962) faz alusão à esta pavimentação de baixo custo adotada nos EUA com a utilização de cimento, a partir de 1932. Tal conceito foi também amplamente adotado no Reino

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Unido no pós-guerra, para a construção das chamadas housing estate roads, que se tratou de um grande plano de pavimentação rural de baixo custo (Cembureau, 1960).

Entretanto, paulatinamente se reforçava a idéia de que estabilizar com cimento era um procedimento construtivo que conferia grande robustez às estruturas de pavimentos, proporcionando uma melhor difusão de tensões sobre o subleito, causada pela relativa capacidade de resistir a esforços de tração na flexão da camada estabilizada, o que não era uma característica peculiar dos solos e agregados (ou materiais granulares) simplesmente compactados.

Tais idéias avançaram não apenas no campo teórico, mas através da observação do comportamento de inúmeros pavimentos construídos com o uso de materiais estabilizados com cimento. Neste sentido, desde os anos 50 a Portland Cement Association (PCA) indicava o emprego de solos estabilizados com cimento em bases de pavimentos rodoviários e aeroportuários com revestimentos betuminosos (pavimentos semi-rígidos) e também para subbases de pavimentos rígidos, sempre como elemento homogeneizador das condições de suporte de subleitos (Cembureau, 1960).

Esta aptidão dos solos estabilizados com cimento para bases e sub-bases de pavimentos e não apenas como camada de fundação (ou de reforço do subleito) é também discutida e atestada por Kézdi (1979). Balduzzi (1960) confirma o método de estabilização com cimento como um critério bastante adequado para a construção de pavimentos sujeitos a tráfego muito pesado.

O emprego do cimento para a melhoria da qualidade ou mudança de comportamento de materiais de pavimentação vai, pouco a pouco abrangendo uma variada gama de solos, aqui incluídos os materiais granulares (agregados) naturais e britados, misturas de solos e agregados, etc.

É conveniente neste ponto estabelecer uma distinção entre as funções desempenhadas pelas adições de cimento nos solos finos e em materiais granulares (agregados). Nos primeiros, a hidratação do cimento causa a formação de um esqueleto, onde as partículas de solo ficam envolvidas pela pasta de tal forma a criar uma matriz que fixa as partículas não aderidas (Lilley, 1971; Kézdi, 1979), como ilustrado na Figura 1.

Nos solos, a formação deste esqueleto é fundamental para o grande incremento de resistência, visto que suas partículas possuem pequena resistência ao cisalhamento se comparada à de um agregado. Além disso, a liberação de cal durante o processo de hidratação do cimento contribui para a melhoria da suscetibilidade à água dos solos argilosos.

Já no caso dos agregados, onde os grãos são maiores que as partículas de cimento, a ação deste último se restringe a causar ligações pontuais entre os grãos (Figura 1) mesmo porque a quantidade de pasta de cimento em processos de estabilização não é suficiente para gerar argamassa suficiente para o completo envolvimento dos mesmos, como ocorre nos concretos. Isto significa que os agregados ao receberem adições de cimento, para sua estabilização, apresentam grande quantidade de vazios não preenchidos (poros).

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A resistência dessa mistura passa então a depender não exclusivamente dos grãos mas também das ligações ocasionadas pela pasta de cimento, que causará uma coesão aparente no material (Lilley, 1971). Para os agregados comuns, a princípio, a estabilização com cimento não objetiva uma melhoria de sua suscetibilidade à água, pois os mesmos não são passíveis de expansão.

Figura 1 Ação do cimento na estabilização de agregados e de solos

A melhoria de resistência de uma mistura de agregados com cimento, face ao exposto, pode ser buscada através da seleção de uma composição granulométrica mais bem graduada, capaz de ocasionar uma menor quantidade de vazios e uma maior quantidade de pontos de contato entre grãos e pasta de cimento, após sua compactação e cura (Lilley & Willians, 1973), tirandose assim um maior partido dos efeitos da hidratação do cimento (Kédzi, 1979).

A adição de cimento (ligante hidráulico) aos agregados causa portanto alterações na forma de contato entre os grãos após a compactação. Dentro desta perspectiva, o termo estabilização pode ser aplicável às misturas de agregados e cimento; neste sentido, três fatos concorrem simultaneamente para que se possa considerar estes materiais como estabilizados: estabilização granulométrica (seleção de diâmetros dos grãos que virão a compor a mistura), estabilização química (por adição de cimento) e estabilização mecânica (por compactação da mistura).

A combinação das três ocorrências deve ser tal que forneça ao material uma efetiva melhoria em suas propriedades mecânicas e físicas. Diante das técnicas empregadas em cada processo, não se pode afirmar que a tecnologia de solos seja auto-suficiente para a especificação do material; torna-se necessário nesse caso o tratamento do problema empregando-se as tecnologias de cimento e de concreto, para até mesmo poder dispor de

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Adições de cal e água em solos resultam em reações de cimentação com a formação de compostos hidratados de cálcio, tais como os silicatos de cálcio hidratados e os aluminatos de cálcio hidratados. Tais reações processam-se em presença de umidade, quando a cal reage com a sílica ou com óxidos de alumínio, resultando em modificações que podem estabilizar dramaticamente a expansibilidade de solos a princípio não aproveitáveis em pavimentos.

Essas reações químicas resultam em modificações no material, muitas vezes antes da cura da mistura, podendo conceder-lhe menor suscetibilidade à água e em muitos casos, aumento de resistência, em especial ao cisalhamento, medida pelo ensaio de CBR. No caso da mistura ainda não curada, o cal proporciona maior plasticidade e trabalhabilidade ao material, ainda que empregado em pequenas quantidades em relação ao volume total de solo, sendo que no entanto não se pode generalizar nesse tipo de estabilização de solos que o material terá propriedades mecânicas muito melhoradas.

Deve ser ponderado, contudo, que a reatividade do solo com o cal, resultando em reações pozolânicas, é afetada por vários fatores (TRB, 1987) como por exemplo o pH do solo, teor de matéria orgânica, a mineralogia da argila que compõe o solo, seu grau de maturidade (de estabilidade química), dentre inúmeros outros fatores, sendo possível inclusive a produção de cristais expansivos durante as reações de hidratação (etringita por exemplo), que resultariam em condições inaceitáveis para uma mistura estabilizada, já que ocorreria fatalmente deterioração da mesma ao longo do tempo.

A massa específica aparente seca de uma mistura de solo e cal (SCA) é menor que aquela do solo original ( o que se acentua com o aumento do consumo de cal), sendo que a umidade ótima de compactação é acrescida após a mistura do solo com o cal.

Resistência ao Cisalhamento

Thompson (1969) verificou, em amplo estudo laboratorial realizado, que ocorria acréscimo expressivo nos valores de CBR para diversos solos estudados e misturados com o cal, inclusive mesmo antes da cura do cal. Os valores resultantes a pós a cura do SCA resultaram em valores de CBR bastante superiores a 100% (valor de referência para a pedra britada compactada). Além desse incremento de resistência, verificou dramáticas quedas em valores de expansão das amostras.

Resistência à Compressão

Nos aterros das pistas da AASHO Road Test, misturas tipo SCA (com 5% de peso em cal) após cura prolongada de até 75 dias resultaram em material com resistência à compressão de 1 MPa. No entanto, valores entre 0,5 e 5 MPa são freqüentemente mencionados na literatura

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Resistência à Tração Indireta

Elaborando diversos ensaios à tração com emprego do ensaio de compressão diametral, Tulloch et al. (1970) observaram a seguinte relação entre a resistência à tração indireta (Rti) e a resistência à compressão simples (Rc) de misturas SCA:

Rti = 0,0485 + 0,0506 . Rc [MPa]

Resistência à Tração na Flexão

Thompson (1969) realizou estudo já clássico com misturas SCA, empregando 5% de cal em peso e corpos de prova curados durante 96 horas à temperatura de 49oC, com diversos tipos de solos. As resistências finais das amostras, que se mostraram muito variáveis em função da natureza dos solos, resultaram entre 0,54 a 1,42 MPa, observando-se na pesquisa que a relação entre a resistência à tração na flexão (Rtf) e a resistência à tração indireta (Rti) foi:

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