Comportamento de solo expansivo estabilizado por ligante álcali-ativado oriundo de resíduos : sustentabilidade, propriedades mecânicas e microestruturais

Abstract

Materiais usuais em processos de estabilizações química, a cal e o cimento possuem elevado consumo energético e alta emissão de gases de efeito estufa. Materiais álcali-ativados são uma alternativa mais sustentável para a estabilização de solos. Há uma lacuna científica relacionada a inclusão de uma avaliação de sustentabilidade envolvendo os pilares ambiental, econômico e social em estudos acerca de solos expansivos estabilizados por processos de álcali-ativação. Para preencher esta lacuna, este trabalho visa estudar o comportamento mecânico e microestrutural e a sustentabilidade de um solo expansivo estabilizado por meio da ativação alcalina de uma mistura de cinza do bagaço de cana-de-açúcar (resíduo da indústria de produção de açúcar) e cal de casca de ovo hidratada (oriunda de resíduo de casca de ovo). Uma comparação da ativação alcalina com as propriedades mecânicas e avaliação de sustentabilidade do mesmo solo estabilizado por cimento Portland de alta resistência inicial (CP V-ARI) foi realizada. Para se alcançar os objetivos citados, testes de resistência à compressão simples e diametral, ensaio de pulso ultrassônico, sucção matricial, durabilidade por molhagem-secagem e escovação e expansão livre foram realizados em misturas solo-ligante álcali-ativado e solo-cimento Portland. Os resultados mecânicos foram relacionados ao índice porosidade/teor volumétrico do agente cimentante (η/Biva). Misturas álcali-ativadas foram avaliadas por meio de análises de microscopia, espectrometria no infravermelho por transformada de Fourier, difração e fluorescência de raios x. Uma avaliação do ciclo de vida ambiental, econômico e social foi realizada para analisar a sustentabilidade do ligante álcali-ativado frente ao cimento Portland. ara ambos ligantes uma correlação significativa foi obtida entre o índice η/Biv0,28 e a resistência à compressão simples e diametral, módulo cisalhante inicial e durabilidade. As misturas apresentaram resultados mecânicos similares quando curadas a temperatura de 23oC: resistência à compressão simples próxima a 5 MPa para amostras de alta densidade/alto teor de ligante com 30% de teor de umidade, e resistência à tração por compressão diametral de 0,6 MPa para amostras de alta densidade/alto teor de ligante com 28% de teor de umidade. Análises de DRX e MEVEDS para o solo-ligante álcali-ativado identificaram, respectivamente, a presença de fase amorfa atribuída a estruturas desordenadas (géis C-S-H e (C,N)-A-S-H) e de partículas de solo embebidas em uma matriz cimentícia. Dosagens de baixa densidade/alto teor de ligante apresentaram maiores impactos ambientais negativos por consumirem maiores quantidades de matéria-prima e diesel para o transporte de materiais. O custo total das dosagens do ligante álcali-ativado foi superior à das dosagens de cimento Portland, principalmente devido ao alto custo de aquisição do hidróxido de sódio. Entretanto, dosagens de cimento Portland apresentaram maior emissão de CO2 e assim maior custo indireto (custo social do CO2). O ligante álcali-ativado apresentou maior impacto social positivo. A dosagem álcali-ativada alta densidade/baixo teor de ligante obteve maior índice de sustentabilidade final. Dosagens de maior densidade e menor teor de ligante resultaram em maiores índices de sustentabilidade por apresentarem menores custos e impactos ambientais.

Common materials in chemical stabilizations, lime and cement are energy and emission intensive materials. Alkaliactivated materials are a more sustainable option for soil stabilization. There is a research gap related to the inclusion of sustainability assessments empassing the environemental, economical and social pillars in studies of expansive soils stabilized by alkali-activaion processes. To fulfil this gap, this work aims to study the mechanical and microstructural behavior and the sustainability of an expansive soil estabilized by the alkali activation of sugar cane bagasse ash (waste from sugar production industry) and hydrated eggshell lime (waste from eggshells). Comparison with the mechanical properties and sustainability assessment of the same soil stabilized by an early strength Portland cement (type III) was performed. To achieve the aforementioned objectives, unconfined compressive strength, split tensile strength, pulse velocity, matric suction, wetting and drying durability and free swelling tests were performed in soil-alkali-activated binder and soil-Portland cement mixtures. Mechanical results were correlated to the porosity/volumetric binder content index (η/Biva). Alkali-activated mixtures were analyzed by means of microscopy, Fourier transform infrared spectroscopy, X-ray diffraction and fluorescence analysis. An environmental, economical and social life cycle assessment evaluated the sustainability of the alkali activated binder in relation to the Portland cement. For both binders a significant correlation was obtained between the η/Biva index and strength, initial shear modulus and durability. The mixtures presented similar mechanical results when cured at 23oC: unconfined compressive strength around 5 MPa for high density/high binder content samples with 30% moisture content, and split tensile strenght around 0.6 MPa for high density/high binder content samples with 28% moisture content. XRD and SEM-EDS analysis of soil-alkali-activated samples identified, respectively, an amorphous phase attributed to disordered structures (C-S-H and (C,N)-A-S-H gels) and soil particles embedded in a cementitious matrix. Low density/high binder dosages were found to have higher negative environmental impacts as they required higher quantities of raw materials and diesel for materials transportation. The total cost of alkali-activated binder dosages was higher than that of Portland cement dosages, mainly due to the high cost of sodium hydroxide acquisition. However, the Portland cement dosages entailed higher CO2 emissions and thus higher indirect cost (social cost of carbon). The alkali-activated binder presented higher positive social impact. The alkali-activated high density/low binder dosage presented higher sustainability index. High density and low binder dosages resulted in higher sustainability index due to lower costs and environmental impacts.