Estudo da utilização de um cimento alcalino híbrido para estabilização de base de fundações superficiais

Abstract

A técnica de estabilização de solos com uso de cimento Portland é bastante difundida para resolver problemas de solos com baixa capacidade de suporte. No entanto, a nível mundial, 7% das emissões de CO2, principal gás contribuinte para ao aquecimento global, são devidas ao setor cimenteiro. Então, na busca por materiais alternativos ao cimento Portland, estão os cimentos alcalinos, que podem utilizar como matéria-prima subprodutos e/ou resíduos, contribuindo ainda para a redução de resíduos dispostos no meio ambiente. Apesar de ser uma técnica muito recente, alguns trabalhos sobre álcali-ativação com resíduos contendo sílica e cálcio, como precursores para estabilização química de solos, têm demonstrado ótimos desempenhos em termos de resistência e durabilidade. Porém, a maioria desses estudos estão relacionados a caracterização laboratorial desta técnica, contudo, a viabilidade e o impacto do processo de construção associado a essas soluções alternativas, bem como o efeito das condições de cura in situ nas propriedades mecânicas do solo estabilizado não podem ser avaliados adequadamente em laboratório. Neste sentido, o presente estudou a utilização de um cimento alcalino a base dos resíduos, cal de carbureto e pó de vidro moído, com (CA) e sem (SA) a introdução de um ativador alcalino de hidróxido de sódio na mistura. Propondo uma alternativa ao uso do cimento Portland, para a estabilização de uma areia fina para base de fundações superficiais, executadas sobre um solo residual de baixa capacidade de suporte. Assim, foram executados ensaios com placa de 30 cm em camadas confeccionadas com diferentes diâmetros (Dr 45 e 90 cm) e igual espessuras (Hr 30 cm) com um período de 14 e 120 dias de cura, além disso, ensaios com condições controladas de laboratório foram executados para comparação com os ensaios realizados em campo e, ainda, corpos-de-prova retirados das camadas curadas em campo foram submetidos a ensaios triaxiais. Os resultados demostraram que, ensaios em condições controladas de laboratório apresentam resistência à compressão simples maior para as misturas com o ativador de NaOH, principalmente a menores tempos de cura, porém para o maior tempo analisado, a tendência é de que as resistências se equiparem com as da mistura sem o ativador. Quando comparados com os ensaios de campo, estes apresentaram maior resistência, sugerindo assim que resultados em campo mostram grande influência das condições de cura, compactação, entre outros. Os diferentes diâmetros analisados demostraram dois mecanismos de ruptura, um de puncionamento, para as camadas de diâmetros de 45 cm e a ruptura das camadas de 90 cm. Os ensaios triaxiais para as diferentes misturas apresentaram pico pronunciado com posterior queda de resistência com comportamento inicialmente compressivo, seguida de uma posterior expansão. Amostras com a mistura com o ativador alcalino de NaOH apresentaram maior tensão desvio, maior ângulo de atrito e maior coesão. Além disso, apresentaram queda de ruptura acentuada e maior rigidez do material quando comparadas com a mistura sem o ativador. Das soluções analíticas testadas para determinar a capacidade de carga, o método de Hansen (1961) foi o que se mostrou adequado para estimativa das camadas de Dr 45 cm para ambas as misturas e o método de Meyerhof e Hanna (1978), apresentou uma estimativa de capacidade de carga próxima à obtida da camada tratada de Dr 90cm confeccionada com a mistura SA. Porém, quando aplicados para as misturas CA de mesmo diâmetro, o método superestimou a carga de ruptura, entretanto foi o qual apresentou resultados mais próximos dos obtidos para a mesma.

Soil improvement through the use of Portland cement is a widespread solution for the low bearing capacity of soils. However, the cement sector is responsible for 7% of CO2 emissions, the main gas contributing to global warming. In the search for alternative materials to Portland cement, there are alkaline types of cement, which can use by-products and/or residues as raw materials, contributing to the reduction of waste disposed of in the environment. Despite being a very recent technique, some studies on alkali-activation with residues containing silica and calcium, as precursors for chemical stabilization of soils, have shown excellent performances in terms of strength and durability. Most of these studies are related to laboratory characterization of this technique, however, the feasibility and impact of the construction process associated with these alternative solutions, as well as the effect of in situ curing conditions on the improved mechanical properties of the soil cannot be properly evaluated in the laboratory. In this sense, the present study evaluated the use of alkaline cement-based residues, carbide lime, and ground glass powder, with (CA) and without (SA) the introduction of an alkaline sodium hydroxide activator in the mixture. Proposing an alternative to the use of Portland cement, for the improvement of fine sand for the base of shallow foundations, executed on a residual soil of low bearing capacity. Tests were performed with a 30 cm plate in layers of different diameters (Dr 45 and 90 cm) and equal thicknesses (Hr 30 cm) with a curing period of 14 and 120 days, also, tests with controlled laboratory conditions were performed for comparison with the field tests and, further, specimens removed from the layers cured in the field were subjected to triaxial tests. The results showed that tests under controlled laboratory conditions present higher uniaxial compression strength for mixtures with the NaOH activator, mainly to shorter curing times, but for the longest time analyzed, the tendency is for the strength to be equal with those of the mixture without the activator. When compared to the field tests, they showed greater strength, suggesting that field values are greatly influenced by curing and compaction conditions. The different diameters showed two distinctive rupture mechanisms, one for punching, for the 45 cm diameter layers, and the 90 cm layer rupture. The triaxial tests for the different mixtures showed a pronounced peak with a subsequent drop in strength with initially compressive behavior, followed by a subsequent expansion. Samples with the mixture with the alkaline NaOH activator showed higher stress deviation, greater friction angle, and greater cohesion. Besides, they showed a marked drop in rupture and greater material stiffness when compared to the mixture without the activator. Of the analytical solutions tested to determine the bearing capacity, the Hansen method (1961) was the one that proved adequate for estimating the Dr 45 cm layers for both mixtures, and the method of Meyerhof and Hanna (1978), presented an estimate of load capacity close to that obtained from the treated layer of Dr 90cm made with the SA mixture. However, when applied to CA mixtures of the same diameter, the method overestimated the rupture load, however, it was the one that showed results closer to those obtained for the same combination.