Estabilização de solos tropicais com cal e impactos no dimensionamento mecanístico-empírico de pavimentos

Abstract

A estabilização de solos com cal é uma técnica ambientalmente sustentável, de modo que se bem concebida e aplicada, pode representar grandes benefícios ao desempenho de pavimentos. Ao se incluírem camadas de elevada resistência e rigidez resultantes dessa técnica, surge uma nova concepção de pavimentos; pois os demais materiais (granulares e asfálticos) passam a se comportar de maneira satisfatória, proporcionando ao pavimento maior vida útil. Embora a técnica seja empregada universalmente há muitos anos, grande parte dos estudos remetem a solos de clima temperado. Visando solucionar dúvidas acerca da aptidão dos solos tropicais à estabilização com cal, esta tese tem como objetivo analisar os fatores que afetam o comportamento resistência-tensão-deformação dos solos tropicais estabilizados com cal e os impactos no dimensionamento mecanístico-empírico de pavimentos com camadas estabilizadas. Para isso, na primeira etapa da pesquisa desenvolveu-se um abrangente estudo experimental, envolvendo ensaios de caracterização, procedimentos de dosagem e ensaios mecânicos para a obtenção de parâmetros de resistência e de deformabilidade; complementados por análises mineralógicas. Foi estudado o comportamento de três solos residuais argilosos com diferentes classificações pedológicas (Argissolo, Luvissolo e Latossolo), ao serem tratados com cal hidratada; sendo verificada a aptidão dos mesmos à melhoria e à estabilização com dois tipos de cales (calcítica e dolomítica). A partir dos resultados da dosagem, foram selecionados dois teores de cal (3 e 5% em peso de solo seco), a fim de se quantificar seu efeito no comportamento mecânico das misturas. Quando se visavam modificações nas características volumétricas, trabalhabilidade e resistência em curto prazo (solo melhorado), as misturas eram compactadas na energia normal; sendo a energia modificada utilizada quando se procuravam aumentos significativos e duradouros de resistência e rigidez (solo estabilizado). Também foram avaliados os efeitos do tempo de cura e da imersão prévia nos resultados dos ensaios. A partir dos valores obtidos de módulo de elasticidade na flexão, deformação na ruptura e resistência à compressão simples, desenvolveu-se a segunda etapa da pesquisa, que consistiu na realização de análises mecanísticas de pavimentos semirrígidos e invertidos, com camadas das misturas estudadas. Os resultados experimentais e mecanísticos evidenciaram que a estabilização com cal calcítica proporciona notável aumento da capacidade estrutural aos pavimentos, sendo os efeitos mais significativos do que se empregada a cal dolomítica. Igualmente foi observado que quanto maior o teor de cal adicionado, maiores são os benefícios obtidos no comportamento mecânico das misturas, bem como seus impactos nos pavimentos; principalmente para tempos de cura mais elevados. Entre os fatores estudados, a energia de compactação foi o mais significativo, obtendo-se maiores resistências e módulos ao se compactarem as misturas na energia modificada. Globalmente, conclui-se que a inclusão de bases e/ou sub-bases dos solos argilosos estabilizados com cal resulta em notável aumento da capacidade estrutural dos pavimentos (NAASHTO), comparada àquela de estruturas flexíveis. Para auxiliar na realização de anteprojetos de pavimentos com camadas estabilizadas com cal, e na tomada de decisão entre estratégias construtivas, apresenta-se um guia de pré- dimensionamento, com base laboratorial e mecanístico-empírica.

Lime-soil stabilization is an environmentally sustainable technique that can represent great benefits to pavement performance if it is well designed and applied. The inclusion of high strength and stiffness layers from this technique results in a new concept of pavements. The other materials (granular and asphalt) behave satisfactorily, providing the pavement a longer service life. Although the technique has been used universally for many years, most studies refer to soils of temperate regions. To solve doubts about the suitability of tropical soils for lime stabilization, this thesis aims to analyze the factors that affect the strength-stress-strain behavior of lime stabilization of tropical soils and the impacts on the mechanistic-empirical design of pavements with soil-lime layers. For this, in the first stage of the research, a comprehensive laboratory investigation was done, involving characterization tests, mix design procedures, mechanical tests to obtain strength and deformability parameters; beyond that is was complemented by mineralogical analyses. The behavior of three clayey residual soils with different pedological classifications (Argisol, Luvisol and Latosol) when treated with hydrated lime was studied. It was verified their ability for modification and stabilization techniques with two types of lime (calcitic and dolomitic). From the mix design results, two lime contents (3 and 5% by weight of dry soil) were selected in order to quantify its effect on the mechanical behavior of lime-soil mixtures. When changes in volumetric characteristics, workability and short-term strength were aimed (modified soil), the mixtures were compacted at normal effort. The modified effort was used when seeking for significant and lasting increases in strength and stiffness (stabilized soil). The effects of curing time and previous immersion on the test results were also evaluated. The second stage of the research was developed based on the values obtained for flexural static modulus, strain at break and unconfined compressive strength. This consisted of performing mechanistic analyzes of semi-rigid and inverted pavements, with layers of the studied mixtures. The experimental and mechanistic results showed that stabilization with calcitic lime provides a remarkable increase in the structural capacity of the pavements, with the effects being more significant than when using dolomitic lime. It was also observed that higher the lime content, greater the benefits obtained in the mechanical behavior of the mixtures, as well as their impacts on the pavements; mainly for longer cure times. Among the factors studied, the compaction effort was the most significant, obtaining greater strength and modulus when compacting the mixtures in modified effort. Overall, it is concluded that the inclusion of bases and/or sub-bases of clayey soils stabilized with lime results in a notable increase in the structural capacity of pavements (NAASHTO), compared to that of flexible structures. Thus, in way to assist in the realization of preliminary drafts for pavements with lime-stabilized layers, and in the decision-making between construction strategies, it is presented a preliminary design guide, based on laboratorial and mechanistic-empirical studies.