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BASES E SUB-BASES ESTABILIZADAS COM CIMENTO (ESTABILIZAÇÃO SOLO COM CIMENTO) 1

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Page 1: aula sobre solo-cimento

BASES E SUB-BASES ESTABILIZADAS COM CIMENTO

(ESTABILIZAÇÃO SOLO COM CIMENTO)

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Page 2: aula sobre solo-cimento

ESTABILIZAÇÃO SOLO COM CIMENTO

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1. DefiniçãoSolo cimento é resultante da mistura íntima de solo, cimento e água, em proporções estabelecidas através de dosagem em laboratório, que após espalhada na pista, é devidamente compactada.

2. Tipos de estabilização solo-cimentoa) Mistura solo-cimento

Em geral, o teor de cimento exigido é superior a 5%,

em massa do solo seco.• satisfazer uma resistência mínima à compressão

simples de 2,1 MPa, após 7 dias de cura. • .

Page 3: aula sobre solo-cimento

b) Solo melhorado com cimento

• É uma mistura utilizada como base quando o projeto não exige solo-cimento (por exemplo: tráfego leve).

• Em geral, é empregado como camada de sub-

base.• Teor de cimento inferior a 5% da massa seca

do solo.• Resistência à compressão simples: de 1,2 a 2,1

MPa para sub-base.• Resistência à compressão simples: de 1,5 a 2,1

MPa para base.3

Page 4: aula sobre solo-cimento

TIPOS DE CIMENTOS

• Cimento comum, Portland (comum, composto, de alta resistência, de moderada resistência a sulfatos, de alta resistência a sulfatos etc.)

• Compostos básicos

MATÉRIA PRIMA:

• Pedra calcária: CaCO3

• Argila: SiO2

Al2O3

Fe2O3 4Calcinação ~1.500ºC

CLÍNQUER

Page 5: aula sobre solo-cimento

CLÍNQUER

• C3S: 3 CaO . SiO2 (silicicato tricálcico)

• C2S: 2 CaO . SiO2 (silicicato dicálcico)

• C3A: 3 CaO . Al2O3 (aluminato tricálcico)

• C4AF: CaOAl2O3 . Fe2O3 (ferro aluminatotetracálcico)

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Page 6: aula sobre solo-cimento

• Ocorre a partir do desenvolvimento das reações químicas que são geradas na hidratação do cimento (mistura do cimento com a água).

• A partir disso, desenvolvem-se vínculos químicos entre a superfície dos grãos de cimento e as partículas de solo que estão em contato com o mesmo.

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Mecanismos de reação da mistura solo-cimento

Page 7: aula sobre solo-cimento

Durante o processo de estabilização do solo com cimento, ocorrem dois tipos de reações:

- As reações de hidratação do cimento Portland.

- Reações entre os argilominerais e a cal liberada na hidratação do cimento (C3S, C2S,C3A, C4AF + H2O).

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Page 8: aula sobre solo-cimento

• C3S: 3 CaO . SiO2 (silicato tricálcico): esse composto é responsável pela resistência inicial do cimento, reagem em poucas horas em contato com a água, liberando grande quantidade de calor.

• C2S: 2 CaO . SiO2 (silicato dicálcico): apresenta pega lenta com fraca resistência até os 28 dias, que aumenta rapidamente com o decorrer da hidratação a partir disso e desenvolve baixo calor de hidratação.

• C3A: 3 CaO . Al2O3 (aluminato tricálcico): apresenta pega instantânea desenvolvendo altíssimo calor de hidratação.

• C4AF: 4 CaO . Al2O3 . Fe2O3 (ferro aluminato tetracálcico): apresenta pega rápida, porém não instantânea com a C3A e tem baixa resistência e melhora o desempenho do cimento ao ataque de águas sulfatadas. 8

COMPOSTOS PRINCIPAIS DO CIMENTO

Page 9: aula sobre solo-cimento

a) Reações de hidratação do cimento

2Ca3Si + 6H2O Ca3S2HX (gel hidratado) + 3Ca(OH)2

Ca(OH)2 Ca++ + 2(OH)

Se o PH da mistura baixar: Ca3S2Hx CSH + Cal

b) Reações entre a cal gerada na hidratação e os argilominerais do solo

Ca++ + 2(OH) + SiO2 (sílica do solo) CSH - 3CaO.2SiO2.3H2OCa++ + 2(OH) + Al2O3 (alumina do solo) CaO Al

As últimas reações são chamadas pozolânicas e ocorrem em velocidade lenta.

O CSH é um composto cimentante semelhante ao Ca3S2HX

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Page 10: aula sobre solo-cimento

• Nos solos granulares (solos arenosos) desenvolvem-se vínculos de coesão nos pontos de contato entre os grãos (semelhante ao concreto), porém o ligante não preenche todos os espaços

• Nos solos argilosos a ação da cal gerada sobre a sílica e alumina do solo resulta o aparecimento de fortes pontos entre as partículas de solo.

• Os solos arenosos respondem melhor à estabilização com cimento, pois nos solos argilosos a resistência devido às reações pozolânicas se dão às custas de um decréscimo de contribuição da matriz cimentante

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Page 11: aula sobre solo-cimento

Fatores que influenciam na estabilização solo-cimento

a) Tipo do soloTodo solo pode ser estabilizado com cimento,

porém os solos arenosos (granulares) são mais adequados que os argilosos por exigirem baixos teores de cimento para atingir a mesma resistência à compressão simples

b) Presença de matéria orgânica no soloAfeta a hidratação do cimento devido à

absorção dos íons de cálcio gerado, resultando uma queda no PH da mistura

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Page 12: aula sobre solo-cimento

c) Teor de cimento

A resistência da mistura solo-cimento aumenta linearmente com o teor de cimento, para um mesmo tipo de solo.

- O teor de cimento depende do tipo do solo, quanto maior a porcentagem de silte e argila, maior será o teor de cimento exigido.

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Page 13: aula sobre solo-cimento

d) Teor de umidade da mistura

- A mistura solo-cimento exige um teor de umidade que conduza a uma massa específica seca máxima, para uma determinada energia de compactação (Energia Normal).

- O teor de umidade que conduza a uma massa específica seca máxima não é necessariamente o mesmo para a máxima resistência.

- Para RCS, o teor de umidade está localizado no ramo seco para solos arenoso e no ramo úmido para os solos argilosos.

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Page 14: aula sobre solo-cimento

e) Operações de mistura (homogeneização) e compactação

- A demora de mais de 2 horas entre a mistura e a compactação pode acarretar significantes decréscimos tanto na massa específica seca máxima quanto na resistência do produto final.

- O decréscimo na massa específica é causada pelo aumento do PH da água quando esta entre em contato com o cimento, causando floculação das partículas de argila.

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Page 15: aula sobre solo-cimento

f) Tempo e condições de cura

- A mistura solo-cimento ganha resistência por processo de cimentação das partículas durante vários meses ou anos, sendo maior até os 28 dias iniciais.

- Neste período deve ser garantido um teor de umidade adequado à mistura compactada.

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Page 16: aula sobre solo-cimento

Dosagem do solo-cimento

- Dosagem de solo-cimento é a seqüência de ensaios realizados com uma mistura solo, cimento e água, seguida de interpretação dos resultados por meio de critérios da Resistência a Compressão Simples - RCS

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Page 17: aula sobre solo-cimento

NORMA DE DOSAGEM SOLO-CIMENTO NBR 12252

a) Ensaios preliminares do solo: - São utilizados ensaios de granulometria, LL e

LP para sua identificação e classificação;- Classificação HRB;- Somente solos tipo A1, A2, A3 e A4;- Os solos siltosos e argilosos são

descartados (A5, A6 e A7) por razões econômicas, de difícil trabalhabilidade e de trincamentos.

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Page 18: aula sobre solo-cimento

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Page 19: aula sobre solo-cimento

b) Escolha do teor de cimento para ensaio de compactação e de compressão simples

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CLASSFICAÇÃO DO SOLO

TEOR DE CIMENTO SUGERIDO EM MASSA

(%)

A1-a 5

A1-b 6

A 2 7

A 3 9

A 4 10

Page 20: aula sobre solo-cimento

c) Execução do ensaio de compactação

• Obtenção da umidade ótima (hot) e massa específica

aparente seca máxima (máx) para o teor de cimento

indicado

• Energia de compactação: Normal

Cilindro: = 10,18 cm; altura = 12,70 cm e V = 1000,00 cm3

Soquete: massa = 2,496 kg altura de queda = 30,5 cmNº de camadas = 3Nº de golpes/camada = 25

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Page 21: aula sobre solo-cimento

d) Determinação do teor de cimento

para ensaio de compressão simples:

- NBR 12252: ver tabela

- Normas da ABCP

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Page 22: aula sobre solo-cimento

Fixação dos Teores de CimentoMétodo da ABCP

(Associação Brasileira de Cimento Portland)

• Método SC3 - Norma Geral:

gasta-se de 45 a 60 dias – ensaio de desgaste

• Método SC4 - Norma Simplificada:

gasta-se de 10 a 12 dias (método rápido: compactação, cura e ruptura dos c.p.)

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Page 23: aula sobre solo-cimento

Norma Simplificada

• Norma A: 100% passando na peneira de 4,8mm

• Norma B: parte da amostra de solo fica retida na peneira de 4,8mm

• Ensaios necessários: granulometria, compactação da mistura solo-cimento (hót; γaparente, seca, máx.)

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Page 24: aula sobre solo-cimento

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Determinação do peso específico aparente seco em função da % de Silte+Argila e de Pedregulho Fino

NORMA “A” – Método Simplificado

Page 25: aula sobre solo-cimento

Determinação do teor mais provável de cimento em função da % de silte+argila e do peso

específico aparente seca máximo 25

Page 26: aula sobre solo-cimento

TEOR DE CIMENTO EM MASSA INDICADO26

Método “B” – Norma Simplificada

Page 27: aula sobre solo-cimento

c) Execução do ensaio de compactação

• Obtenção da umidade ótima (hot) e massa específica

aparente seca máxima (máx) para o teor de cimento

indicado

• Energia de compactação: Normal

Cilindro: = 10,18 cm; altura = 12,70 cm e V = 1000,00 cm3

Soquete: massa = 2,496 kg e altura de queda = 30,5 cmNº de camadas = 3Nº de golpes/camada = 25

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Page 28: aula sobre solo-cimento

Curva de compactaçãoObtenção de hót e d,máx

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d,máx

hót

Page 29: aula sobre solo-cimento

d) Moldagem de 3 corpos de prova (no mínimo) para o teor de cimento selecionado:

- Para execução do ensaio de compressão simples;

- Moldagem de corpos de prova com um ou mais teores de cimento;

- Dimensões do cilindro: = 10,18 cm; altura = 12,70 cm e V = 1000,00 cm3

- Energia de compactação: Normal- Cura dos corpos de prova : 7 dias.

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Page 30: aula sobre solo-cimento

e) Execução do ensaio de compressão simples (MB 0361 – NBR 12025)

f) Resultado da dosagem:- Calcula-se a média das resistências à

compressão simples correspondentes a um mesmo teor de cimento;

- Desprezar corpos de prova que se afaste mais de 10% da média calculada;

- O nº mínimo de corpos de prova para o cálculo da média é dois;

- O teor de cimento a ser adotado, será o menor dos teores que forneça RCS aos 7 dias 2,1 MPa. 30

Page 31: aula sobre solo-cimento

g) Exemploa) Granulometria do solo:

- pedregulho fino: 3% (partículas com de 2,0 mm a 4,8mm)- areia grossa: 12% (partículas com de 0,42 mm a 2,0 mm)- areia fina: 60% % (partículas com de 0,05 mm a 0,42mm)- silte: 7% % (partículas com de 0,005 mm a 0,05 mm)- argila: 18% (partículas com < 0,005 mm)

b) Classificação HRB: solo A-2 (7% de cimento)c) Após a execução de compactação: aparente, seca,máx =

1,930 g/cm3 e hot = 11,2%

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Page 32: aula sobre solo-cimento

d) O ensaio de compressão simples:

Foi executado com teores de cimento 5%, 6% e 7%, moldados com 3 corpos de prova para cada teor e na umidade ótima

e) Resultado obtido:

- RCS (5%) = 2,080 MPa

- RCS (6%) = 2,295 MPa

- RCS (7%) = 2,400 MPa

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Page 33: aula sobre solo-cimento

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Page 34: aula sobre solo-cimento

Valores de Resistências do solo-cimento

• Módulo de Resiliência: de 2000 MPa até acima de 10000 MPa

• Resistência à Tração: entre 0,6MPa a 2,0 MPa (dependendo do teor de cimento e tipo do solo).

• Resistência à Compressão Simples: Deve atender o valor mínimo especificado na

norma (2,1MPa), mas podem atingir de 7 a 8 MPa, dependendo do teor de cimento e do tipo do solo

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Page 35: aula sobre solo-cimento

EXECUÇÃO DE SOLO CIMENTO

- MISTURA NA PISTA

- MISTURA EM USINA

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Page 36: aula sobre solo-cimento

EXECUÇÃO DA MISTURA SOLO-CIMENTO

NA PISTA

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Page 37: aula sobre solo-cimento

OPERAÇÕES ENVOLVIDAS

• Escavação: pá carregadeira• Transporte: caminhões basculantes• Descarga • Espalhamento e regularização da camada de solo:

motoniveladora• Homogeneização ou destorroameneto do solo:

pulvimisturadora ou grade de discos• Colocação de sacas de cimento e 1º espalhamento• Homogeneização ou mistura do solo com cimento:

pulvimisturadora ou grade de discos• Adição de água: caminhão pipa• Mistura úmida: pulvimisturadora ou grade de discos• Compactação: rolo pé de carneiro ou rolo vibratório e rolo

pneumático (acabamento)• Acabamento: motoniveladora• Cura: emulsão asfáltica

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Page 38: aula sobre solo-cimento

ESCAVAÇÃO E TRANSPORTE DE SOLO

38Fonte: Djalma Martins Pereira

Page 39: aula sobre solo-cimento

ESPALHAMENTO E REGULARIZAÇÃO

39Fonte: Djalma Martins Pereira

Page 40: aula sobre solo-cimento

ESPESSURA SOLTA DA CAMADA DE SOLO-CIMENTO

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ec

Material compactado

es

Material solto

es: espessura do material soltoec: espessura do material prevista no projeto (após a compactação) s : massa específica aparente seca do material soltoc : massa específica aparente seca máxima (do projeto)

Como o peso de material por unidade de área, não varia, temos: = P/V P = . V

m = es. s = ec.c es = ec.c/ s Volume:

V = es.c.L (m3)

sc

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Page 41: aula sobre solo-cimento

HOMOGENEIZAÇÃO: pulvimisturador ou grade de discos

41Fonte: Djalma Martins Pereira

Page 42: aula sobre solo-cimento

PULVERIZAÇÃO DO SOLO: destorroamento de torrões de argila com pulvimisturadora

42Fonte: Djalma Martins Pereira

Page 43: aula sobre solo-cimento

Pulvimisturadora

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Page 44: aula sobre solo-cimento

Operação da Pulvimisturadora

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pulvimixer sur tracteur JOHN DEERE 8430 à Erstein (67) ( mai 2008).wmv

Page 45: aula sobre solo-cimento

ADIÇÃO DE CIMENTO EM SACASsacas de cimento distribuídas geometricamente

45Fonte: UFSM

Page 46: aula sobre solo-cimento

Distribuição de sacas de cimento na pista

46Fonte: UFSM

Page 47: aula sobre solo-cimento

HOMOGENEIZAÇÃO DA MISTURA SOLO-CIMENTOCOM PULVIMISTURADORA

47Fonte: UFSM

Page 48: aula sobre solo-cimento

Homogeneização com grade discos

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Page 49: aula sobre solo-cimento

ADIÇÃO DE ÁGUA E HOMOGENEIZAÇÃO ÚMIDA

49Fonte: Djalma Martins Pereira

Page 50: aula sobre solo-cimento

COMPACTAÇÃO INICIAL: pé de carneiroCOMPACTAÇÃO FINAL: rolo pneumático

50Fonte: Djalma Martins Pereira

Page 51: aula sobre solo-cimento

ACABAMENTO: corte c/ motoniveladora e rolo pneumáticoCURA: distribuição de emulsão asfáltica RR-1C ou RR-2C

51Fonte: Djalma Martins Pereira

Page 52: aula sobre solo-cimento

ABERTURA DE EMBALAGENS E 1º ESPALHAMENTO

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Page 53: aula sobre solo-cimento

ESPALHAMENTO DO CIMENTO COM MOTONIVELADORA

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Page 54: aula sobre solo-cimento

Mistura solo-cimento com escarificador

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Page 55: aula sobre solo-cimento

MISTURA SOLO COM CIMENTO COM PULVIMISTURADORA: HOGENEIZAÇÃO DA MISTURA SOLO-CIMENTO

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Page 56: aula sobre solo-cimento

IRRIGAÇÃO COM CAMINHÃO PIPA NA MISTURA SOLO-CIMENTO

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Page 57: aula sobre solo-cimento

COMPACTAÇÃO DO SOLO-CIMENTO

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Page 58: aula sobre solo-cimento

Aplicação de emulsão asfáltica para a cura do solo-cimento

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Page 59: aula sobre solo-cimento

Base de Solo-Cimento

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Page 60: aula sobre solo-cimento

MISTURA DE SOLO-CIMENTO EM

USINA FIXA

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Page 61: aula sobre solo-cimento

OPERAÇÕES ENVOLVIDAS

• Escavação do solo em jazidas• Transporte• Descarga do solo no silo• Descarga do cimento no silo• Mistura solo com cimento e água• Transporte do solo-cimento• Distribuição na pista• Compactação• Acabamento • Cura

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Page 62: aula sobre solo-cimento

ESCAVAÇÃO E TRANSPORTE DO SOLO

62Fonte: Djalma Martins Pereira

Page 63: aula sobre solo-cimento

- MISTURA DE SOLO-CIMENTO EM USINA FIXA- DISTRIBUIÇÃO E ESPALHAMENTO

63Fonte: Djalma Martins Pereira

Page 64: aula sobre solo-cimento

Mistura de Solo, Cimento e Água em Usina

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CimentoSolo

Page 65: aula sobre solo-cimento

USINA FIXA

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Page 66: aula sobre solo-cimento

a) COMPACTAÇÃO INICIAL (pé de carneiro) E FINAL (rolo pneumático) b) ACABAMENTO COM MOTONIVELADORA e ROLO PNEUMÁTICO c) CURA COM APLICAÇÃO DE EMULSÃO ASFÁLTICA

66Fonte: Djalma Martins Pereira

Page 67: aula sobre solo-cimento

PINTURA COM EMULSÃO ASFÁLTICA PARA A CURA DO SOLO-CIMENTO

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Page 68: aula sobre solo-cimento

VANTAGENS DE MISTURA NA PISTA

- Equipamentos simples, barato e de fácil transporte;

- O número de máquinas pode ser ajustado ao serviço (construção em panos de 100 a 200m);

- Toda a seção fica pronta para a compactação ao mesmo tempo;

- Rendimento médio elevado.

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Page 69: aula sobre solo-cimento

DESVANTAGENS DE MISTURA NA PISTA

- Maior dificuldade de obtenção de espessura uniforme;

- Mistura menos homogênea;

- Maior influência de chuvas mais intensas;

- Exige maior controle de água em clima seco.

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Page 70: aula sobre solo-cimento

VANTAGENS DE MISTURA EM USINA FIXA

- Dosagem rigorosa;

- Facilidade de controle de espessura da camada;

- Pequenas perdas de umidade no transporte da mistura;

- Rendimento elevado.

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Page 71: aula sobre solo-cimento

DESVANTAGENS DE MISTURA EM USINA

- Mais caro se o tratamento é feito com solo local;

- A compactação é feita de acordo com o descarregamento e não em seção completa;

- A produção depende totalmente do pleno funcionamento da usina: se a usina tiver alguma avaria, o obra fica paralisada.

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Page 72: aula sobre solo-cimento

PROBLEMAS GERADOS COM A SUPERCOMPACTAÇÃO

• O excesso de compactação pela passagens do rolo vibratório pode produzir na superfície da camada, lamelas;

• A camada solta de lamelas, interposta entre a camada de base e a camada de revestimento, ocasiona problema de aderência entre elas;

• Deve-se remover a camada de lamelas, escarifica-se a camada e adiciona-se a mistura solo-cimento e compacta.

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Page 73: aula sobre solo-cimento

Controle de Execução

Execução da mistura solo-cimento:

mistura em usina e na pista deverão ser verificadas de uma maneira aleatória:

a) Antes da adição do cimento: • Determinação do grau de pulverização do solo

através do peneiramento na peneira nº 4 (4,8mm) com exclusão do material graúdo (acima de 3/8”)

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Page 74: aula sobre solo-cimento

74

Controle de Execução

b) Depois da adição do cimento: Verificação do teor de cimento incorporada (por

peso ou volume; Ensaio de compactação para cada

determinação da massa específica aparente máxima (DNER-ME 216);

Determinação do teor de umidade higroscópica depois da adição da água e homogeneização da mistura (DNER-ME 052, DNER-ME 088).

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Page 75: aula sobre solo-cimento

Compactação da Mistura de Solo-Cimento na Pista (mistura na pista e usinada)

c) Imediatamente antes da compactação: Ensaios de compactação e moldagem de

corpos de prova para determinação da resistência a compressão simples, após 7 dias de cura (DNER-ME201 e DNER-ME202) com material coletado na pista

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Page 76: aula sobre solo-cimento

d) Após a compactaçãoDeterminação da massa específica aparente

“in situ” na pista compactada para o cálculo do GC (DNER-ME 092 OU DNER-ME 036);

O nº de ensaios e determinação do grau de pulverização, moldagem de corpos de prova para o ensaio de compressão simples e de massa específica aparente “in situ” e GC para o controle de execução, será definido pelo executante em função do risco de se rejeitar um serviço de boa qualidade, conforme a Tabela seguinte:

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Page 77: aula sobre solo-cimento

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Page 78: aula sobre solo-cimento

Aceitação e Rejeição dos Serviços

1. Os valores dos ensaios de caracterização dos solos e de recebimento do cimento, a qualidade da água deverão estar de acordo com a especificação DNER-ES 305/97

2. A granulometria do solo antes da adição do cimento na qual são especificadas faixas de valores mínimo e máximos, deve-se verificar o seguinte:

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Page 79: aula sobre solo-cimento

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Page 80: aula sobre solo-cimento

Aceitação e Rejeição

3. Para os ensaios e determinações de GC e de resistência a compressão simples e curadas após 7 dias da mistura solo-cimento (2,1 MPa), deve-se verificar o seguinte:

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Page 81: aula sobre solo-cimento

Exemplo de calibração de usina de solo-cimento

Dados:• Teor de umidade (h) = 5%;• Teor de cimento, em massa (cm) = 6%. Pede-se a abertura do silo de alimentação de

cimento.Procedimento:a) Determinar a massa de solo numa extensão

de 1 m da correia transportadora que neste exemplo é igual a 60,0 kg para o solo úmido (Ph) com abertura do silo de solo de 8 cm.

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Page 82: aula sobre solo-cimento

Exemplo de calibração de usina de solo-cimento

b) Converter a massa do solo úmido em massa de solo seco (Ps):

c) A quantidade necessária de cimento será:

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57,14kg1005100

60100

h100

PhPs

mkgPscm /43,314,5706,0Pc

Page 83: aula sobre solo-cimento

Exemplo de calibração de usina de solo-cimento

d) Pesar o cimento em 1 m de correia transportadora para 4 diferentes aberturas do silo de cimento:

• 2,0 cm de abertura: Pc = 2,0 kg de cimento (média de 3 determinações);

• 3,5 cm de abertura: Pc = 3,5 kg de cimento (média de 3 determinações);

• 5,0 cm de abertura: Pc = 5,0 kg de cimento (média de 3 determinações);

• 6,5 cm de abertura: Pc = 6,5 kg de cimento (média de 3 determinações).

e) Gráfico:

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Page 84: aula sobre solo-cimento

Exemplo de calibração de usina de solo-cimento

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