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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
ESCOLA POLITÉCNICA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS
CURSO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS
PROJETO DE CONCLUSÃO DE CURSO
Autora: Priscilla Henriques Mieli
AVALIAÇÃO DO TIJOLO MODULAR DE SOLO-CIMENTO
COMO MATERIAL NA CONSTRUÇÃO CIVIL
Aprovado por:
Profº: Célio Albano da Costa Neto (Orientador)
Profº: Romildo Dias Tolêdo Filho
Profº: Tsuneharu Ogasawara Rio de Janeiro
Julho de 2009
MIELI, PRISCILLA HENRIQUES
AVALIAÇÃO DO TIJOLO MODULAR DE SOLO-CIMENTO
COMO MATERIAL NA CONSTRUÇÃO CIVIL
[Rio de Janeiro] 2009
(DEMM-POLI/UFRJ, Engenharia de Materiais, 2009)
p. 48 xii 29,7 cm Projeto de Conclusão de Curso – Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais, Curso de Engenharia de Materiais 1 – Solo-cimento 2 – Tijolo ecológico 3 – Tijolo modular ii
Dedico este trabalho à Deus, ao meu filho Eduardo, ao meu marido e companheiro Leonardo, ao meu irmão Luiz Felipe e aos meus pais Ana Cristina e Carlos Alberto por todo apoio e esforço ao longo de todos esses anos. iv
Agradecimentos
Agradeço à Deus pela minha vida e por todas as oportunidades que Ele me deu. Ao meu filho Eduardo por cada sorriso e carinho e por ser o principal motivo de mais essa conquista em minha vida. Ao meu marido e companheiro Leonardo por todo apoio e compreensão. Aos meus pais Ana Cristina e Carlos Alberto pelos ensinamentos e conselhos, pela dedicação e esforço ao longo de todos esses anos. Aos familiares e amigos que me incentivaram, apoiaram e, mesmo diante de todas as dificuldades, não me deixaram desistir desse projeto. Ao professor Célio, pela orientação e conselhos. Ao professor Romildo e às engenheiras Reila e Ana Catarina por todo apoio, atenção e ensinamentos. À cada profissional do Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da UFRJ pela disponibilidade, paciência e compreensão com que me atenderam e responderam às minhas dúvidas e questionamentos. À Construecol e aos seus profisssionais que nos cederam os materiais e técnicas para o desenvolvimento deste trabalho. À todos que, de alguma forma, colaboraram para que este trabalho se tornasse possível. v
SUMÁRIO
vii
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 1 - ESTRUTURA DO SOLO ...................................................................................................... 5 FIGURA 2 – IDADE EM FUNÇÃO DO AUMENTO DA RESISTÊNCIA PARA DIFERENTES COMPOSTOS DO CIMENTO ................................................................................................................. 10 FIGURA 3 – COMPOSIÇÃO DO TIJOLO SOLO-CIMENTO .............................................................. 11 FIGURA 4 – DIFRATÔMETRO SHIMADZU – MODELO XRD 6000 – LABORATÓRIO DE DIFRAÇÃO DE RAIOS-X DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS DA UFRJ ............................................................................................................................. 22 FIGURA 5 – MICROSCÓPIO ELETRÔNICO DE VARREDURA – LABMIC - UFRJ ....................... 23 FIGURA 6 – PRENSA UTILIZADA NO ENSAIO DE COMPRESSÃO SIMPLES ............................. 26 FIGURA 7 – SOBREPOSIÇÃO DOS TIJOLOS PARA POSTERIOR REALIZAÇÃO DO ENSAIO. 26 FIGURA 8 – TIJOLOS SECOS EM ESTUFA A 105ºC ATÉ CONSTÂNCIA DE PESO ..................... 28 FIGURA 9 – TIJOLOS IMERSOS EM ÁGUA ....................................................................................... 28 FIGURA 10 – DIFRATOGRAMA DO SOLO EM ANÁLISE ............................................................... 32 FIGURA 11 – DISTÂNCIAS INTERPLANARES OBTIDAS NO ENSAIO DO SOLO EM ANÁLISE (EM CIMA) CONFRONTADAS COM DISTÂNCIAS INTERPLANARES REFERENTES AOS MINERAIS POSSIVELMENTE PRESENTES NO SOLO EM ANÁLISE (EM BAIXO) ..................... 33 FIGURA 12 – DISTÂNCIAS INTERPLANARES REFERENTES A CADA MINERAL POSSIVELMENTE PRESENTE NO SOLO EM ANÁLISE ................................................................... 33 FIGURA 13 – MEV E RESPECTIVOS DIFRATOGRAMAS (OURO) DO SOLO EM ANÁLISE COM AUMENTO DE 50X ................................................................................................................................. 35 FIGURA 14 – MEV E RESPECTIVO DIFRATOGRAMA (OURO) COM AUMENTO DE 1000X... 36 FIGURA 15 – MEV E RESPECTIVO DIFRATOGRAMA (CARBONO) COM AUMENTO DE 1000X ......................................................................................................................................................... 36 viii
ÍNDICE DE TABELAS
TABELA 1 – FAIXAS APROXIMADAS DOS PRINCIPAIS COMPONENTES DE UMA AMOSTRA DE CIMENTO ............................................................................................................................................. 9 TABELA 2 – RESULTADOS DOS ENSAIOS DE TIJOLOS DE SOLO-CIMENTO ........................... 13 TABELA 3 – CARACTERIZAÇÃO FÍSICO-MECÂNICA DE MISTURAS DE SOLO-CIMENTO.. 13 TABELA 4 – TENSÕES DE RUPTURA (MPA) DE CORPOS-DE-PROVA DE SOLO-CIMENTO.. 14 TABELA 5 – RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO SIMPLES E CAPACIDADE DE ABSORÇÃO D’ÁGUA DOS TIJOLOS DE SOLO-CIMENTO ..................................................................................... 15 TABELA 6 – PRODUTIVIDADE DAS PRENSAS PARA COMPONENTES DE SOLO-CIMENTO.. 25 TABELA 7 – LIMITES DE RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO ESPECIFICADOS PARA CONTROLE DE QUALIDADE DOS TIJOLOS DE SOLO-CIMENTO ...................................................................... 27 TABELA 8 – LIMITES DE ABSORÇÃO D’ÁGUA ESPECIFICADOS PARA CONTROLE DE QUALIDADE DOS TIJOLOS DE SOLO-CIMENTO ............................................................................. 29 TABELA 9 – CARACTERÍSTICAS FÍSICO-MECÂNICAS DO SOLO ............................................... 30 TABELA 10 – CLASSIFICAÇÃO DE CONSISTÊNCIA DO SOLO DE ACORDO COM O IP ......... 31 TABELA 11 – CLASSIFICAÇÃO DO PH DO SOLO ............................................................................ 32 TABELA 12 – CLASSIFICAÇÃO DOS ARGILOMINERAIS APRESENTADOS NO ENSAIO DE RAIO-X DO SOLO EM ANÁLISE .......................................................................................................... 34 TABELA 13 – ELEMENTOS E RESPECTIVOS PERCENTUAIS DE PESO APRESENTADOS NO ENSAIO DE EDS COM OURO ............................................................................................................... 35 TABELA 14 – ELEMENTOS E RESPECTIVOS PERCENTUAIS DE PESO APRESENTADOS NO ENSAIO DE EDS COM CARBONO........................................................................................................ 35 TABELA 15 – RESULTADOS DO ENSAIO DE COMPRESSÃO SIMPLES ...................................... 37 TABELA 16 – RESULTADO DO ENSAIO DE ABSORÇÃO D’ÁGUA .............................................. 40 x
TABELA 17 – COMPARATIVO ENTRE OS PRINCIPAIS TIPOS DE ALVENARIA UTILIZADOS NA CONSTRUÇÃO ATUALMENTE ..................................................................................................... 41 xi
Em estimativa feita pela ONU, para satisfazer as necessidades elementares de moradia no mundo até final do ano 2000, havia necessidade de construção de pelo menos 500 milhões de unidades habitacionais. Nesse contexto, o uso do solo-cimento pode significar o retorno da utilização do solo, pois trata-se de uma matéria-prima abundante, com potencial para reduzir o custo das construções habitacionais e induzir os projetistas ao hábito de construir harmonizando projeto arquitetônico, materiais locais e sistema construtivo. Desse modo, o uso dos tijolos de solo-cimento, produzidos por meio de prensas manuais ou hidráulicas, com aplicações de técnicas simples e soluções viáveis, está em conformidade com os objetivos acima mencionados e será abordado como tema deste trabalho. O objetivo principal é realizar um estudo sobre as propriedades e características do tijolo solo-cimento, com o intuito de produzir um material que seja barato, ecologicamente correto, de boa qualidade e com grande importância para o crescimento da qualidade e produtividade dos serviços de construção civil. Na composição do solo-cimento, o solo é o material que entra em maior proporção, devendo ser selecionado de modo que permita o menor consumo possível de cimento. Quando não se dispõe de um solo com as características desejadas, alguns autores, objetivando a obtenção de um material apropriado, consideram a possibilidade de se misturar dois ou mais solos, ou mesmo de se adicionar areia, de modo que o resultado seja favorável técnica e economicamente. Na realização deste trabalho, visando a confecção dos tijolos, utilizou-se o solo de uma jazida, conhecida por Morada do Sol, localizada na cidade de Itaboraí, no estado do Rio de Janeiro. O cimento utilizado foi o Portland CPIII-RS-32 da marca Nassau e a água é a mesma distribuída pela CEDAE (Companhia Estadual de Água e Esgoto). A composição de solo-cimento analisada foi preparada empregando-se a seguinte dosagem, em volume: 7,5 partes de solo; 1 parte de cimento; 0,5 partes de areia; 0,25 partes de cal e umidade de 5% do peso total da mistura. 2
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 1.1 HISTÓRIA DO TIJOLO SOLO-CIMENTO Segundo a Associação Brasielira de Cimento Portland (ABCP), o solo-cimento é o produto resultante da mistura íntima de solo, cimento portland e água, que quando compactados na umidade ótima e sob a máxima massa específica seca, em proporções previamente estabelecidas, adquire resistência e durabilidade através das reações de hidratação do cimento. Os principais fatores que afetam as propriedades do solo-cimento são: tipo de solo, teor de cimento, teor de umidade, compactação e homogeneidade da mistura, além da idade e do processo de cura. Em 1929, Proctor descobria a relação umidade / peso específico aparente na compactação de solos, o que permitia o início do desenvolvimento do solo-cimento para diversos tipos de construções, tais como: pavimentação, revestimento de canais, diques, reservatórios e barragens de terra, estabilização de taludes, injeções, ladrilhos, tijolos, blocos, painéis e paredes monolíticas. Os primeiros estudos do solo-cimento em grande escala foram feitos por Moore-Fields e Mill, nos Estados Unidos em 1932. Em 1944, a American Society for Testing and Materials (ASTM) normalizava os ensaios, sendo seguida por outras entidades, tais como a American Association of State Highway Officials (AASHO) e a Portland Cement Association (PCA). Tais estudos foram rapidamente estendidos à Europa, principalmente Alemanha (na construção de aeroportos na época da guerra), Inglaterra e América do Sul (Brasil, Argentina e Colômbia). No Brasil, o interesse pelo assunto aumentou após a regulamentação do material e aplicação do mesmo pela ABCP e a primeira obra em solo-cimento foi realizada em 1945, uma casa de bombas para abastecer as obras do aeroporto de Santarém - Pará, com 42 m^2. Em seguida, em Petrópolis - RJ, no local denominado Vale Florido, foram construídas casas residenciais com paredes monolíticas de solo- cimento. No entanto, o interesse pelo solo-cimento na construção de habitações (como componente de alvenaria) foi desaparecendo, no Brasil, na medida em que outros materiais, na maioria dos casos, mais industrializados, surgiam no mercado. Foi então que em 1978, quando o extinto BNH (Banco Nacional da Habitação) amparado por estudos feitos pelo IPT (Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo) e pelo CEPED (Centro de Pesquisas e Desenvolvimento) que comprovavam o bom 3
Figura 1 – Estrutura do solo Como citado anteriormente, o solo é composto por partículas sólidas, por líquidos e gases. A parte sólida, insolúvel em água, é constituída de minerais e material orgânico e esses minerais são subdivididos em dois grandes grupos: os inertes, ou fração grossa e os argilo-minerais, que são ativos quimicamente e conferem plasticidade e coesão ao solo.
1.2.1 ESTABILIZAÇÃO DO SOLO
É preciso notar que o emprego do solo como material de construção deve ser realizado com critério, pois podem ocorrer alguns problemas devido às propriedades desse material, que são muito complexas e heterogêneas, conforme exposto anteriormente. Os princípios que regem a estabilização dos solos tendem a conferir ao produto final melhor estabilidade dimensional, aumento de resistência mecânica para patamares definidos pela utilização, diminuição da permeabilidade, controle da fissuração por retração por secagem, resistência à erosão e abrasão superficial e, conseqüentemente, aumento da durabilidade do material. Além disso, todo processo de estabilização modifica as propriedades do sistema solo-água-ar, de forma que a estabilização pode ser direcionada para apenas duas características do solo: a textura (grau de finura do solo) e a estrutura. De fato, a estabilização, de qualquer forma, promove:
- A redução do volume de vazios, o que influencia sobre a porosidade;
- O preenchimento dos vazios que não podem ser eliminados por completo, alterando as características de permeabilidade do solo;
- A melhoria da aderência entre os grãos, conferindo maior densidade ao solo, influenciando diretamente na resistência mecânica. Existem três métodos principais de estabilização dos solos: estabilização mecânica, estabilização física e estabilização química. A estabilização mecânica consiste em compactar o solo por meio de uma ação (aplicação de uma energia) mecânica. Os resultados desse método afetam a densidade, a resistência mecânica, a 5
compressibilidade, a permeabilidade e a porosidade. A estabilização física atua diretamente sobre a textura do solo, ou seja, frações de grãos de diferentes granulometrias e, portanto, otimizam-se as proporções entre areia, silte e argila, fato que causa um melhor empacotamento dos grãos. Ocorre estabilização química quando outros materiais são adicionados ao solo, modificando suas propriedades ou por reação físico-química entre os grãos e o material, ou criando uma matriz que aglutina e cobre os grãos. Dessa forma, a opção pelo tipo adequado de estabilização e a escolha dos agentes estabilizadores é influenciada por uma série de fatores como: viabilidade econômica, finalidade da obra, características dos materiais e as propriedades do solo que se deseja corrigir ou adequar. Quando o agente estabilizador do solo é o cimento ocorrem reações de hidratação dos silicatos e aluminatos presentes no cimento, formando um gel que preenche parte dos vazios da massa e une os grãos adjacentes do solo, conferindo a ele resistência inicial; paralelamente a este processo, ocorrem reações iônicas que provocam a troca de cátions das estruturas argilominerais do solo com os íons de cálcio provenientes da hidratação do cimento adicionado. Devido a esta troca, o solo torna-se mais granular, a adesividade é reduzida assim como a sensibilidade à variação de umidade e à variação volumétrica tornam-se menores. Além destas modificações iniciais, Abiko (1980) afirmou que, ao longo do tempo, formam-se compostos cimentantes que contribuem para o melhoramento de propriedades do material, tais como resistência, durabilidade e estabilidade volumétrica. Já na estabilização do solo com a cal, primeiramente ocorre hidratação da cal, que modifica o pH do solo e provoca floculação das argilas em razão das reações de troca catiônicas. Imediatamente, o material sofre redução da expansão e da retração e melhora sua plasticidade. Com o tempo, o ataque da argila pela cal produz reações pozolânicas e fenômenos de carbonetação, conferindo melhores características geo- mecânicas ao conjunto (GUIMARÃES, 1995).
1.2.2 COMPACTAÇÃO DO SOLO
A compactação do solo é o processo pelo qual suas partículas são forçadas a agruparem-se mais estreitamente, através da redução nos vazios de ar, geralmente por meios mecânicos. 6
indicando que o componente construtivo possui durabilidade e resistência (PICCHI et al.,1990). 1.3 CIMENTO O cimento Portland é um pó fino com propriedades aglomerantes, aglutinantes ou ligantes, que endurece sob ação da água e que, depois de endurecido, mesmo que seja novamente submetido à ação da água, esse material não se decompõe mais. O cimento também pode ser tecnicamente definido como um aglomerante hidráulico obtido pela moagem do clínquer, com adição de gesso (serve como regulador do tempo de início de hidratação ou tempo inicial de “pega”) e outras substâncias que determinam o tipo de cimento. O clínquer é o resultado da mistura de calcário, argilas e, em menor proporção, minério de ferro, submetida a um processo chamado clinquerização. Quando reduzido a pó, o clínquer tem composição química específica e propriedades físicas de cimento, contendo basicamente uma série de compostos anidros, dos quais pode-se destacar:
- Silicato tricálcico, ou alita (CaO) 3 SiO 2 ;
- Silicato dicálcico, ou belita (CaO) 2 SiO 2 ;
- Aluminato tricálcico (CaO) 3 Al 2 O 3 ;
- Ferroaluminato tetracálcico, ou ferrita (CaO) 4 Al 2 O 3 Fe 2 O 3. Tabela 1 – Faixas aproximadas dos principais componentes de uma amostra de cimento. COMPONENTE FÓRMULA QÍMICA FÓRMULA USUAL PROPORÇÃO (%) Silicato tricálcico (CaO) 3 SiO 2 C 3 S^ 45 a 75 Silicato dicálcico (CaO) 2 SiO 2 C 2 S 7 a 35 Aluminato tricálcico (CaO) 3 Al 2 O 3 C 3 A 0 a 13 Ferroaluminato tetracálcico (CaO) 4 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 C 4 AF^ 1 a 18 8
O conhecimento dos produtos formados pela hidratação do cimento, bem como dos diversos fatores (calor liberado e velocidade) que constituem essa reação, é de grande importância para o uso prático do cimento Portland. De fato, por se tratar de um componente do solo-cimento, é preciso compreender algumas características tecnológicas desse material. As propriedades dos principais componentes do cimento em hidratação são as seguintes:
- C 3 A – reage nos primeiros minutos e ocasiona elevado calor de hidratação, propicia pouco desenvolvimento de resistência e forte retração;
- C 3 S – responsável pelo desenvolvimento da resistência nas idades iniciais (3 a 28 dias) e propicia alto desprendimento de calor, libera cerca de 40% em massa de hidróxido de cálcio (Ca(OH) 2 );
- C 2 S – proporciona o desenvolvimento da resistência em idades mais avançadas (mais de 28 dias) com baixa liberação de calor, produz cerca de 18% em massa de Ca(OH) 2 ;
- C 4 AF – desenvolvimento lento e pequeno de resistência mecânica e boa resistência ao ataque por sulfatos. A Figura 2 mostra um gráfico do aumento da resistência à compressão em função do tempo, desenvolvida pelos diferentes compostos do cimento. 9
