Série Técnica | Estudo de Dosagem | Parte 2 - Mecanismos físicos e químicos que orientam os estudos de dosagem da Suporte

Brita, cal e cimento podem melhorar significativamente um material, mas não atuam da mesma forma. A brita modifica a estrutura física da mistura. A cal altera a organização e a reatividade das partículas finas. O cimento hidrata e cria ligações rígidas entre os grãos. Tratar esses materiais como aditivos equivalentes leva a interpretações erradas e, em alguns casos, a soluções caras ou vulneráveis.

Nos estudos executados pela Suporte, verificamos que materiais visualmente semelhantes podem responder de maneira muito diferente ao mesmo tratamento. Por isso, nossa atuação se concentra na preparação controlada das composições, na rastreabilidade dos constituintes, na moldagem, na cura e na execução dos ensaios de desempenho. A comparação entre granulometria, plasticidade, expansão, CBR, resistência à compressão, resistência à tração e módulo de resiliência fornece dados técnicos consistentes para que projetistas e responsáveis técnicos avaliem a adequação de cada alternativa.

Figura 1 - Comparação técnica entre os mecanismos predominantes da brita, da cal e do cimento e os principais parâmetros normalmente investigados em laboratório. A figura não constitui prescrição de projeto. Fonte: elaboração para a série técnica da Suporte.

Brita: ganho por intertravamento e preenchimento de vazios

Na estabilização granulométrica não existe, necessariamente, uma reação química. O desempenho aumenta porque partículas de diferentes tamanhos formam uma estrutura com maior quantidade de contatos e melhor distribuição dos vazios. Agregados angulares favorecem o intertravamento; a fração fina de solo, preenche vazios e auxilia a estabilidade, mas seu excesso pode elevar plasticidade e sensibilidade à água.

O ganho não depende apenas da porcentagem de brita. A granulometria do solo, a graduação do agregado, a forma dos grãos lamelar ou cúbica,  a resistência à quebra e a energia de compactação controlam a estrutura resultante.

Figura 2 - Agregado graúdo preparado para estudo de correção granulométrica. Forma, textura, resistência e distribuição das partículas influenciam o intertravamento. Fonte: acervo fotográfico do laboratório.

Cal: modificação imediata e ganho progressivo com a cura

A cal é especialmente relevante em solos finos, plásticos ou expansivos. Sua ação ocorre em duas escalas de tempo.

Nas reações imediatas, os íons de cálcio substituem cátions adsorvidos na superfície das partículas de argila. A redução da dupla camada difusa favorece floculação e aglomeração. Na prática, o solo pode apresentar menor plasticidade, menor expansão, melhor pulverização e alteração de sua curva de compactação.

Em meio fortemente alcalino e com tempo de cura, sílica e alumina reativas do solo podem reagir com o cálcio, formando produtos cimentantes, como silicatos e aluminatos de cálcio hidratados. Esse ganho pozolânico depende da mineralogia, da temperatura, da disponibilidade de água e das condições de cura; por isso, nem todo solo com fração argilosa responde da mesma forma.

CaO + H₂O → Ca(OH)₂ + calor

Ca(OH)₂ + SiO₂/Al₂O₃ + H₂O → C-S-H / C-A-H

Figura 3 - Reações imediatas e de longo prazo na estabilização com cal. A troca catiônica e a floculação podem ocorrer rapidamente; o ganho pozolânico depende da mineralogia, da disponibilidade de sílica e alumina reativas e das condições de cura. Fonte: elaboração didática para a série técnica da Suporte.

Nem toda argila responde da mesma forma à cal

A presença de fração argila é apenas o primeiro indício. A mineralogia controla propriedades como área específica, capacidade de troca catiônica (CTC), expansibilidade e disponibilidade de sílica e alumina reativas. Por isso, dois solos com granulometria e índice de plasticidade semelhantes podem apresentar respostas muito diferentes ao mesmo teor de cal.

Quando essa diferença precisa ser investigada, a caracterização pode ser complementada por Difração de Raios X (DRX), que ajuda a identificar os argilominerais presentes. O ensaio de pH, por sua vez, fornece uma referência inicial da interação solo-cal. Nenhum dos dois, isoladamente, comprova o desempenho final da mistura.

Exemplo 1 - Difração de Raios X (DRX): como a mineralogia é investigada

Na fração argila, a DRX identifica fases cristalinas por reflexões características. Lâminas orientadas, tratamento com etilenoglicol e aquecimento ajudam a diferenciar argilominerais, especialmente quando há minerais expansíveis. O objetivo não é associar automaticamente um teor de cal a cada mineral, mas compreender a mineralogia que influencia a interação solo-cal.

Figura 4 - Exemplo didático de interpretação de DRX da fração argila. As curvas são esquemáticas e servem apenas para explicar o princípio de identificação por lâmina orientada, glicolação e aquecimento. Fonte: elaboração própria com base em critérios mineralógicos de DRX.

A DRX não aprova nem reprova o uso de cal. Ela identifica a mineralogia e ajuda a interpretar quais mecanismos podem ser mais relevantes. Capacidade de troca catiônica, expansibilidade e disponibilidade de constituintes reativos variam entre os argilominerais e ajudam a explicar por que solos com plasticidade semelhante podem responder de forma distinta.

Ensaio Suporte: DRX com vermiculita predominante

Em um relatório do acervo técnico da Suporte, a fração fina foi separada por sedimentação, pipetagem e centrifugação e analisada em lâmina orientada. A leitura foi realizada entre 2° e 28° em 2θ. A mesma lâmina passou por solvatação com etilenoglicol por 16 horas e, depois, por aquecimento a 500 °C durante 1 hora, com novas leituras após cada tratamento. A comparação dos difratogramas permitiu identificar a vermiculita como o argilomineral de maior abundância naquele material.

O resultado “vermiculita predominante” é relevante porque a vermiculita apresenta elevada capacidade de troca catiônica. Isso indica forte potencial de interação superficial com Ca²⁺ e de floculação após a adição de cal. Ainda assim, a mineralogia não define sozinha a eficiência da estabilização nem o teor a ser estudado: a resposta precisa ser verificada por pH e por ensaios de desempenho.

O que a mineralogia pode indicar sobre a resposta à cal?

O quadro abaixo é interpretativo, não normativo. As faixas de CTC representam valores típicos de minerais puros e ajudam a compreender tendências de interação imediata com a cal. Em solos naturais, a combinação entre minerais, óxidos, matéria orgânica e cimentações pode modificar significativamente essa resposta.

Quadro 1 - Sequência de DRX utilizada em um ensaio l da Suporte. Fonte: acervo técnico da Suporte.

O resultado “vermiculita predominante” é relevante porque a vermiculita possui capacidade de troca catiônica muito elevada. Isso sugere forte potencial para troca de cátions com Ca²⁺ e floculação logo após a adição da cal. Ainda assim, não permite concluir sozinho que a cal será a solução adequada ou qual teor deverá ser empregado: a estabilização precisa ser verificada pelo ensaio de pH e pelos resultados de desempenho.

Como interpretar a mineralogia em relação à cal?

O quadro abaixo é interpretativo, não normativo. Os intervalos de CTC são valores típicos de minerais puros e ajudam a entender a tendência de resposta imediata à cal. Em solos naturais, misturas de argilominerais, óxidos, matéria orgânica e cimentações naturais podem alterar significativamente o comportamento.

Quadro 2 - Tendência mineralógica de resposta à cal. *Faixas típicas de capacidade de troca catiônica segundo Carroll/USGS; não constituem critério de aceitação nem prescrição de teor de cal.

Leitura prática: CTC elevada aumenta o potencial de troca catiônica imediata, mas não garante maior resistência de longo prazo. O ganho pozolânico depende da química do solo e da formação de produtos cimentantes. Por isso, DRX, pH e ensaios mecânicos devem ser lidos em conjunto.

Importante: o caso de DRX apresentado acima e os ensaios de pH mostrados a seguir são exemplos reais independentes do acervo da Suporte. Eles não correspondem à mesma amostra e, portanto, não devem ser correlacionados diretamente. A intenção é mostrar como cada ensaio responde a uma pergunta diferente do estudo.

Exemplo 2 - Método de pH: leitura de uma curva real

No ensaio de pH, teores crescentes de cal são incorporados ao solo e o pH da suspensão é medido. A curva fornece uma referência inicial da quantidade de cal necessária para atingir a condição alcalina considerada no método. No exemplo real apresentado, esse ponto ocorre próximo de 3% de cal.

Figura 5 - Curva real teor de cal x pH de uma amostra ensaiada pela Suporte. O teor interpolado correspondente a pH 12,4 foi 2,95%. Acervo técnico da Suporte.

O resultado do pH não define, sozinho, o teor final de uma dosagem. Ele orienta a faixa inicial de investigação, que deve ser confirmada por propriedades como plasticidade, expansão, CBR/ISC, resistência e módulo de resiliência.

Cal virgem e cal hidratada: por que o produto precisa ser registrado

A cal virgem é constituída predominantemente por óxido de cálcio. Em contato com a água, hidrata-se e libera calor, comportamento que pode contribuir para a secagem e a modificação rápida de solos úmidos. O produto, porém, exige cuidados específicos de manuseio e segurança.

A cal hidratada é constituída predominantemente por hidróxido de cálcio. É um produto já hidratado, mas continua alcalino e pulverulento. Para o laboratório, é essencial registrar qual cal foi utilizada no estudo, porque a transferência dos resultados para outro produto não deve ser feita automaticamente sem nova verificação.

Cimento: formação de matriz cimentante

O cimento Portland modifica o material principalmente pela hidratação dos compostos do clínquer. Os silicatos tricálcico e dicálcico reagem com a água e formam gel de silicato de cálcio hidratado, conhecido como C-S-H. Esse produto preenche parte dos vazios e cria pontes entre as partículas, aumentando coesão, resistência e rigidez.

C₃S / C₂S + H₂O → C-S-H + Ca(OH)₂

Figura 6 - Representação conceitual das reações imediatas e de longo prazo do cimento em solos arenosos. Fonte: elaboração didática para a série técnica da Suporte.

Em solos arenosos e materiais granulares, a distribuição do cimento tende a ser mais uniforme devido à menor superfície específica. Solos com maior teor de argila podem apresentar maior dificuldade de homogeneização e demanda diferente de ligante. Matéria orgânica e determinados compostos também podem interferir na hidratação, razão pela qual a caracterização do material continua sendo indispensável.

Aqui na Suporte, o tipo e a classe do cimento são registrados em cada estudo porque influenciam a velocidade de hidratação e a evolução das propriedades medidas. Repetir o mesmo teor com outro cimento pode produzir resposta diferente, especialmente nas primeiras idades; por isso, uma dosagem não deve ser transferida entre produtos sem verificação laboratorial.

O que significam as siglas dos cimentos?

Nos estudos de dosagem, informar apenas “cimento” é insuficiente. O tipo utilizado influencia a evolução da resistência, o calor de hidratação, a durabilidade e o tempo necessário de cura.

A classe de resistência indicada junto à sigla, como 32 ou 40, refere-se à resistência normalizada do cimento, não à resistência que a mistura de solo alcançará. O desempenho final depende da interação entre cimento, solo, água, compactação e cura.

Corpo de prova e o aglomerante utilizados em estudo de dosagem. A caracterização dos constituintes e a condição do corpo de prova precisam ser registradas para permitir a comparação entre composições. Fonte: acervo fotográfico do laboratório.

Solo melhorado com cimento, solo-cimento e Brita Graduada Tratada com Cimento (BGTC)

O solo melhorado com cimento, em geral, trabalha com menor grau de cimentação e busca modificar propriedades como suporte, sensibilidade à água e trabalhabilidade. No solo-cimento, a cimentação assume papel estrutural mais relevante, tornando necessária a avaliação conjunta de resistência, rigidez, tração, fadiga e durabilidade.

Na BGTC, o esqueleto resistente é formado por agregado graduado e o cimento liga os contatos entre as partículas. Em solo-brita-cimento, a fração de solo também participa do preenchimento dos vazios e da matriz. À medida que a rigidez aumenta, cresce a importância de avaliar retração e fissuração. A composição de maior resistência à compressão não é, automaticamente, a de melhor comportamento global.

Entender a reação é só o começo

Brita, cal e cimento modificam o material por mecanismos distintos. Os agregados atuam principalmente na estrutura granular e no intertravamento; a cal altera a interação físico-química da fração fina e pode desenvolver ganho pozolânico; e o cimento forma uma matriz cimentante capaz de elevar resistência e rigidez.

Conhecer esses mecanismos, porém, não é suficiente para afirmar qual será o desempenho da mistura. A mineralogia ajuda a explicar a resposta à cal, e o pH fornece uma referência inicial da interação química. A comprovação vem do comportamento efetivamente medido nos ensaios.

Na Suporte, essa etapa é conduzida de forma controlada e rastreável. Diferentes composições são preparadas, compactadas, moldadas, curadas e ensaiadas para comparar expansão, CBR/ISC, resistência à compressão, resistência à tração e módulo de resiliência. A entrega desses resultados permite mostrar, de forma objetiva, como cada composição modificou o comportamento do material.

No próximo artigo da série

Na Parte 3, que encerra esta série, vamos sair dos mecanismos de reação e entrar nos resultados: como CBR/ISC, expansão, resistência à compressão, tração e módulo de resiliência ajudam a quantificar o efeito de uma dosagem.

Samuel Calura
Coordenador de Laboratório