Stablilization of Clay with Fly Ash and GGBS Based Geopolymer: Influence on Strength, Consolidation, and Shrinkage Characteristics

O solo sob nossos pés nem sempre é uma fundação sólida e inabalável. Em muitas partes do mundo, o solo é dominado pela argila, um material de granulação fina que se comporta como uma esponja. Quando a chuva cai ou as estações mudam, essa argila absorve água e expande, empurrando para cima com uma força significativa. Quando o ar está seco, ela encolhe e racha, afastando-se de qualquer coisa que repouse sobre ela. Este ciclo constante de expansão e contração é um pescoio para engenheiros e proprietários, causando deformações em estradas, rachaduras em fundações e assentamentos irregulares em estruturas. Para tornar este solo seguro para a construção, os engenheiros tradicionalmente misturam cimento comum ou cal. Esses aglutinantes endurecem e travam as partículas do solo, criando uma base estável. No entanto, a produção desses aglutinantes tradicionais é uma grande fonte de emissões de dióxido de carbono, contribuindo significamente para a crise climática global. Isso tem impulsionado a busca por alternativas que possam estabilizar a terra sem o pesado custo ambiental.

Pesquisadores voltaram sua atenção para subprodutos industriais, especificamente cinza volante (fly ash) e escória granulada de alto-forno. A cinza volante é o pó fino que resta após a queima de carvão em usinas de energia, enquanto a escória é um subproduto da fabricação de ferro. Ambos os materiais são ricos nos ingredientes químicos necessários para criar uma substância forte, semelhante a uma rocha, quando misturados com uma solução alcalina específica. Esse processo, conhecido como geopolimerização, transforma esses materiais residuais em um aglutinante que pode substituir o cimento tradicional. Uma equipe de pesquisadores do Instituto Indiano de Tecnologia de Madras e do College de Engenharia Thiagarajar estabeleceu o objetivo de testar quão bem esses subprodutos industriais poderiam domar um tipo específico de argila problemática encontrada em Madurai, Índia. O objetivo deles não era apenas ver se o solo se tornava mais forte, mas entender como o tratamento alterava a forma como o solo se assentava sob peso e o quanto ele encolhia ao secar.

A equipe selecionou uma amostra de argila de uma profundidade de dois metros perto de um ponto de ônibus local. Este solo foi classificado como tendo compressibilidade intermediária, o que significa que ele se achata facilmente sob pressão, e era moderadamente expansivo, com uma alta tendência de inchar quando molhado. Para tratar este solo, os pesquisadores misturaram quantidades variadas de cinza volante e escória, criando três concentrações diferentes para cada material: 25%, 35% e 45% do peso seco total. Eles ativaram essas misturas com uma solução de hidróxido de sódio e silicato de sódio, que atua como o gatilho químico para iniciar o processo de endurecimento. Eles também adicionaram uma pequena quantidade de um retardador químico às misturas de escória para evitar que elas endurecessem rápido demais. O solo tratado foi então compactado em cilindros e deixado para curar por diferentes períodos, variando de zero dias até 28 dias, antes de ser submetido aos testes.

Os resultados revelaram uma história clara de transformação. A argila não tratada tinha uma resistência muito baixa, medindo apenas 3,63 quilogramas por centímetro quadrado. Quando os pesquisadores testaram o solo tratado com cinza volante, descobriram que a resistência aumentava conforme o solo curava ao longo do tempo. O melhor desempenho veio da mistura contendo 35% de cinza volante, que atingiu uma resistência de 17,19 quilogramas por centímetro quadrado após 28 dias. Isso representou uma melhoria massiva, tornando o solo quase quatro vezes mais forte do que em seu estado natural. No entanto, quando aumentaram o conteúdo de cinza volante para 45%, a resistência na verdade caiu, sugerindo que o excesso de aglutinante diluiu a estrutura do solo em vez de fortalecê-la.

A história foi ligeiramente diferente com as misturas baseadas em escória. Para a escória, a resistência continuou a subir à medida que adicionavam mais do material. A maior resistência registrada em todo o estudo veio da mistura com 45% de escória, que atingiu 18,84 quilogramas por centímetro quadrado após 28 dias. Isso representou um aumento de 419% em relação à argila não tratada. Como a resistência ainda estava subindo no nível mais alto testado, os pesquisadores observaram que a quantidade ideal de escória poderia ser até maior do que 45%, enquanto a cinza volante já havia passado do seu ponto ideal aos 35%.

Além de apenas tornar o solo mais duro, o tratamento mudou drasticamente como o solo se comporta sob pressão. Quando cargas pesadas são colocadas sobre a argila macia, o solo se comprime e a água é expelida, fazendo com que o solo afunde ao longo do tempo. Os pesquisadores mediram esse comportamento e descobriram que o solo tratado era muito menos propenso a assentar. A mistura com 35% de cinza volante reduziu a tendência de compressão do solo em cerca de 70%, enquanto a mistura de 45% de escória reduziu-a em cerca de 84%. Além disso, o solo tratado assentou mais rapidamente do que a argila não tratada, o que significa que qualquer afundamento restante aconteceria mais rapidamente e seria uma preocupação de longo prazo menor para as estruturas construídas sobre ele.

Talvez o achado mais crítico para regiões propensas a secas e chuvas intensas tenha sido a mudança na retração. A argila não tratada encolhe significativamente conforme seca, criando rachaduras profundas que podem danificar fundações. O tratamento geopolímero reduziu significativamente esse comportamento. A mistura com 35% de cinza volante reduziu o volume de retração em quase metade, enquanto a mistura de 45% de escória reduziu-o em cerca de 63%. Isso significa que o solo tratado permaneceria muito mais estável durante as estações secas, resistindo ao rachamento e ao inchamento que tipicamente assolam construções em solos argilosos. Os pesquisadores também observaram que o solo tornou-se menos plástico, o que significa que era menos propenso a se deformar permanentemente quando molhado, aumentando ainda mais sua estabilidade.

Essas descobertas sugerem que o uso de subprodutos industriais como cinza volante e escória oferece uma alternativa poderosa e de menor emissão de carbono para estabilizar solos difíceis. O estudo identificou que 35% de cinza volante e 45% de escória eram as proporções mais eficazes dentro das faixas testadas, entregando ganhos de resistência de quase cinco vezes o solo original, enquanto reduziam drasticamente os riscos de inchamento e retração. Ao transformar materiais de resíduos em um aglutinante de alto desempenho, essa abordagem não apenas resolve um problema geotécnico, mas também aborda um problema ambiental, oferecendo uma maneira de construir em terrenos instáveis sem a pesada pegada de carbono do cimento convencional. O trabalho confirma que esses aglutinantes geopolímeros podem efetivamente transformar argilas problemáticas em um material de fundação confiável, pronto para suportar a infraestrutura do futuro.