Effect of the addition of cement on the loess stabilization: a case study of Gorgan loess from northern Iran

Nos confins do norte do Irã, sob a cidade de Gorgan, estende-se uma vasta área de um solo peculiar conhecido como loess. Para o olhar destreinado, parece uma terra comum, de cor creme, mas para um engenheiro geotécnico, é um perigo oculto. Este solo é formado por poeira transportada pelo vento que se deposita em uma estrutura frouxa, semelhante a um favo de mel. Embora possa suportar peso quando seco, possui um segredo perigoso: no momento em que se torna saturado com água, suas ligações internas frágeis se dissolvem, e o solo subitamente colapsa, afundando rapidamente sob o peso de edifícios e estradas. Este fenômeno, conhecido como colapsibilidade, tem causado danos estruturais significativos na região, onde os depósitos de loess podem atingir profundidades de mais de 70 metros. O desafio para os engenheiros é encontrar uma maneira de fortalecer este solo sem torná-lo quebradiço ou caro de tratar, garantindo que o terreno permaneça estável mesmo quando as chuvas vierem.

Pesquisadores da Universidade de Teerã e da Universidade de Qom partiram para resolver este problema testando um material comum e barato: o cimento. O objetivo deles era ver se misturar cimento ao loess de Gorgan poderia transformá-lo de um risco de colapso em uma fundação sólida. Eles coletaram amostras do solo local e as misturaram com quantidades variadas de cimento, variando de nada em absoluto até 9 por cento em peso. Para entender como o tempo afeta o processo, eles não testaram apenas as misturas imediatamente. Em vez disso, deixaram as amostras repousarem em recipientes selados por períodos de sete, quatorze e vinte e oito dias, simulando o processo de cura que ocorre em projetos de construção reais. Eles então submeteram as amostras endurecidas a uma bateria de testes, medindo o quanto podiam ser comprimidas, o quanto inchavam e quanta força podiam suportar antes de quebrar. Eles também observaram de perto o solo sob microscópios poderosos e analisaram sua composição química para ver o que estava acontecendo em um nível microscópico.

Os resultados foram impressionantes. O loess não tratado era extremamente fraco, com uma resistência à compressão de apenas 0,1 megapascal, uma medida de quanta pressão o solo pode suportar antes de falhar. No entanto, conforme os pesquisadores adicionavam mais cimento e permitiam mais tempo para a mistura curar, o solo tornava-se significamente mais forte. A melhoria mais dramática ocorreu nas amostras tratadas com 9 por cento de cimento. Após vinte e oito dias de cura, estas amostras eram 8,5 vezes mais fortes que o solo não tratado. Os pesquisadores observaram que, quanto mais tempo o solo era deixado para curar, mais forte ele se tornava, indicando que reações químicas estavam continuamente unindo as partículas do solo ao longo do tempo. Este aumento de resistência não era apenas uma questão do cimento atuando como um preenchimento; era o resultado de uma transformação química onde o cimento reagia com os minerais do solo para criar novas e duráveis ligações.

Além de apenas ficar mais forte, o solo tratado também se tornou muito mais estável e menos propenso ao afundamento perigoso que assola a região. Os pesquisadores mediram a tendência de colapso do solo quando úmido e descobriram que a adição de cimento reduzia drasticamente este risco. Nas amostras não tratadas, o potencial de colapso era classificado como moderadamente severo. Mas nas amostras com 9 por cento de cimento, este risco caiu para um nível "leve", significando que o solo era muito menos propenso a sofrer assentamentos repentinos. Da mesma forma, a tendência do solo de se comprimir sob pressão ou inchar quando úmido foi significativamente reduzida. Quanto mais cimento era adicionado, menos o solo se movia, criando um material que se comporta mais como uma rocha sólida do que uma terra frouxa e sensível à água.

Para entender por que essa transformação aconteceu, a equipe espiou o interior do solo usando microscopia eletrônica de varredura e análise química. O loess não tratado revelou uma estrutura caótica com grandes poros abertos e conexões fracas entre as partículas, assemelhando-se a uma pilha de areia mal empilhada. Em contraste, as amostras tratadas com cimento mostraram um quadro completamente diferente. As imagens microscópicas revelaram que o cimento havia criado estruturas em forma de agulha e uma substância gelatinosa que preenchia os espaços vazios entre os grãos do solo. Essas novas formações, conhecidas como silicato de cálcio hidratado, agiram como uma cola, unindo as partículas individuais em uma rede densa e interconectada. Este processo, chamado floculação, transformou a estrutura frouxa e aberta em uma massa densa e compacta. A análise química confirmou que a quantidade de cálcio e outros elementos de ligação havia aumentado, enquanto a natureza dispersiva e frouxa do solo original fora substituída por uma estrutura sólida e coesa.

O estudo conclui que a adição de cimento é um método altamente eficaz para estabilizar o problemático loess encontrado no norte do Irã. Ao aumentar o conteúdo de cimento e permitir tempo suficiente para a mistura curar, os engenheiros podem criar um solo que é não apenas muito mais forte, mas também resistente ao colapso repentino que ocorre quando a água é introduzida. A pesquisa demonstra que uma simples adição de 9 por cento de cimento pode transformar um perigo geotécnico em uma fundação confiável, oferecendo uma solução prática e acessível para a construção em áreas propensas a este tipo específico de falha de solo. Os achados sugerem que, com a mistura certa e tempo suficiente, o chão sob nossos pés pode ser tornado firme.