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Shear Strength Enhancement and Optimum Dosage Prediction of Fly Ash–Stabilized Cohesive and Cohesionless Soils

Este estudo demonstra que a incorporação de 12% de cinza volante otimiza o aumento da resistência ao cisalhamento de solos coesivos e não coesivos através de mecanismos distintos de densificação e cimentação pozolânica, enquanto um modelo de regressão quadrática proposto prevê eficazmente esta dosagem ideal para aplicações geotécnicas sustentáveis.

Autores originais: MD. MOIN Akon, Khan MD Mohaiminul Islam Sho, Asif Alam Chowdhury, Swarnali Ahmed

Publicado 2026-07-06

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CC BY 4.0

Autores originais: MD. MOIN Akon, Khan MD Mohaiminul Islam Sho, Asif Alam Chowdhury, Swarnali Ahmed

Artigo original sob licença CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta é uma explicação gerada por IA do artigo abaixo. Não foi escrita nem endossada pelos autores. Para precisão técnica, consulte o artigo original. Ler aviso legal completo

Imagine que você esteja tentando construir uma casa robusta, mas o solo sob seus pés é ou muito frouxo e arenoso (como uma praia) ou muito pegajoso e lamacento (como argila úmida). Em ambos os casos, o solo é fraco demais para suportar estruturas pesadas. Tradicionalmente, os engenheiros corrigem isso misturando cimento ou cal, mas esses materiais são caros e deixam uma grande pegada de carbono no meio ambiente.

Este artigo explora uma alternativa inteligente e ecológica: o uso de Cinza Volante (Fly Ash).

O que é a Cinza Volante?

Pense na Cinza Volante como a "poeira" que sobra após a queima de carvão para gerar eletricidade. Em Bangladesh, uma usina de energia chamada Barapukuria produz cerca de 52.000 toneladas dessa poeira todos os anos. Normalmente, essa poeira é descartada em grandes lagoas, o que ocupa terreno e pode ser ruim para o meio ambiente. Os pesquisadores perguntaram: Podemos transformar esse problema de resíduos em uma solução para solos fracos?

O Experimento: Misturando a "Receita"

A equipe pegou dois tipos de solo muito diferentes de Bangladesh:

Solo Arenoso: Como areia de praia seca. Não gruda; apenas desliza e se separa.
Solo Argiloso: Como lama úmida. Gruda, mas é macio e maleável.

Eles misturaram esses solos com Cinza Volante em três quantidades diferentes: 8,5%, 12% e 15%. Em seguida, esperaram 28 dias (deixando a mistura "descansar" ou curar) e testaram o quão forte o solo se tornou ao tentar cortá-lo (cisalhamento) ou esmagá-lo.

Os Resultados: Encontrando a Zona "Goldilocks" (O Ponto Ideal)

Os pesquisadores descobriram que adicionar Cinza Volante não é uma situação simples de "quanto mais, melhor". É como assar um bolo: se você adicionar pouca farinha, o bolo desmorona; se adicionar demais, ele se torna um tijolo denso e pesado. Você precisa da quantidade perfeita.

1. Para o Solo Arenoso (O Problema da "Areia Frouxa")

O Objetivo: Fazer com que os grãos soltos se travem com mais força.
O Resultado: Com 12% de Cinza Volante, a areia tornou-se 27% mais forte.
A Analogia: Imagine uma caixa de bolinhas de gude (grãos de areia). Se você apenas sacudir a caixa, elas rolam frouxamente. Se você polvilhar um pouco de areia fina (Cinza Volante), ela preenche os pequenos espaços entre as bolinhas, compactando-as mais apertadas para que não possam se mover tão facilmente. Isso é chamado de "preenchimento de vazios".
O que aconteceu com 15%? Ficou ligeiramente mais fraca. Por quê? Porque havia muita poeira fina. Ela começou a agir como um lubrificante, separando os grãos de areia em vez de ajudá-los a se travarem.

2. Para o Solo Argiloso (O Problema da "Lama Pegajosa")

O Objetivo: Tornar a lama pegajosa mais dura e menos maleável.
O Resultado: Com 12% de Cinza Volante, a argila tornou-se 34% mais forte.
A Analogia: Pense na argila como uma esponja molhada. Adicionar Cinza Volante é como adicionar um ingrediente especial que ajuda a esponja a secar e endurecer levemente, tornando-a mais rígida. Isso acontece devido a uma reação química (chamada reação pozolânica) onde a cinza e o solo se ligam.
A Armadilha: Com 15%, os resultados foram bagunçados. Algumas amostras ficaram muito fortes, outras ficaram fracas. Os pesquisadores perceberam que, nessa quantidade alta, tornava-se muito difícil misturar a cinza uniformemente na argila pegajosa. Era como tentar misturar gotas de chocolate em uma massa espessa à mão — você acaba com bolsões de excesso de chocolate e bolsões de nenhum.

A "Bola de Cristal" Matemática

Os pesquisadores usaram uma fórmula matemática (um modelo de regressão quadrática) para prever a quantidade perfeita.

Eles testaram 8,5%, 12% e 15%.
A matemática sugeriu que o pico absoluto de resistência poderia, na verdade, ocorrer em algum lugar entre 13% e 14%, um pouco acima da quantidade de 12% que testaram.
Nota Importante: O artigo alerta que esta matemática é apenas um palpite aproximado baseado em dados limitados. É como desenhar uma curva suave através de apenas quatro pontos; você precisa de mais pontos para ter certeza de que a curva está correta.

A Grande Conclusão

Este estudo prova que 12% de Cinza Volante é o "ponto ideal" para tornar tanto os solos arenosos quanto os argilosos de Bangladesh mais fortes.

Para a Areia: Funciona preenchendo fisicamente os espaços entre os grãos.
Para a Argila: Funciona endurecendo levemente as ligações entre as partículas.

Ao usar este subproduto, os engenheiros podem construir estradas e fundações mais fortes sem usar cimento caro, ao mesmo tempo em que limpam as enormes pilhas de cinza volante que atualmente ocupam lagoas.

O Que o Artigo Não Diz

Ele não afirma que isso funcionará para todos os tipos de solo do mundo, apenas para a areia e argila específicas que eles testaram.
Ele não diz que este solo está pronto para uso imediato em construções reais sem testes adicionais. O estudo foi feito em laboratório, e os autores admitem que precisam testar no campo e por períodos mais longos para ter certeza de que durará.
Eles não observaram o nível microscópico (usando microscópios) para ver exatamente como as partículas se ligavam; eles apenas mediram a resistência e deduziram o mecanismo com base no que observaram.

Em resumo: A Cinza Volante é uma ferramenta útil, gratuita e ecológica para fortalecer o solo fraco, mas você deve misturá-la na quantidade exata (cerca de 12%) para obter os melhores resultados.

Resumo Técnico: Aumento da Resistência ao Cisalhamento e Predição de Dosagem Ótima de Cinzas Volantes para Estabilização de Solos Coesivos e Coesionless

Definição do Problema
O estudo aborda o desafio duplo de gerir resíduos industriais e melhorar o desempenho geotécnico em Bangladesh. As cinzas volantes, um subproduto das centrais termoelétricas a carvão, apresentam problemas significativos de descarte ambiental, com a Usina Termelétrica de Barapukuria gerando, sozinha, aproximadamente 52.000 toneladas métricas anualmente. Concomitantemente, os solos locais frequentemente exibem propriedades de engenharia deficientes, como baixa resistência ao cisalhamento e alta compressibilidade. Embora estabilizadores convencionais como cimento e cal sejam eficazes, eles acarretam custos elevados e pegadas de carbono significativas. A pesquisa busca determinar se as cinzas volantes de Classe F da usina de Barapukuria podem servir como uma alternativa sustentável e de baixo custo para estabilizar tanto solos coesivos (argila) quanto coesionless (areia), identificando especificamente a dosagem ótima para o máximo ganho de resistência.

Metodologia
A pesquisa empregou uma abordagem experimental comparativa utilizando dois tipos distintos de solo coletados em Bangladesh:

Solo Coesionless (Não Coesivo): Areia mal graduada (SP) de Gabtoli, Dhaka.
Solo Coesivo: Argila de plasticidade intermediária (CI) de Matidali, Bogra.
Estabilizador: Cinzas volantes de Classe F (92,9% SiO₂ + Al₂O₃ + Fe₂O₃; 0,56% CaO) da usina de Barapukuria.

As amostras de solo foram misturadas com cinzas volantes em dosagens de 0% (controle), 8,5%, 12% e 15% por peso seco. Os espécimes foram compactados na Umidade Ótima (OMC) e curados por 28 dias a 25 ± 2 °C.

Solo Arenoso: Avaliado através do Ensaio de Cisalhamento Direto (ASTM D3080) em três níveis de tensão normal para determinar o ângulo de atrito interno ( $\phi$ ).
Solo Argiloso: Avaliado através do Ensaio de Compressão Não Confinada (ASTM D2166) para determinar a resistência ao cisalhamento não drenada ( $C_u$ ).

O estudo utilizou modelos de regressão quadrática para analisar a relação não linear entre a dosagem de cinzas volantes e os parâmetros de resistência ao cisalhamento.

Principais Resultados
O estudo observou um padrão distinto de "ascensão–pico–declínio" na melhoria da resistência para ambos os tipos de solo, indicando uma dosagem ótima em vez de uma relação linear.

Solo Coesionless (Arenoso):
- Dosagem de 8,5%: Nenhuma mudança significativa na resistência ao cisalhamento; o ângulo de atrito permaneceu em 29°, idêntico ao solo não tratado.
- Dosagem de 12%: O desempenho de pico foi alcançado. O ângulo de atrito aumentou de 29° para 37°, representando uma melhoria de 27,6%.
- Dosagem de 15%: Ocorreu um leve declínio, com o ângulo de atrito caindo para 36°.
- Mecanismo: A melhoria aos 12% é atribuída a mecanismos físicos: preenchimento de vazios, empacotamento de partículas mais denso e aumento da rugosidade superficial/intertravamento. O excesso de finos aos 15% começou a interromper o contato direto grão-a-grão.
Solo Coesivo (Argiloso):
- Dosagem de 8,5%: A resistência ao cisalhamento não drenada ( $C_u$ ) aumentou de 79,63 kN/m² para 97,60 kN/m² (~22,6% de melhoria).
- Dosagem de 12%: O desempenho de pico foi alcançado com um $C_u$ médio de 106,36 kN/m², uma melhoria de 33,6% sobre o solo não tratado. Os espécimes apresentaram consistência "Rígida" consistente.
- Dosagem de 15%: Os resultados mostraram grande dispersão (Coeficiente de Variação ≈ 39%), com um espécime caindo abaixo da resistência não tratada e outro mostrando um aumento massivo. A média ($94,24$ kN/m²) foi inferior à dosagem de 12%.
- Mecanismo: As melhorias são atribuídas à redução da plasticidade, melhor compactação e atividade pozzolânica limitada inicial. No entanto, os autores observam que o teor muito baixo de CaO (0,56%) das cinzas volantes de Classe F limita a cimentação química extensa sob cura ambiente. A alta variabilidade aos 15% foi atribuída às dificuldades em alcançar uma mistura uniforme de partículas finas na matriz de argila.

Principais Contribuições

Análise Comparativa: O estudo fornece uma comparação experimental direta da estabilização com cinzas volantes em solos tanto coesivos quanto coesionless sob condições laboratoriais idênticas, uma lacuna identificada na literatura existente.
Identificação da Dosagem Ótima: Estabelece 12% como a dosagem ótima de cinzas volantes para maximizar a resistência ao cisalhamento em ambos os tipos de solo sob as condições testadas.
Modelagem Preditiva: Os autores desenvolveram modelos de regressão quadrática para descrever a relação não linear entre resistência e dosagem. A diferenciação desses modelos sugere um pico teórico de resistência em aproximadamente 14,1% para areia e 14,4% para argila, sugerindo que testes futuros na faixa de 13–14% poderiam render resultados marginalmente superiores.
Contexto Local: A pesquisa caracteriza as cinzas volantes de Classe F específicas de Bangladesh, a única usina a carvão do país, fornecendo dados relevantes para a prática geotécnica local.

Significância e Alegações
O artigo afirma que a utilização das cinzas volantes de Barapukuria oferece um quadro prático para a engenharia geotécnica sustentável em Bangladesh. Ao desviar as cinzas volantes dos tanques de cinzas, o método aborda desafios de descarte ambiental enquanto simultaneamente melhora a capacidade de carga e reduz a suscetibilidade à deformação de subleitos e aterros.

Os autores enquadram modestamente suas descobertas como uma "ferramenta de projeto preliminar" e um exercício de "ajuste de tendência empírica", em vez de um padrão universal validado. Eles explicitamente reconhecem limitações, incluindo a falta de análise microestrutural (SEM/XRD) para verificar diretamente os mecanismos, o uso de apenas dois espécimes por condição (levando à incerteza estatística em dosagens mais altas) e a ausência de durabilidade a longo prazo ou validação em escala de campo. Consequentemente, o estudo conclui que, embora 12% de cinzas volantes seja altamente eficaz para o ganho imediato de resistência, pesquisas futuras devem incorporar caracterização microestrutural, conjuntos maiores de espécimes e testes de campo de longo prazo para validar totalmente a abordagem para o projeto de engenharia.