Flexural and Tensile Strength Characteristics of Soils Stabilized with Class C Fly Ash-Based Geopolymer

Resumo Técnico: Características de Resistência à Flexão e Tração de Solos Estabilizados com Geopolímero à Base de Cinza Volante Classe C

Problema
Embora a estabilização de solos utilizando Cimento Portland Comum (CPC) e cal seja uma prática padrão para melhorar o desempenho de engenharia de solos fracos, esses ligantes tradicionais acarretam um custo ambiental significativo devido às altas emissões de CO₂ e à intensidade energética associada à fabricação do cimento. Embora a tecnologia do geopolímero, utilizando subprodutos industriais como cinzas volantes ativadas por soluções alcalinas, ofereça uma alternativa sustentável, as pesquisas existentes concentraram-se predominantemente na resistência à compressão. Existe uma lacuna crítica na compreensão do comportamento de tração e flexão de solos tratados com geopolímero. Esta é uma limitação significativa, pois muitas estruturas geotécnicas — como pavimentos, aterros e taludes — são frequentemente submetidas a tensões de tração que levam ao fissuramento e ao desconforto superficial, muitas vezes resultantes de recalques diferenciais, dessecação ou carregamentos repetidos.

Metodologia
O estudo avaliou a resposta mecânica de solos arenosos e argilosos estabilizados com geopolímero à base de cinza volante Classe C sob condições de cura ambiente. O programa experimental utilizou os seguintes parâmetros:

• Materiais: Um solo arenoso de baixa graduação (5% de finos) e um solo argiloso de alta plasticidade (56,39% de argila, 38,61% de silte, 5% de areia). Três misturas de argila engenheiradas também foram criadas pela adição de 10%, 20% e 30% de areia à argila base. O ligante foi cinza volante Classe C, ativado por uma solução de NaOH 10 M e Na₂SiO₃ na proporção de 2,0.
• Dosagem da Mistura: O teor de cinza volante variou de 5–20% para o solo arenoso e 10–20% para o solo argiloso. Duas razões ativador-para-cinza (0,4 e 0,6) foram testadas. Para o desempenho de linha de base comparativo, também foram preparados espécimes estabilizados com 5% de CPC.
• Cura: Todos os espécimes foram curados por 28 dias à temperatura ambiente.
• Ensaios: O estudo empregou testes de flexão em três pontos (ASTM D1635) para resistência à flexão (RF), testes brasileiros (NBR 7222) para resistência indireta à tração (RIT) e ensaios de Índice de Suporte Califórnia (CBR) (ASTM D1883) após 4 dias de imersão. A resistência à compressão simples (RCS) também foi medida para estabelecer correlações.
• Resultos Principais: Tanto a resistência à flexão quanto a resistência indireta à tração aumentaram consistentemente com maiores doses de geopolímero e razões de ativador. Para o solo arenoso, a RF aumentou de 0,35 MPa (5% de cinza volante, proporção 0,4) para 2,04 MPa (20% de cinza volante, proporção 0,6). Da mesma forma, a RIT para o solo arenoso subiu de 0,27 MPa para 1,25 MPa sob as mesmas condições.
• Efeito da Areia na Argila: A adição de areia aos solos argilosos aumentou significativamente a resistência à flexão (aumento de até 52% para o teor de 30% de areia) e melhorou moderadamente a resistência à tração (4–11% de aumento). Isso foi atribuído à melhoria no empacotamento de partículas, redução da porosidade e disponibilidade de sílica adicional para a formação de gel.
• Correlações: Observaram-se fortes correlações lineares entre a resistência à flexão e a RCS (R² = 0,96 para areia, R² = 0,91 para argila), com valores de RF aproximadamente 16–18% da RCS. A resistência indireta à tração foi encontrada como sendo aproximadamente 18% da RCS (R² = 0,94), uma razão notavelmente superior aos 10% tipicamente observados em solos estabilizados com cimento.
• Comparação com o CPC: Os solos estabilizados com geopolímero superaram os solos estabilizados com 5% de CPC em todas as métricas de resistência. Com 20% de teor de cinza volante, a RCS do solo arenoso foi 59% maior que a do solo cimentado, enquanto a RF e a RIT foram 57% e 48% maiores, respectivamente. Os solos argilosos mostraram melhorias semelhantes, embora ligeiramente menos pronunciadas.
• Desempenho do CBR: Os valores de CBR mostraram melhorias dramáticas. Para o solo arenoso, o CBR aumentou de 22% (não tratado) para 335% (20% de cinza volante, proporção 0,4), representando um aumento de ~1430%. O CBR do solo argiloso subiu de 6,2% para 85,9% sob condições semelhantes. Esses valores excedem os requisitos típicos de subleito e aproximam-se dos padrões de camada de base.

Significância e Alegações
O artigo afirma que o geopolímero à base de cinza volante Classe C é uma alternativa viável e sustentável aos ligantes de cimento tradicionais para a estabilização de solos, particularmente em aplicações onde a resistência à tração e à flexão são críticas. O estudo demonstra que os solos tratados com geopolímero possuem propriedades de tração superiores em relação à sua resistência à compressão comparado aos solos tratados com cimento, provavelmente devido à formação de um sistema de ligante híbrido contendo géis N-A-S-H e C-A-S-H. Essa coesão aumentada e resistência ao fissuramento tornam o material altamente adequado para bases de pavimentos, aterros e estruturas de terra reforçada. Além disso, as fortes correlações lineares estabelecidas entre a RCS e as resistências à tração/flexão fornecem ferramentas práticas de engenharia para estimar essas propriedades sem testes adicionais, simplificando os procedimentos de projeto. O aumento significativo nos valores de CBR sugere o potencial para reduzir a espessura das camadas do pavimento, levando a projetos geotécnicos mais econômicos e sustentáveis.