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ANAIS DO 60º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2018 – 60CBC2018 1
ESTUDO DA APLICAÇÃO DO METACAULIM ÁLCALI- ATIVADO NA
ESTABILIZAÇÃO DE SOLOS PARA PAVIMENTAÇÕES
STUDY OF THE APPLICATION OF THE METALAULIM ACTIVATED ON THE
STABILIZATION OF SOILS FOR PAVIMENTATIONS
Daniele Mendes de Oliveira Arcanjo (1); Rafael Menezes Guedes (2); Jardel Pereira Gonçalves(3);
Sandro Lemos Machado(4); Francisco Gabriel Santos Silva (5)
(1) Engenheira Civil, Mestranda em Engenharia Civil, Universidade Federal da Bahia
(2) Graduando em Engenharia Química, Universidade Federal da Bahia participante
(3) Professor Doutor, Departamento de Construção e Estruturas, Universidade Federal da Bahia
(4)Professor Pós-Douto, Departamento de Ciências e Tecnologia dos Materiais, Universidade Federal da
Bahia
(5) Professor Doutor, Departamento de Construção e Estruturas, Universidade Federal da Bahia
R. Prof. Aristídes Novis, 2 - Federação, CEP: 40210-630, Salvador - BA
Resumo
A busca por novos materiais que substituam o Cimento Portland vem aumentando ao longo dos anos. Isso
se deve aos problemas de cunho ambiental e de durabilidade. Nesse contexto os materiais
aluminossilicatos, ricos em alumina e sílica na forma ativa, são comumente usados na produção de álcali-
ativados. Os álcali-ativados são a grande proposta para substituição total ou parcial do Cimento Portland
devido as altas resistências mecânicas, a resistência a altas temperaturas e a possibilidade de incorporar os
resíduos agroindustriais. Nesse contexto alguns estudos estão sendo desenvolvidos utilizando esse tipo de
material no processo de estabilização de solos. Os resultados preliminares apresentam que os
aglomerantes álcali ativados (AAA) melhoram as propriedades físicas e mecânicas do solo. Dessa forma, o
objetivo do presente trabalho é desenvolver um aglomerante álcali ativado aplicado na estabilização química
de solos para base e sub-base de pavimentos rodoviários. A pesquisa iniciou-se com a elaboração de um
programa experimental para determinação da dosagem do solo melhorado com cimento e AAA. Na primeira
parte da pesquisa foi realizada a caracterização do solo e dos materiais utilizados, ensaio de compactação (
solo, solo-cimento, solo-metacaulim (10%, 15% e 20%)), e a realização da dosagem para elaboração dos
AAA e do solo-cimento. Na segunda etapa foram realizados os ensaios de compressão simples para
avaliação da resistência das dosagens elaboradas. Os resultados encontrados foram comparados afim de
avaliar o potencial da aplicação desse novo material como estabilizador químico em pavimentos rodoviários.
Palavras Chaves: Estabilização de Solos, álcali-ativado e Pavimentos Rodoviários.
The search for new materials that replace Portland Cement has been increasing over the years. This is due to
environmental problems and durability. In this context aluminosilicate materials, rich in alumina and silica in the active
form, are commonly used in the production of alkali-activated materials. Alkali-activated materials are the major
proposal for total or partial replacement of Portland cement due to the high mechanical resistance, high temperature
resistance and the possibility of incorporating the agroindustrial residues. In this context some studies are being
developed using this type of material in the process of soil stabilization. Preliminary results show that activated alkali
binders (AAA) improve the physical and mechanical properties of the soil. Thus, the objective of the present work is to
develop an activated alkali binder applied in the chemical stabilization of soils for road pavements. The research began
with the elaboration of an experimental program to determine the improved soil dosage with cement and AAA. In the
first part of the research the characterization of the soil and the materials used, compaction test (soil, soil-cement, soil-
metakaolin (10%, 15% and 20%)) was performed, and soil-cement. In the second stage, simple compression tests were
performed to evaluate the strength of the dosages prepared. The results were compared in order to evaluate the potential
of the application of this new material as chemical stabilizer in road pavements.
Keywords: Soil stabilization, acyclic-activated and pavement road.

1 Introdução
Quando encontramos camadas de solos com baixa capacidade de carga, usualmente são
adotadas algumas soluções: retirada da camada de solo que está inadequada e a
substituição por aterro; o terreno é estabilizado ou reforçado e para os nos casos
extremos o projeto deve ser ajustado dentro das restrições que o solo estabelece
(CRISTELO 2001). O reforço ou a estabilização do solo se torna imprescindível em alguns
casos e atribui ao terreno um melhor desempenho das suas propriedades físicas e
mecânicas (SILVA, 2017), tais como, resistência a compressão, cisalhamento e
durabilidade. Devido a isso o uso de métodos para a estabilização e reforço dos solos são
de grande importância para as obras geotécnicas e contemplam inúmeras procedimentos
e materiais presentes na literatura.
A estabilização é o processo no qual se confere uma maior resistência ao solo, tornando-
o capaz de resistir as cargas, desgastes e a erosão. A melhoria do terreno pode ser
executada por meio da compactação, correção granulométrica ou através do uso de
adições (estabilização química) de substâncias que conferem ao solo coesão oriunda da
aglutinação dos seus grãos. Para os pavimentos rodoviários a estabilização química com
aditivos pode ser realizada através do uso de asfalto, betume, Cimento Portland, cal entre
outros produtos químicos industrializados (VARGAS 1977, CRISTELO 2001). No caso do
solo-cimento ele é considerado uma mistura de solo pulverizado com cimento Portland e
água no grau de compactação na umidade ótima. Esse conjunto de materiais conferem
uma estrutura resistente, estável e durável. Sua utilização no Brasil iniciou em meados de
1936 (DALLACORT et al., 2002). Esta técnica é geralmente empregada para solos
granulares com baixo teor de argila. O terreno granular deve ser fragmentado e
adicionado então o aditivo cimentício (Cimento Portland - CP), após a colocação da água
é realizada a mistura e então o pavimento semiligado é formado. Após a estabilização
solo-cimento temos como produto um solo com maior rigidez e durabilidade quando
comparado ao solo no estado natural (FILHO, 2008).
Contudo, em alguns casos a fragilidade e fissuração excessiva desses terrenos
estabilizados com solo-cimento têm desmotivado o seu uso e fazendo com que os
engenheiros adotem métodos mais conservadores. Para o surgimento dessas patologias
FILHO (2008) aponta que as tensões formadas sobre a camada cimentante e o solo de
baixa resistência provocam trincas. Para o caso do uso de grandes taxas de cimento
alguns cuidados com a rigidez excessiva da mistura solo-cimento devem ser tomados,
pois para valores altos de rigidez estes pavimentos podem sofre trincas e fissuras devido
à retração. Dessa forma nos últimos anos muitas pesquisas estão sendo desenvolvidas,
com o intuito de reduzir a quantidade de cimento utilizado em diversas aplicações no
mundo, pesquisas vêm desenvolvendo e aplicando variadas adições de minerais tais
como: cinza de casca de arroz, sílica ativa, metacaulim e cinza volante, entre outros
(DALLACORT, 2002) na substituição total ou parcial do Cimento Portland. MACHADO et
al., (2006) constata que a busca de material alternativa de baixo custo e com boas
características também é intensa para a aplicação em pavimento rodoviários. A utilização
de cinzas volantes, subproduto industrial, já é aplicado na estabilização química de solos
expansivos devido ao melhoramento que esse aditivo gera no solo tratado e pelo caráter
ambiental, pois esse resíduo seria descartado (HASAN et al., 2016).

A ativação alcalina é basicamente a reação de hidratação de alumíno-silicatos com
substâncias do tipo alcalino ou alcalino-terroso, que podem ser hidróxidos, sais, ácidos
fracos, ácidos fortes e ou sais silicatados como por exemplo os NaOH, Na2CO3 e KOH.
Segundo SOARES (2013) a ativação alcalina é um processo químico que permite a
transformação de estruturas parcial ou totalmente amorfas em estruturas cimentícias.
Para que as reações aconteçam é necessário um ambiente altamente alcalino com
soluções do tipo NaOH, Ca(OH)2 que associados a sílica (SiO2) e a alumina (Al2O3), estes
reagem entre si formando compostos com elevada resistência mecânica, estabilidade
térmica e com baixo percentual de Cálcio (BAKHAREV, 2005 apud PEREIRA 2014). A
formação e o endurecimento do geopolímero acontecem devido ao resultado de
condensação entre as espécies de aluminatos e silicatos (CRENTSIL e WENG, 2007).
Esta solução tem sido amplamente estudada para aplicação em outras áreas da
engenharia, como por exemplo, para uso aplicado a argamassas e concretos álcali-
ativados. Contudo para estabilização de solos os estudos são bem recentes (CRUZ et al.,
2016).
2 Programa Experimental
O objetivo do programa experimental é desenvolver o método de mistura e a dosagem
ideal para produção de aglomerante álcali-ativado (AAA) a base de metacaulim e silicato
de sódio para estabilização de solo arenoso e comparar a mistura solo-AAA com o solo-
cimento. O cimento utilizado na mistura solo-cimento foi o CP V- ARI - Alta Resistência
Inicial. O programa experimental foi realizado seguindo a sequência listada a baixo:
a) Caracterização dos materiais utilizados no experimento;
b) Determinação da razão molar do AAA e das porcentagens de aglomerante que
serão utilizados na pesquisa (de acordo com a caracterização do metacaulim e da
revisão de literatura sobre o tema);
c) Determinação do teor de cimento das misturas solo-cimento seguindo NBR 12253
(ABNT, 2012);
d) Determinação das umidades ótimas do solo, solo-cimento e solo-AAA no ensaio de
compactação;
e) Moldagem dos corpos de prova (CPs);
f) Realização dos ensaios de resistência mecânica;
g) Análise dos resultados.
2.1.Caracterização dos Materiais
2.1.1. Caracterização do Solo
O solo utilizado na pesquisa é caracterizado como solo de Formação Barreiras e foi
coletado na área de Bota Fora do Aterro Sanitário Metropolitano Centro - ASMC, em
Salvador-Bahia. Esse solo foi escolhido devido as suas características granulométricas,
pois o trabalho tem por finalidade estudar a estabilização de solos arenosos. A Formação
Barreiras é um deposito sedimentar terrígeno continental do Mioceno para o Pleistoceno

Inferior que tem grande ocorrência ao longo da costa brasileira (VILAS BOAS; SAMPAIO;
PEREIRA, 2001). Esse tipo de formação pode atingir uma extensão de 200.00 km² no
decorrer da casta brasileira e podem ocorrer em cotas de 20 a 200 metros de altitude,
configurando a unidade estratigráfica de maior ocorrência ao longo da costa brasileira
(BEZERRA, 2001). O termo "Barreiras" apresenta um significado estratigráfico que
descreve depósitos argilosos e arenosos com cores variegadas, ferruginizados,
encontrados nos baixos platôs amazônicos e nos tabuleiros da costa norte, nordeste e
leste brasileiro (MORAIS et al., 2006).
Para a caracterização do solo foram realizados os ensaios de Granulometria (NBR
7181/2016), ensaio de consistência (NBR 6459/2016 e NBR 7180/2016), massa
específica dos grãos (NBR 6458/2016) e ensaio de compactação (NBR 7182/2016). O
solo estudado possui cerca de 79% de areia e 21% de finos (7% de silte e 14% de argila)
(Figura 1). Esse solo é caracterizado pela norma NBR 6502 (1995) como areia argilosa
com pouco silte. Na classificação da SUCS (Sistema Unificado de Classificação dos
Solos), o solo é classificado como SM (areia siltosa). E pela classificação da HRB
(Highway Research Board) o Barreiras é classificado como A-2-4. No ensaio de
consistência apresentou Limite de liquidez de 20, limite de plasticidade 18 e índice de
plasticidade de 2, o que configura um solo com pouca plasticidade (Tabela 1). No ensaio
de compactação a umidade ótima é de 10,56% e o peso específico seco máximo foi de
19,81 kN/m³.
Figura 1 - Distribuição granulométrica do solo original.
Tabela 1 - Caracterização física do solo estudado.
Indent. das
Amostras
Ensaio de Ensaio de Massa Ensaio de Classificação das amostras
Granulometria (%) Consistência Esp.grãos Compactação
HRB SUCS ABNT
Ped A.G A.M A.F Silt Arg L L L P L C I P g/cm³ Wót ρdmax
Solo
Barreiras
0 11 43 25 7 14 20 18 2 2,713 10,56 1,981 A-2-4 SM
Areia argilosa
com pouco
silte

2.1.2. Caracterização das matérias primas dos aglomerantes álcali-ativados.
O Metacaulim (MK), produto da calcinação de rocha calcária, constituído basicamente
alumina (Al2O3) e de sílica (SiO) na fase amorfa, fornecido pela Metacaulim Brasil®, sendo
utilizado como material precursor, principal fonte de aluminossilicatos. O ativador químico,
composto alcalino, foi o Hidróxido de sódio (NaOH) em escamas, com teor de pureza de
98% (informação fornecida pelo fabricante). Para a produção da solução alcalina
ativadora que é necessária para o processo de ativação do material o NaOH foi aplicado
em conjunto com a sílica ativa (SA) a fim de formar um silicato de sódio alternativo. As
massas específicas dos materiais formadores do aglomerante álcali-ativado estão
apresentadas na Tabela 2 e foram obtidos através de ensaio utilizando um picnômetro a
gás (gás hélio).
Tabela 2 - Massa específica das matérias primas dos aglomerantes.
Massa específica
(g/l)
Metacaulim Sílica Ativa Hidróxido de Sódio*
2677,1 2309,7 2130
* Dado fornecido pelo fabricante
Para avaliação da variação de massa do material durante o aquecimento e o resfriamento
foi realizado o ensaio de TG/DTG (Figura 2) no Laboratório de Catálise da UFBA. O
metacaulim apresentou uma perda de massa entre 500ºC a 820ºC de 1,11%. A sílica
ativa apresentou uma perda de massa entre de 500ºC a 700ºC de 1,964%. Ambos os
materiais apresentaram valores de perda de massa baixos, o que evidencia o grau de
pureza do material.
Figura 2- Curvas de TG/DTG da metacaulim e sílica ativa.
Para análise química dos materiais foi realizado a técnica de espectrometria de
fluorescência de raios-X por dispersão de energia. Os resultados encontrados dos
materiais utilizados na pesquisa estão apresentados na Tabela 3. Para determinação da
perda ao fogo foi utilizado o resultado do TG e feita a correção nos resultado do EDX.

Tabela 3 - Composição química dos materiais sem e com correção de perda ao fogo.
Análise
EDX
Elemento CaO K2O MgO SO3 SiO2 Fe2O3 TiO2 MnO ZnO CuO Rb2O Al2O3 ZrO2 V2O5 Y2O3
Metacaulim 0,469 3,035 0,879 0,101 50,630 4,875 2,264 0,000 0,066 0,000 0,024 35,773 0,139 0,090 0,007
Sílica Ativa
1,500 2,158 0,000 0,336 89,004 0,565 0,620 0,225 0,217 0,081 0,030 3,302 0,000 0,000 0,000
Com o resultado do ensaio foi possível confirmar o alto teor de sílica na SA, como era
esperado. No metacaulim foram encontrados percentuais de outros elementos, contudo o
de maior teor foram os aluminossilicatos (SiO3 e Al2O3).
2.1.3. Ensaio de Compactação
Para determinação da umidade ótima nas misturas solo-cimento e solo-AAA (10 e 15% de
metacaulim) foi utilizada a NBR 12023 (ABNT, 2011) que trata do ensaio de compactação
do solo com adição de cimento. O procedimento do ensaio é semelhante ao ensaio
convencional de compactação tendo a adição do cimento como diferencial. O ensaio foi
realizado no laboratório de solos da Universidade Católica do Salvador (UCSAL) e
apresentou os valores da umidade ótima e massa específica seca para solo com 7% de
cimento, com 10% de metacaulim e 15% de metacaulim (Tabela 4 e Figura 3).
Tabela 4 - Ensaio de Compactação.
Registro Indent. das Amostras
Ensaio de Compactação
Wót ρdmáx
1 Solo Barreiras 10,56 1,981
2 Solo – Cimento 7% 9,63 2,034
3 Solo – Metacaulim 10% 11,02 1,947
4 Solo – Metacaulim 15% 11,82 1,924
Figura 3 - Ensaio de Compactação.

2.2.Preparação de amostras e composição da mistura
2.2.1. Solo-cimento
A dosagem do cimento para mistura do solo-cimento depende da classificação do solo
realizada no item 2.1.1. Após a caracterização do solo deve-se avaliar o teor de cimento a
ser aplicado na mistura. A NBR 12253 (ABNT, 2012) que trata da dosagem de cimento
para solo-cimento apresenta que para o solo de classificação A-2-4 (Classificação HRB) o
percentual de cimento a ser utilizado é de 7%. Contudo a norma determina que esse
percentual deve ser analisado de forma que a resistência após a cura de 7 dias seja
superior a 2,1 MPa. Após a escolha do percentual foi realizado o ensaio de compactação
para determinação da umidade ótima e do massa específica seca. A mistura do material
para a moldagem dos corpos de prova foram feitos na seguinte sequência: primeiro a
mistura do material seco (solo e cimento, Figura 4) e por fim a adição da água
determinada pela umidade ótima do ensaio de compactação. O cimento utilizado no
ensaio foi o cimento CP V- ARI, de alta resistência inicial.
Figura 4 - Mistura do solo com o cimento.
2.2.2. Solo-AAA
Para a produção do aglomerante álcali-ativado foi necessário determinar as relações
molares que será estudada nesse trabalho. A fim de avaliar o comportamento dos AAA
para estabilização de solos foram fixadas algumas relações molares entre os compostos
presentes nos precursores e ativadores. Os intervalos escolhidos são usais na literatura e
em estudos preliminares. Os valores estão apresentados na Tabela 5.
Tabela 5 - Razões molares encontradas na literatura.
Valores SiO2/Al2O3 Na2O/Al2O3 Na2O/SiO2 H2O/Precursor H2O/Na2O
Valor mínimo 2 0,4 0,15 0,4 10
Valor máximo 4,7 1,2 0,48 0,75 13
Valor utilizado 3,6 0,9 0,25 0,54 12

A variável que foi analisada na pesquisa foi o percentual do precursor (material fonte de
aluminossilicatos) que variou entre 10 e 15%. O percentual de material pozolânico e a
concentração de NaOH foram escolhidos através da revisão bibliográfica sobre o tema,
que apresentou uma variação do teor de precursor para solos arenosos, na faixa de 10 a
20 % e resultados satisfatórios com o uso da concentração de 12 mols/l de NaOH. Com
base nas relações molares e dos percentuais de metacaulim adotados foi feita a dosagem
dos materiais por meio de estequiometria e encontradas as massas de cada componente
do aglomerante (metacaulim, sílica ativa, hidróxido de sódio e água) que foram
misturados ao solo (Tabela 6).
Tabela 6 - Dosagem mássica das 2 misturas.
Percentual
de Solo
(%)
Massa (g) Relação MOLAR
MK Sílica Ativa NaOH
H2O
ótima
H20-AAA Solo Binder (g)
Massa
Total
(g)
sólidos
binder/H2O
H2O-AAA/
precursor
H2O/
sólidos
85% 357,44 110,11 94,75 281,66 193,46 2382,93 755,75 3226,88 0,77 0,54 1,29
90% 260,00 80,09 68,92 286,51 140,72 2599,95 549,72 3295,47 0,77 0,54 1,29
Para a produção de silicato de sódio alternativo foram utilizados o hidróxido de sódio em
escamas com sílica ativa mais água destilada (respeitando a concentração de 12mols/l de
NaOH). Essa mistura iniciou-se com o hidróxido de sódio e água com tempo de espera de
10 minutos, a sílica ativa foi sendo colocada na mistura de forma gradativa. Para o uso
do ativador foi necessário esperar duas horas com o intuito de aguardar a estabilização
das reações e a redução da temperatura. A mistura dos materiais ocorreu na seguinte
sequência: a) mistura do solo com o metacaulim na porcentagem de estudo (percentual
em relação ao peso do solos seco) 10 e 15% por três minutos; b) colocação do ativador e
mistura realizada por um minuto; c) colocação do valor restante de água determinado no
ensaio de compactação (umidade ótima) fazendo a diferença da água já adicionada no
ativador. A produção do solo-AAA foi realizado em um misturador mecânico, uma
argamassadeira com capacidade de 5 litros, modelo (Contenco, I-3020), para evitar o
contato do operador com o hidróxido de sódio.
2.2.3. Moldagem dos Corpos de Prova (CPs)
Para moldar os corpos de prova solo-cimento e solo-AAA foi utilizado o mesmo
procedimento, molde e mesma energia de compactação. O molde utilizado possui 5 cm
de diâmetro e 10 cm de altura. Na compactação dividiu-se o corpo de prova em 4
camadas e foi utilizado o soquete possuindo uma massa de 2,160 kg, caindo de uma
altura de 0,388 m, para compactar cerca de 218,35 cm³ de solo, obtendo-se uma
quantidade de 3,87 golpes, arredondados para 4, para atingir 5,95 kgf.cm/cm³ (Proctor
Normal). Foram moldados nove corpos de prova, sendo três com 7% de cimento (solo-
cimento) e três de cada percentual de metacaulim, 10 e 15%, totalizando 6 corpos de

prova do tipo solo-AAA. O equipamento utilizado para moldagem e o molde estão
apresentados na Figura 5.
Figura 5- Soquete para moldagem dos corpos de prova.
A umidade ótima e o peso específico seco do solo-cimento (7%) e solo-AAA(10% e 15%)
foram encontrados através do ensaio de compactação na etapa de caracterização do
material no item 2.1.3.
3 Resultado Programa experimental
Foram realizados os ensaio de compressão simples nos corpos de prova (CPs) moldados
(Figura 6 - a). Os corpos de prova foram ensaiados no Laboratório de Estruturas S. P.
Timoshenko na prensa Instron® HDX 1000 (Figura 6 - b). O ensaio de compressão
simples foi realizado de acordo com a NBR 12025 (ABNT, 2012) com velocidade de
1mm/min. Os CPs foram ensaiados com tempo de cura de 7 dias e os resultados estão
apresentados na Figura 7.
Figura 6 - (a) Corpo de prova, (b) ensaio de Compressão Axial.
(a) (b)

Para cada mistura foram compactados três corpos de prova nas mesmas condições. No
ensaio de compressão os CPs de solo-cimento apresentaram valores aproximados. Para
o ensaio de com solo-AAA com 10% de metacaulim o CP-03 apresentou valor de
resistência mais baixo que os outros corpos de provas. No ensaio de solo-AAA com 15 %
de MK o CP-03 apresentou um valor de resistência maior que os valores encontrados
com o CP-02 e CP-01 (Figura 7).
Figura 7 - Resultado ensaio de compressão simples.
4 Considerações Finais
Os resultados encontrados apresentam as características de rigidez de um novo tipo de
material aplicado a estabilização de solos. A ativação alcalina do metacaulim cria um gel
que promove a ligação das partículas do solo. O desempenho mecânico do solo-AAA foi
analisado por meio do ensaio a compressão simples para uma análise parcial da
dosagem adotada. Com base nos resultados encontrados as misturas de solo-AAA
apresentaram valores de resistência acima dos valores da mistura de solo-cimento. A
mistura que apresentou maior resistência foi a com 15% de metacaulim com valor médio
de 12,6 MPa. O solo-AAA com 10% de metacaulim e o solo-cimento apresentaram
valores de resistência média de 5,6 e 4,6 MPa respectivamente. Entre as misturas com o
aglomerante álcali-ativado a que apresentou melhor trabalhabilidade na etapa da mistura
dos materiais foi a com 10% de MK. A estabilização do solo com 15 % de metacaulim
apresentou maior resistência a compressão devido ao maior percentual de material
pozolânico e consequentemente maior quantidade de silicato de sódio, responsável pelo
processo de ativação e assim formação do gel. De um modo geral os resultados foram
positivos, pois apresentaram resistências maiores que a solicitada pela NBR 12025 (2012)
que é de 2,1 MPa. Os resultados preliminares mostraram-se satisfatórios em relação ao
uso de AAA para estabilização de solos, contudo, é necessário estudos adicionais para

avaliação mais precisa desse material (outras dosagens) e de outras propriedades da
mistura solo-AAA para aplicação no processo de estabilização de base e sub-base de
pavimentos rodoviários.
Referências
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