Análise do efeito de dióxido de silício micrométrico e nanométrico em propriedades mecânicas de uma areia cimentada

Abstract

O desenvolvimento de novas tecnologias para estabilização de solos busca reduzir o consumo de cimento e tornar a técnica mais sustentável. Nesse contexto, a incorporação de partículas de pequenas dimensões tem se destacado por sua alta área de superfície, que permite tanto o preenchimento dos poros e a melhoria da compactação quanto a ocorrência de reações pozolânicas com os produtos da hidratação do cimento. Neste trabalho foi investigada a inserção de um material alternativo na mistura de uma areia com cimento: dióxido de silício em dois tamanhos, micrométrico e nanométrico, com o objetivo principal de avaliar o efeito no comportamento mecânico da mistura. Para a obtenção do dióxido de silício nanométrico, o pó em tamanho micrométrico passou por uma moagem mecânica. Obtidos os dois tamanhos de dióxido de silício, foi realizada uma série de ensaios de resistência à compressão simples, à tração e à compressão triaxial na mistura de areia com cimento substituindo 1%, 3% e 5% do peso seco do solo e também em misturas variando, além do teor de cimento, o de dióxido de silício substituindo 5%, 10% e 20% do peso do cimento. Complementarmente, foram realizadas microscopias de varredura eletrônica para caracterização morfológica das misturas curadas. Os resultados mostraram que a resistência à compressão simples cresceu com o aumento do teor de cimento e atingiu maiores resistências nas misturas contendo dióxido de silício. Os teores de cimento e de dióxido de silício observados nos tamanhos micro e manométrico que proporcionaram os maiores ganhos de resistência foram de, respectivamente, 5% e 10% para a resistência à compressão simples. Os valores de resistência à tração atingiram de 11% a 17% dos valores de resistência à compressão simples para os três tipos de misturas. Observando os resultados dos ensaios triaxiais drenados, para as três misturas, a resistência ao cisalhamento cresceu com o aumento da tensão confinante. As misturas de apenas areia e cimento e de areia, cimento e dióxido de silício micrométrico, apresentaram comportamento com pico bem definido. Já a mistura de areia, cimento e dióxido de silício nanométrico, mostrou-se mais dúctil, sem tendência de formação de pico. Em todos os casos as misturas tiveram deformação volumétrica caracterizada por comportamento compressivo nas deformações axiais iniciais e depois dilatante, sendo que a adição de dióxido de silício nanométrico reduziu o potencial expansivo e tornou a mistura mais dúctil. Observando as imagens MEV, foi possível identificar a formação de produtos de hidratação e uma matriz mais densa nas misturas com dióxido de silício nos dois tamanhos. A adição de dióxido de silício é inédita, ainda que sejam necessários estudos mais aprofundados, mostrou-se um material promissor para contribuir na redução do consumo de cimento na estabilização de solos.

Abstract: The study of new technologies to be implemented in soil stabilization seeks to reduce cement consumption in order to make the technique more sustainable. In this context, the incorporation of small particles has stood out for its high surface area, which allows both pore filling and improved compaction, as well as the occurrence of pozzolanic reactions with cement hydration products. This study investigated the insertion of an alternative material into a sandcement mixture: silicon dioxide in two sizes, micrometric and nanometric, with the main objective of evaluating the effect on the mechanical behavior of the mixture. To obtain nanometric silicon dioxide, the micrometric powder underwent mechanical grinding. Once the two sizes of silicon dioxide were obtained, a series of simple compressive strength, tensile strength, and triaxial compression tests were performed on the sand-cement mixture, replacing 1%, 3%, and 5% of the dry weight of the soil, as well as on mixtures varying not only in cement content but also in silicon dioxide content, replacing 5%, 10%, and 20% of the weight of the cement. In addition, scanning electron microscopy was performed for morphological characterization of the cured mixtures. The results showed that the simple compressive strength increased with the increase in cement content and reached higher strengths in mixtures containing silicon dioxide. The cement and silicon dioxide contents observed in the micro and manometric sizes that provided the highest strength gains were 5% and 10%, respectively, for simple compressive strength. Tensile strength values reached 11% to 17% of the simple compressive strength values for the three types of mixtures. Observing the results of the drained triaxial tests for the three mixtures, the shear strength increased with the increase in confining stress. The mixtures of sand and cement only and sand, cement, and micrometric silicon dioxide showed well-defined peak behavior. The mixture of sand, cement, and nanometric silicon dioxide proved to be more ductile, with no tendency to form a peak. In all cases, the mixtures underwent volumetric deformation characterized by compressive behavior in the initial axial deformations and then dilating behavior, with the addition of nanometric silicon dioxide reducing the expansive potential and making the mixture more ductile. Observing the SEM images, it was possible to identify the formation of hydration products and a denser matrix in the mixtures with silicon dioxide in both sizes. The addition of silicon dioxide is unprecedented, although further studies are needed, it proved to be a promising material to contribute to the reduction of cement consumption in soil stabilization.