RELAÇÃO POROSIDADE/CIMENTO COMO PARÂMETRO DE CONTROL NA ESTABILIZAÇÃO DE UM SOLO SILTOSO

This paper presents the development of the unconfined compressive (qu) and the splitting tensile strength (qt) of a chemically stabilized silt soil. For this, specimens with a volume of 196,35 cm3 were prepared using cement contents of 3%, 5%, 7% and 9% and then tested after 7 days of cure. The porosity/volumetric cement content (η/Civ) was used as the main parameter of the results analysis. The results show that with the decrease in the ratio η/Civ the values of qu and qt increase. Thus, the decrease in porosity meant an increase in qu and qt. A general estimation equation for qu and qt was developed to estimate the resistance of the mixtures with the use of η/Civ adjusted to a scalar equal to 0,45. The equations showed that it is possible to estimate the value of qu and qt of treated soil among the amounts of cement, η/Civ ratio and curing time employed in the present work. Finally, a constant ratio of qt/qu=0,15, which is independent of the voids and the volumetric content of cement, was calculated.O presente trabalho apresenta o desenvolvimento da resistência à compressão simples (qu) e da resistência à tração indireta (qt) de um solo siltoso estabilizado quimicamente. Para isso, foram moldados corpos de prova com volume de 196,35 cm3 empregando teores de cimento de 3%, 5%, 7% e 9% e posteriormente ensaiados depois de 7 dias de cura. Foi utilizada como principal parâmetro de análise dos resultados a relação porosidade/teor volumétrico de cimento (η/Civ). Os resultados exibem que com a diminuição da relação η/Civ os valores de qu e qt crescem. Assim, a diminuição da porosidade significou um aumento em qu e qt. Uma equação geral de estimativa para qu e qt foi desenvolvida para estimar a resistência das misturas com o uso de η/Civ ajustada a um escalar igual a 0,45. As equações demonstraram que é possível estimar o valor de qu e qt do solo tratado dentre as quantidades de cimento, relação η/Civ e tempo de cura empregado no presente trabalho. Finalmente, foi calculada uma relação constante de qt/qu=0,15, a qual é independente dos vazios e do teor volumétrico de cimento

ESTABILIZAÇÃO DO SOLO DA CAMADA CINZA DA FORMAÇÃO GUABIROTUBA PARA FINS DE PAVIMENTAÇÃO URBANA EM CURITIBA, BRASIL

The Guabirotuba Formation is located over the sedimentary basin of the city of Curitiba (Brazil). The gray layer of the Formation extends from 1 to 50 m deep. Although it is the most characteristic layer of the Formation, there are no studies of stabilization of these soils for urban paving purposes in the city. Thus, this paper presents an experimental study of the stabilization of a gray silt soil with Portland cement (PC) using cure times (t) of 7, 14 and 28 days. Cement contents (C) of 3, 5, 7 and 9% in relation to soil dry mass were used. After cure times, simple compressive strength (qu) and durability tests were performed using wet/dry cycles (M/S). The results show an increase of qu with increasing cement content, increasing molding density and increasing curing time. In addition, the durability of the mixtures increased when more cement was added. It was found that the values ​​of qu are dependent on the semi-empirical porosity/cement ratio (η/Civ). Finally, it was found that 5% is the minimum cement content for soil use for paving purposes.A Formação Guabirotuba está localizada sobre a Bacia Sedimentar da cidade de Curitiba (Brasil). A camada cinza da Formação se estende desde 1 até 50 m de profundidade. Embora seja a camada mais característica da Formação ainda não se tem estudos de estabilização destes solos para fins de pavimentação urbana na cidade. Assim, este artigo apresenta um estudo experimental da estabilização de um solo siltoso da camada cinza com cimento Portland (PC) empregando tempos de cura (t) de 7, 14 e 28 dias. Foram empregados teores de cimento (C) de 3, 5, 7 e 9% em relação à massa seca do solo. Após os tempos de cura foram realizados ensaios de resistência à compressão simples (qu) e de durabilidade empregando ciclos de molhagem/secagem (M/S). Os resultados demostram um aumento de qu com o aumento da quantidade de cimento, com o aumento da densidade de moldagem e com aumento do tempo de cura. Além disso, a durabilidade das misturas aumentou quando adicionado maior quantidade de cimento. Foi verificado que os valores de qu são dependentes da relação semi-empírica porosidade/cimento (η/Civ). Finalmente, foi verificado que 5% é o teor mínimo de cimento para o uso do solo para fins de pavimentação

Optimización de CO2 y costo de zapatas de concreto reforzado sobre un suelo tratado con cal usando algoritmo de recocido simulado modificado

Introduction: The design of spread footings over a lime-treated soil is studied as an important topic in geotechnical and environmental engineering. With the emergence and use of algorithms, it is possible to solve optimization problems in engineering, leading, for example, to decreased amounts of materials, time, energy, and work. Objective: This research aims to optimize the CO2 emission and cost of building spread footings over a treated soil with hydrated lime using the modified simulated annealing algorithm (MSAA). Method: The parameters for shear strength (cohesion and friction angle) was calculated of a silty soil of the Guabirotuba geological formation of Curitiba (Brazil) stabilized with different lime contents (3, 5, 7 and 9%) at different curing times (30, 90, and 180 days). Then with these parameters, the geometry of the spread footings was optimized with MSAA minimizing the cost and CO2 emissions of their construction. For the design constraint of the structures the ultimate bearing capacity of the soil was used as criteria, the settlements produced by the service load, and the base safety factor Results: The results show that most of the problems converge to the same solution for costs and CO2 emissions without depending on curing time and lime content used, due to the solutions being restricted primarily by the maximum permissible settlements. Conclusions: With the increase in lime content, the cohesion of the mixtures increased for all curing times studied ant the friction angle had no major variations in relation to the amount of lime administered or to the curing time employed. Costs and carbon dioxide emissions for spread footing construction converge to the same results. In this sense, 9% lime can be avoided, and small percentages of lime (i.e. 3-5%) are appropriated to ground improvement and reduce the costs of this procedure. On the other hand, the MSAA can be designated as a robust algorithm due to having achieved almost equal results and, in some cases, better results compared with other algorithms to solve problems reported in the literature.Introducción: El diseño de cimentaciones sobre suelo tratado con cal se estudia como un tema importante en ingeniería geotécnica y ambiental. Con la aparición y el uso de algoritmos, es posible resolver problemas de optimización en ingeniería, lo que lleva, por ejemplo, a la disminución de cantidades de materiales, tiempo, energía y trabajo. Objetivo: Esta investigación tiene como objetivo optimizar la emisión de CO2 y el costo de la construcción de zapatas sobre un suelo tratado con cal hidratada utilizando el algoritmo recocido modificado (MSAA). Metodología: Se calcularon los parámetros de resistencia al corte (cohesión y ángulo de fricción) de un suelo limoso de la formación geológica Guabirotuba de Curitiba (Brasil) estabilizada con diferentes contenidos de cal (3, 5, 7 y 9%) a diferentes tiempos de curado (30, 90, y 180 días). Luego, con estos parámetros, la geometría de las zapatas se optimizó con MSAA minimizando el costo y las emisiones de CO2 de su construcción. La capacidad de carga final del suelo, los asentamientos producidos por la carga de servicio y el factor de seguridad de base fueron usados como restricciones de diseño. Resultados: Los resultados muestran que la mayoría de los problemas convergen a la misma solución para los costos y las emisiones de CO2 sin depender del tiempo de curado y del contenido de cal utilizado, debido a que las soluciones están restringidas principalmente por los asentamientos máximos permitidos. Conclusiones: Con el aumento del contenido de cal, la cohesión de las mezclas aumentó para todos los tiempos de curado estudiados y el ángulo de fricción no tuvo variaciones importantes en relación con la cantidad de cal administrada o con el tiempo de curado empleado. Los costos y la emisión de dióxido de carbono para la construcción de zapatas convergentes coinciden con los mismos resultados. En este sentido, se puede evitar el 9% de cal, y pequeños porcentajes de cal (es decir, 3-5%) se destinan a la mejora del suelo y reducen los costos de este procedimiento. Por otro lado, MSAA puede ser considerado como un algoritmo robusto debido a que ha logrado resultados casi iguales y, en algunos casos, mejores resultados en comparación con otros algoritmos para resolver problemas reportados en la literatura

Variáveis que influenciam na resistência à tração e à compressão simples de dois solos sedimentares estabilizados com cimento

O presente artigo avalia o desenvolvimento da resistência à tração por compressão diametral ou tração indireta (qt) e da compressão simples (qu) de dois solos cimentados artificialmente sob cura de 28 dias. Para isso, dois solos siltosos (amarelo e rosa) característicos da Formação Guabirotuba de Curitiba/BR foram estabilizados com cimento de alta resistência inicial (ARI) com porcentagens de 3, 5, 7 e 9% em referência à massa seca dos solos. Corpos de prova de 50 mm de diâmetro e 100 mm de altura (de volume=196,35 cm3) foram moldados com diferentes teores de cimento (C), diferentes pesos específicos secos aparentes (d) e com uma umidade de moldagem () constante em 23% e depois submetidos à ensaios de compressão simples e de tração indireta. Foi usada a relação vazios/cimento representado pela relação porosidade/teor volumétrico de cimento (η/Civ) para avaliar o desenvolvimento de qu e qt além de variáveis como C, porosidade (η) e d. Os resultados demonstram um crescimento da resistência com o aumento do teor de cimento e com a diminuição dos vazios (isto é, maior peso específico seco e menor η). Uma equação de dosagem para qu e qt dos solos estudados e misturados com cimento foi desenvolvida com o uso da relação η/Civ ajustada a um expoente 0,44 para fazer compatível a variação entre η/Civ-qu qt. As equações de dosagem obtiveram coeficientes de determinação acima de 94%. Finalmente, se encontrou uma relação empírica de tração/compressão constante de 0,16 e de 0,14 para o solo amarelo e rosa, respectivamente. Palavras-chave: Solo-cimento, compressão simples, tração por compressão diametral, porosidade/cimento

Optimización de CO2 y costo de zapatas de concreto reforzado sobre un suelo tratado con cal usando algoritmo de recocido simulado modificado

Introduction: The design of spread footings over a lime-treated soil is studied as an important topic in geotechnical and environmental engineering. With the emergence and use of algorithms, it is possible to solve optimization problems in engineering, leading, for example, to decreased amounts of materials, time, energy, and work. Objective: This research aims to optimize the CO2 emission and cost of building spread footings over a treated soil with hydrated lime using the modified simulated annealing algorithm (MSAA). Method: The parameters for shear strength (cohesion and friction angle) was calculated of a silty soil of the Guabirotuba geological formation of Curitiba (Brazil) stabilized with different lime contents (3, 5, 7 and 9%) at different curing times (30, 90, and 180 days). Then with these parameters, the geometry of the spread footings was optimized with MSAA minimizing the cost and CO2 emissions of their construction. For the design constraint of the structures the ultimate bearing capacity of the soil was used as criteria, the settlements produced by the service load, and the base safety factor Results: The results show that most of the problems converge to the same solution for costs and CO2 emissions without depending on curing time and lime content used, due to the solutions being restricted primarily by the maximum permissible settlements. Conclusions: With the increase in lime content, the cohesion of the mixtures increased for all curing times studied ant the friction angle had no major variations in relation to the amount of lime administered or to the curing time employed. Costs and carbon dioxide emissions for spread footing construction converge to the same results. In this sense, 9% lime can be avoided, and small percentages of lime (i.e. 3-5%) are appropriated to ground improvement and reduce the costs of this procedure. On the other hand, the MSAA can be designated as a robust algorithm due to having achieved almost equal results and, in some cases, better results compared with other algorithms to solve problems reported in the literature.Introducción: El diseño de cimentaciones sobre suelo tratado con cal se estudia como un tema importante en ingeniería geotécnica y ambiental. Con la aparición y el uso de algoritmos, es posible resolver problemas de optimización en ingeniería, lo que lleva, por ejemplo, a la disminución de cantidades de materiales, tiempo, energía y trabajo. Objetivo: Esta investigación tiene como objetivo optimizar la emisión de CO2 y el costo de la construcción de zapatas sobre un suelo tratado con cal hidratada utilizando el algoritmo recocido modificado (MSAA). Metodología: Se calcularon los parámetros de resistencia al corte (cohesión y ángulo de fricción) de un suelo limoso de la formación geológica Guabirotuba de Curitiba (Brasil) estabilizada con diferentes contenidos de cal (3, 5, 7 y 9%) a diferentes tiempos de curado (30, 90, y 180 días). Luego, con estos parámetros, la geometría de las zapatas se optimizó con MSAA minimizando el costo y las emisiones de CO2 de su construcción. La capacidad de carga final del suelo, los asentamientos producidos por la carga de servicio y el factor de seguridad de base fueron usados como restricciones de diseño. Resultados: Los resultados muestran que la mayoría de los problemas convergen a la misma solución para los costos y las emisiones de CO2 sin depender del tiempo de curado y del contenido de cal utilizado, debido a que las soluciones están restringidas principalmente por los asentamientos máximos permitidos. Conclusiones: Con el aumento del contenido de cal, la cohesión de las mezclas aumentó para todos los tiempos de curado estudiados y el ángulo de fricción no tuvo variaciones importantes en relación con la cantidad de cal administrada o con el tiempo de curado empleado. Los costos y la emisión de dióxido de carbono para la construcción de zapatas convergentes coinciden con los mismos resultados. En este sentido, se puede evitar el 9% de cal, y pequeños porcentajes de cal (es decir, 3-5%) se destinan a la mejora del suelo y reducen los costos de este procedimiento. Por otro lado, MSAA puede ser considerado como un algoritmo robusto debido a que ha logrado resultados casi iguales y, en algunos casos, mejores resultados en comparación con otros algoritmos para resolver problemas reportados en la literatura

Silte da Formação Guabirotuba estabilizado com resíduo da indústria da celulose e papel

A resistência à compressão simples, a resistência à tração por compressão diametral e o Índice de Suporte de Califórnia (CBR) foram sistematicamente pesquisados para analisar o desempenho de um solo siltoso da região metropolitana de Curitiba (Brasil) estabilizado com cinza da indústria da produção de papel e com cal dolomítica hidratada. Uma série de ensaios de compactação na energia Proctor normal foram realizados para calcular os parâmetros ótimos de compactação das misturas solo-cinza-cal: peso específico seco máximo (γd-max) e teor de umidade ótimo (ωo). Foram adicionados e utilizados 4 teores de cinza de celulose (5%, 10%, 15% e 20% em relação à massa seca do solo) e um teor fixo de cal (L) de 5% baseado no consumo inicial de cal modificado, estabelecido a partir da interpretação das medidas de pH realizadas em várias misturas solo-cinza-cal. Os resultados demonstram que existe um aumento no teor de umidade ótimo e uma diminuição no peso específico seco máximo das curvas de compactação com o aumento do teor de cinza de celulose. Por outro lado, os ensaios de compressão simples, tração por compressão diametral e CBR revelam que existe um acréscimo nos valores de resistência mecânica das misturas até um teor de cinza de 15%. Em adição, a Espectroscopia por Dispersão de Energia (EDS) feita em uma mistura protótipo mostra que houve uma interação química entre o solo, a cal e as partículas menores da cinza de celulose. Finalmente, equações de dosagem que permitem estimar os valores da resistência das misturas foram desenvolvidas baseadas na relação semiempirica porosidade/cal (η/Liv) tendo em consideração a massa específica e o volume dos materiais, além da energia de compactação.Palavras-chave: Solo-cinza-cal, compressão simples, tração por compressão diametral, índice porosidade/cal

Mechanical behaviour of a silty soil of the Guabirotuba geological formation treated with lime in different curing times

The use of lime as stabilizing material and improvement of fine soils such as clays and silts has been a widely used technique in geotechnical engineering. The Guabirotuba Formation is a geological formation of the Paraná basin, located in the city of Curitiba and Metropolitan Region, in Brazil; and extends over an area of approximately 900 km2. The soils of this Formation, in the majority, are classified like fine of the type smectites, being presented in different stains. In addition, the fine soils of the Formation can´t due to their physicalmechanical properties, be used many times for the construction of bases and sub-bases for paving, slope protection or for support of superficial foundations such as spread footings, due to the low support capacity, high expansibility when in contact with water and high erodibility when it does not have any type of surface protection. The treatment of this type with lime soil makes it compatible for these conditions of use.The present research aims to evaluate the mechanical behaviour of a silty soil of the Guabirotuba geological Formation treated with different amounts of lime (0%, 3%, 5%, 7% and 9%) at different curing times (15, 30, 60, 90 and 180 days) and compaction energies (standard, intermediate and modified). For this, the behaviour of unconfined compressive strength, or simple compression (qu), split tensile strength (qt) and direct shear strength parameters (internal friction angle Φ and cohesion C) was investigated. In addition, the influence of suction on the mechanical resistance of all soillime mixtures was also studied. The control parameters evaluated in the research were mainly: lime content (L), curing time (t), moisture content (ω), porosity (η), volumetric lime content (Lv) and the degree of saturation (S). The η/Lvratio was used to study the growth of qt and qu, and to determine the relation qt/qu at all cure times. It was observed that there were changes in soil compaction properties and at the Atterberg limits when the soil stabilized with lime, as well as a growth of the unconfined compressive strength (qu) and the split tensile strength (qt) with increasing lime content and curing time, and, on the other hand, an increase in the parameters of direct shear strength. The results show that there is a constant ratio of qt/qu =0,16 for all cure times. A general equation for predicting or estimating the resistance qu and qt of the soil-lime mixtures using the voids/lime ratio η/Lv was developed by normalizing the resistances at all cure times and it was verified that the equation may extend and to estimate the resistance of other soils of the Guabirotuba Formation with the ratio η/Lvadjusted to an exponent equal to 0,20.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)O uso da cal como material de estabilização e melhoramento de solos finos como as argilas e siltes vem sendo uma técnica amplamente empregada na engenharia geotécnica. A Formação Guabirotuba é uma Formação geológica da bacia do Paraná, localizada na cidade de Curitiba e Região Metropolitana, Brasil; e se estende em uma área de, aproximadamente, 900 km2. Os solos da Formação, em sua maioria, são classificados como finosdo tipo esmectitas, apresentando-se em diferentes colorações. Os solos finos da Formação não podem,em função das suas propriedades físico-mecânicas, ser empregados muitas vezes para construção de bases e sub-bases para pavimentação, proteção de encostas e taludes ou para suporte de fundações superficiais como as sapatas,devido à baixa capacidade de suporte, alta expansibilidade quando entram em contato com a água e alta erodibilidade quando não tem nenhum tipo de proteção superficial. O tratamento deste tipo solo com cal torna-o compatível para essas condições de uso. Quando as argilas são estabilizadas com a cal, se reduz o limite plástico, aumenta-se o limite de liquidez, melhora-se a trabalhabilidade e as propriedades mecânicas. A presente pesquisatem por objetivo avaliar o comportamento mecânico de um solo siltoso da Formação geológica Guabirotuba tratado com diferentes teores de cal (0%, 3%, 5%, 7% e 9%) em diferentes tempos de cura (15, 30, 60, 90 e 180 dias) e energias de compactação (normal, intermediaria e modificada). Para tal, foi investigado o comportamento da resistência à compressão não confinada, ou compressão simples (qu),à tração por compressão diametral (qt) e os parâmetros de resistência ao cisalhamento direto (ângulo de atrito ϕ´ e coesão C). Além disso, também foi estudada a influência da sucção na resistência de todas as misturas solo-cal. Os parâmetros de controle avaliados na pesquisa foram principalmente: o teor de cal empregado (L), o tempo de cura (t), o teor de umidade(ω), a porosidade (η), o teor volumétrico de cal (Lv) e o grau de saturação (S). Usou-se a relação η/Lvpara estudar o crescimento de qt e qu, e determinar a relação qt/qu em todos os tempos de cura. Observou-se que houve mudanças nas propriedades de compactação do solo e nos limites de Atterberg quando se estabilizao solo com a cal, assim como também foi verificadoum crescimento da resistência à compressão não confinada (qu) e à tração por compressão diametral (qt) com o aumento do teor de cal e do tempo de cura, e aumento nos parâmetros de resistência ao cisalhamento direto.Os resultados demostram que existe uma relação constante de qt/qu=0,16 para todos os tempos de cura. Uma equação geral de previsão ou estimativa da resistência qu e qt das misturas solo-cal com o uso da relação vazios/cal η/Lv foi desenvolvida mediante a normalização das resistências em todos os tempos de cura e foi verificado que a equação pode estender-se para estimar a resistência de outros solos da Formação Guabirotuba com a relação η/Lv ajustada a um exponente igual a 0,20

Effect of Porosity/Binder Index on Strength, Stiffness and Microstructure of Cemented Clay: The Impact of Sustainable Development Geomaterials

Searching for alternative material options to reduce the extraction of natural resources is essential for promoting a more sustainable world. This is especially relevant in construction and infrastructure projects, where significant volumes of materials are used. This paper aims to introduce three alternative materials, crushed ground glass (GG), recycled gypsum (GY) and crushed lime waste (CLW), byproducts of construction industry geomaterials, to enhance the mechanical properties of clay soil in Cartagena de Indias, Colombia. These materials show promise as cementitious and frictional agents, combined with soil and cement. Rigorous testing, including tests on unconfined compressive strength (qu) and initial stiffness (Go) and with a scanning electron microscope (SEM), reveals a correlation between strength, stiffness and the novel porosity/binder index (η/Civ) and provides mixed design equations for the novel geomaterials. Micro-level analyses show the formation of hydrated calcium silicates and complex interactions among the waste materials, cement and clay. These new geomaterials offer an eco-friendly alternative to traditional cementation, contributing to geotechnical solutions in vulnerable tropical regions