Avaliação de solos tropicais estabilizados por ativação alcalina para uso em pavimentos

Abstract

O solo é amplamente empregado em obras de engenharia geotécnica e de pavimentação, entretanto é frequente a ocorrência de solos que não apresentam propriedades mecânicas e de durabilidade suficientes para suportar as solicitações de projeto, o que demanda a adoção de técnicas de melhoramento. A estabilização tradicional com cimento, embora tecnicamente eficiente, está associada a elevados impactos ambientais, especialmente em função das emissões de CO e do consumo de recursos naturais, motivando a busca por soluções mais sustentáveis. Nesse contexto, a estabilização por ativação alcalina tem se consolidado como uma alternativa promissora, uma vez que possibilita o aproveitamento de resíduos industriais e a obtenção de materiais com desempenho mecânico compatível às exigências normativas. Esta pesquisa teve como objetivo avaliar a viabilidade técnica, o desempenho mecânico e o comportamento sob carregamentos cíclicos de solos tropicais estabilizados por ativação alcalina, utilizando cinza volante (CV) e escória de aciaria elétrica primária (EAEP) como precursores e solução de hidróxido de sódio (NaOH) como ativador, visando à aplicação em camadas estruturais de pavimentos. Foram investigados dois solos residuais de naturezas distintas, um predominantemente arenoso (VS) e outro predominantemente argiloso (BR). Inicialmente, realizou-se a otimização estatística multivariável das dosagens por meio de planejamento experimental do tipo Box–Behnken, considerando simultaneamente a resistência à compressão simples (RCS), o índice de suporte Califórnia (ISC) e o módulo de resiliência (MR) como variáveis de resposta. As dosagens ótimas foram distintas para cada solo, evidenciando a influência das características físico-mineralógicas no processo de ativação alcalina. As misturas otimizadas foram avaliadas aos 0, 7 e 28 dias por meio dos ensaios de ISC, MR e resistência ao cisalhamento direto (). Os resultados indicaram aumentos expressivos da capacidade de suporte e da rigidez, além de significativa redução da expansão, com ganhos mais pronunciados no solo VS, associados à maior eficiência do preenchimento dos vazios intergranulares e da densificação da matriz. Nos ensaios de cisalhamento, as misturas ativadas apresentaram picos de resistência bem definidos, com incremento de coesão (c) e ângulo de atrito (), indicando comportamento mais rígido e presença de ligações cimentantes. As análises microestruturais e mineralógicas por microscopia eletrônica de varredura com espectroscopia por energia dispersiva (MEV/EDS), difração de raios X (DRX) e espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) confirmaram a formação de géis do tipo NASH e CASH, além de fases secundárias, promovendo uma microestrutura progressivamente mais densa e homogênea ao longo do tempo de cura. Adicionalmente, o comportamento das misturas sob carregamentos repetidos foi avaliado por ensaios de deformação permanente (DP), sendo os resultados interpretados à luz da Teoria do Shakedown. Observou-se redução significativa da DP nas misturas ativadas, com concentração do acúmulo nos ciclos iniciais e tendência de estabilização ao longo do carregamento. De forma geral, os resultados demonstram que a ativação alcalina constitui uma alternativa tecnicamente viável e ambientalmente sustentável para a melhoria de solos tropicais aplicados em pavimentação, promovendo ganhos relevantes de resistência, rigidez e estabilidade estrutural, além de contribuir para o reaproveitamento de resíduos industriais. Palavras-chave: ativação alcalina; resíduos siderúrgicos; propriedades geotécnicas; estabilização de solos; pavimentação.Soil is widely used in geotechnical and pavement engineering; however, soils with insufficient mechanical and durability properties to withstand design loads are frequently encountered, which requires the adoption of soil improvement techniques. Conventional cement stabilization, although technically effective, is associated with significant environmental impacts, particularly due to CO emissions and the consumption of natural resources, motivating the search for more sustainable solutions. In this context, alkali activation has emerged as a promising alternative, as it enables the reuse of industrial by-products and the production of materials with mechanical performance compatible with normative requirements. This research aimed to evaluate the technical feasibility, mechanical performance, and cyclic loading behavior of tropical soils stabilized by alkali activation, using fly ash (FA) and electric arc furnace slag (EAFS) as precursors and sodium hydroxide (NaOH) solution as the activator, for application in pavement structural layers. Two residual soils with distinct characteristics were investigated: a predominantly sandy soil (VS) and a predominantly clayey soil (BR). Initially, multivariate statistical optimization of mix proportions was performed using a Box–Behnken experimental design, simultaneously considering unconfined compressive strength (UCS), California Bearing Ratio (CBR), and resilient modulus (RM) as response variables. The optimal mixtures differed for each soil, highlighting the influence of physicochemical properties on the alkali activation process. The optimized mixtures were evaluated at 0, 7, and 28 days through CBR, RM, and direct shear strength () tests. The results indicated substantial increases in bearing capacity and stiffness, as well as significant reductions in expansion, with more pronounced improvements for the sandy soil (VS), associated with more efficient pore filling and matrix densification. In direct shear tests, the activated mixtures exhibited well-defined peak strength, with increased cohesion (c) and internal friction angle (), indicating stiffer behavior and the presence of cementitious bonding. Microstructural and mineralogical analyses using scanning electron microscopy with energy-dispersive spectroscopy (SEM/EDS), X- ray diffraction (XRD), and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) confirmed the formation of NASH and CASH gels, as well as secondary phases, promoting a progressively denser and more homogeneous microstructure with curing time. Additionally, the cyclic behavior of the mixtures was evaluated through permanent deformation (PD) tests, and the results were interpreted based on Shakedown Theory. A significant reduction in PD was observed for the activated mixtures, with most of the accumulation occurring in the early loading cycles and a tendency toward stabilization during continued loading. Overall, the results demonstrate that alkali activation represents a technically viable and environmentally sustainable alternative for improving tropical soils used in pavement applications, promoting significant gains in strength, stiffness, and structural stability while contributing to the reuse of industrial residues. Keywords: alkali activation; steelmaking residues; geotechnical properties; soil stabilization; pavements.