BASES E SUB-BASES ESTABILIZADAS COM CIMENTO
(ESTABILIZAÇÃO SOLO COM CIMENTO)
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ESTABILIZAÇÃO SOLO COM CIMENTO
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1. DefiniçãoSolo cimento é resultante da mistura íntima de solo, cimento e água, em proporções estabelecidas através de dosagem em laboratório, que após espalhada na pista, é devidamente compactada.
2. Tipos de estabilização solo-cimentoa) Mistura solo-cimento
Em geral, o teor de cimento exigido é superior a 5%,
em massa do solo seco.• satisfazer uma resistência mínima à compressão
simples de 2,1 MPa, após 7 dias de cura. • .
b) Solo melhorado com cimento
• É uma mistura utilizada como base quando o projeto não exige solo-cimento (por exemplo: tráfego leve).
• Em geral, é empregado como camada de sub-
base.• Teor de cimento inferior a 5% da massa seca
do solo.• Resistência à compressão simples: de 1,2 a 2,1
MPa para sub-base.• Resistência à compressão simples: de 1,5 a 2,1
MPa para base.3
TIPOS DE CIMENTOS
• Cimento comum, Portland (comum, composto, de alta resistência, de moderada resistência a sulfatos, de alta resistência a sulfatos etc.)
• Compostos básicos
MATÉRIA PRIMA:
• Pedra calcária: CaCO3
• Argila: SiO2
Al2O3
Fe2O3 4Calcinação ~1.500ºC
CLÍNQUER
CLÍNQUER
• C3S: 3 CaO . SiO2 (silicicato tricálcico)
• C2S: 2 CaO . SiO2 (silicicato dicálcico)
• C3A: 3 CaO . Al2O3 (aluminato tricálcico)
• C4AF: CaOAl2O3 . Fe2O3 (ferro aluminatotetracálcico)
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• Ocorre a partir do desenvolvimento das reações químicas que são geradas na hidratação do cimento (mistura do cimento com a água).
• A partir disso, desenvolvem-se vínculos químicos entre a superfície dos grãos de cimento e as partículas de solo que estão em contato com o mesmo.
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Mecanismos de reação da mistura solo-cimento
Durante o processo de estabilização do solo com cimento, ocorrem dois tipos de reações:
- As reações de hidratação do cimento Portland.
- Reações entre os argilominerais e a cal liberada na hidratação do cimento (C3S, C2S,C3A, C4AF + H2O).
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• C3S: 3 CaO . SiO2 (silicato tricálcico): esse composto é responsável pela resistência inicial do cimento, reagem em poucas horas em contato com a água, liberando grande quantidade de calor.
• C2S: 2 CaO . SiO2 (silicato dicálcico): apresenta pega lenta com fraca resistência até os 28 dias, que aumenta rapidamente com o decorrer da hidratação a partir disso e desenvolve baixo calor de hidratação.
• C3A: 3 CaO . Al2O3 (aluminato tricálcico): apresenta pega instantânea desenvolvendo altíssimo calor de hidratação.
• C4AF: 4 CaO . Al2O3 . Fe2O3 (ferro aluminato tetracálcico): apresenta pega rápida, porém não instantânea com a C3A e tem baixa resistência e melhora o desempenho do cimento ao ataque de águas sulfatadas. 8
COMPOSTOS PRINCIPAIS DO CIMENTO
a) Reações de hidratação do cimento
2Ca3Si + 6H2O Ca3S2HX (gel hidratado) + 3Ca(OH)2
Ca(OH)2 Ca++ + 2(OH)
Se o PH da mistura baixar: Ca3S2Hx CSH + Cal
b) Reações entre a cal gerada na hidratação e os argilominerais do solo
Ca++ + 2(OH) + SiO2 (sílica do solo) CSH - 3CaO.2SiO2.3H2OCa++ + 2(OH) + Al2O3 (alumina do solo) CaO Al
As últimas reações são chamadas pozolânicas e ocorrem em velocidade lenta.
O CSH é um composto cimentante semelhante ao Ca3S2HX
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• Nos solos granulares (solos arenosos) desenvolvem-se vínculos de coesão nos pontos de contato entre os grãos (semelhante ao concreto), porém o ligante não preenche todos os espaços
• Nos solos argilosos a ação da cal gerada sobre a sílica e alumina do solo resulta o aparecimento de fortes pontos entre as partículas de solo.
• Os solos arenosos respondem melhor à estabilização com cimento, pois nos solos argilosos a resistência devido às reações pozolânicas se dão às custas de um decréscimo de contribuição da matriz cimentante
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Fatores que influenciam na estabilização solo-cimento
a) Tipo do soloTodo solo pode ser estabilizado com cimento,
porém os solos arenosos (granulares) são mais adequados que os argilosos por exigirem baixos teores de cimento para atingir a mesma resistência à compressão simples
b) Presença de matéria orgânica no soloAfeta a hidratação do cimento devido à
absorção dos íons de cálcio gerado, resultando uma queda no PH da mistura
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c) Teor de cimento
A resistência da mistura solo-cimento aumenta linearmente com o teor de cimento, para um mesmo tipo de solo.
- O teor de cimento depende do tipo do solo, quanto maior a porcentagem de silte e argila, maior será o teor de cimento exigido.
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d) Teor de umidade da mistura
- A mistura solo-cimento exige um teor de umidade que conduza a uma massa específica seca máxima, para uma determinada energia de compactação (Energia Normal).
- O teor de umidade que conduza a uma massa específica seca máxima não é necessariamente o mesmo para a máxima resistência.
- Para RCS, o teor de umidade está localizado no ramo seco para solos arenoso e no ramo úmido para os solos argilosos.
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e) Operações de mistura (homogeneização) e compactação
- A demora de mais de 2 horas entre a mistura e a compactação pode acarretar significantes decréscimos tanto na massa específica seca máxima quanto na resistência do produto final.
- O decréscimo na massa específica é causada pelo aumento do PH da água quando esta entre em contato com o cimento, causando floculação das partículas de argila.
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f) Tempo e condições de cura
- A mistura solo-cimento ganha resistência por processo de cimentação das partículas durante vários meses ou anos, sendo maior até os 28 dias iniciais.
- Neste período deve ser garantido um teor de umidade adequado à mistura compactada.
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Dosagem do solo-cimento
- Dosagem de solo-cimento é a seqüência de ensaios realizados com uma mistura solo, cimento e água, seguida de interpretação dos resultados por meio de critérios da Resistência a Compressão Simples - RCS
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NORMA DE DOSAGEM SOLO-CIMENTO NBR 12252
a) Ensaios preliminares do solo: - São utilizados ensaios de granulometria, LL e
LP para sua identificação e classificação;- Classificação HRB;- Somente solos tipo A1, A2, A3 e A4;- Os solos siltosos e argilosos são
descartados (A5, A6 e A7) por razões econômicas, de difícil trabalhabilidade e de trincamentos.
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b) Escolha do teor de cimento para ensaio de compactação e de compressão simples
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CLASSFICAÇÃO DO SOLO
TEOR DE CIMENTO SUGERIDO EM MASSA
(%)
A1-a 5
A1-b 6
A 2 7
A 3 9
A 4 10
c) Execução do ensaio de compactação
• Obtenção da umidade ótima (hot) e massa específica
aparente seca máxima (máx) para o teor de cimento
indicado
• Energia de compactação: Normal
Cilindro: = 10,18 cm; altura = 12,70 cm e V = 1000,00 cm3
Soquete: massa = 2,496 kg altura de queda = 30,5 cmNº de camadas = 3Nº de golpes/camada = 25
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d) Determinação do teor de cimento
para ensaio de compressão simples:
- NBR 12252: ver tabela
- Normas da ABCP
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Fixação dos Teores de CimentoMétodo da ABCP
(Associação Brasileira de Cimento Portland)
• Método SC3 - Norma Geral:
gasta-se de 45 a 60 dias – ensaio de desgaste
• Método SC4 - Norma Simplificada:
gasta-se de 10 a 12 dias (método rápido: compactação, cura e ruptura dos c.p.)
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Norma Simplificada
• Norma A: 100% passando na peneira de 4,8mm
• Norma B: parte da amostra de solo fica retida na peneira de 4,8mm
• Ensaios necessários: granulometria, compactação da mistura solo-cimento (hót; γaparente, seca, máx.)
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Determinação do peso específico aparente seco em função da % de Silte+Argila e de Pedregulho Fino
NORMA “A” – Método Simplificado
Determinação do teor mais provável de cimento em função da % de silte+argila e do peso
específico aparente seca máximo 25
TEOR DE CIMENTO EM MASSA INDICADO26
Método “B” – Norma Simplificada
c) Execução do ensaio de compactação
• Obtenção da umidade ótima (hot) e massa específica
aparente seca máxima (máx) para o teor de cimento
indicado
• Energia de compactação: Normal
Cilindro: = 10,18 cm; altura = 12,70 cm e V = 1000,00 cm3
Soquete: massa = 2,496 kg e altura de queda = 30,5 cmNº de camadas = 3Nº de golpes/camada = 25
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Curva de compactaçãoObtenção de hót e d,máx
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d,máx
hót
d) Moldagem de 3 corpos de prova (no mínimo) para o teor de cimento selecionado:
- Para execução do ensaio de compressão simples;
- Moldagem de corpos de prova com um ou mais teores de cimento;
- Dimensões do cilindro: = 10,18 cm; altura = 12,70 cm e V = 1000,00 cm3
- Energia de compactação: Normal- Cura dos corpos de prova : 7 dias.
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e) Execução do ensaio de compressão simples (MB 0361 – NBR 12025)
f) Resultado da dosagem:- Calcula-se a média das resistências à
compressão simples correspondentes a um mesmo teor de cimento;
- Desprezar corpos de prova que se afaste mais de 10% da média calculada;
- O nº mínimo de corpos de prova para o cálculo da média é dois;
- O teor de cimento a ser adotado, será o menor dos teores que forneça RCS aos 7 dias 2,1 MPa. 30
g) Exemploa) Granulometria do solo:
- pedregulho fino: 3% (partículas com de 2,0 mm a 4,8mm)- areia grossa: 12% (partículas com de 0,42 mm a 2,0 mm)- areia fina: 60% % (partículas com de 0,05 mm a 0,42mm)- silte: 7% % (partículas com de 0,005 mm a 0,05 mm)- argila: 18% (partículas com < 0,005 mm)
b) Classificação HRB: solo A-2 (7% de cimento)c) Após a execução de compactação: aparente, seca,máx =
1,930 g/cm3 e hot = 11,2%
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d) O ensaio de compressão simples:
Foi executado com teores de cimento 5%, 6% e 7%, moldados com 3 corpos de prova para cada teor e na umidade ótima
e) Resultado obtido:
- RCS (5%) = 2,080 MPa
- RCS (6%) = 2,295 MPa
- RCS (7%) = 2,400 MPa
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Valores de Resistências do solo-cimento
• Módulo de Resiliência: de 2000 MPa até acima de 10000 MPa
• Resistência à Tração: entre 0,6MPa a 2,0 MPa (dependendo do teor de cimento e tipo do solo).
• Resistência à Compressão Simples: Deve atender o valor mínimo especificado na
norma (2,1MPa), mas podem atingir de 7 a 8 MPa, dependendo do teor de cimento e do tipo do solo
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EXECUÇÃO DE SOLO CIMENTO
- MISTURA NA PISTA
- MISTURA EM USINA
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EXECUÇÃO DA MISTURA SOLO-CIMENTO
NA PISTA
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OPERAÇÕES ENVOLVIDAS
• Escavação: pá carregadeira• Transporte: caminhões basculantes• Descarga • Espalhamento e regularização da camada de solo:
motoniveladora• Homogeneização ou destorroameneto do solo:
pulvimisturadora ou grade de discos• Colocação de sacas de cimento e 1º espalhamento• Homogeneização ou mistura do solo com cimento:
pulvimisturadora ou grade de discos• Adição de água: caminhão pipa• Mistura úmida: pulvimisturadora ou grade de discos• Compactação: rolo pé de carneiro ou rolo vibratório e rolo
pneumático (acabamento)• Acabamento: motoniveladora• Cura: emulsão asfáltica
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ESCAVAÇÃO E TRANSPORTE DE SOLO
38Fonte: Djalma Martins Pereira
ESPALHAMENTO E REGULARIZAÇÃO
39Fonte: Djalma Martins Pereira
ESPESSURA SOLTA DA CAMADA DE SOLO-CIMENTO
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ec
Material compactado
es
Material solto
es: espessura do material soltoec: espessura do material prevista no projeto (após a compactação) s : massa específica aparente seca do material soltoc : massa específica aparente seca máxima (do projeto)
Como o peso de material por unidade de área, não varia, temos: = P/V P = . V
m = es. s = ec.c es = ec.c/ s Volume:
V = es.c.L (m3)
sc
40
HOMOGENEIZAÇÃO: pulvimisturador ou grade de discos
41Fonte: Djalma Martins Pereira
PULVERIZAÇÃO DO SOLO: destorroamento de torrões de argila com pulvimisturadora
42Fonte: Djalma Martins Pereira
Pulvimisturadora
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Operação da Pulvimisturadora
44
pulvimixer sur tracteur JOHN DEERE 8430 à Erstein (67) ( mai 2008).wmv
ADIÇÃO DE CIMENTO EM SACASsacas de cimento distribuídas geometricamente
45Fonte: UFSM
Distribuição de sacas de cimento na pista
46Fonte: UFSM
HOMOGENEIZAÇÃO DA MISTURA SOLO-CIMENTOCOM PULVIMISTURADORA
47Fonte: UFSM
Homogeneização com grade discos
48
ADIÇÃO DE ÁGUA E HOMOGENEIZAÇÃO ÚMIDA
49Fonte: Djalma Martins Pereira
COMPACTAÇÃO INICIAL: pé de carneiroCOMPACTAÇÃO FINAL: rolo pneumático
50Fonte: Djalma Martins Pereira
ACABAMENTO: corte c/ motoniveladora e rolo pneumáticoCURA: distribuição de emulsão asfáltica RR-1C ou RR-2C
51Fonte: Djalma Martins Pereira
ABERTURA DE EMBALAGENS E 1º ESPALHAMENTO
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ESPALHAMENTO DO CIMENTO COM MOTONIVELADORA
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Mistura solo-cimento com escarificador
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MISTURA SOLO COM CIMENTO COM PULVIMISTURADORA: HOGENEIZAÇÃO DA MISTURA SOLO-CIMENTO
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IRRIGAÇÃO COM CAMINHÃO PIPA NA MISTURA SOLO-CIMENTO
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COMPACTAÇÃO DO SOLO-CIMENTO
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Aplicação de emulsão asfáltica para a cura do solo-cimento
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Base de Solo-Cimento
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MISTURA DE SOLO-CIMENTO EM
USINA FIXA
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OPERAÇÕES ENVOLVIDAS
• Escavação do solo em jazidas• Transporte• Descarga do solo no silo• Descarga do cimento no silo• Mistura solo com cimento e água• Transporte do solo-cimento• Distribuição na pista• Compactação• Acabamento • Cura
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ESCAVAÇÃO E TRANSPORTE DO SOLO
62Fonte: Djalma Martins Pereira
- MISTURA DE SOLO-CIMENTO EM USINA FIXA- DISTRIBUIÇÃO E ESPALHAMENTO
63Fonte: Djalma Martins Pereira
Mistura de Solo, Cimento e Água em Usina
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CimentoSolo
USINA FIXA
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a) COMPACTAÇÃO INICIAL (pé de carneiro) E FINAL (rolo pneumático) b) ACABAMENTO COM MOTONIVELADORA e ROLO PNEUMÁTICO c) CURA COM APLICAÇÃO DE EMULSÃO ASFÁLTICA
66Fonte: Djalma Martins Pereira
PINTURA COM EMULSÃO ASFÁLTICA PARA A CURA DO SOLO-CIMENTO
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VANTAGENS DE MISTURA NA PISTA
- Equipamentos simples, barato e de fácil transporte;
- O número de máquinas pode ser ajustado ao serviço (construção em panos de 100 a 200m);
- Toda a seção fica pronta para a compactação ao mesmo tempo;
- Rendimento médio elevado.
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DESVANTAGENS DE MISTURA NA PISTA
- Maior dificuldade de obtenção de espessura uniforme;
- Mistura menos homogênea;
- Maior influência de chuvas mais intensas;
- Exige maior controle de água em clima seco.
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VANTAGENS DE MISTURA EM USINA FIXA
- Dosagem rigorosa;
- Facilidade de controle de espessura da camada;
- Pequenas perdas de umidade no transporte da mistura;
- Rendimento elevado.
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DESVANTAGENS DE MISTURA EM USINA
- Mais caro se o tratamento é feito com solo local;
- A compactação é feita de acordo com o descarregamento e não em seção completa;
- A produção depende totalmente do pleno funcionamento da usina: se a usina tiver alguma avaria, o obra fica paralisada.
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PROBLEMAS GERADOS COM A SUPERCOMPACTAÇÃO
• O excesso de compactação pela passagens do rolo vibratório pode produzir na superfície da camada, lamelas;
• A camada solta de lamelas, interposta entre a camada de base e a camada de revestimento, ocasiona problema de aderência entre elas;
• Deve-se remover a camada de lamelas, escarifica-se a camada e adiciona-se a mistura solo-cimento e compacta.
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Controle de Execução
Execução da mistura solo-cimento:
mistura em usina e na pista deverão ser verificadas de uma maneira aleatória:
a) Antes da adição do cimento: • Determinação do grau de pulverização do solo
através do peneiramento na peneira nº 4 (4,8mm) com exclusão do material graúdo (acima de 3/8”)
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Controle de Execução
b) Depois da adição do cimento: Verificação do teor de cimento incorporada (por
peso ou volume; Ensaio de compactação para cada
determinação da massa específica aparente máxima (DNER-ME 216);
Determinação do teor de umidade higroscópica depois da adição da água e homogeneização da mistura (DNER-ME 052, DNER-ME 088).
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Compactação da Mistura de Solo-Cimento na Pista (mistura na pista e usinada)
c) Imediatamente antes da compactação: Ensaios de compactação e moldagem de
corpos de prova para determinação da resistência a compressão simples, após 7 dias de cura (DNER-ME201 e DNER-ME202) com material coletado na pista
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d) Após a compactaçãoDeterminação da massa específica aparente
“in situ” na pista compactada para o cálculo do GC (DNER-ME 092 OU DNER-ME 036);
O nº de ensaios e determinação do grau de pulverização, moldagem de corpos de prova para o ensaio de compressão simples e de massa específica aparente “in situ” e GC para o controle de execução, será definido pelo executante em função do risco de se rejeitar um serviço de boa qualidade, conforme a Tabela seguinte:
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Aceitação e Rejeição dos Serviços
1. Os valores dos ensaios de caracterização dos solos e de recebimento do cimento, a qualidade da água deverão estar de acordo com a especificação DNER-ES 305/97
2. A granulometria do solo antes da adição do cimento na qual são especificadas faixas de valores mínimo e máximos, deve-se verificar o seguinte:
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Aceitação e Rejeição
3. Para os ensaios e determinações de GC e de resistência a compressão simples e curadas após 7 dias da mistura solo-cimento (2,1 MPa), deve-se verificar o seguinte:
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Exemplo de calibração de usina de solo-cimento
Dados:• Teor de umidade (h) = 5%;• Teor de cimento, em massa (cm) = 6%. Pede-se a abertura do silo de alimentação de
cimento.Procedimento:a) Determinar a massa de solo numa extensão
de 1 m da correia transportadora que neste exemplo é igual a 60,0 kg para o solo úmido (Ph) com abertura do silo de solo de 8 cm.
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Exemplo de calibração de usina de solo-cimento
b) Converter a massa do solo úmido em massa de solo seco (Ps):
c) A quantidade necessária de cimento será:
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57,14kg1005100
60100
h100
PhPs
mkgPscm /43,314,5706,0Pc
Exemplo de calibração de usina de solo-cimento
d) Pesar o cimento em 1 m de correia transportadora para 4 diferentes aberturas do silo de cimento:
• 2,0 cm de abertura: Pc = 2,0 kg de cimento (média de 3 determinações);
• 3,5 cm de abertura: Pc = 3,5 kg de cimento (média de 3 determinações);
• 5,0 cm de abertura: Pc = 5,0 kg de cimento (média de 3 determinações);
• 6,5 cm de abertura: Pc = 6,5 kg de cimento (média de 3 determinações).
e) Gráfico:
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Exemplo de calibração de usina de solo-cimento
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