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Amanda Maria Chrispim Meliande

Análise do Comportamento de Misturas de Solos com

Cinza Volante de Carvão Mineral e Cal

Dissertação de Mestrado

Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio.

Orientadora: Profª Michéle Dal Toé Casagrande

Rio de Janeiro Junho de 2014

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PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1212872/CA


Análise do Comportamento de Misturas de Solos com

Cinza Volante de Carvão Mineral e Cal

Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil do Centro Técnico Científico da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada.

Profª. Michéle Dal Toé Casagrande Orientadora

Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio

Prof. Flávio de Andrade Silva Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio

Prof. Ben-Hur de Albuquerque e Silva Instituto Militar de Engenharia

Prof. José Eugenio Leal Coordenador Setorial do Centro

Técnico Científico – PUC-Rio

Rio de Janeiro, 16 de junho de 2014

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Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, da autora e da orientadora.


Graduou-se em Engenharia Ambiental pela Universidade Federal Fluminense em 2011. Ingressou no Mestrado na Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro em 2012, desenvolvendo Dissertação na linha de pesquisa de Geotecnia Experimental.

Ficha Catalográfica

Meliande, Amanda Maria Chrispim

Análise do comportamento de misturas de solos com cinza volante de carvão mineral e cal/ Amanda Maria Chrispim Meliande; orientadora: Michéle Dal Toé Casagrande. – Rio de Janeiro, PUC, Departamento de Engenharia Civil, 2014.

v., 149 f,; il. ; 29,7 cm

1. Dissertação (Mestrado) – Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Civil.

Inclui referências bibliográficas.

1. Engenharia civil – Teses. 2. Cinza volante de carvão. 3. Cal. 4. Misturas solo-cinza. 5. Ensaio de cisalhamento direto. I. Casagrande, Michéle Dal Toé. II. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Civil. III. Título.

CDD: 624

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À minha mãe, in memoriam, pelo amor, incentivo e apoio.

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Agradecimentos

Agradeço, sobretudo, a Deus, pela minha vida, minhas conquistas e lutas. À minha mãe, em especial, que embora não mais presente fisicamente, segue nos meus pensamentos como fonte de inspiração, por todo o amor e carinho dedicados ao longo da minha vida. Ao meu pai, por me escutar e me apoiar nas horas difíceis. À minha tia-avó, pelo acolhimento e transmissão de alegria, vivacidade e fé. Ao Fernando, pela presença tão querida, pelo apoio incondicional, carinho e palavras de aconchego. À Rhaissa, amiga-irmã, pelo convívio de longos anos e pelo apoio constante, sempre irradiando felicidade. Às amigas Sandra, Giobana, Lucianna e Ivania, pelas horas boas, horas de risada, e pelas grandes amigas que foram ao longo deste percurso. Obrigada por cada palavra de carinho, cada gesto, que me fizeram ter forças para seguir em frente e jamais desistir. Aos amigos Daniel, Orlando, Gary e Perlita, pela companhia e longas conversas na “favelinha”, e a todos aqueles que de alguma forma contribuíram para este trabalho e pela convivência tão amiga ao longo do curso. À Professora Michéle, pela orientação do meu trabalho e por todo o conhecimento transmitido. Por ser tão presente nos momentos de dúvidas, pelas conversas e pela amizade gerada. Ao Professor Tacio, pela compreensão e apoio fornecidos. À Monica Moncada, por ter me guiado na graduação e me incentivado a ingressar no Mestrado. Pelos conhecimentos transmitidos e pelo apoio fornecido. Aos técnicos do laboratório Amaury e Josué pelo apoio para realizar os ensaios. À Capes, pelo apoio financeiro prestado para a realização deste trabalho.

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Resumo

Meliande, Amanda Maria Chrispim; Casagrande, Michéle Dal Toé. Análise do comportamento de misturas de solos com cinza volante de carvão mineral e cal. Rio de Janeiro, 2014. 149 p. Dissertação de Mestrado - Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.

Este estudo apresenta o comportamento de misturas de areia e solo

argiloso com teores variados de cinza volante, proveniente do processo de queima

de carvão mineral no Complexo Termelétrico Jorge Lacerda, localizado no

município Capivari de Baixo, no estado de Santa Catarina. O objetivo da presente

pesquisa consiste em avaliar a aplicabilidade do uso de misturas solo-cinza e solo-

cinza-cal em obras geotécnicas, como camadas de aterros sanitários, solos de

fundação e estabilização de taludes. Foram realizados ensaios de caracterização

física, química e mecânica (ensaio de compactação e ensaio de cisalhamento

direto). Os ensaios de cisalhamento direto foram realizados em amostras de solo

argiloso compactadas na umidade ótima e no peso específico seco máximo

correspondente, com teores de cinza volante de 15% e 30% em relação ao peso

seco do solo. Já os ensaios em amostras de areia foram realizados para uma

densidade relativa de 50% e umidade ótima de 10%, com teores de cinza volante

de 15, 30 e 40% em relação ao peso seco do solo. Para as misturas solo-cinza-cal,

adicionou-se 3% de cal em substituição ao peso seco da cinza. Foi analisada a

influência do tipo de solo, teor de cinza, adição de cal e tempo de cura (0, 30, 100,

125 e 140 dias) para as misturas, sendo a cura adotada somente para as misturas

com areia. Os resultados mostraram-se mais satisfatórios para as misturas com

solo argiloso, sendo a adição de cal mais eficiente para a mistura com menor teor

de cinza. Na ausência de cal, o melhor comportamento obtido foi para a mistura

com 15% de cinza. Quanto às misturas com areia e sem cal, os resultados foram

inferiores à areia; já no caso das misturas areia-cinza-cal, não foi possível definir

um padrão do comportamento com relação ao tempo de cura, pois ainda que tenha

havido um aumento da coesão a determinados dias, este ganho veio acompanhado

de uma redução no ângulo de atrito, fazendo com que a areia mantivesse um

comportamento melhor. Contudo, o teor de 27% de cinza, sob 140 dias de cura,

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proporcionou ao solo um aumento de ambos os parâmetros, sendo, portanto, o

teor ótimo a ser utilizado. Dessa forma, ainda que o emprego da cinza volante em

misturas com o solo argiloso tenha se mostrado mais satisfatório, este material

também pode ser utilizado em misturas com areia, desde que submetido a

elevados períodos de cura e que contenham uma porcentagem de cinza em torno

do teor ótimo encontrado, o que viabiliza o emprego positivo deste material em

aplicações geotécnicas, possibilitando uma destinação ambientalmente correta

deste resíduo e dando um fim mais nobre a este material.

Palavras-chave

Cinza volante de carvão; cal; misturas solo-cinza; ensaio de cisalhamento

direto.

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Abstract

Meliande, Amanda Maria Chrispim; Casagrande, Michéle Dal Toé (Advisor). Analysis of the behavior of soils mixtures with mineral coal

fly ash and lime. Rio de Janeiro, 2014. 149 p. MSc. Dissertation - Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.

This study presents the behavior of sand and clay soil mixtures with

different contents of fly ash, which comes from the coal burning process in

Thermoelectric Complex Jorge Lacerda, located in the city of Capivari de Baixo,

in Santa Catarina. The aim of this research is to assess the applicability of using

soil-ash and soil-ash-lime mixtures in geotechnical works, like landfill layers,

foundation soils and slope stabilization. Physical, chemical and mechanical

(compaction test and direct shear test) were performed. Direct shear tests were

performed on clay soil samples compacted at the optimum moisture content and

the corresponding maximum dry specific gravity, with fly ash contents of 15 and

30 %, related to the dry weight of soil. Tests on sandy soil samples were

performed at the relative density of 50 % and optimum humidity of 10 %, with fly

ash contents of 15, 30 and 40 % related to the dry weight of soil. For soil-ash-lime

mixtures, it was added 3 % of lime to replace the dry weight of ash. It was studied

the influence of different parameters: soil type, ash content, lime addition and

curing time (0, 30, 100, 125 and 140 days) for the mixtures. Curing process was

adopted only for sandy soil mixtures. Results were more suitable for clay soil

mixtures, and lime addition was more efficient for the mixture with the lowest ash

content, related to 12 %. In the absence of lime, the best performance was

obtained for the mixture with 15 % of ash. For sandy soil mixtures and without

lime, the results were inferior to sand; and in the case of soil-ash-lime mixtures, it

was not possible to define a pattern of behavior to the curing time, because

although there has been an increase in cohesion certain days, this gain was

followed by a reduction in friction angle, which has maintained the best

performance of sand. However, the ash content of 27 %, at 140 days of curing,

caused an increase of both parameters, what means that this ash content is the

optimum content to be used. Thus, although the use of fly ash in mixtures with

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clay soil has been more satisfactory, this material can also be used in mixtures

with sandy soil, since it contains an ash content around the optimum content

found, and since it has been submitted to elevated curing periods, what enables

the positive employment of this material in geotechnical applications, providing

an environmentally correct disposal of this waste and giving it a noblest

destination.

Keywords

Coal fly ash; lime; soil-ash mixtures; direct shear test.

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Sumário

1. Introdução 24

1.1. Relevância e justificativa da pesquisa 24

1.2. Objetivos 25

1.3. Organização da dissertação

26

2. Revisão bibliográfica 27

2.1. Importância do carvão mineral na matriz energética brasileira 27

2.2. Origem e classificação das cinzas 29

2.2.1. Cinza volante 31

2.3. Aproveitamento das cinzas volantes de carvão mineral 32

2.4. Cinzas e meio ambiente 33

2.5. Cal 33

2.6. Estabilização de solos 35

2.6.1. Solo-cal 37

2.6.1.1. Reações solo-cal 39

2.6.1.2. Dosagem da cal 42

2.6.1.3. Variáveis determinantes do comportamento de mistura solo-cal

43

2.6.1.4. Comportamento mecânico do solo-cal 45

2.6.2. Solo-cinza volante de carvão 47

2.6.3. Solo-cinza de RSU 51

2.7. Resistência ao cisalhamento 53

2.7.1. Ensaio de resistência ao cisalhamento 54

2.8. Considerações finais

56

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3. Programa experimental 57

3.1. Considerações iniciais 57

3.2. Materiais 59

3.2.1. Solo 59

3.2.1.1. Solo argiloso 59

3.2.1.2. Areia 62

3.2.2. Cinza volante 63

3.2.3. Cal 66

3.2.4. Misturas solo-cinza-cal 67

3.3. Métodos e procedimentos de ensaio 69

3.3.1. Ensaios de caracterização física 69

3.3.1.1. Limites de Atterberg 70

3.3.1.2. Densidade real dos grãos 70

3.3.1.3. Análise granulométrica 70

3.3.1.4. Índice de vazios máximo e mínimo 71

3.3.2. Ensaios de caracterização química e ambiental 71

3.3.2.1. Composição química 72

3.3.2.2. Ensaios de solubilização e lixiviação 72

3.3.3. Ensaios de caracterização mecânica 73

3.3.3.1. Ensaios de compactação Proctor Standard 73

3.3.3.2. Ensaio de cisalhamento direto

74

4. Apresentação e discussão dos resultados 79

4.1. Ensaios de Caracterização Física 79

4.1.1. Solo Argiloso 79

4.1.1.1. Densidade Relativa dos Grãos 79

4.1.1.2. Análise Granulométrica 79

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4.1.2. Areia 81

4.1.2.1. Índices físicos 81

4.1.2.2. Análise granulométrica 81

4.1.3. Cinza volante e misturas 82

4.1.3.1. Densidade Relativa dos Grãos 82

4.1.3.2. Análise Granulométrica 84


4.1.3.4. Classificação SUCS 88

4.2. Ensaios de caracterização química e ambiental 88

4.2.1. Composição química 88

4.2.2. Teor de matéria orgânica 92

4.2.3. Ensaio de lixiviação 93

4.2.4. Ensaio de solubilização 94

4.3. Ensaios de caracterização mecânica 96

4.3.1. Solo argiloso 96

4.3.1.1. Ensaio de compactação 96

4.3.1.2. Ensaio de cisalhamento direto 101

4.3.1.2.1. Comportamento tensão cisalhante vs deslocamento horizontal

102

4.3.1.2.2. Influência do teor de cinza 105

4.3.1.2.3. Influência da adição de cal 111

4.3.2. Areia 113

4.3.2.1. Ensaio de cisalhamento direto 113

4.3.2.1.1. Comportamento tensão cisalhante vs deslocamento horizontal

114

4.3.2.1.2. Influência do teor de cinza 122

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4.3.2.1.3. Influência da adição de cal 130

4.3.2.1.4. Influência do tempo de cura 131

4.4. Considerações sobre os resultados

137

5. Considerações finais 140

5.1. Conclusões 140

5.2. Sugestões para pesquisas futuras

142

6. Referências bibliográficas 145

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Lista de figuras

Figura 2.1 - Oferta interna de energia no Brasil com base nos

dados de 2012 (EPE, 2013).

28

Figura 2.2: Oferta interna de energia no Brasil com base nos dados

de 2011 (EPE, 2013).

29

Figura 2.3: Participação de renováveis na matriz energética

brasileira (EPE, 2013).

29

Figura 2.4: Processo de queima do carvão mineral em usinas

termelétricas (Farias, 2005).

30

Figura 2.5: Mecanismo de troca catiônica (Prusinski e Bhattacharja,

1999, apud Junior, 2011).

40

Figura 2.6: Ingles e Metcalf (1972) apud Lopes (2011). 41

Figura 2.7: Efeito do tempo de cura sobre a resistência à

compressão simples para alguns solos estabilizados com cal

(Ingles & Metcalf, 1972).

44

Figura 2.8: Efeito da quantidade de cal sobre a resistência à

compressão simples para alguns solos tratados com cal e curados

por 7 dias (Ingles e Metcalf, 1972).

46

Figura 2.9: Representação gráfica do critério de ruptura de Mohr-

Coulomb.

55

Figura 2.10: Esquema do equipamento do ensaio de cisalhamento

direto com deformação controlada (Gerscovich, 2010 apud

Benedetti, 2011).

55

Figura 3.1: Localização do Campo Experimental II da PUC-Rio

(Soares, 2005).

59

Figura 3.2: Solo argiloso. 60

Figura 3.3: Perfil morfológico do Campo Experimental da PUC-Rio

(Daylac, 1994).

61

Figura 3.4: Localização do ponto de coleta de areia. 63

Figura 3.5: Areia 63

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Figura 3.6: Localização do Complexo Termelétrico Jorge Lacerda

(Leandro, 2005).

64

Figura 3.7: Cinza volante. 64

Figura 3.8: Usinas pertencentes à Companhia Tractebel (Tractebel

Energia, 2010 apud Lopes, 2011).

65

Figura 3.9: Vista geral do Complexo Jorge Lacerda (Tractebel

Energia, 2010 apud Lopes, 2011).

66

Figura 3.10: Processo de moldagem do corpo de prova arenoso. 75

Figura 3.11: Processo de moldagem do corpo de prova argiloso. 77

Figura 3.12: Prensa utilizada para os ensaios de cisalhamento direto.

78

Figura 4.1: Curva granulométrica do solo argiloso. 80

Figura 4.2: Curva granulométrica da areia. 82

Figura 4.3: Variação da densidade real dos grãos com o teor de

cinza de volante para a areia.

83

Figura 4.4: Variação da densidade real dos grãos com o teor de

cinza de volante para o solo argiloso.

83

Figura 4.5: Curvas granulométricas da areia e da cinza volante. 84

Figura 4.6: Curvas granulométricas da areia, da cinza volante e das

suas misturas.

85

Figura 4.7: Curvas granulométricas do solo argiloso e da cinza

volante.

85

Figura 4.8: Curvas granulométricas do solo argiloso, da cinza

volante e das suas misturas.

86

Figura 4.9: Curvas de compactação do solo puro e das misturas

sem a adição de cal.

97

Figura 4.10: Curvas de compactação do solo puro e das misturas

com a adição de cal.

98

Figura 4.11: Variação da massa específica aparente seca com o

teor de cinza volante.

99

Figura 4.12: Variação da umidade ótima com o teor de cinza

volante.

99

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Figura 4.13: Curva de compactação da cinza volante (Lopes,

2011).

100

Figura 4.14: Curva de compactação da cinza volante do Complexo

Jorge Lacerda (Ubaldo, 2005).

100

Figura 4.15: Curva de compactação Proctor normal obtida por

Beneveli (2002).

101

Figura 4.16: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal

para o solo puro (Szeliga, 2011).

103


para a mistura S85/CV15.

103


para a mistura S70/CV30.

104


para a mistura S85/CV12/C3.

104


para a mistura S70/CV27/C3.

105


do solo argiloso e misturas S70/CV30 e S85/CV15.

107


das amostras S e misturas S85/CV12/C3 e S70/CV27/C3.

108

Figura 4.23: Envoltórias de ruptura do solo puro e das misturas

S85/CV15 e S70/CV30.

110

Figura 4.24: Envoltórias de ruptura do solo puro e das misturas

S85/CV12/C3 e S70/CV27/C3.

110

Figura 4.25: Influência da cal nas misturas S85/CV12/C3 e

S85/CV15.

112

Figura 4.26: Influência da cal nas misturas S70/CV27/C3 e

S70/CV30.

112


para a areia.

115


para a mistura A85/CV15.

115

Figura 4.29: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal 116

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116


para a mistura A85/CV12/C3 a 0 dias de cura.

117



117



118



118



119



119



120



120



121



121



122



122


da areia e das misturas com cinza.

123


da areia e misturas A85/CV12/C3, A70/CV27/C3 e A60/CV37/C3 a

0 dias.

124

Figura 4.45: Influência do teor de cinza volante nas misturas 126

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A85/CV12/C3, A70/CV27/C3 e A60/CV37/C3 no tempo de cura de

0 dias.

Figura 4.46: Influência do teor de cinza volante nas misturas

A85/CV12/C3, A70/CV27/C3 e A60/CV37/C3 no tempo de cura de

30 dias.

126


A70/CV27/C3 e A60/CV37/C3 no tempo de cura de 100 dias.

127



127



128


A85/CV15, A70/CV30 e A60/CV40.

129

Figura 4.51: Influência da cal nas misturas A85/CV12/C3 e

A85/CV15 a 0 dias de cura.

130



130



131


da mistura A85/CV12/C3 a diferentes períodos de cura.

132



133



134

Figura 4.57: Variação da tensão cisalhante vs tensão normal para a

mistura A85/CV12/C3 para os diferentes tempos de cura.

135



135



136

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Lista de tabelas

Tabela 2.1: Consumo de carvão e produção de cinzas nas usinas

termelétricas do sul do Brasil (Abreu, 1990 apud Mallman, 1996).

28

Tabela 2.2: Composição média das cales no mercado brasileiro

(Guimarães, 2002).

35

Tabela 2.3: Previsão da quantidade de cal em função do tipo de

solo (Ingles & Metcalf, 1972 apud Sandroni & Consoli, 2010).

39

Tabela 3.1: Descrição dos ensaios. 58

Tabela 3.2: Mineralogia para a profundidade de 3m (Sertã, 1986). 62

Tabela 3.3: Especificações dos carvões energéticos brasileiros

(Portaria 100/1987-CNP apud Lopes, 2011).

66

Tabela 3.4: Teores e símbolos utilizados para os materiais. 68

Tabela 3.5: Tempos de cura empregados para cada mistura. 69

Tabela 4.1: Pesquisas realizadas com o solo do Campo

Experimental da PUC-Rio.

80

Tabela 4.2: Índices físicos da areia. 81

Tabela 4.3: Densidade real dos grãos para as misturas. 82

Tabela 4.4: Resultados em percentual da análise granulométrica

dos materiais.

87

Tabela 4.5: Dados da distribuição granulométrica da cinza volante

obtidos em estudos anteriores.

87

Tabela 4.6: Análises químicas de capacidade de troca catiônica

(CTC) e de ataque sulfúrico do solo argiloso (Duarte, 2004 apud

Soares, 2005).

89

Tabela 4.7: Análise química total do solo argiloso, expressa em

porcentagem (Sertã, 1986).

89

Tabela 4.8: Elementos químicos presentes na cinza volante

(Lopes, 2011) e nas misturas com areia.

90

Tabela 4.9: Elementos químicos presentes nas misturas com solo

argiloso.

90

Tabela 4.10: Composição química das cinzas volante e de fundo

(Mendonça, 2004 apud Ubaldo, 2005).

91

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Tabela 4.11: Composição química da cinza volante de diversas

usinas termelétricas (Chies et al, 2003 apud Ubaldo, 2005).

92

Tabela 4.12: Resultados analíticos dos ensaios de lixiviação –

parâmetros inorgânicos (TASQA, 2010 apud Lopes, 2011).

93

Tabela 4.13: Tabela: Resultados analíticos dos ensaios de

lixiviação – parâmetros orgânicos (TASQA, 2010 apud Lopes,

2011).

94

Tabela 4.14: Resultados analíticos dos ensaios de solubilização –

parâmetros inorgânicos (TASQA, 2010 apud Lopes, 2011).

95

Tabela 4.15: Resultados analíticos dos ensaios de solubilização –

parâmetros orgânicos (TASQA, 2010 apud Lopes, 2011).

95

Tabela 4.16: Resultados dos ensaios de compactação para as

misturas com solo argiloso.

97

Tabela 4.17: Dados específicos dos ensaios de cisalhamento

direto para misturas com solo argiloso.

102

Tabela 4.18: Dados de tensão normal e cisalhante no

deslocamento de 12 mm para as misturas e o solo puro.

109

Tabela 4.19: Parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo

argiloso e das misturas.

113

Tabela 4.20: Dados específicos dos ensaios de cisalhamento

direto para misturas com areia.

114

Tabela 4.21: Dados de tensão normal e cisalhante no

deslocamento de 12 mm para as misturas, e no deslocamento de

14 mm para o solo puro.

125

Tabela 4.22: Parâmetros de resistência ao cisalhamento da areia

e das misturas.

137

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Lista de quadros

Quadro 1: Exigências físicas e químicas para a cal (NBR 7175). 67

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Lista de abreviaturas

A Areia

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas

CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente

CH Argila arenosa de média plasticidade

CV Cinza volante

EDX Espectrometria de fluorescência de raios-X

IP Índice de Plasticidade

LL Limite de Liquidez

LP Limite de Plasticidade

LVDT Linear Variable Differential Transformer

ML Silte de baixa plasticidade

NBR Norma brasileira

PUC Pontifícia Universidade Católica

RSU Resíduos sólidos urbanos

S Solo argiloso

SM Areia siltosa

SUCS Sistema Unificado de Classificação dos Solos

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Lista de símbolos

Gs Densidade real dos grãos

e Índice de vazios

emáx Índice de vazios máximo

emín Índice de vazios mínimo

Cu Coeficiente de uniformidade

Cc Coeficiente de curvatura

D10 Diâmetro efetivo

D50 Diâmetro médio

pH Medida de acidez ou basicidade

°C Graus centígrados

Kg Quilograma

mL Mililitro

mm Milímetro

cm Centímetro

m Metro

t Tonelada

t/ano Tonelada por ano

mm/min Milímetro por minuto

min Minuto

g/cm³ Grama por centímetro cúbico

kPa Quilopascal

KN Quilonewton

Ppm Partes por milhão

� Tensão cisalhante efetiva

ωotm Umidade ótima

γd máx Peso específico seco máximo

γd Peso específico seco

ρ Massa específica do solo

c´ Coesão

Ø’ Ângulo de atrito

�´ Tensão normal efetiva

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1 Introdução

1.1 Relevância e justificativa da pesquisa

No âmbito da engenharia geotécnica, pode-se dizer que o solo, o principal

material utilizado, nem sempre atende às necessidades da obra a ser realizada,

sendo assim, uma das alternativas para esta questão consiste na adição de outros

materiais que confiram a ele as características pretendidas, seja atribuindo-lhe

parâmetros de resistência adequados ou melhorando-os através da adição de

outros produtos estabilizantes ou materiais de reforço.

Diante da crescente busca por soluções em prol da preservação dos

recursos naturais, o aproveitamento e a aplicação de resíduos em obras

geotécnicas vêm se destacando, evitando a sua disposição inadequada e reduzindo

a geração de impactos ambientais.

Neste contexto, o emprego de resíduos em processos de estabilização de

solos tem sido foco de muitas pesquisas, que estudam a substituição de parte dos

materiais com alto custo por materiais com custo reduzido, que consistem nos

resíduos, como é o caso da utilização da cinza volante em misturas com solo e cal,

foco da presente pesquisa.

A cinza volante, proveniente do processo de queima de carvão mineral em

usinas termelétricas, por ser produzida em grande quantidade e ser um material

dotado de propriedades pozolânicas, tem sido um dos rejeitos industriais mais

utilizados em vários países, com ampla gama de aplicações. Atualmente, a cinza

volante é considerada um produto, sendo comercializada e beneficiada, e a sua

principal forma de aproveitamento no Brasil tem sido na fabricação do cimento

pozolânico.

A cal consiste no estabilizante mais econômico e mais utilizado na

estabilização de solos, com aplicação em camadas de pavimentos e aterros, e em

fundações superficiais, por exemplo. Utilizada desde a antiguidade, muitos

estudos têm comprovado sua eficiência no aumento da capacidade de suporte do

solo e na redução de recalques (Rosa, 2009).

Vale ressaltar que, para que sejam concebidos novos materiais, é

importante estudar as propriedades físicas, químicas e mecânicas dos materiais de

DBD


25

constituição, bem como suas possíveis combinações. O conhecimento do

mecanismo de estabilização (química ou granulométrica) é de grande importância

no entendimento da resposta da mistura, no que diz respeito ao seu

comportamento mecânico. Este mecanismo é regido por vários fatores

relacionados com o solo e as cinzas, como granulometria, teor de umidade,

densidade e composição química.

Dentro deste contexto, o presente trabalho busca contribuir para um

melhor entendimento do comportamento do solo, quando misturado com a cinza

volante de carvão mineral e cal, avaliando a viabilidade do emprego destes

materiais em aplicações geotécnicas, como por exemplo, camadas de aterros

sanitários, solos de fundação, taludes, dentre outros.

1.2 Objetivos

O principal objetivo desta pesquisa foi analisar, através de ensaios

laboratoriais, os efeitos da cinza volante, quando incorporada em misturas com

dois tipos de solo, arenoso e argiloso. A cinza estudada é proveniente do

Complexo Termelétrico Jorge Lacerda, no município Capivari de Baixo, no

estado de Santa Catarina. Tendo em vista que este resíduo é depositado em bacias

de sedimentação, dispostas a céu aberto, podendo gerar impactos ambientais, o

reaproveitamento deste resíduo para diversos fins, como o deste trabalho, tem sido

de grande importância.

As misturas solo-cinza foram testadas sem e com a adição de cal

hidratada, sob períodos de cura distintos, com a finalidade de analisar a

viabilidade de sua aplicação em obras geotécnicas.

Dentre os objetivos específicos da pesquisa, podem-se citar:

- Realizar ensaios de caracterização física e química do solo, das cinzas e

das misturas por meio de ensaios laboratoriais normatizados;

- Avaliar o comportamento mecânico do solo e das misturas estudadas

através de ensaios de compactação e de cisalhamento direto;

- Analisar a influência do tipo de solo, adição de cal, período de cura e dos

teores de cinza empregados nas misturas com base nos ensaios realizados,

discutindo sobre sua aplicação em obras geotécnicas.

DBD


26

1.3 Organização da dissertação

Este trabalho encontra-se dividido em cinco capítulos, segundo as etapas

de pesquisa realizadas, iniciando com este capítulo introdutório (Capítulo 1),

seguido do Capítulo 2, onde é apresentada a revisão bibliográfica dos principais

tópicos apresentados na pesquisa e necessários para o entendimento dos

resultados.

No Capítulo 3, é descrito de forma detalhada o programa experimental,

bem como é apresentada a descrição dos materiais utilizados, dos equipamentos e

dos métodos de ensaios utilizados conforme as normas vigentes.

No Capítulo 4, são apresentados e discutidos os resultados dos ensaios de

caracterização física, química e mecânica dos materiais e misturas solo-cinza e

solo-cinza-cal.

O Capítulo 5 apresenta as conclusões deste trabalho e as sugestões para

futuras pesquisas.

DBD


2 Revisão bibliográfica

A revisão bibliográfica abrange os seguintes temas:

-O papel do carvão mineral na matriz energética brasileira;

-A origem e classificação das cinzas de carvão mineral, com enfoque na

cinza volante;

-As formas de aproveitamento das cinzas volantes de carvão;

-A relação das cinzas com o meio ambiente;

-Os tipos de cal;

-Os processos de estabilização de solos, bem como as reações solo-cal e o

comportamento mecânico deste conjunto;

-Pesquisas realizadas com solo e cinzas de carvão mineral;

-Pesquisas realizadas com solo e cinzas de resíduos sólidos urbanos;

-Conceitos sobre o ensaio de resistência ao cisalhamento direto.

2.1 Importância do carvão mineral na matriz energética brasileira

O carvão mineral é um recurso natural não renovável, utilizado como

combustível para geração de energia térmica. De acordo com Pinto (1971), as

principais usinas termelétricas que utilizam o carvão mineral para tal finalidade

estão situadas no sul do Brasil, onde se encontram as principais jazidas

carboníferas do país. Dentre elas, podem-se citar a Termelétrica de Figueira no

Norte do Paraná, a Sociedade Termelétrica de Capivari, em Santa Catarina, e as

Termelétricas de Charqueada e Candiota, situadas no Rio Grande do Sul. Na

Tabela 2.1, são apresentados o consumo de carvão e a produção de cinzas nestas

usinas termelétricas.

DBD


28

Tabela 2.1: Consumo de carvão e produção de cinzas nas usinas termelétricas do sul do Brasil (Abreu, 1990 apud Mallman, 1996).

Centrais termoelétricas Consumo de carvão

(anual) (ton)

Produção de cinza

(anual)

Pesada

(ton)

Volante

(ton)

Candiota (RS) 1.334.795 139.859 559.435

Charqueadas (RS) 321.682 95.873 113.765

São Jerônimo (RS) 157.696 63.072* -

Jorge Lacerda 1.266.696 152.000 354.675

Total (ton) 3.080.869 450.804 1.027.875

* A cinza pesada de São Jerônimo é do tipo escória.

A Figura 2.1 mostra a participação do carvão mineral na oferta interna de

energia no Brasil, de acordo com os dados do Balanço Energético Nacional de

2013, com base nos dados de 2012. Comparando com os dados de 2011 (Figura

2.2), pode-se observar uma pequena redução na participação das fontes de energia

renováveis, devido à menor oferta de energia hidráulica e de etanol. Esta redução

está quantificada na Figura 2.3.

Figura 2.1: Oferta interna de energia no Brasil com base nos dados de 2012 (EPE, 2013).

DBD


29

Figura 2.2: Oferta interna de energia no Brasil com base nos dados de 2011 (EPE, 2013).

Figura 2.3: Participação de renováveis na matriz energética brasileira (EPE, 2013).

2.2 Origem e classificação das cinzas

As cinzas são formadas a partir do processo de combustão do carvão

mineral. Convém dizer que as características físico-químicas do carvão mineral,

bem como o tipo de cinza produzido na sua queima, dependem de sua origem

DBD


30

geológica. Por exemplo, o carvão brasileiro apresenta elevado teor de matéria

orgânica em sua composição, responsável pela formação de resíduos; o que o

diferencia do carvão proveniente de outras regiões.

Após o processo de queima do carvão, cerca de 80% do material não

queimado, ou seja, obtido de uma combustão incompleta, é recuperado em

tubulações de exaustão de gás. Este material não queimado denomina-se cinza

volante ou cinza leve, que é constituída por partículas extremamente finas - 100%

menor que 0,15 mm.

Os 20% restantes correspondem à cinza pesada ou cinza de fundo, que

possui uma granulometria mais grossa e é coletada em um recipiente com água,

localizado abaixo da câmara de combustão. Quando uma dada quantidade de

cinza pesada se acumular no recipiente, ele é então removido através de um jato

de água de alta pressão e conduzido por um canal de limpeza para tanques de

disposição ou bacias de decantação (Farias, 2005). Este processo pode ser

observado na Figura 2.4.

Figura 2.4: Processo de queima do carvão mineral em usinas termelétricas (Farias, 2005).

Além dessas duas classificações, Rohde et al (2006) ainda cita um outro

tipo de cinzas que são as escórias/cinza grossa, originada no processo de

combustão do carvão em grelhas fixas e móveis, apresentando-se com

granulometria grosseira e altos teores de carbono.

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31

2.2.1 Cinza volante

A cinza volante ou fly ash é uma mistura heterogênea com propriedades

pozolânicas, cujas características físicas e químicas variam com a composição

química do carvão, a temperatura da combustão e o método de retirada, sendo

estes dois últimos responsáveis pela estrutura cristalina da cinza, que atribui a ela

suas características cimentantes. A norma NBR 12653 (1992) dita as

especificações dos mateeriais pozolânicos, definidos como sendo um material

silicoso ou sílico-aluminoso, que embora dotado de pouca ou nenhuma

capacidade de cimentação, na presença de umidade desenvolve reações químicas

com hidróxidos alcalinos e alcalinos terrosos à temperatura ambiente, a fim de

formar ou auxiliar na formação de compostos com propriedades cimentantes.

Segundo Rohde et al (2006), os elementos responsáveis pela atividade pozolânica

das cinzas são SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, SO3, Na2O e K2O.

Em 1947, surgiram as primeiras tentativas da parte de comerciantes de

cinzas e da ASTM, de preparo das especificações de cinzas volantes para uso na

indústria do cimento. Em 1953, a ASTM criou um método de amostragem e

ensaios de cinzas volantes a serem utilizadas como aditivo no concreto de cimento

Portland. A norma ASTM C 618 (2008) apresenta as especificações para o uso da

cinza volante de carvão em concreto.

Têm sido muito utilizadas em pesquisas as cinzas volantes provenientes de

termelétricas da região sul do Brasil, como é o caso da presente pesquisa. A

composição química das cinzas desta região consiste em elevados teores de sílica,

alumina, óxido de ferro, óxido de cálcio, magnésio, sódio, potássio, dentre outros.

Quanto às características físicas, elas possuem uma granulometria de tamanho

silte ou areia, são materiais isentos de plasticidade e coesão, e sua densidade real

dos grãos tende a variar entre 2,05 e 2,2 g/cm³. Com relação à sua mineralogia,

elas são constituídas de material vítreo de natureza sílico-aluminosa, com a

presença de compostos cristalizados (Rohde et al, 2006).

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32

2.3 Aproveitamento das cinza volante de carvão mineral

Segundo Ceratti (1979), com o aumento da instalação de termelétricas

como usinas geradoras de energia, veio a primeira utilização de cinzas volantes

provenientes de termelétrica como agente cimentante do concreto em 1936, nos

EUA, onde foram construídos alguns quilômetros de parede de retenção ao redor

do lago Michigan.

Aos poucos, com a realização de pesquisas em todo o mundo, a cinza

volante tornou-se um material aplicado a diversos usos (ASTM D5759-12, 2005).

Nuñez (2007 apud Rosa, 2009) afirmam que, na década de 60, já se usavam

cinzas volantes estabilizadas na Inglaterra, França, Alemanha, na antiga URSS, na

Polônia e nas antigas Tchecoslováquia e Iugoslávia. Rohde et al (2006) relatam

que, de uma maneira geral, as formas de utilização das cinzas de carvão para fins

comerciais são divididas em três categorias principais: construção, fabricação e

estabilização, conforme especificado a seguir.

A construção é o setor que mais emprega subprodutos da combustão do

carvão. As cinzas podem ser aplicadas em concreto e argamassas; na fabricação

do cimento Portland pozolânico; em processos de estabilização sob pressão; em

aterros estruturais e sem funções estruturais como material de enchimento em

obra; em bases estabilizadas e solos modificados e estabilizados para rodovias; e

em pistas e edificações. Já na categoria fabricação, a cinza é empregada como

artefatos de cinza-cal, de cimento, ou artefatos cerâmicos.

No ramo da estabilização, a cinza volante pode ser utilizada para a

estabilização de resíduos tóxicos. Primeiramente, ela passa por um processo de

solidificação, ao ser misturada com água e produtos aglomerantes como cal e

cimento Portland. Desde então, é formada uma massa endurecida, com baixa

capacidade de produzir lixiviado, que é muito usada tanto para a estabilização de

resíduos inorgânicos, como para resíduos orgânicos.

No Brasil, o primeiro registro da utilização da cinza volante foi em 1964,

quando ela foi incorporada ao concreto, na construção da hidrelétrica de Jupiá,

para diminuir o calor de hidratação do concreto. Desde então, o emprego de cinzas

volantes já tem sido destinado a outras aplicações, como na fabricação de pré-

DBD


33

moldados e em obras rodoviárias, contudo, a principal utilização tem sido na

indústria do cimento, como matéria-prima na fabricação do cimento Portland.

No âmbito da estabilização de solos, o emprego da cinza volante também é

amplo, tendo sido estudado por autores como Pinto (1971), Nardi (1975), Ceratti

(1979), Da Silva (1982), Mallmann (1996), Carraro (1997), Consoli (2001), Rosa

(2009), Lopes (2011) e Junior (2011).

Desse modo, conclui-se que a grande e crescente quantidade de resíduos

gerados, somada aos custos e riscos ambientais gerados pela disposição dos

mesmos, podem ser considerados agentes motivadores de estudos com foco no

aproveitamento das cinzas volantes para aplicações diversas.

2.4 Cinzas e meio ambiente

De acordo com a norma NBR 10004 (1984), os resíduos sólidos podem ser

classificados como perigosos, não-inertes e inertes. Para saber em que classe se

enquadra a cinza de carvão mineral, é necessário realizar ensaios de solubilização

e lixiviação, avaliando se as concentrações dos elementos químicos analisados

ultrapassam os valores de referência.

Segundo Mallmann (1996), com a crescente produção de cinzas nos países

que utilizam a queima de carvão como energia, passou a haver uma maior

preocupação no sentido de estudar os seus efeitos sobre o meio ambiente. O autor

cita em sua pesquisa estudos que foram realizados com este objetivo, como os de

Smith et al (1979), Kaakinen et al (1985) e Repetto (1988); e também destaca a

atuação de pesquisadores brasileiros para essa problemática, como Andrade e

Solari (1985), e Martins e Zanella (1990), que realizaram estudos dessa ordem na

Temelétrica de Candiota, no Rio Grande do Sul.

2.5 Cal

O processo de formação da cal se dá pela calcinação de rochas

carbonatadas cálcicas e magnesianas, a temperaturas próximas a 1000 °C. A cal

pode ser virgem ou hidratada, sendo a cal virgem classificada de acordo com o

óxido predominante (Silva, 2009):

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34

- cal virgem cálcica: com óxido de cálcio entre 100% e 90% do óxido total

presente;

- cal virgem magnesiana: com teores de óxido de cálcio variando entre

90% e 65% do óxido total presente;

- cal virgem dolomítica: com óxido de cálcio entre 65% e 58% do óxido

total presente.

A cal hidratada resulta da hidratação da cal virgem e também é classificada

conforme a cal virgem que lhe dá origem. A norma NBR 7175 (2003) apresenta

as especificações para a cal hidratada, expostas no capítulo seguinte.

As equaçõs eq. (2.1) e eq. (2.2) mostram as reações de formação da cal

virgem e da cal hidratada, respectivamente.

CaCO3 + calor ↔ CaO + CO2 eq. (2.1)

CaO + H2O ↔ Ca(OH)2 + calor eq. (2.2)

É importante destacar que a qualidade comercial da cal depende das

propriedades químicas do calcário e da qualidade da queima, devendo-se atentar

para a temperatura de calcinação utilizada e para o tempo em que o material é

exposto ao aquecimento (Nardi, 1975).

Dentre as aplicações que a cal possui no Brasil, as principais são na área

das indústrias (siderúrgicas, tinta, celulose, entre outras). Além disso, ela também

pode ser utilizada em processos de tratamento de águas potáveis e industriais, ou

de estabilização de solos como material cimentante. Guimarães (2002 apud Lopes,

2011) apresenta um resumo da composição média das cales comercializadas no

mercado brasileiro (Tabela 2.2).

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35

Tabela 2.2: Composição média das cales no mercado brasileiro (Guimarães, 2002 apud Lopes, 2011).

Tipo de cal

(%)

Cal virgem

cálcica (%)

Cal hidratada

cálcica (%)

Cal hidratada

dolomítica ou

magnesiana

(%)

Cal virgem

dolomítica ou

magnesiana

(%)

CaO 90-98 70-74 39-61 51-61

MgO 0,1-0,8 0,1-1,4 15-30 30-37

Insolúvel no

HCl 0,5-3,5 0,5-2,5 0,5-18,2 0,5-4,5

Fe2O3+Al2O3 0,2-1,0 0,2-0,8 0,2-1,5 0,2-1,0

Perda ao fogo 0,5-5,0 23-27 19-27 0,5-4,8

CO2 0,2-3,8 1,5-3,5 3,0-6,0 0,5-4,5

SO3 0,1-0,6 0,1-0,0 0,02-0,2 0,05-0,1

CaO+MgO base

de não volátil 96-98,5 76-99

MgO não

hidratado - 0,5-1,8 5-25 -

É importante destacar que, com base na norma NBR 5751 (1992), a

atividade pozolânica de materiais com cal, como as cinzas, pode ser determinada

por diversos métodos, que se baseiam na determinação da resistência à

compressão de argamassas ou na evolução do conteúdo de Ca(OH)2 no tempo.

Dentre esses métodos, pode-se citar o Método de Chapelle modificado, que

determina a reatividade do material pela sua capacidade de fixar cal quando

mantido em solução aquosa com óxido de cálcio. De forma simplificada, o

método consiste em manter em ebulição, durante 16 horas, uma mistura com 1 g

de CaO, 1 g de cinza e 250 g de água isenta de CO2. O resultado é expresso pela

quantidade de CaO fixada por grama de cinza pozolânica, e quanto maior a

fixação, mais reativo é o material.

2.6 Estabilização de solos

Villibor (1982) apud Santanna (1998) definem a estabilização de um solo

como sendo a alteração de qualquer propriedade do mesmo que melhore seu

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36

comportamento sob o ponto de vista de aplicação à engenharia. De acordo com

Medina e Motta (2004) apud Soliz (2007), as propriedades do solo que se visa

modificar no seu processo de estabilização são:

- a resistência ao cisalhamento, tornando-o menos sensível às mudanças

ambientais, como a umidade, e mais compatível com as cargas que a estrutura vai

absorver;

- a permeabilidade, aumentando-a ou diminuindo-a;

- a compressibilidade, reduzindo-a.

Para Guimarães (2002 apud Lopes, 2011), a estabilização dos solos pode

ser classificada em dois grupos:

- estabilização mecânica: abrange a correção da granulometria e

plasticidade, com adição ou subtração de certas quantidades das frações

constituintes, além da compactação;

- estabilização química: consiste de mistura com aditivos orgânicos ou

inorgânicos, como materiais betuminosos, resinas, compostos de fósforo, silicatos

de sódio, cal, cimento Portland, dentre outros, com posterior compactação.

Kézdi (1979) apud Vizcarra (2010) ressaltam que a escolha do melhor

método a ser adotado deve ser feita, considerando as propriedades do solo em sua

condição natural, as propriedades esperadas do solo estabilizado, e os efeitos no

solo após a estabilização.

No caso da estabilização mecânica, ela pode ocorrer através da

compactação ou da estabilização granulométrica. Segundo Santos et al (1995)

apud Lopes (2011), quando o solo é estabilizado por compactação, significa que,

pela aplicação de sucessivas cargas, a porosidade do solo é reduzida, ou seja, o

volume de vazios do solo diminui, levando a um aumento de resistência mecânica.

Já a estabilização mecânica por correção granulométrica envolve a mistura

do solo com um ou mais solos e/ou outros materiais, possibilitando a obtenção de

um novo produto com propriedades adequadas. Santanna (1998) afirma que a

combinação de materiais utilizada na mistura deve ser feita corretamente, de

modo que o produto final possua maior resistência às cargas, ao desgaste e à

erosão, estando adequado para aplicações de engenharia diversas.

No que se refere à estabilização química, ela consiste na adição de uma

determinada substância química ao solo, provocando uma reação química do

aditivo com os minerais do solo (fração coloidal), ou o preenchimento dos poros

DBD


37

pelo produto da reação química do aditivo com a água. Nas misturas constituídas

por solo e cimento, e solo e cal, ocorre, inicialmente, uma reação físico-química,

onde os cátios Ca++ liberados pela hidratação do cimento reagem com a superfície

dos argilominerais, modificando o pH da solução eletrolítica. Posteriormente, a

rigidez da mistura sofre um acréscimo, devido aos produtos cimentantes oriundos

da reação pozolânica (Medina, 1987 apud Soliz, 2007).

Ainda segundo estes autores, após a mistura do solo com o agente

estabilizador, pode ou não ocorrer a formação da matriz contínua com o solo. Na

matriz contínua, o agente estabilizador preenche todos os poros, e as partículas de

solo ficam nela mergulhadas como se fossem um inerte de enchimento. Neste

caso, as propriedades do sistema são essencialmente as da matriz, havendo

predominância das propriedades mecânicas do estabilizador. Da mistura entre o

solo e o agente estabilizador, as reações resultantes podem ser físicas (variação de

temperatura, hidratação, evaporação, adsorção) ou químicas (troca catiônica,

precipiração, polimerização, oxidação, solução e carbonatação).

Sandroni & Consoli (2010) concluíram que não só a quantidade de

material cimentante regula o grau de cimentação de um solo estabilizado

quimicamente, atribuindo-lhe resistência, mas também fatores como a forma, a

densidade, a condição de cura, as condições de umidade, e as quantidades

existentes dos produtos reagentes, como a cal, desempenham papel relevante neste

processo.

2.6.1 Solo-cal

A combinação solo-cal é utilizada quando não se dispõe de um material

com características de resistência, deformabilidade e permeabilidade adequadas ao

projeto. Ela é comumente empregada na construção de estradas, sendo geralmente

utilizada como base ou sub-base de pavimentos. Além disso, a mistura solo-cal

também pode ser aplicada na proteção de taludes contra a erosão em obras

hidráulicas, e nas fundações de edificações de pequeno porte em solos com baixa

capacidade de suporte ou que apresentam baixa estabilidade volumétrica (Ingles

& Metcalf, 1972 apud Rosa, 2009).

DBD


38

Segundo Pinto (1971), já foram realizadas muitas pesquisas com o

objetivo de identificar a melhor cal para processos de estabilização de solos.

Nelas, verificou-se que, em geral, a cal dolomítica produzia uma resistência cerca

de 30% maior do que a cal calcítica, contudo, na presença de certas cinzas

volantes, a cal calcítica produzia resistências maiores.

Nardi (1975) aponta que o óxido de cálcio (cal virgem) geralmente produz

melhores resistências no solo estabilizado, mas quase não é utilizado devido ao

seu potencial cáustico, apresentando periculosidade no seu manuseio.

No Brasil, a cal hidratada é a mais utilizada para a estabilização de solos,

sendo que as suas especificações estão presentes na norma NBR 7175 (2003).

A quantidade de cal necessária ao tratamento de solos pode ser arbitrada

de acordo com as características do solo a ser melhorado e as características

mecânicas desejadas na mistura, que dependem do tipo de tratamento que se

deseja. O tratamento do solo com cal pode ser por modificação ou estabilização

(Dias, 2004):

-modificação: o teor de cal adicionado ao solo é pequeno, apenas

suficiente para desenvolver as reações da fase rápida, sem desenvolver reações

lentas, cimentantes. Ocorrem redução da plasticidade, melhorias na

trabalhabilidade e aumento da resistência à defloculação e erosão;

-estabilização: o teor de cal adicionado ao solo é tal que além das reações

rápidas, as reações lentas possam ocorrer. Há um aumento definitivo da

resistência e rigidez do solo devido à ocorrência de reações pozolânicas.

A Tabela 2.3 apresenta um resumo da previsão da quantidade de cal a ser

adicionada para a estabilização em função do tipo de solo.

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39

Tabela 2.3: Previsão da quantidade de cal em função do tipo de solo (Ingles & Metcalf, 1972 apud Sandroni & Consoli, 2010).

Tipo de solo Teor de cal para

modificação (%)

Teor de cal para

estabilização (%)

Pedra finamente britada 2 a 4 Não recomendado

Pedregulho argiloso bem

graduado 1 a 3 ≥3

Areias Não recomendado Não recomendado

Argila arenosa Não recomendado ≥5

Argila siltosa 1 a 3 2 a 4

Argilas 1 a 3 3 a 8

Solo orgânico Não recomendado Não recomendado

Vale destacar que o tratamento de solos com cal não é eficiente em solos

altamente orgânicos, tampouco em solos com baixo ou nenhum teor de argila,

visto que o melhoramento das propriedades mecânicas é produzido pelas reações

entre a cal e os minerais argílicos, sendo o ganho de resistência diretamente

proporcional à quantidade de sílica disponível. Para Thompson (1966) apud Rosa

(2009), solos reativos são aqueles que, ao reagirem com a cal, sofrem um ganho

de resistência considerável, da ordem de 345 KN/m², após 28 dias de cura à

temperatura de 22,8 °C.

2.6.1.1 Reações solo-cal

Nóbrega (1985, apud Guimarães, 2006) relatam que a estabilização solo-

cal deve-se a dois tipos de ações: uma imediata, atribuída à troca catiônica e à

floculação-aglomeração; e outra a longo prazo, caracterizada pela carbonatação e

pelas reações pozolânicas, que proporcionam um aumento da resistência devido à

formação de produtos cimentantes.

A troca catiônica inicia o processo de estabilização rapidamente,

provocando mudanças na plasticidade do solo, além de pequenos aumentos na

resistência mecânica das misturas solo-cal, sendo seguida pela floculação e

aglomeração. Baseando-se nos autores Prusinski e Bhattacharja (1999, apud

Junior, 2011), para neutralizar a deficiência de carga na superfície do

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40

argilomineral, cátions e moléculas de água são atraídos para a superfície de

clivagem carregada negativamente, o que resulta na separação de duas camadas,

chamada de dupla camada difusa. Grim (1953) apud Thomé (1994) afirmam que,

assumindo igual concentração, a ordem de adsorção preferencial de cátions

comuns associados com os solos é dada pela seguinte série: Na+ < K+ < Ca2+ <

Mg2+ < Al3+, ou seja, cátions de menor valência são substituídos por cátions de

maior valência. Dessa forma, como a cal é uma fonte de cálcio livre, a sua adição

em quantidade suficiente cria uma concentração de íons Ca2+ que serão adsorvidos

na superfície dos argilominerais. A Figura 2.5 mostra este mecanismo.

Figura 2.5: Mecanismo de troca catiônica (Prusinski e Bhattacharja, 1999, apud Junior, 2011).

A floculação e aglomeração causam mudanças na textura da argila, uma

vez que sua estrutura é alterada de plana e paralela para uma orientação aleatória

de partículas (Prusinski e Bhattacharja, 1999 apud Junior, 2011). Segundo o relato

do TRB (1987, apud Junior, 2011), Herzog e Mitchell (1963) afirmaram que o

fenômeno da floculação é causado pelo aumento da concentração eletrolítica da

água intersticial, pelo alto pH e pela redução da espessura da dupla camada difusa,

através de trocas catiônicas.

A carbonatação ocorre quando o dióxido de carbono existente no ar ou em

água estagnada entra em contato com a matriz solo-cal e converte a cal novamente

em carbonato de cálcio, que é ineficiente na estabilização química de solos e

solubiliza na água ácida. Desse modo, a carbonatação consiste num processo

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41

indesejável, uma vez que reduz a quantidade de cal disponível no meio para

produzir reações pozolânicas (Sandroni & Consoli, 2010).

As reações pozolânicas ocorrem mediante a reação da sílica e alumina do

solo com a cal na presença de água, que tem a função de carregar os íons cálcio e

hidroxila para a superfície da argila. São constituintes de sílica e alumina os

argilominerais, quartzo, feldspato, micas e minerais silicosos ou alumino-

silicosos. Os íons hidroxila liberados da cal elevam o pH da mistura de modo que

a sílica e a alumina sejam dissolvidas da argila. Essas reações formarão géis de

silicatos que cobrem e ligam as partículas de argila, preenchendo os seus vazios.

Eles são cristalizados lentamente e transformados em silicatos hidratados de

cálcio bem definidos. Essas reações não cessarão enquanto houver hidróxido de

cálcio reagindo e sílica disponível no solo (Ingles e Metcalf, 1972 apud Junior,

2011). As reações presentes nas equações eq. (2.3), eq. (2.4) e eq. (2.5), e a Figura

2.6 mostram este processo.

Ca(OH)2 � Ca+2 + 2(OH)- eq. (2.3)

Ca+2 + 2(OH)- + SiO2 (sílica) � CSH (silicato de cálcio hidratado) eq. (2.4)

Ca+2 + 2(OH)- + Al2O3 (alumina) � CAH (aluminato de cálcio hidratado)eq. (2.5)

onde C=CaO; S=SiO2; A=Al2O3; H=H2O

Figura 2.6: Ingles e Metcalf (1972) apud Lopes (2011).

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42

As reações entre o solo e a cal sofrem a influência de fatores como

temperatura, tempo de cura e natureza dos materiais. Os fatores temperatura,

tempo de cura e teor de umidade variam de forma significativa durante o período

de cura. Lima et al (1993, apud Guimarães, 2006) apontam que, no período inicial

da cura, costuma ocorrer um acréscimo rápido da resistência do solo estabilizado,

no entanto, à medida que a cura progride, a velocidade de aumento da resistência

torna-se cada vez menor devido às reações pozolânicas, que fazem com que a

resistência aumente mesmo após alguns anos. Com relação à temperatura, ela

funciona como catalisador das reações, sendo o acréscimo da resistência

diretamente proporcional ao incremento da temperatura.

Quanto à natureza dos materiais envolvidos, pode-se dizer que a natureza

do solo é mais importante devido à sua mineralogia e textura. Há argilominerais

como a caulinita e a ilita que reagem de forma mais lenta com a cal e produzem

minerais menos diversificados (Nobrega, 1985 apud Guimarães, 2006).

2.6.1.2 Dosagem da cal

A dosagem da cal visa selecionar a quantidade de cal necessária a ser

adicionada ao solo, atribuindo-lhe resistência. Dentre os métodos utilizados, Rosa

(2009) cita:

- Método do pH (Eades & Grim, 1966): consiste na determinação do teor

mínimo de cal que produza um aumento no valor de pH para 12,4;

-Método do ICL (Initial Consumption of Lime): proposto por Rogers et al

(1997), é uma variação do método do pH, onde o teor mínimo de cal é aquele

onde o pH atinge um valor constante (máximo);

-Método do Lime Fixation Point (Hilt & Davidson, 1960): baseado no

limite de plasticidade, que determina o teor de cal máximo que proporciona

melhoria na trabalhabilidade, sem ganhos significativos de resistência;

-Método de Thompson (1966): define como reativo um solo que apresente

um aumento de resistência à compressão simples de pelo menos 345 kPa quando

estabilizado com cal.

De acordo com Lopes (2011), estudos de Eades & Grim de 1966

demonstraram que a porcentagem de cal obtida pelo método do pH não produz a

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43

máxima resistência à compressão nos solos tropicais e subtropicais, não

assegurando se a reação do solo com a cal produzirá um substancial aumento de

resistência, devendo ser usado apenas como referência.

Além desses métodos clássicos de dosagem de cal, um outro método

utilizado é a relação volume de vazios/volume de agente cimentante, utilizada na

previsão do comportamento mecânico de solos artificialmente cimentados. Esta

metodologia tem sido foco de inúmeras pesquisas; dentre elas Junior (2011) cita

as de Foppa (2005), Junior (2007), Consoli et al (2007, 2009a, 2009b),

Lautenschläger (2007), Righetto (2008), Cruz (2008), Rosa (2009), Sandroni &

Consoli (2010).

A primeira pesquisa a desenvolver esta metodologia foi a de Junior (2007),

que utilizou o conceito de que, dada uma variação no volume de vazios de uma

amostra, haveria uma variação proporcional no volume de cal para contrabalançar

a perda ou ganho de resistência.

2.6.1.3 Variáveis determinantes do comportamento de mistura solo-cal

Como dito anteriormente, a adição de cal a um solo argiloso provoca

alterações em algumas de suas propriedades físicas. Em geral, ocorrem melhoras

na plasticidade, trabalhabilidade e nas características de resistência e

permeabilidade. Essas alterações, por sua vez, dependem de diversos fatores como

tipo de solo, tipo e teor de cal, tipo e teor de cinza, efeito da densidade e energia

de compactação, período e condições de cura (Lovato, 2004).

No que se refere ao efeito da cal, a primeira resposta da mistura solo-cal

consiste na redução do índice de plasticidade, acompanhada de mudanças na

granulometria e melhoria na trabalhabilidade. A segunda resposta consiste no

ganho de resistência que ocorre através da cimentação das partículas (Ingles &

Metcalf et al, 1972 apud Junior, 2011).

De similar importância à quantidade de cal é a densidade na qual a mistura

é compactada. Com o aumento da densidade, a resistência aumenta, a

permeabilidade diminui até um valor mínimo, próximo da umidade ótima, e

depois começa a aumentar novamente (Ingles & Metcalf, 1972 apud Rosa, 2009).

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44

Segundo Lovato (2004), há relatos do TRB (1987) de que misturas solo-

cal apresentam menor massa específica aparente máxima do que o solo natural

para uma mesma energia de compactação. À medida que o teor de cal aumenta,

essa massa continua diminuindo e a umidade ótima tende a aumentar.

Quando adicionada cal, as partículas de solo tornam-se mais floculadas,

devido à substituição dos íons sódio monovalentes da argila por íons cálcio

divalentes. Com a floculação, a quantidade de vazios no solo aumenta, o que

significa um índice de vazios mais elevado, que provoca a redução da massa

específica aparente seca do solo. De forma análoga, com o aumento de vazios,

maior será a quantidade de água necessária para preenchê-los, o que resultará em

uma umidade ótima maior e, consequentemente, em uma curva de compactação

mais achatada (Sivapullaiah et al, 1998 apud Lovato, 2004).

Outro fator importante por reger o comportamento de misturas solo-cal é o

tempo de cura, visto que ele é fundamental para as reações pozolânicas. Ingles e

Metcalf (1972 apud Rosa, 2009) estudaram a influência do tempo de cura na

resistência de diferentes tipos de solo. A Figura 2.7 mostra os resultados deste

estudo, através do qual foi possível concluir que o pedregulho arenoso é o solo

que mais apresenta resistência quando submetido à cura, sendo o ganho de

resistência diretamente proporcional ao período de cura.

Figura 2.7: Efeito do tempo de cura sobre a resistência à compressão simples para alguns solos estabilizados com cal (Ingles & Metcalf, 1972 apud Rosa, 2009).

A adição de materiais pozolânicos ao solo, como a cinza volante, é outro

fator que auxilia nas reações com a cal, proporcionando à mistura ganhos de

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45

resistência consideráveis (ASTM C593-06, 2011). Consoli et al (2001) estudaram

a mistura de um solo arenoso tratado com cal de carbureto e cinza volante,

verificando que ela apresentou um desempenho considerável em termos da

resistência ao cisalhamento e deformabilidade.

Além dos fatores citados, ainda se pode destacar a influência do teor de

umidade e da relação água/cal. Quanto ao efeito do teor de umidade, estudos

realizados com solo-cal e solo-cinza-cal mostram que, em alguns casos, o teor de

umidade que proporciona máxima resistência e máxima durabilidade não é

necessariamente igual ao teor de umidade que é determinado no ensaio de

compactação e que gera a maior massa específica aparente seca, e sim um valor

levemente inferior ao teor ótimo (Consoli et al, 2001).

De acordo com Sandroni & Consoli (2010), Osinubi (1998) estudou a

influência do retardamento da compactação em misturas solo-cal, observando uma

redução na umidade ótima da mistura à medida que o tempo de espera entre a

mistura e a compactação aumenta. Isto pode ser atribuído às trocas catiônicas e à

floculação das partículas de argila que ocorrem simultaneamente, provocando a

redução de água disponível no sistema.

Quanto à proporção água/cal, o trabalho de Junior (2007) permitiu

verificar que não há relação entre ela e a resistência à compressão simples. Dessa

forma, para uma mistura composta por solo e cal, a relação água/cal não é a

melhor maneira de prever a resistência em solos não saturados, sendo a água

somente necessária para transportar íons cálcio e hidroxila para a superfície da

argila para que ocorram as reações químicas. Em contrapartida, segundo Consoli

et al (2004), para a estimativa da resistência de solos tratados com cimento, a

relação água/cal é eficaz.

2.6.1.4 Comportamento mecânico do solo-cal

A resistência de misturas solo-cal normalmente é avaliada através dos

ensaios de compressão simples, compressão triaxial e Índice de Suporte

Califórnia, e depende de variáveis como teor de cal, tipos de solo e cal, energia de

compactação, tempo e temperatura de cura, descritos anteriormente (TRB, 1987

apud Lovato, 2004).

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46

Segundo Ingles & Metcalf (1972 apud Rosa, 2009), geralmente, a

resistência à compressão simples aumenta linearmente com a quantidade de cal

até certo nível, da ordem de 8% para solos argilosos. A partir deste ponto, a taxa

de acréscimo de resistência diminui com a quantidade de cal, devido às misturas

solo-cal apresentarem uma cimentação lenta que dependerá do tipo de solo,

conforme mostra a Figura 2.8.

Figura 2.8: Efeito da quantidade de cal sobre a resistência à compressão simples para alguns solos tratados com cal e curados por 7 dias (Ingles e Metcalf, 1972 apud Rosa, 2009).

Com base em Sandroni & Consoli (2010), Ormsby e Kinter (1973)

verificaram a influência da composição química do solo na resistência adquirida.

Em solos ricos com caolinita, a adição de cal cálcica fornece ao solo maiores

resistências do que a dolomítica, sendo a resistência à compressão simples função

linear do teor de cal adicionado. Quando o principal argilomineral é a

montmorilonita, os melhores efeitos são obtidos na presença de cal dolomítica.

Vale ressaltar que na cal dolomítica a presença de magnésio reduz a quantidade de

cálcio necessária para as reações pozolânicas. Sendo assim, essa falta de cálcio

pode ser compensada pela dosagem de um maior teor de cal, como afirma

Bhattacharja (2003 apud Lovato, 2004).

Segundo Rosa (2009), o aumento da resistência à compressão simples de

misturas solo-cal com o aumento da energia de compactação foi verificado por

Mateos (1964), que afirmou que a resistência das misturas é fortemente

influenciada pela temperatura de cura, recomendando a construção de camadas de

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47

pavimento estabilizadas com cal no início do verão. Consoli et al (2001)

constataram em sua pesquisa que a energia de compactação influencia

sobremaneira na determinação da resistência mecânica de solos tratados com cal

de carbureto e cinza volante.

De acordo com Junior (2011), a resistência ao cisalhamento de um solo

fino reativo é representada por um aumento significativo da coesão, sendo o

aumento do ângulo de atrito bem menos expressivo. Thomé (1994), ao estabilizar

um solo classificado como gley húmico com 5, 7 e 9% de cal, obteve valores de

coesão e ângulo de atrito compreendidos entre 13,7 e 21,6 kPa, e 19,7° e 23,1°,

respectivamente, quando no início o solo natural tinha uma coesão de 6,1 kPa e

ângulo de atrito de 18,3°. Consoli et al (2001), ao verificarem o comportamento

de um solo silte-arenoso tratado com 4% de cal de carbureto, observaram um

acréscimo na coesão de 10 KN/m² para 42 KN/m², e um acréscimo no ângulo de

atrito de 35° para 38° em relação ao solo natural.

Quanto ao comportamento tensão-deformação de misturas solo-cal, a

mudança na deformabilidade de um solo fino reativo é marcante se as reações

pozolânicas já tiverem ocorrido. A tensão de ruptura aumenta significativamente

enquanto a deformação para ruptura diminui, revelando o comportamento frágil

deste tipo de mistura (Lopes, 2011). Consoli et al (2001), em seu estudo com

mistura solo-cinza-cal, observaram um comportamento frágil na ruptura e que a

deformação axial na ruptura diminui com a cimentação.

2.6.2 Solo-cinza volante de carvão

De acordo com Rohde et al (2006), a estabilização de solos com cinza

volante em misturas solo-cinza-cal teve suas primeiras aplicações nas décadas de

1920 e 1930. A adição de cinza volante a solos que inicialmente não seriam

adequados à estabilização com cal parte do princípio de que a adição de material

pozolânico, como a cinza volante, auxilia nos níveis de reação com a cal,

formando um composto com propriedades cimentantes.

Nardi, em 1975, afirmou que processos clássicos de estabilização de solos

costumam ser de difícil aplicação a solos mal graduados e uniformes desprovidos

de finos, como os solos arenosos. Isto se deve ao fato de que a uniformidade das

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48

partículas destes solos dificulta a cimentação, devido ao maior volume de vazios e

ao menor número de contatos entre os grãos de solo.

Quispe (2013) reafirma que solos arenosos, com escassez de argila

coloidal, não reagem satisfatoriamente à cal; dessa forma, uma das alternativas é

utilizar cimento, mas como este pode ser uma solução muito cara, costuma-se

utilizar a cinza volante, que possui a função de substituir a fração fina (argila) do

solo, reagindo com a cal através das reações pozolânicas.

Um dos trabalhos mais significativos realizados é o de Mateos (1961 apud

Pinto, 1971), que ensaiou e descreveu fatores que afetam a estabilização dos solos

representativos do Estado de IOWA, nos EUA, com cinzas volantes da região.

Dentre estes fatores, podem-se citar tipos de cal, cinza e solo; efeito de diferentes

proporções de cal e cinza; relações entre umidade, densidade e resistência; efeitos

da energia de compactação e da temperatura de cura; influência da adição de

aditivos químicos e da demora na compactação depois de a mistura ser

umedecida; testes de congelamento e degelo, dentre outros.

Pinto (1971) utilizou em sua pesquisa misturas de areia com cinza volante

(10%, 17,5%, 25%) e cal dolomítica hidratada (6%). Foram adotadas duas

energias de compactação e três idades de cura (7, 14 e 28 dias), e foi analisada a

influência da temperatura de cura (7°C, 23°C, 40°C e 60°C) para a mistura com

17,5% de cinza. Os ensaios de resistência à compressão simples mostraram que os

teores ótimos de cinza volante, necessários para a obtenção de resistências

elevadas, estariam entre 15% e 25%, ou 30%. Além disso, foi observado um

aumento da resistência com a energia de compactação e com o prolongamento do

tempo de cura para as misturas. Vale destacar que corpos de prova curados a

elevadas temperaturas atingiram, em poucos dias, resistências bem superiores aos

curados em muitos dias à temperatura ambiente.

Dando prosseguimento à pesquisa de Pinto (1971), Nardi (1975) realizou

um estudo, em laboratório, da estabilização de um solo arenoso misturado à cinza

volante (13%) e cal hidratada cálcica (4%), e verificou o efeito da adição de

cimento portland (1%) e de brita (30%) na resistência da mistura. Foram

realizados ensaios de resistência à compressão simples e à compressão diametral,

através dos quais foi constatado um crescimento linear da resistência com o

tempo, que não só depende do esforço de compactação, mas também das dosagens

das misturas.

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49

Mallmann (1996) verificou o comportamento mecânico e físico da

estabilização de cinzas volante e pesada com cal dolomítica hidratada e areia,

curadas pelos processos de cura autoclave (149 a 188°C) e câmara à temperatura

constante (21°C). Os resultados dos ensaios de resistência à compressão simples

mostraram que, para a cura em autoclave, a resistência aumentou em comparação

aos corpos de prova curados à temperatura constante, a 7, 14, 28 e 60 dias de cura.

Também se observou um aumento da resistência com o aumento da energia de

moldagem, devido ao maior número de reações pozolânicas desenvolvidas com a

aproximação das partículas. A proporção da quantidade de cal e cinza na mistura

influenciou sobremaneira nos resultados dos ensaios e, em termos estatísticos,

verificou-se que a energia de moldagem e o tempo de cura são os fatores que

apresentam os maiores efeitos sobre os resultados de resistência, para ambos os

processos de cura.

Consoli et al (2001) realizaram ensaios de compressão não confinada e

ensaios de compressão triaxial drenados de um solo arenoso melhorado com cal

carbonática e cinza volante, no intuito de avaliar o seu comportamento tensão-

deformação. As mudanças no comportamento da mistura foram observadas

imediatamente após a mistura e a compactação, e após 28 dias de cura. Além

disso, buscou-se analisar a influência do teor de umidade e do peso específico

seco no comportamento da mistura, testando amostras moldadas no teor de

umidade ótimo, no lado seco e no lado úmido da curva de compactação obtida. De

acordo com os resultados, a adição de cal carbonática provocou, inicialmente, um

aumento do ângulo de atrito e da coesão, sendo que a máxima rigidez triaxial

ocorreu para as amostras moldadas no lado seco, enquanto a resistência máxima

ocorreu no teor de umidade ótima. Após 28 dias, as reações pozolânicas

induziram a um comportamento frágil e aumentaram ainda mais a resistência de

pico e a rigidez, sendo que ambas ocorreram no lado seco da curva de

compactação.

Rosa (2009) quantificou a influência das variáveis quantidade de cal,

quantidade de cinza volante, porosidade e tempo de cura sobre a resistência de um

solo arenoso artificialmente cimentado, verificando a adequação do uso da relação

vazios-cal na estimativa da resistência à compressão simples destas misturas. Os

resultados demonstraram que o aumento da quantidade de cal e cinza volante, da

massa específica aparente seca e do tempo de cura provocou o aumento da sua

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50

resistência à compressão simples. Esta aumenta linearmente com o aumento da

quantidade da cal (3% até 9%) e exponencialmente com a redução da porosidade

das misturas, o que assegura a adequabilidade da relação vazios/cal na estimativa

da resistência. O ganho de resistência com o aumento da massa específica

aparente seca do material compactado e do teor de cinza volante indica que a

efetividade da cimentação é maior nas misturas mais compactas e com maior

porcentagem de cinza volante (0% até 25%), devido à ocorrência de reações

pozolânicas.

Lopes (2011) estudou a aplicabilidade das cinzas volante e de fundo em

camadas de base de pavimentos rodoviários, através da mistura destas cinzas a um

solo areno-siltoso não laterítico. Foram realizados ensaios de caracterização física,

química, mecânica, e ensaios de solubilização e lixiviação. Os teores de cinza de

fundo foram 30% e 40%, e da cinza volante foram 10% e 20%, relacionados ao

peso do solo seco. Também foram realizados ensaios com a adição de 3% de cal.

As análises mecanísticas-empíricas com os valores de módulo resiliente

mostraram que é viável a utilização de cinzas como aditivo ao solo para utilização

em base de pavimentos de baixo volume de tráfego. Os ensaios triaxiais de cargas

repetidas demonstraram que a tensão confinante é mais influente no solo estudado

e que este comportamento não muda com a adição das cinzas. As análises dos

resultados de módulo de resiliência comprovaram a influência dos fatores tipo e

teor de cinza, tempo de cura e cal no módulo de resiliência, que apresentou

melhores resultados nas misturas com cinza volante e cal.

Junior (2011) estudou a aplicabilidade da relação volume de

vazios/volume de cal na estimativa da resistência à compressão simples e triaxial

para um solo areno-argiloso misturado com cal e cinza volante. Para isso, foram

realizados ensaios de compressão simples e triaxial. A adição de cal (3% a 11%)

promoveu ganhos de resistência nas misturas solo-cal e solo-cinza-cal,

verificando-se um aumento não-linear da resistência à compressão simples com o

aumento da quantidade de cal. Além disso, verificou-se que, independentemente

da quantidade de cal adicionada, a resistência aumentou potencialmente com a

redução da porosidade da mistura compactada. Em contrapartida, a taxa de ganho

de resistência não alterou consideravelmente com o aumento da massa específica

aparente seca. Quanto à resistência à compressão triaxial, constatou-se que quanto

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51

maior a cimentação, tensão confinante efetiva de ensaio, tempo de cura; e quanto

menor a relação vazios/cal, maior a resistência obtida.

Consoli et al (2011) desenvolveram um estudo com o objetivo de

quantificar a influência do período de cura (28, 60 e 90 dias de cura), teor de cal

(3 a 9%) , teor de cinza volante (0, 12,5 e 25%) e porosidade na resistência de um

solo arenoso misturado com cinza volante e cal; assim como avaliar o uso da

relação porosidade/teor volumétrico de cal na estimativa da resistência à

compressão não confinada. De acordo com os resultados, concluiu-se que quanto

maior o teor de cinza volante e quanto maior o período de cura, maior é a

resistência à compressão não confinada para um dado teor de cal. Em todas as

misturas solo-cinza-cal, sob todos os períodos de cura, a resistência aumentou

exponencialmente com a redução da porosidade, o que mostra ser a relação

porosidade/teor volumétrico de cal um parâmetro satisfatório na avaliação da

resistência da mistura em estudo.

Em outro estudo, Consoli et al (2011) também quantificaram a influência

dos teores de cinza volante (12,5 e 25%) e cal (3, 5, 7 e 9%), do tempo de cura

(28, 60 e 90 dias) e da porosidade na resistência de uma mistura composta por

solo arenoso, cinza volante e cal, avaliando o uso da proporção vazios/cal na

estimativa da resistência à compressão não confinada. Os ensaios mostraram que a

resistência aumenta linearmente com o teor de cal para as misturas, e

exponencialmente com a redução da porosidade para todas as misturas estudadas,

sendo a relação vazios/cal um bom parâmetro na avaliação da resistência do solo

em estudo. Ainda se pode destacar que houve um aumento da resistência com o

aumento do período de cura. Para 90 dias de cura, foi observado um aumento de

38% na resistência das misturas, evidenciando que os efeitos dos teores de cal e

cinza volante, do peso específico seco e suas interações são estatisticamente

significantes para as misturas submetidas a este período de cura.

2.6.3 Solo-cinza de RSU

Pesquisas sobre a utilização de cinzas de resíduos sólidos urbanos (RSU)

em processos de estabilização de solos são recentes quando comparadas aos

estudos realizados com cinzas de carvão mineral, devido ao fato de o número de

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52

usinas termoelétricas de RSU ser menor do que as que utilizam carvão (Vizcarra,

2010). Contudo, o comportamento relatado sobre os seus mecanismos de

estabilização pode ser comparado aos das cinzas de carvão, desde que o RSU seja

composto principalmente por matéria orgânica. Pode-se dizer que o estudo deste

tipo de cinza tem sido motivado pelos mesmos princípios, de reaproveitamento de

resíduos, busca por materiais de construção não convencionais e preservação de

jazidas de materiais naturais.

Ferreira et al (2003 apud Quispe, 2010) relatam que a cinza volante de

RSU pode ser aplicável a rodovias como material substituto de areia e/ou cimento

para bases e sub-bases estabilizadas com cimento. Estes autores ainda comentam

que uma aplicação potencial para este tipo de cinza está na estabilização do solo,

como um substituto de cal ou cimento.

A seguir, serão descritas as pesquisas de Vizcarra (2010), Quispe (2013) e

Szeliga (2014), que utilizaram cinzas provenientes da incineração de resíduos

sólidos urbanos.

Na pesquisa de Vizcarra (2010), foram realizadas misturas das cinzas

volante e de fundo de RSU (20% e 40%) com um solo argiloso não laterítico

regional, com a finalidade de avaliar sua aplicabilidade em camadas de base de

pavimentos. Para tal, foram executados ensaios de caracterização química, física e

mecânica destas misturas, bem como o dimensionamento mecanístico para uma

estrurura típica de pavimento. Os resultados demonstraram que a inserção de

cinza volante e cura prévia da mistura dobram o valor do módulo resiliente,

resultando na diminuição da espessura da camada de base em comparação ao solo

puro, para um mesmo nível de carregamento e mesmos critérios de

dimensionamento. Os resultados obtidos foram satisfatórios, sendo dependentes

do teor e do tipo de cinza utilizados, destacando o emprego positivo da cinza

volante de RSU para aplicação em camadas de base de pavimentos rodoviários.

Quispe (2013) realizou um estudo com misturas de um solo coluvionar

argiloso com os teores de 20%, 30% e 40% de cinza volante e cinza de fundo, sob

30 e 60 dias de cura, com o objetivo de avaliar a aplicabilidade das mesmas para

obras geotécnicas. Foram então realizados ensaios de caracterização física,

química e mecânica (compactação Proctor Normal e ensaios triaxiais consolidados

isotropicamente drenados) destas misturas. Os resultados mostraram que todas as

misturas solo-cinza apresentaram melhores parâmetros de resistência em

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53

comparação ao solo puro, sendo que as misturas com cinza volante obtiveram os

melhores resultados. Em contrapartida, para maiores teores de cinza volante,

houve uma diminuição da coesão. Com relação ao tempo de cura, em geral, houve

melhora do comportamento das misturas solo-cinza em comparação ao obtido sem

cura. As misturas com 40% de cinza volante e 30% de cinza de fundo

apresentaram as melhores características de resistência, podendo ser aplicadas a

uma ampla gama de obras geotécnicas.

Na pesquisa de Szeliga (2014), foram realizados ensaios triaxiais de

misturas com solo arenoso, cal e teores de 30% e 40% de cinzas volante e de

fundo, a diferentes períodos de cura, a fim de avaliar a sua aplicação para obras

geotécnicas. Para ambos os tipos de cinza, verificou-se que os melhores resultados

obtidos ocorreram para 40% de cinza. Para as misturas com cal, não foi possível

se estabelecer um padrão com relação aos períodos de cura estudados, sendo o

melhor resultado obtido para a mistura com 27% de cinza, a 60 dias de cura. A

execução de ensaios com corpos de prova pré-moldados para esta mesma

porcentagem, no mesmo tempo de cura, permitiu concluir que a técnica de

moldagem interfere na resistência do material, uma vez que, ao utilizar corpos de

prova pré-moldados, os resultados obtidos tendem a ser melhores do que os com

corpos de prova sem ser moldados.

2.7 Resistência ao cisalhamento

A resistência ao cisalhamento do solo pode ser definida como a máxima

tensão de cisalhamento que o solo pode suportar sem sofrer a ruptura, ou como a

tensão cisalhante no plano em que a ruptura estiver ocorrendo. Gerscovich (2010)

afirma que a resistência ao cisalhamento de um solo é função de dois

componentes, o embricamento e a resistência entre as partículas, sendo este

último dividido em mais dois componentes, que são a coesão e o ângulo de atrito.

O embricamento consiste no trabalho necessário para movimentar a

partícula de forma ascendente. No caso de um solo denso, como o utilizado por

Benedetti (2011) em sua pesquisa, há uma força adicional para superar o

embricamento entra as partículas, levando à ocorrência de uma expansão

volumétrica durante o ensaio, chamada de dilatância.

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54

A coesão pode ser dividida em coesão aparente, resultante das pressões

capilares da água contida nos solos, e coesão verdadeira, oriunda de pequenas

atrações entre as partículas que dependem da natureza dos solos ou sedimentos.

Para solos ou sedimentos com granulometria fina, o ângulo de atrito aumenta com

a redução da plasticidade, e para solos granulares, o ângulo de atrito depende da

forma e aspereza dos grãos, e do fato de a amostra ser bem ou mal graduada.

Atualmente, existem diversos métodos para se determinar a resistência ao

cisalhamento de um solo, no entanto, os mais utilizados incluem o ensaio de

cisalhamento direto e o ensaio triaxial. Como na presente pesquisa foi realizado o

ensaio de cisalhamento direto, apenas este será enfocado.

2.7.1 Ensaio de resistência ao cisalhamento

O ensaio de cisalhamento direto permite a determinação da resistência ao

cisalhamento do solo através da obtenção dos parâmetros coesão e ângulo de

atrito. Durante o ensaio, uma tensão normal pré-definida é aplicada ao corpo de

prova, e uma tensão cisalhante, que irá provocar a ruptura, é continuamente

aplicada e verificada, obtendo-se, assim, a tensão cisalhante máxima suportada

pelo solo.

Os parâmetros coesão e ângulo de atrito são agrupados pelo critério de

Mohr-Coulomb, expresso na equação eq. (2.6), e graficamente na Figura 2.9.

� = �´ + �´��ø´ eq. (2.6)

onde

� é a tensão cisalhante efetiva em kPa;

�´é a tensão normal efetiva em kPa;

��ø´ é a tangente do ângulo de atrito interno;

c´ é a coesão aparente.

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55

Figura 2.9: Representação gráfica do critério de ruptura de Mohr-Coulomb.

Como vantagens, este ensaio é simples e apresenta facilidade de execução.

Como desvantagens, Das (2007) aponta o fato de a ruptura ocorrer ao longo de

um plano pré-determinado, o que não é relevante para determinados casos; e ainda

ressalta que este ensaio não permite um controle de drenagem do corpo de prova,

já que a caixa não possui um sistema de vedação adequado e eficiente.

Ainda segundo este autor, o ensaio de cisalhamento pode ser realizado

com tensão controlada ou com deformação controlada. Nos ensaios com tensão

controlada, a força de cisalhamento é aplicada em incrementos iguais até que o

corpo de prova sofra ruptura; já nos ensaios com deformação controlada, uma taxa

constante de deslocamento cisalhante é aplicada a uma metade da caixa por um

motor que atua por meio de engrenagens. A vantagem do segundo método é que,

no caso de uma areia compacta, a resistência ao cisalhamento de pico (na ruptura)

e a resistência ao cisalhamento inferior (no ponto após a ruptura, chamado de

resistência última) podem ser observadas graficamente. Além disso, este método

modela melhor as situações reais de campo. A Figura 2.10 apresenta um esquema

do equipamento de cisalhamento direto com deformação controlada, o qual será

utilizado na presente pesquisa.

Figura 2.10: Esquema do equipamento do ensaio de cisalhamento direto com deformação controlada (Gerscovich, 2010 apud Benedetti, 2011).

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56

2.8 Considerações finais

Na revisão bibliográfica do presente estudo, foi relatada a participação do

carvão mineral na matriz energética brasileira, bem como a descrição dos resíduos

oriundos do processo de combustão do carvão mineral, que consistem em dois

tipos de cinza, a volante e a de fundo. Como nesta pesquisa é estudada a cinza

volante, a revisão enfoca as áreas de aplicação deste material, que é muito

utilizado no setor de construção, na fabricação de cimento pozolânico, por

exemplo; além de ser empregado como agente estabilizante de solos, dentre outros

fins. Esta pesquisa também aborda os tipos de processos de estabilização de solos,

que podem ser químico ou mecânico; e os processos de tratamento do solo com a

cal, bem como as reações desencadeadas entre ambos e os fatores que influenciam

no comportamento da mistura solo-cal, como tipo de solo, teor de cal, tipo e teor

de cinza, efeito da densidade e energia de compactação e do tempo de cura.

Também são abordadas as pesquisas realizadas com a cinza volante, reforçando o

emprego positivo deste material em misturas com solo-cal, seja em obras

geotécnicas, seja como revestimento de base de pavimentos, contribuindo para

uma destinação ambientalmente correta deste material. É importante destacar que

por se tratar de um resíduo dotado de variações em sua constituição, é

imprescindível a realização de ensaios de caráter ambiental de modo a verificar a

aplicabilidade segura do mesmo.

DBD


3 Programa experimental 3.1 Considerações iniciais

O programa experimental deste trabalho consiste em duas etapas: na

primeira, inicialmente foram definidas as porcentagens de cinza adotadas para as

misturas com base em trabalhos realizados anteriormente, descritos na revisão

bibliográfica. Posteriormente, foram realizados ensaios de caracterização física

dos materiais (areia, argila, cinza volante, misturas destes com a cal), com o

objetivo de conhecer a granulometria dos mesmos e obter os valores de densidade

real dos grãos.

Para a areia e as misturas, também foram realizados ensaios com o

objetivo de determinar os índices de vazios, com base na densidade relativa da

areia correspondente a 50%, definida através da análise de trabalhos anteriores. A

umidade ótima adotada nos ensaios de cisalhamento da areia e das misturas foi

definida através da execução de ensaios de cisalhamento direto da areia a

diferentes umidades, tendo sido escolhida aquela cujo comportamento apresentou-

se melhor.

Na segunda etapa, foram realizados ensaios de caracterização mecânica

(ensaios de compactação e ensaios de cisalhamento direto). Os ensaios de

compactação foram realizados para todas as misturas com argila, a fim de se

determinar a umidade ótima e o peso específico seco máximo para a moldagem de

cada corpo de prova para o ensaio de cisalhamento direto.

Foi executada uma sequência de ensaios de cisalhamento direto para as

misturas solo-cinza e solo-cinza-cal, tendo sido adotada a cura apenas para as

misturas com areia e cal, por motivos de disponibilidade de tempo.

Na Tabela 3.1, encontra-se a descrição de todos os ensaios realizados.

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58

Tabela 3.1: Descrição dos ensaios.

Etapa Material Ensaio Quantidade*

Caracterização

física

Areia

Densidade real dos

grãos 3

Análise

granulométrica 1

Índice de vazios

máximo e mínimo 3

Cinza volante

Densidade real dos

grãos 3

Análise

granulométrica 1

Misturas com areia

e cinza

Densidade real dos

grãos 3

Análise

granulométrica 1

Índice de vazios

máximo e mínimo 3

Misturas com areia,

cinza e cal

Densidade real dos

grãos 3

Misturas com argila

e cinza

Densidade real dos

grãos 3

Análise

granulométrica 1

Misturas com argila,

cinza e cal

Densidade real dos

grãos 3

Caracterização

mecânica

Misturas com areia

e cinza Cisalhamento direto 3

Misturas com areia,

cinza e cal Cisalhamento direto 3

Misturas com argila

e cinza

Compactação 1

Cisalhamento direto 3

Misturas com argila,

cinza e cal

Compactação 1

Cisalhamento direto 3

*Quantidade de ensaios por material e/ou mistura.

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59

3.2 Materiais 3.2.1 Solo 3.2.1.1 Solo argiloso

O solo utilizado é um solo maduro, de origem coluvionar, argilo-arenoso,

não saturado, proveniente do Campo Experimental II da PUC-Rio (Soares, 2005).

O material foi retirado de uma profundidade de aproximadamente 2 metros a

partir da superfície da encosta. A Figura 3.1 mostra a localização do Campo

Experimental II, e a caracterização deste material está presente no Capítulo 4.

Cabe ressaltar que a escolha deste material foi feita em função de o local de

retirada ser de fácil acesso e de existir em muitos trabalhos anteriores sobre ele,

como os de Sertã (1986), Lins (1991), Daylac (1994), Beneveli (2002), Ramírez

(2012) e Quispe (2013).

Figura 3.1: Localização do Campo Experimental II da PUC-Rio (Soares, 2005).

De acordo com Sertã (1986), embora não existam afloramentos rochosos

no Campo Experimental, o embasamento local é constituído por um gnaisse

formado principalmente por minerais como quartzo, feldspato e biotita, e por

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60

minerais acessórios como a muscovita e a granada. Sua tonalidade é vermelha

com trechos amarelados, devido à presença de óxidos de ferro e alumínio

resultantes do processo de intemperismo dos minerais primários. A Figura 3.2

mostra o aspecto do solo em estudo.

Figura 3.2: Solo argiloso.

Baseando-se no perfil morfológico feito por Daylac (1994), mostrado na

Figura 3.3, o solo utilizado encontra-se na camada superior do perfil, conformado

por colúvio. No local da coleta, foi observada ainda a presença de alguns

pedregulhos de quartzo e uma grande quantidade de raízes.

Daylac (1994) também sintetizou os resultados da análise mineralógica do

solo do campo experimental, realizada por Sertã (1986). A Tabela 3.2 mostra a

mineralogia do solo a 3 m de profundidade. A presença de minerais como a

caulinita, a gibsita e a goetita, e o perfil morfológico apresentado revelam o

elevado grau de intemperismo do solo em estudo.

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61

Figura 3.3: Perfil morfológico do Campo Experimental da PUC-Rio (Daylac, 1994).

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62

Tabela 3.2: Mineralogia para a profundidade de 3m (Sertã, 1986).

Fração do solo Mineral Quantidade / observações

Pedregulho Quartzo

grãos arestados de coloração

transparente a leitosos

Granada alterada alguns fragmentos

Areia

Quartzo grãos arestados

Granada muito alterada correspondem a

aproximadamente 5% da amostra

total Agregados

Ferruginosos

Magnetita pequenos traços

Silte

Quartzo presença

Caulinita presença

Goetita presença

Argila Caulinita presença marcante

Goetita alguns traços

3.2.1.2 Areia

A areia foi coletada na Praia da Barra da Tijuca, localizada na zona oeste

da cidade do Rio de Janeiro/RJ. Foi escolhida uma areia de praia no intuito de

avaliar o comportamento mecânico de misturas com este material, analisando

individualmente o papel das cinzas e da cal na resistência das misturas, tendo em

vista que esta areia foi considerada material inerte.

O local da coleta foi escolhido em função da presença de uma areia de

granulometria fina, sendo ela realizada entre os postos 5 e 6 (Figura 3.4). O

material foi coletado a cerca de 40 cm de profundidade, evitando que eventuais

impurezas também fossem coletadas, e posteriormente, armazenado em sacos

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63

plásticos. A Figura 3.5 ilustra este solo, e a sua caracterização é apresentada no

Capítulo 4.

Figura 3.4: Localização do ponto de coleta de areia.

Figura 3.5: Areia.

3.2.2 Cinza volante

A cinza volante é originária do processo de queima do carvão mineral no

Complexo Termelétrico Jorge Lacerda, situado no município Capivari de Baixo,

no estado de Santa Catarina (Figura 3.6). Foi transportada para o Rio de Janeiro

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64

por meio da SATC – Associação Beneficente da Indústria Carbonífera de Santa

Catarina, e foi disposta em tonéis no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente

da PUC-Rio.

Figura 3.6: Localização do Complexo Termelétrico Jorge Lacerda (Leandro, 2005).

A caracterização da cinza volante está presente no Capítulo 4. Na Figura

3.7, podem ser observados com detalhe os aspectos desta cinza.

Figura 3.7: Cinza volante.

O Complexo Termelétrico Jorge Lacerda é considerado o maior complexo

termelétrico movido a carvão mineral da América Latina. Pertence à Companhia

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65

Tractebel Energia, que integra o Grupo Franco-Belga GDF-Suez e engloba um

conjunto de usinas termelétricas, como pode ser visto na Figura 3.8. A Figura 3.9

mostra a vista da área de depósito das cinzas desta termelétrica.

O complexo é composto pelas usinas termelétricas A, B e C com

capacidade de produção instalada de 857 Megawatts. De acordo com Pozzobon

(1999 apud Lopes, 2011), com base na classificação da Portaria 100/87 do

Conselho Nacional do Petróleo, as três utilizam o carvão mineral do tipo CE

4500, com baixo teor calorífico, e um elevado teor de cinzas. A Tabela 3.3

apresenta as especificações do carvão mineral utilizado.

Dentre as principais atividades envolvidas na geração de energia

termelétrica neste Complexo, destacam-se a mineração do carvão e seu transporte

até as usinas onde ocorre a geração de energia elétrica, gerando um abastecimento

das indústrias, residências e estabelecimentos comerciais em torno de 35%.

Dos resíduos produzidos da queima do carvão mineral, são produzidas

cerca de 70% de cinzas volantes, alocadas em silos e vendidas para indústrias de

cimento. Quanto à cinza de fundo, uma pequena parte está sendo utilizada em

áreas degradadas pela mineração de carvão; enquanto a maior parte gerada é

destinada às bacias de decantação (Ubaldo, 2005).

Figura 3.8: Usinas pertencentes à Companhia Tractebel (Tractebel Energia, 2010 apud Lopes, 2011).

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66

Figura 3.9: Vista geral do Complexo Jorge Lacerda (Tractebel Energia, 2010 apud Lopes, 2011).

Tabela 3.3: Especificações dos carvões energéticos brasileiros (Portaria 100/1987-CNP apud Lopes, 2011). Características CE6000 CE5900 CE5200 CE4700 CE4500 CE4200 CE3700 CE3300 CE3100

Poder calorífico superior

mínimo base seca (kcal/kg)

5700 5900 5200 4700 4500 4200 3700 3150 2950

Granulometria (mm)

35X0 50X0 (*) 50X0 (*) 50X0 50X0 50X0 75X0

Umidade máxima total

(%) 15 20 10 19 10 19 15 17 15

Conteúdo máximo de

cinza (%) 25 22 35 35 43 40 47 54 57

Conteúdo máximo de enxofre (%)

6,5 1,5 2,5 1,5 3,5 1,5 1,5 1,5 1,0

Índice de fechamento

(FSI) - - <2 - <2 - - - -

3.2.3 Cal

A cal utilizada nas misturas é a cal hidratada calcítica, conhecida

comercialmente por “cal hidratada Itaú”. A Norma NBR 7175 (2003) - Cal

hidratada para argamassas – apresenta as suas especificações físicas e químicas,

expostas no Quadro 1.

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67

Quadro 1: Exigências físicas e químicas para a cal (NBR 7175).

Exigências físicas

Compostos Limites

CH-I CH-II CH-III

Finura (% retida

acumulada) Peneira 0,600mm 0,5 0,5 0,5

Peneira 0,075mm 10 15 15

Retenção de água 75 75 70

Incorporação de areia 3,0 2,5 2,2

Estabilidade Ausência de cavidades ou protuberâncias

Plasticidade 110 110 110

Exigências químicas

Anidrido carbônico Fábrica (máx) 5% 5% 13%

Depósito (máx) 7% 7% 15%

Óxidos de cálcio e magnésio não hidratado

calculado (CaO + MgO) (máx) 10% 15% 15%

Óxidos totais na base de não voláteis (CaOt +

MgOt) (mín) 90% 88% 88%

3.2.4 Misturas solo-cinza-cal

Para as misturas com areia, foram ensaiadas as porcentagens de 15%, 30%

e 40% de cinza volante, a fim de determinar o “teor ótimo” deste material para a

mistura, no que se refere à melhoria dos parâmetros de resistência do solo (coesão

e ângulo de atrito interno). Para as misturas com solo argiloso, foram ensaiadas as

porcentagens de 15% e 30% de cinza volante.

Vale ressaltar que estas porcentagens de cinza foram definidas com base

na análise dos teores utilizados em pesquisas anteriores.

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68

O teor de cal utilizado foi arbitrado em 3%, em substituição ao peso seco

das cinzas, também tendo sido escolhido com base em trabalhos anteriores.

A Tabela 3.4 apresenta os teores de cada material utilizado nas misturas,

assim como as siglas que as descrevem. Durante o tempo de cura, os corpos de

prova foram armazenados em câmara úmida, a temperatura (22°C) e umidade

(10%) constantes, sendo que para uma melhor conservação dos mesmos, eles

foram vedados em plásticos. Os tempos de cura empregados para cada mistura

estão especificados na Tabela 3.5.

Tabela 3.4: Teores e símbolos utilizados para os materiais.

Material/Mistura Solo (%)

Cinza

volante

(%)

Cal (3%) Símbolo

Areia 100 - - A

Solo argiloso 100 - - S

Cinza Volante - 100 - CV

Mistura 1 60 37 3 A60/CV37/C3

Mistura 2 70 27 3 A70/CV27/C3

Mistura 3 85 12 3 A85/CV12/C3

Mistura 4 60 40 - A60/CV40

Mistura 5 70 30 - A70/CV30

Mistura 6 85 15 - A85/CV15

Mistura 7 70 27 3 S70/CV27/C3

Mistura 8 85 12 3 S85/CV12/C3

Mistura 9 70 30 - S70/CV30

Mistura 10 85 15 - S85/CV15

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69

Tabela 3.5: Tempos de cura empregados para cada mistura. Mistura Cura (dias)

A85/CV12/C3 0

30

A70/CV27/C3

0

30

100

125

140

A60/CV37/C3

0

30

100

125

140

3.3 Métodos e procedimentos de ensaio 3.3.1 Ensaios de caracterização física

Os ensaios de caracterização física das amostras de solo foram realizados

no intuito de se determinar as suas propriedades-índice, e envolveram os ensaios

de análise granulométrica, densidade específica dos grãos e limites de Atterberg.

Todos estes ensaios foram realizados no Laboratório de Geotecnia e Meio

Ambiente da PUC-Rio, e seguiram as metodologias prescritas nas normas a

seguir:

-NBR 6457 (1986) – Amostras de Solos – Preparação para ensaios de

compactação e caracterização;

-NBR 7181 (1984) – Análise granulométrica;

-NBR 6508 (1984) – Determinação da densidade real dos grãos;

-NBR 6459 (1984) – Solo – Determinação do limite de liquidez;

-NBR 7180 (1984) – Solo – Determinação do limite de plasticidade.

-NBR 12004 (1990) – Solo – Determinação do índice de vazios máximos

de solos não coesivos;

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70

-NBR 12051 (1991) – Solo – Determinação do índice de vazios mínimos

de solos não coesivos;

-NBR 7182 (1986) – Solo – Ensaio de compactação.

3.3.1.1 Limites de Atterberg

Os ensaios para a determinação dos limites de liquidez e plasticidade

foram realizados conforme as normas NBR 6459 (1984) e NBR 7180 (1984),

respectivamente.

Através dos resultados obtidos, é possível determinar o índice de

plasticidade do solo, expresso pela equação eq. (3.1):

��%� = ��%� − ��%� eq. (3.1)

3.3.1.2 Densidade real dos grãos

A densidade real dos grãos dos materiais foi determinada de acordo com o

especificado na norma NBR 6508 (1984).

Do material passante na peneira #40, utilizou-se cerca de 120 g para as

misturas com areia e 100 g para as misturas com solo argiloso. Em seguida, foram

colocados 30 g das misturas com areia e 25 g das misturas com solo argiloso em

três picnômetros de 250 mL. Estes picnômetros foram, então, preenchidos com

água destilada e, em seguida, procedeu-se ao processo de deaeração, utilizando

uma bomba de vácuo.

3.3.1.3 Análise granulométrica

A análise granulométrica dos solos e das misturas com cinza foi

determinada de acordo com a norma NBR 7181 (1984).

Peneiraram-se 1000 g de material arenoso e 600 g de material argiloso na

peneira #40, sendo que o retido foi lavado e seco em estufa a 110°C. Após 24

horas, realizou-se o peneiramento grosso com estes materiais. Do material

passante na peneira #40, utilizou-se 70 g para a sedimentação, que foi realizada

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71

com o auxílio do defloculante hexametafosfato de sódio. Depois desta etapa, todo

o material foi lavado na peneira #200 para proceder com o peneiramento fino.

Vale ressaltar que, no caso da cinza volante, a análise granulométrica

englobou apenas a sedimentação, por ela apresentar somente frações finas.

3.3.1.4 Índice de vazios máximo e mínimo

O índice de vazios máximo foi determinado para a areia e as misturas

deste com a cinza volante, de acordo com a norma NBR 12004 (1990). Para fins

práticos, estes ensaios não foram realizados para as misturas com cal. Para elas,

foi empregado o resultado da mistura solo-cinza correspondente. Por exemplo,

para a mistura A85/CV12/C3, foi utilizado o resultado obtido para a mistura

A85/CV15.

Com o auxílio de um funil, o solo foi sendo colocado uniformemente em

um cilindro, seguindo trajetórias da borda em direção ao centro do mesmo. Foram

colocadas 3 camadas de solo, de modo que ficasse sobrando cerca de 2 cm de solo

no topo do cilindro. Este excesso foi então retirado com o auxílio de uma régua de

aço biselada. Este procedimento foi repetido 3 vezes, e em cada uma, foi pesado o

conjunto cilindro+solo.

O índice de vazios mínimo foi determinado para os mesmos materiais e

seguiu os procedimentos da norma NBR 12051 (1991). O solo é colocado da

mesma forma; e a cada camada, ele é vibrado por cerca de 1 minuto. Em seguida,

o conjunto é pesado, sendo este procedimento repetido 3 vezes, obtendo-se a

média.

3.3.2 Ensaios de caracterização química e ambiental

Na medida em que a proposta deste trabalho é reutilizar a cinza volante

para outras aplicações, foram feitos ensaios de caracterização química e ambiental

no intuito de verificar a viabilidade do emprego deste resíduo, sem causar danos à

saúde humana e ao meio ambiente.

Estes ensaios foram realizados no Laboratório de Geotecnia e Meio

Ambiente da PUC-Rio em conjunto com o Departamento de Química, e no

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72

laboratório TASQA Serviços Analíticos Ltda., de acordo com as metodologias das

seguintes normas:

-NBR 10004 (2004) – Classificação de Resíduos Sólidos;

-NBR 10005 (2004) – Lixiviação de Resíduos Sólidos;

-NBR 10006 (2004) – Solubilização de Resíduos Sólidos;

-NBR 13600 (1996) – Determinação do teor de matéria orgânica por

queima a 440°C.

3.3.2.1 Composição química

Os ensaios de composição química da cinza volante foram realizados por

Lopes (2011), que utilizou em sua pesquisa o mesmo material. Portanto, apenas

foi necessário realizar estes ensaios para as misturas.

Foi utilizada a técnica de espectrometria de fluorescência de raios-x por

energia dispersiva (EDX), sendo o EDX um instrumento que determina

qualitativa e semi-quantitativamente os elementos presentes em uma determinada

amostra, através da aplicação de raios-x na superfície da amostra e da análise dos

fluorescentes raios-x emitidos. Por ser uma técnica não destrutiva para todos os

tipos de amostras (sólidos, líquidos ou pós), é considerada interessante para a

caracterização dos materiais.

Foram armazenados 50 g de cada mistura em sacos plásticos para a

execução dos ensaios químicos, contudo, foi introduzida no equipamento uma

quantidade inferior, devido ao fato de o mesmo conseguir trabalhar com poucas

quantidades de material.

3.3.2.2 Ensaios de solubilização e lixiviação

Estes ensaios também foram realizados por Lopes (2011), cujos resultados

encontram-se no capítulo seguinte. Eles foram feitos pelo laboratório TASQA

Serviços Analíticos Ltda., com o objetivo de classificar o resíduo em estudo.

As amostras foram enviadas em caixas plásticas herméticas, contendo

cerca de 3 kg de material, para o Laboratório localizado em Paulínia, São Paulo.

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73

3.3.3 Ensaios de caracterização mecânica 3.3.3.1 Ensaio de compactação Proctor Standard

Os ensaios de compactação foram realizados para o solo puro e as misturas

com os teores de 12%, 15%, 27% e 30% de cinza volante, com a finalidade de

determinar a umidade ótima de compactação e o peso específico seco máximo dos

materiais. Estes ensaios seguiram as metodologias da norma NBR 7182 (1986),

utilizando-se a energia de compactação Proctor Normal e com reuso de material.

Depois de ser seco em estufa a 60 °C, o material foi destorroado e passado

na peneira #4, como determina a norma NBR 6457 (1986). Em seguida, foi

adicionada uma determinada quantidade de água ao material, de forma que ele

ficasse com cerca de 5% de umidade abaixo da umidade ótima. O ensaio de limite

de plasticidade permite estimar com maior precisão este valor, por apresentar um

resultado que pode ser próximo da umidade ótima. Após a adição do volume de

água às misturas do solo argiloso com as diversas porcentagens de cinza,

homogeneizou-se bem o material.

Passada esta etapa, inseriu-se o material dentro do mole cilíndrico pequeno

(cilindro Proctor), aplicando 26 golpes com um soquete pequeno para cada

camada de solo introduzida, totalizando três. Para se conseguir uma boa aderência

entre as camadas compactadas, escarificou-se bem cada uma delas antes de se

compactar a camada sobrejacente. Devido ao emprego de um anel complementar,

atinge-se uma altura de solo maior que a do molde, sendo este excesso removido

com o auxílio de uma régua biselada.

Finalizada a compactação, pesa-se o cilindro juntamente com o solo, e são

retiradas três amostras da região central do corpo de prova com o objetivo de se

obter a sua umidade média após secagem em estufa, e o seu peso específico seco

correspondente.

Após esta etapa, é preparado um novo corpo de prova, com uma

quantidade maior de água, aumentando-se a umidade da mistura em

aproximadamente 2%, prosseguindo-se uma nova compactação e obtendo-se um

novo par de valores de umidade e peso específico seco.

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74

Todo este processo foi repetido cinco vezes para cada mistura, a fim de se

obter cinco pares de valores (dois no ramo seco e dois no ramo úmido da curva de

compactação). Com todos os pontos obtidos, plota-se a curva de compactação, de

onde se extraem os valores de umidade ótima e peso específico seco máximo,

correspondentes ao ponto máximo das curvas, e utilizados para a moldagem dos

corpos de prova utilizados nos ensaios de cisalhamento direto.

3.3.3.2 Ensaio de cisalhamento direto

Os ensaios de cisalhamento foram realizados para os dois tipos de solo em

estudo. Para as misturas com areia, utilizou-se 15%, 30% e 40% de cinza volante.

Empregando-se 3% de cal, as porcentagens de cinza adotadas foram 12%, 27% e

37%, sendo as misturas submetidas a 0, 30, 100, 125 e 140 dias de cura. Para as

misturas com solo argiloso, utilizou-se 15% e 30% de cinza volante. As misturas

com cal contaram com a presença de 12% e 27% de cinza, contudo não foram

submetidas ao processo de cura, devido à disponibilidade de tempo.

Estes ensaios foram realizados com o objetivo de determinar a resistência

ao cisalhamento do solo através da obtenção dos parâmetros coesão e ângulo de

atrito. Dessa forma, buscou-se analisar a influência do teor de cinza e do tempo de

cura nestes parâmetros, verificando a viabilidade do emprego destes materiais

para aplicações geotécnicas.

Os procedimentos para a execução dos ensaios estão descritos na norma

ASTM D 3080 (2004). Devido às particularidades de cada solo em estudo, as

técnicas de moldagem do corpo de prova deles foram diferentes, como é descrito a

seguir.

- Preparação dos corpos de prova de areia

Para a confecção dos corpos de prova de areia e misturas desta com os

teores de cinza determinados, a compactação do material foi realizada diretamente

na caixa de cisalhamento, uma vez que a areia é um material não coesivo, não

sendo possível moldá-lo fora do equipamento. Esta compactação foi realizada

manualmente, de maneira uniforme, e de modo que a areia não ficasse muito

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75

densa. Com o auxílio de um gabarito, foi possível ajustar a altura do material na

caixa de cisalhamento. A Figura 3.10 ilustra um esquema com essas etapas.

A fim de garantir que o material ficasse com todas as propriedades

adequadas, calculou-se a quantidade de material seco a ser adicionado à caixa de

cisalhamento, acrescido de certo teor de umidade, com o objetivo de auxiliar no

processo de moldagem. A umidade ótima adotada para a areia e as misturas foi de

10%, definida com base na execução de ensaios de cisalhamento direto da areia

sob as umidades de 5, 10, 15 e 20%, tendo sido escolhido este valor pelo fato de,

entre as umidades estudadas, a de 10% ter sido a que apresentou melhores

resultados. Os valores do peso específico seco da areia e das misturas foram

calculados com base nos ensaios de índices de vazios máximo e mínimo, e de

densidade real dos grãos. A densidade relativa adotada para a areia e as misturas

foi de 50%, pelo fato de este valor ter sido utilizado em pesquisas anteriores,

demonstrando bons resultados.

Figura 3.10: Processo de moldagem do corpo de prova arenoso.

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76

-Preparação dos corpos de prova do solo argiloso

Para a confecção dos corpos de prova do solo argiloso e das suas misturas,

primeiramente, compactou-se um corpo de prova cilíndrico na energia Proctor

Normal com umidade ótima e peso específico seco máximo obtidos por meio dos

ensaios de compactação.

Devido às dimensões da caixa de cisalhamento (10,2 cm x 10,2 cm x 2,5

cm), a compactação do corpo de prova foi realizada no cilindro grande, de

dimensões 15,08 cm x 17,78 cm (diâmetro x altura), utilizando-se o soquete

grande (4,53 kg) e ajustando-se o número de golpes e o número de camadas para

que a energia de compactação fosse igualada à aplicada no cilindro pequeno.

Assim, foram feitas 5 camadas, e aplicados 12 golpes em cada uma, conforme a

norma NBR 7182 (1986).

Obtido o cilindro compactado, moldaram-se 3 corpos de prova para o

ensaio de cisalhamento direto. O procedimento de moldagem consiste na cravação

de um anel metálico, com aproximadamente as mesmas dimensões da caixa de

cisalhamento, no cilindro obtido. A cravação é feita uniformemente, escavando-se

as laterais para o alívio de tensões. Antes da cravação do anel, é importante que

suas laterais sejam untadas com vaselina para que o corpo de prova não se

danifique ao ser transferido para o equipamento. Por fim, com o auxílio de um cap

de acrílico, o corpo de prova é então transferido para a caixa de cisalhamento. A

Figura 3.11 mostra o processo de moldagem do corpo de prova argiloso.

DBD


77

Figura 3.11: Processo de moldagem do corpo de prova argiloso.

A caixa de cisalhamento é dividida horizontalmente em duas metades e a

força normal é aplicada no corpo de prova a partir do topo da caixa de

cisalhamento. A força de cisalhamento é aplicada movendo-se uma metade da

caixa em relação à outra para provocar a ruptura. As caixas superior e inferior são

distanciadas de 5,0 mm antes de iniciar a fase de cisalhamento do ensaio, para que

o deslocamento relativo entre elas possa ocorrer. Acima e abaixo do corpo de

prova, são colocadas placas ranhuradas que fornecem atrito ao solo, impedindo

que este deslize quando aplicada a força horizontal. Também são colocados papéis

filtro para impedir o carreamento de partículas, e pedras porosas para que a

drenagem possa ocorrer livremente, estando o corpo de prova completamente ou

parcialmente saturado.

O ensaio de cisalhamento direto realizado ocorreu com o controle da

deformação, onde uma taxa constante de deslocamento cisalhante é aplicada na

metade superior da caixa por um motor que atua por meio de engrenagens, a uma

velocidade determinada por um fator que vai de acordo com a carga aplicada

verticalmente. Essa velocidade é calculada através dos dados da fase inicial do

ensaio, chamada fase de adensamento, onde o corpo de prova é submetido

somente à tensão vertical, sendo medida a variação de altura com o tempo, até que

esta se estabilize. Através de um gráfico de deslocamento vertical versus raiz do

DBD


78

tempo (t), obtém-se o valor de t100, correspondente a 100% do adensamento, e

calcula-se a velocidade a ser adotada na fase de cisalhamento. Para as misturas

com o solo argiloso, o tempo de adensamento foi estipulado em 24 horas; já para

as misturas com areia, o adensamento é praticamente imediato, tendo sido adotado

o tempo de 20 minutos para melhor estipulação da velocidade de ensaio a ser

adotada.

Na fase de cisalhamento, a ruptura sofrida pelo corpo de prova ocorre ao

longo do plano de divisão da caixa. O deslocamento horizontal da metade superior

da caixa é medido por um LVDT (Linear Variable Differential Transformer)

horizontal, que funciona como um sensor para medição de deslocamento linear.

As variações da altura do corpo de prova, ou seja, as variações do volume do

mesmo ao longo do ensaio são obtidas através das leituras no LVDT vertical. O

anel de carga mede a força horizontal variável à qual o corpo de prova está sendo

submetido.

Os ensaios foram repetidos em três tensões distintas, em corpos de prova

similares, para cada solo e mistura. No caso da areia, adotaram-se os valores de

50, 150 e 300 kPa para as tensões normais aplicadas. Para o solo argiloso,

aplicou-se 200 kPa ao invés de 150 kPa. Através do gráfico da Tensão Cisalhante

Máxima, que indica o momento da ruptura, versus Tensão Normal, pré-definida,

determinam-se as envoltórias de ruptura e os parâmetros de resistência ao

cisalhamento do solo. A Figura 3.13 ilustra o equipamento de cisalhamento direto

utilizado na presente pesquisa.

Figura 3.12: Prensa utilizada para os ensaios de cisalhamento direto.

DBD


4 Apresentação e discussão dos resultados

4.1 Ensaios de caracterização física 4.1.1 Solo argiloso 4.1.1.1 Densidade real dos grãos (Gs)

O valor da densidade real dos grãos para o solo argiloso foi obtido através

da média aritmética de quatro determinações, sendo 2,72.

A Tabela 4.1 apresenta a síntese de todos os trabalhos realizados com o

solo do Campo Experimental II. Nela se pode observar que os valores de Gs

obtidos para amostras retiradas a diferentes profundidades encontram-se na

mesma ordem de grandeza do valor obtido na presente pesquisa.


Os resultados do ensaio de análise granulométrica do solo argiloso são

apresentados na Tabela 4.1, juntamente com os dados obtidos de pesquisas

anteriores com este mesmo solo. A curva granulométrica do solo argiloso é

apresentada na Figura 4.1.

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80

Tabela 4.1: Pesquisas realizadas com o solo do Campo Experimental da PUC-Rio.

Autor Prof. (m) Gs Ped.+areia

(%)

Silte

(%)

Argila

(%) LL LP IP SUCS

Sertã (1986)

1,00-1,45

2,00-2,45

3,00-3,45

2,75

2,73

2,74

26,25

28,13

45,63

73,75

71,87

54,37

71

75

72

35

49

45

36

26

27

MH

MH

MH

Marinho (1986) 3,60 2,75 35,00 3,00 62,00 65 38 27 MH

Lins (1991) 2,00-2,40

3,00-3,40

2,74

2,74

34,00

34,00

4,00

4,00

62,00

62,00

78

73

32

34

46

39

MH

MH

Daylac (1994) 3,00

6,00

2,77

2,76

24,00

31,00

5,00

6,00

71,00

63,00

70

82

30

43

40

39

MH

MH

Beneveli (2002) 1,50 2,76 33,00 9,00 59,00 56 31 25 CH

Soares (2005) 1,00 2,74 41,00 5,50 53,50 54 28 26 CH

Ramirez (2012)

e Meliande

(2014)

2,00 2,72 36,40 10,80 52,70 53 39 14 CH

Figura 4.1: Curva granulométrica do solo argiloso.

DBD


81


Foram obtidos os valores de 53% e 39% para os limites de liquidez e

plasticidade, respectivamente, resultando em um índice de plasticidade de 14%.

De acordo com o Sistema Unificado de Classificação de Solos (SUCS),

normatizado pela ASTM D 2487 (1983), o solo em estudo é classificado como

CH, correspondendo a uma argila arenosa de média plasticidade. Na Tabela 4.1,

constam os valores dos limites de Atterberg obtidos a outras profundidades.

4.1.2 Areia 4.1.2.1 Índices físicos

Este material caracteriza-se por uma areia média, limpa e de granulometria

uniforme. Durante a caracterização do material, não foi observada a presença de

matéria orgânica. A Tabela 4.2 apresenta os índices físicos deste solo.

Tabela 4.2: Índices físicos da areia.

Índices Físicos Areia

Densidade real dos grãos (Gs) 2,65

Coeficiente de uniformidade (Cu) 1,9

Coeficiente de curvatura (Cc) 1,0

Diâmetro efetivo (D10) 0,33 mm

Diâmetro médio (D50) 0,58 mm

Índice de vazios (emín) 0,51

Índice de vazios (emáx) 0,74


Na Figura 4.2, é apresentada a curva granulométrica obtida para a areia.

Com base no sistema SUCS, as areias com menos de 5% de finos, apresentando

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82

Cu < 6 e 1 < Cc < 3, como o material em questão, são classificadas como SP.

Dessa maneira, trata-se de uma areia mal graduada.

Figura 4.2: Curva granulométrica da areia.

4.1.3 Cinza volante e misturas 4.1.3.1 Densidade real dos grãos

A Tabela 4.3 mostra o resumo dos resultados de densidade real dos grãos

de todos os materiais.

Tabela 4.3: Densidade real dos grãos das misturas. Material/Mistura Densidade real dos grãos

A 2,65 CV 2,147

A85/CV12/C3 2,620 A70/CV27/C3 2,583 A60/CV37/C3 2,490

A85/CV15 2,613 A70/CV30 2,459 A60/CV40 2,472

S 2,720 S85/CV12/C3 2,665 S70/CV27/C3 2,587

S85/CV15 2,651 S70/CV30 2,566

DBD


83

As Figuras 4.3 e 4.4 mostram a variação da densidade real dos grãos com

relação aos teores de cinza utilizados para as misturas com os solos arenoso e

argiloso. Pode-se observar uma redução da densidade real dos grãos com o

aumento dos teores da cinza volante. Na presença do solo argiloso, essa redução é

mais significativa.

Figura 4.3: Variação da densidade real dos grãos com o teor de cinza de volante para a areia.

Figura 4.4: Variação da densidade real dos grãos com o teor de cinza de volante para o solo argiloso.

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84

Lopes (2011) encontrou o valor de densidade real dos grãos de 2,105 para

a cinza volante, oriunda da mesma usina termelétrica. De acordo com Ubaldo

(2005), o valor encontrado foi de 2,090 para a cinza volante. Já os resultados de

Mendonça (2004), também com a mesma cinza, porém coletada em outra época,

apontaram o valor de 2,092 para cinza volante. Ainda que os valores obtidos por

estes dois autores sejam bem parecidos, a ligeira diferença entre eles já demonstra

a influência da variabilidade da qualidade e das propriedades da cinza sobre os

resultados, devido a fatores como a composição química do carvão.


A Figura 4.5 apresenta as curvas granulométricas da areia e da cinza

volante; a Figura 4.6 mostra as curvas das misturas com areia e 15%, 30% e 40%

de cinza volante.

As curvas do solo argiloso e da cinza volante estão presentes na Figura

4.7, e por fim, as curvas das misturas com solo argiloso e 15% e 30% de cinza

volante são apresentadas na Figura 4.8, para fins comparativos.

Figura 4.5: Curvas granulométricas da areia e da cinza volante.

DBD


85

Figura 4.6: Curvas granulométricas da areia, da cinza volante e das suas misturas.

Figura 4.7: Curvas granulométricas do solo argiloso e da cinza volante.

DBD


86

Figura 4.8: Curvas granulométricas do solo argiloso, da cinza volante e das suas misturas.

Através das figuras, pode-se observar que a cinza volante apresenta

elevado teor de finos em sua composição, o que corresponde à granulometria silte,

além de uma fração de areia de granulometria fina.

Quanto à granulometria das misturas com areia, pode-se dizer que ela se

torna intermediária às granulometrias dos materiais puros, e apresenta maior

presença de finos do que o solo puro, o que se deve à granulometria da própria

cinza. À medida que aumenta o teor de cinza nas misturas, a fração silte torna-se

mais evidente, com a subsequente redução do teor de areia média.

Da mesma forma, com relação à granulometria das misturas com solo

argiloso, também se observa que as misturas adquirem uma granulometria

intermediária às do solo puro e da cinza, sendo que na mistura com maior teor de

cinza (S70/CV30), a presença da fração silte é mais representativa, e o teor de

argila tende a reduzir-se.

Os resultados da análise granulométrica de todos os materiais são

apresentados na Tabela 4.4, em porcentual.

DBD


87

Tabela 4.4: Resultados em percentual da análise granulométrica dos materiais.

Material/Mistura Argila

(%)

Silte

(%)

Areia Pedregulho

(%) Fina

(%)

Média

(%)

Grossa

(%)

A - - - 70 30 -

CV 5,69 82,17 10,82 1,32 0 0

A85/CV15 2,50 15,50 2,90 68 11,10 0

A70/CV30 3,80 30,50 10,30 46,30 9,10 0

A60/CV40 4,10 45,10 18,40 25,10 7,30 0

S 52,70 10,80 36,40

S85/CV15 47,3 24,1 11,3 10,7 6,1 0,5

S70/CV30 31,9 40,6 14,6 7,6 4,7 0,6

Na Tabela 4.5, são apresentados os resultados da distribuição

granulométrica da cinza volante obtidos pelos autores Ubaldo (2005) e Mendonça

(2004), onde se pode observar que foi mantida a mesma proporção de materiais,

embora com um menor teor de silte em relação ao obtido no presente trabalho,

devido a fatores como a composição química do carvão.

Tabela 4.5: Dados da distribuição granulométrica da cinza volante obtidos em estudos anteriores.

Areia Pedregulho

Tipo de cinza Argila

(%) Silte (%)

Fina (%)

Média (%)

Grossa (%) Fino (%)

Médio (%)

CV (Ubaldo, 2005) 8 60 29 3 - - - CV (Mendonça,

2004) 2 67 27 4 - - -

CV (Meliande, 2014)

5,69 82,17 10,82 1,32 - - -


Em virtude de a cinza volante apresentar uma granulometria com alto teor

de material granular, sendo isenta de características plásticas, não foi possível

determinar os limites de Atterberg dela, tampouco das misturas com areia.

DBD


88

Ressalta-se que Ubaldo (2005) também a classificou como materiais não

plásticos.

4.1.3.4 Classificação SUCS

Primeiramente, convém dizer que não é muito apropriado utilizar esta

classificação para cinzas ou misturas, tendo em vista que elas fogem do espaço de

abrangência para o qual a classificação foi proposta, entretanto, para efeitos de

comparação, ela foi então aplicada para a cinza volante e as misturas utilizadas

nesta pesquisa.

Pelo fato de a cinza volante apresentar alto teor de silte, ela é classificada

de acordo com o Sistema SUCS como silte de baixa plasticidade (ML). Vale

destacar que Rohde et al (2006) encontrou esta mesma classificação para esta

cinza, que é a classificação típica das cinzas volantes de usinas termelétricas do

sul do Brasil.

Para as misturas com areia, a classificação enquadrou-se no grupo SM

(areia siltosa).

4.2 Ensaios de caracterização química e ambiental

4.2.1 Composição química

Duarte (2004 apud Soares, 2005) realizou análises químicas de capacidade

de troca catiônica (CTC) e de ataque sulfúrico do solo argiloso. A Tabela 4.6

apresenta os resultados da composição química do solo argiloso.

Sertã (1986) realizou a análise química total do solo argiloso, expressa em

porcentagem, na Tabela 4.7.

DBD


89

Tabela 4.6: Análises químicas de capacidade de troca catiônica (CTC) e de ataque sulfúrico do solo argiloso (Duarte, 2004 apud Soares, 2005).

Complexo sortivo (meq/100g)

Ca2+ Mg2+ K+ Na+ Al3+ H+ CTC

0,00 0,4 0,11 0,15 1,3 3,3 5,3

Ataque por H2SO4 (1:1) – NaOH (0,8%) g/kg pH (1:2,5)

SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 KI Kr Água KCl

170 204 103 11,1 1,49 1,13 4,3 4,0

Tabela 4.7: Análise química total do solo argiloso, expressa em porcentagem (Sertã, 1986).

SiO2 Al2O3 CaO MgO Fe2O3 TiO2 K2O Na2O

55,4 22,0 <0,05 <0,10 11,0 1,30 0,11 0,01

Os resultados revelam uma grande quantidade de Al2O3 e Fe2O3 encontrada

no solo, indicando que este sofreu um processo de laterização. Já a pequena

quantidade de CaO, MgO, K2O e Na2O encontrada sugere tratar-se de um material

altamente intemperizado, devido à lixiviação intensa dos álcalis. A presença de

cátions trocáveis deste solo revela ser ele um material de baixa atividade. Por fim,

os valores de pH indicam que o solo é ácido.

Os resultados do ensaio de composição química da cinza volante foram

coletados de Lopes (2011), que utilizou em sua pesquisa o mesmo material,

oriundo da mesma usina termelétrica. Os ensaios de composição química das

misturas foram realizados no laboratório do Departamento de Engenharia

Química da PUC-Rio. Para as misturas contendo areia, somente foram realizados

ensaios químicos para as misturas com a presença de cal, com a finalidade de

avaliar a ocorrência de reações entre a cinza e a cal. Além disso, levando-se em

conta o baixo teor de cal utilizado (3%), supõe-se que a composição das misturas

sem cal será bem similar à das misturas com cal. A fim de analisar a influência da

cura sobre a composição química das misturas, também foram ensaiadas as

misturas submetidas a 30 dias de cura. A Tabela 4.8 mostra os resultados da

composição química da cinza volante e das misturas com areia, expressos em

termos dos elementos químicos. Com relação às misturas com solo argiloso,

foram ensaiadas as misturas com cal e sem cal. Os resultados obtidos para as

misturas com solo argiloso estão presentes na Tabela 4.9.

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90

Tabela 4.8: Elementos químicos presentes na cinza volante (Lopes, 2011) e nas misturas com areia.

Parâmetros

Material

CV A85CV12C3 A85CV12C3

(30d) A70CV27C3

A70CV27C3

(30d) A60CV37C3

A60CV37C3

(30d)

Silício 36,289 68,439 73,052 48,463 59,624 47,704 59,599

Alumínio 22,382 14,346 11,585 28,246 20,642 29,574 21,486

Ferro 16,680 2,444 2,208 4,744 3,812 5,432 4,378

Cálcio 5,684 9,284 8,216 9,219 7,862 7,947 6,546

Potássio 12,087 3,673 3,277 6,524 5,677 6,757 5,942

Titânio 3,515 0,679 0,572 1,295 1,055 1,462 1,117

Vanádio 0,297 0,104 0,124 0,203 0,158 0,142 0,119

Manganês 0,228 - - - 0,074 0,075 -

Zircônio 0,543 0,075 0,078 0,089 0,096 0,121 0,115

Enxofre 1,817 0,817 0,311 0,917 0,878 0,664 0,490

Estrôncio 0,127 - - 0,023 0,030 0,028 0,032

Zinco 0,252 0,051 0,102 0,045 0,057 0,060 0,076

Ítrio 0,100 - - 0,025 - 0,034 0,025

Rubídio - - - - 0,035 - -

Tabela 4.9: Elementos químicos presentes nas misturas com solo argiloso.

Parâmetros Material

S85CV15 S85CV12C3 S70CV30 S70CV27C3

Silício 42,929 41,825 45,059 42,856

Alumínio 35,729 34,363 34,852 33,697

Ferro 15,710 16,131 13,744 13,948

Cálcio 0,840 3,251 1,156 4,128

Potássio 2,164 1,535 2,911 2,814

Titânio 1,700 1,725 1,675 1,832

Vanádio 0,095 0,230 0,096 0,107

Manganês 0,083 0,087 0,084 -

Zircônio 0,113 0,108 0,103 0,152

Enxofre 0,600 0,639 0,286 0,276

Zinco 0,037 0,038 0,034 0,037

Sabe-se que os principais componentes da cinza são o silício, alumínio e

ferro. Analisando a Tabela 4.8, conclui-se que, nas misturas com areia, apenas foi

mantida a representatividade dos elementos silício e alumínio, sendo que as

concentrações de cálcio e potássio foram mais representativas do que os teores de

DBD


91

ferro. Já nas misturas com solo argiloso, a representatividade de todos estes

elementos foi mantida, o que sugere que eles estejam presentes em grande

quantidade no solo utilizado, como consta na Tabela 4.9. Vale ressaltar que a

quantidade de cálcio presente na cinza volante significa que o teor de óxido de

cálcio presente está em torno de 2%, sendo, portanto inferior a 10%, ou seja,

insuficiente para a ocorrência de reações entre a cinza e o solo.

Quanto à análise das misturas submetidas ao processo de cura, foi apenas

observado um aumento das concentrações de silício, o que já indica a ocorrência

de reações pozolânicas da cinza, potencializadas pela adição de cal.

Vale ressaltar que Mendonça (2004) também realizou ensaios químicos

das cinzas volante e de fundo provenientes da mesma usina termelétrica, sendo os

resultados apresentados na Tabela 4.10, onde se pode notar uma concentração de

ferro menor e um teor de silício maior do que os resultados obtidos por Lopes

(2011).

Tabela 4.10: Composição química das cinzas volante e de fundo (Mendonça, 2004 apud Ubaldo, 2005).

Composição química

Símbolos Mendonça (2004)

Cinza de

fundo

Cinza

volante

SiO2 57,90 57,10

Al2O3 27,30 28,70

Fe2O3 5,50 4,40

CaO 1,40 2,00

K2O 2,50 2,60

MgO 0,64 0,72

TiO2 1,10 1,30

ZrO2 0,12 0,13

S <200ppm 0,40

PbO - <200ppm

Cl- 1,70 0,09

SO3 <200ppm 1,00

ppm – partes por milhão.

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92

Chies et al (2003 apud Ubaldo, 2005) realizou análises químicas das cinzas

de carvão mineral de outras usinas termelétricas no território brasileiro. A Tabela

4.11 mostra os resultados, dos quais se pode perceber uma pequena variabilidade

entre as concentrações dos principais elementos químicos, devido a fatores já

ditos anteriormente, como variações na composição química do carvão mineral

utilizado, originado de diferentes ou até da mesma jazida; diferenças entre os

sistemas de queima do carvão, dentre outras.

Tabela 4.11: Composição química da cinza volante de diversas usinas termelétricas (Chies et al, 2003 apud Ubaldo, 2005).

Composição química da cinza volante (%)

Componentes Copesul Tubarão Charqueadas Candiota

SiO2 66,40 56,50 62,20 65,70

Al2O3 18,20 28,00 26,00 24,30

Fe2O3 6,50 6,40 2,90 4,60

TiO2 0,80 1,31 1,10 0,69

CaO 2,15 0,92 1,26 0,37

MgO 0,88 0,45 0,35 0,46

K2O 1,41 2,50 1,41 1,12

Na2O 0,34 0,23 0,18 0,10

C 0,14 0,21 1,09 0,05

S 0,09 <0,05 <0,05 <0,05

4.2.2 Teor de matéria orgânica

A determinação do teor de matéria orgânica do solo argiloso foi feita por

Quispe (2013) através da técnica de oxidação com dicromato de potássio em meio

sulfúrico, no Laboratório de Geotecnia/Química de Solos da COPPE/UFRJ.

Obteve-se um valor de 0,85%.

Ubaldo (2005) verificou um teor de matéria orgânica na cinza volante de

1,03%, o que é um fator positivo, uma vez que a presença de matéria orgânica

tende a retardar ou até mesmo inibir a ocorrência das reações pozolânicas.

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93

4.2.3 Ensaio de lixiviação

O ensaio de lixiviação da cinza volante foi realizado pelo laboratório

TASQA Serviços Analíticos Ltda., e seus resultados são coletados da pesquisa de

Lopes (2011), sendo apresentados nas Tabelas 4.12 e 4.13.

Tabela 4.12: Tabela: Resultados analíticos dos ensaios de lixiviação – parâmetros orgânicos (TASQA, 2010 apud Lopes, 2011).

Parâmetros orgânicos Parâmetros Limite de

quantificação (LQ) (mg/L)

Cinza volante (mg/L)

VMP NBR 10005:2004 Lixiviado

(mg/L) Aldrin e Dieldrin 0,001 <LQ 0,003

Benzeno 0,004 <LQ 0,5 Benzo(a)pireno 0,002 <LQ 0,07

Clordano (isômeros) 0,001 <LQ 0,02 Cloreto de vinila 0,4 <LQ 0,5

Clorobenzeno 0,01 <LQ 100 Clorofórmio 0,004 <LQ 6

m-cresol 0,01 <LQ 200 o-cresol 0,01 <LQ 200 p-cresol 0,01 <LQ 200

Cresol total 0,01 <LQ 200 2,4-D 0,01 <LQ 3

DDT (p,p-DDT+p,p-DDE+p,p-DDD)

0,001 <LQ 0,2

1,4-diclorobenzeno 0,004 <LQ 7,5 1,2-dicloroetano 0,004 <LQ 1

1,1-dicloroetileno 0,004 <LQ 3 2,4-dinitrotolueno 0,01 <LQ 0,13

Endrin 0,001 <LQ 0,06 Heptacloro e seu

epóxido 0,001 <LQ 0,003

Hexaclorobenzeno 0,001 <LQ 0,1 Hexaclorobutadieno 0,004 <LQ 0,5

Hexacloroetano 0,01 <LQ 3 Lindano (g BHC) 0,001 <LQ 0,2

Metiletilcetona 0,5 <LQ 200 Metoxicloro 0,001 <LQ 2

Nitrobenzeno 0,01 <LQ 2 Pentaclorofenol 0,01 <LQ 0,9

Piridina 0,01 <LQ 5 2,4,5-T 0,002 <LQ 0,2

Tetracloreto de carbono 0,004 <LQ 0,2 Tetracloroetileno 0,004 <LQ 4

Toxafeno 0,002 <LQ 0,5 2,4,5-TP 0,01 <LQ 1

Tricloroetileno 0,004 <LQ 7 2,4,5-triclorofenol 0,01 <LQ 400 2,4,6-triclorofenol 0,01 <LQ 20

LQ – limite de quantificação.

DBD


94

Tabela 4.13: Resultados analíticos dos ensaios de lixiviação – parâmetros inorgânicos (TASQA, 2010 apud Lopes, 2011).

Parâmetros inorgânicos Parâmetros Limite de



VMP NBR 10005:2004 Lixiviado

(mg/L) Arsênio 0,04 <LQ* 1 Bário 0,005 0,21 70

Cádmio 0,003 <LQ 0,5 Chumbo 0,03 <LQ 1

Cromo total 0,002 <LQ 5 Fluoretos 0,05 0,1 150 Mercúrio 0,005 <LQ 0,1

Prata 0,003 <LQ 5 Selênio 0,05 <LQ 1


Através da análise dos resultados, conclui-se que todos os parâmetros

analisados no ensaio de lixiviação apresentaram concentrações adequadas às

indicadas no Anexo F da norma NBR 10004 (2004).

4.2.4 Ensaio de solubilização

O ensaio de solubilização da cinza volante também foi realizado pelo

laboratório TASQA Serviços Analíticos Ltda., e seus resultados são coletados da

pesquisa de Lopes (2011), sendo apresentados nas Tabelas 4.14 e 4.15.

DBD


95

Tabela 4.14: Resultados analíticos dos ensaios de solubilização – parâmetros orgânicos (TASQA, 2010 apud Lopes, 2011).

Parâmetros orgânicos Parâmetros Limite de



VMP NBR 10006:2004 Solubilizado

(mg/L) Aldrin e Eldrin 0,00002 <LQ 0,00003

Clordano (isômeros)

0,0002 0,21 0,0002

2,4-D 0,01 <LQ 0,03 DDT (isômeros) 0,001 <LQ 0,002

Endrin 0,0002 <LQ 0,0006 Fenóis totais 0,0025 0,028 0,01

Heptacloro e seu epóxido

0,00002 <LQ 0,00003

Hexaclorobenzeno 0,001 <LQ 0,001 Lindano (g BHC) 0,001 <LQ 0,002

Metoxocloro 0,001 <LQ 0,02 2,4,5-T 0,002 <LQ 0,002

2,4,5-TP 0,01 <LQ 0,03 Toxafeno 0,002 <LQ 0,005


Tabela 4.15: Resultados analíticos dos ensaios de solubilização – parâmetros inorgânicos (TASQA, 2010 apud Lopes, 2011).

Parâmetros inorgânicos Parâmetros Limite de



VMP NBR 10006:2004 Solubilizado

(mg/L) Alumínio 0,07 3,65 0,2 Arsênio 0,001 <LQ 0,01 Bário 0,005 0,17 0,7 Cádmio 0,003 <LQ 0,005 Chumbo 0,002 <LQ 0,01 Cianetos 0,005 0,011 0,07 Cloretos 2,00 5,97 250 Cobre 0,003 0,02 2 Cromo total 0,002 0,01 0,05 Ferro 0,002 <LQ 0,3 Fluoretos 0,05 2,52 1,5 Manganês 0,002 0,02 0,1 Mercúrio 0,0005 <LQ 0,001 Nitrato (como N) 0,1 0,1 10 Prata 0,003 <LQ 0,05 Selênio 0,002 <LQ 0,01 Sódio 0,05 36,3 200 Sulfato 1,00 163 250 Surfactantes 0,03 0,065 0,5 Zinco 0,006 0,2 5


DBD


96

Segundo as diretrizes do Anexo G da Norma NBR 10004 (2004), que

apresentam os valores máximos permitidos no ensaio de solubilização, a cinza

volante foi classificada como pertencente à Classe II A – Resíduo não inerte, já

que as concentrações de Alumínio, Fluoretos e Fenóis totais foram superiores a

estes valores.

Os resultados de Ubaldo (2005), que utilizou a mesma cinza em sua

pesquisa, também a enquadrou na Classe II A – Resíduo não inerte, pelo fato de a

mesma ter apresentado no ensaio de solubilização concentrações de Alumínio,

Cromo e Sulfatos acima das permitidas.

Apesar de a cinza volante ser classificada com um resíduo não inerte, isto

não inviabiliza a sua utilização como agente cimentante em misturas com o solo,

já que no ensaio de lixiviação, que representa a infiltração da água da chuva no

solo, todos os parâmetros analisados encontram-se dentro dos limites permitidos

pela norma. No entanto, Lopes (2011) sugeriu para estudos futuros a análise da

influência dos parâmetros que ultrapassam os limites da norma, para o solo e o

meio ambiente.

De acordo com a Resolução CONAMA 420 (2009), a concentração

máxima tolerável em reservatórios de água subterrânea para o alumínio é de

3500 µg/L, o que confirma o fato de que a concentração apresentada pela cinza

volante não causa dano à saúde humana.

4.3 Ensaios de caracterização mecânica 4.3.1 Solo argiloso 4.3.1.1 Ensaio de compactação

Os ensaios de compactação foram realizados para o solo puro, a cinza

volante e as misturas, com e sem a adição de cal, sob a energia Proctor normal. A

Tabela 4.16 apresenta um resumo dos valores de umidade ótima (wotm) e peso

específico seco máximo (γd máx) do solo, da cinza e das misturas. As curvas de

compactação das misturas sem e com a adição de cal estão dispostas nas Figuras

4.9 e 4.10.

DBD


97

Tabela 4.16: Resultados dos ensaios de compactação para as misturas com solo argiloso.

Material/Mistura wotm (%) γd máx(g/cm³)

S 26,3 1,55

S85/CV15 24 1,55

S70/CV30 23,5 1,5

S85/CV12/C3 24 1,55

S70/CV27/C3 25,5 1,49

CV 22,8 1,925

Figura 4.9: Curvas de compactação do solo puro e das misturas sem a adição de cal.

DBD


98

Figura 4.10: Curvas de compactação do solo puro e das misturas com a adição de cal.

Pode-se notar que ocorre uma redução do peso específico seco máximo

com o aumento do teor de cinza, tanto para as misturas sem cal, como para as

misturas com cal. Para as misturas com menores teores de cinza, o peso específico

é aproximadamente igual ao do solo puro, como pode ser visto na Figura 4.11.

Pode-se dizer que também ocorre uma redução da umidade ótima à medida que se

aumenta o teor de cinza, porém, na presença de cal, ela diminui com 12% de

cinza, mas volta a aumentar para um teor de 27% (Figura 4.12), o que explica

parte da queda de densidade.

DBD


99

Figura 4.11: Variação do peso específico seco com o teor de cinza volante.

Figura 4.12: Variação da umidade ótima com o teor de cinza volante.

A Figura 4.13 mostra a curva de compactação da cinza volante. Ubaldo

(2005), ao realizar a curva de compactação para a mesma cinza (Figura 4.14),

encontrou valores de 11,8 KN/m³ e 29% para o peso específico seco máximo e a

umidade, respectivamente. Estes valores foram um pouco diferentes dos

encontrados na presente pesquisa, o que pode ser justificado pelo grande intervalo

DBD


100

de tempo existente entre ambos e pelos fatores que podem influenciar nas

propriedades físico-químicas das cinzas.

Figura 4.13: Curva de compactação da cinza volante.

Figura 4.14: Curva de compactação da cinza volante do Complexo Jorge Lacerda (Ubaldo, 2005).

Com relação ao comportamento do solo argiloso, Ramírez (2012) afirma

que Beneveli (2002), em sua pesquisa, obteve o mesmo resultado para este

material, coletado entre os primeiros dois metros de profundidade do Campo

Experimental II da PUC-Rio. A Figura 4.15 mostra a curva de compactação

obtida por Beneveli.

DBD


101

Figura 4.15: Curva de compactação Proctor normal obtida por Beneveli (2002 apud

Ramirez, 2012).

4.3.1.2 Ensaio de cisalhamento

Os ensaios de cisalhamento direto foram realizados para o solo puro, as

misturas com 15 e 30% de cinza volante, e as misturas com cal, sem cura. Os

corpos de prova foram moldados nas condições de umidade ótima e peso

específico seco máximo, determinadas nos ensaios de compactação. Os ensaios

foram realizados sob as tensões de 50, 200 e 300 kPa, a fim de se determinar seus

parâmetros de resistência ao cisalhamento (coesão e ângulo de atrito). Quanto ao

solo puro, foi observado no momento de finalização do ensaio que a tensão de

execução do ensaio foi de 160 kPa, ao invés de 200 kPa, devido a algum problema

gerado pelo equipamento. A Tabela 4.17 apresenta os dados específicos dos três

ensaios realizados para cada material.

DBD


102

Tabela 4.17: Dados específicos dos ensaios de cisalhamento direto para misturas com solo argiloso.

Material/ mistura

Massa aplicada

(kg)

Tensão vertical aplicada

(kPa)

Velocidade da

engrenagem (mm/min)

Duração do ensaio (horas)

Intervalo de leitura

(min)

S 7 50

0,0819 3 0,17 30 160 58 300

S85/CV15 7 50

0,098 2,54 0,17 39 200 60 300

S70/CV30 7 50

0,174 1,43 0,17 39 200 60 300

S85/CV12/C3 7 50

0,393 0,63 0,17 39 200 60 300

S70/CV27/C3 7 50

0,098 2,54 0,17 39 200 60 300

Devido ao fato de o ensaio de cisalhamento direto ser sempre drenado, não

havendo controle da drenagem, ele deve ser executado lentamente, no intuito de

impedir o estabelecimento de poropressões nos poros da amostra. Vale ressaltar

que a condição drenada implica na total dissipação de poropressões durante o

cisalhamento, sendo que ela ocorre rapidamente em solos arenosos, devido a sua

alta permeabilidade; e no caso dos solos argilosos, ocorre lentamente, a uma baixa

velocidade de deformação. Contudo, comparando com os dados da areia, mais à

frente, os valores de velocidade de cisalhamento obtidos para as misturas foram

bem parecidos.

Em um ensaio de cisalhamento direto, realizam-se leituras de 3 medidas:

deslocamento horizontal, deslocamento vertical e força cisalhante. A partir delas,

são então calculadas as tensões cisalhantes e plotados os gráficos de tensão

cisalhante vs deslocamento horizontal.

4.3.1.2.1 Comportamento tensão cisalhante vs deslocamento horizontal

A Figura 4.16 mostra as curvas tensão cisalhante vs deslocamento

horizontal para o solo puro, sob as tensões de 50, 160 e 300 kPa.

DBD


103

Figura 4.16: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para o solo puro.

As Figuras 4.17 a 4.20 mostram as curvas tensão cisalhante vs

deslocamento horizontal para as misturas S85/CV15, S70/CV30, S85/CV12/C3 e

S70/CV27/C3, respectivamente, submetidas às tensões de 50, 200 e 300 kPa.

Figura 4.17: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a mistura S85/CV15.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Te

nsã

o c

isa

lha

nte

(K

Pa

)

Deslocamento horizontal (mm)

50 kPa

160 kPa

300 kPa

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Te

nsã

o c

isa

lha

nte

(K

Pa

)


50 kPa

200 kPa

300 kpa

S85/CV15

S

DBD


104

Figura 4.18: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a mistura S70/CV30.

Figura 4.19: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a mistura S85/CV12/C3.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Te

nsã

o c

isa

lha

nte

(K

Pa

)


50 kPa

200 kPa

300 kPa

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Te

nsã

o c

isa

lha

nte

(K

Pa

)


50 kPa

200 kPa

300 kPa

S85/CV12/C3

S70/CV30

DBD


105

Figura 4.20: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a mistura S70/CV27/C3.

4.3.1.2.2 Influência do teor de cinza

O comportamento da tensão cisalhante versus deslocamento horizontal

para o solo argiloso e as misturas com 15% e 30% de cinza volante (S85/CV15 e

S70/CV30) são apresentados e comparados na Figura 4.21.

Pode-se notar que para a tensão normal de 50 kPa, ambas as misturas

apresentaram um comportamento melhor do que o solo argiloso. Observa-se

claramente a ruptura da mistura S70/CV30, a 5 mm de deslocamento horizontal,

devido à formação de pico, seguida por uma queda na curva; o que não ocorre

com o solo puro, tampouco com a mistura com 15% de cinza. Neste caso, o

critério utilizado para determinação dos pontos de ruptura foi a observação de

uma constância nos valores de tensão cisalhante após um determinado tempo, não

só no gráfico, como também na planilha com os resultados dos ensaios. Para

deslocamentos inferiores a 6,6 mm, a mistura S70/CV30 apresenta um

comportamento melhor do que o solo puro e a mistura com 15% de cinza,

contudo, a 6,6 mm, as resistências das misturas se igualam e a mistura com 15%

passa a apresentar uma resistência maior quando submetida a este nível de tensão,

mantendo-se constante.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Te

nsã

o c

isa

lha

nte

(K

Pa

)


50 kPa

200 kPa

300 kPa

S70/CV27/C3

DBD


106

Para a tensão normal de 160 kPa, até um deslocamento horizontal de 2,8

mm, o solo apresenta uma resistência maior do que as misturas, ensaiadas a 200

kPa, sendo que ambas revelam um comportamento similar, se encontrando neste

ponto. No entanto, para deslocamentos superiores, tanto para 15% de cinza, como

para 30%, as resistências obtidas são maiores do que a do solo puro, com destaque

para a mistura S85/CV15, que apresenta um comportamento melhor.

Para a tensão normal de 300 kPa, o solo puro e a mistura com 15% de

cinza apresentam resistências maiores que a mistura S70/CV30, sendo que o

comportamento do solo puro é ligeiramente melhor do que a mistura S85/CV15.

A 2 mm de deslocamento, suas resistências se igualam, quando então a mistura

S85/CV15passa a apresenta resistências maiores do que o solo puro, mantendo

certa constância com o acréscimo de deslocamento. A mistura contendo 30% de

cinza mantém um comportamento inferior aos demais materiais até alcançar um

deslocamento de 11,2 mm, quando passa a interceptar a curva do solo puro e a

tornar-se um pouco maior do que ele.

Desse modo, comparando as duas misturas, convém dizer que, de forma

geral, para deslocamentos superiores a 6 mm, aproximadamente, a mistura com

15% de cinza volante foi a que apresentou um melhor comportamento, tanto para

baixas como para altas tensões normais, o que pode ser atribuído à existência de

uma maior coesão entre as partículas desta mistura. Para tensões maiores, foi

observada uma tendência de as curvas de ambas as misturas interceptarem e

ultrapassarem os valores do solo puro, não só para baixos como também para altos

deslocamentos horizontais.

DBD


107

Figura 4.21: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal do solo argiloso e misturas S70/CV30 e S85/CV15.


para o solo argiloso e as misturas com 3% de cal em substituição ao peso seco da

cinza volante (S85/CV12/C3 e S70/CV27/C3) são apresentados e comparados na

Figura 4.22.

Para a tensão normal de 50 kPa, o solo puro mantém um comportamento

ligeiramente melhor do que as misturas até um deslocamento de 2,4 mm. Para

deslocamentos superiores, a mistura S85/CV12/C3 atinge resistências maiores do

que o solo e a mistura com 27% de cinza. Pode-se observar a ausência de um pico

de ruptura bem definido.

Para a tensão normal de 160 kPa, o solo puro apresenta um

comportamento melhor do que a mistura com 27% de cinza (ensaiada a 200 kPa)

até um deslocamento de 4,4 mm, quando esta torna a ultrapassar o solo puro. Com

relação à mistura com 12% de cinza, também ensaiada a 200 kPa, o solo puro

apresenta resistências maiores até um deslocamento de 1,6 mm. Após este valor, a

mistura apresenta um ganho representativo de resistência, se destacando do solo

puro e da mistura S70/CV27/C3. Para deslocamentos baixos e elevados, a mistura

com 12% de cinza se apresenta melhor do que a mistura com 27% de cinza.

Para a tensão normal de 300 kPa, também se pode observar que o solo

puro apresenta um comportamento melhor do que a mistura com 12% de cinza até

3,2 mm de deslocamento horizontal, quando então esta torna a apresentar um

DBD


108

ganho considerável de resistência, mantendo-se acima do solo puro e da mistura

com 27% de cinza. Quanto à mistura S70/CV27/C3, ela mantém-se inferior à

mistura com 12% de cinza e ao solo puro até 4,4 mm de deslocamento, contudo, a

partir deste ponto, ela passa a apresentar um comportamento melhor do que o solo

puro, mantendo-se inferior à mistura S85/CV12/C3.

Dessa forma, pode-se dizer que, a baixos deslocamentos horizontais, o

comportamento do solo puro é melhor do que o das duas misturas para todas as

tensões normais aplicadas. De modo geral, para um deslocamento horizontal

acima de aproximadamente 3 mm, a mistura com 12% de cinza é a que apresenta

melhor comportamento, para baixas e altas tensões normais, o que também pode

ser explicado por uma coesão mais significativa existente entre as partículas desta

mistura. Além disso, para todas as tensões, foi observada uma tendência de as

curvas de ambas as misturas interceptarem e ultrapassarem os valores do solo

puro, não só para baixos como também para médios deslocamentos horizontais.

Figura 4.22: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal das amostras S e misturas S85/CV12/C3 e S70/CV27/C3.

Conforme exposto anteriormente, com exceção da mistura S70/CV30, as

curvas tensão cisalhante vs deslocamento horizontal das demais misturas não

apresentaram picos de ruptura bem definidos. Dessa forma, para este caso os

DBD


109

pontos de ruptura de cada curva foram determinados com base na observação de

uma constância dos valores de tensão cisalhante máxima após um determinado

tempo. Esta constância foi observada em torno de 12 mm de deslocamento, não só

para estas misturas como também para o solo puro, de onde foram extraídos os

valores das tensões normal e cisalhante. A Tabela 4.18 apresenta os dados das

tensões normal e cisalhante dos materiais.

Tabela 4.18: Dados de tensão normal e cisalhante no deslocamento dos materiais. Mistura σ (kPa) τmáx (kPa)

S

56,9 43,6

183,8 106,3

340 166,4

S85/CV15

51,2 68,8

205,6 143,3

307 173,8

S70/CV30

47,7 62,3

193,5 129,5

304 166,7

S85/CV12/C3

51,3 64,8

230,1 167,5

307 199

S70/CV27/C3

49,4 32

205,6 119,2

298 168,2

Segundo o critério de ruptura Mohr-Coulomb, ao se plotar os pares de

dados tensão cisalhante e tensão normal em um gráfico, obtém-se os parâmetros

de resistência desejados: coesão (c) e ângulo de atrito (ø). Com o objetivo de

avaliar a influência do teor de cinza nas misturas, as Figuras 4.23 e 4.24

apresentam as envoltórias de ruptura das misturas variando os teores de cinza, na

ausência e na presença de cal.

DBD


110

Figura 4.23: Envoltórias de ruptura do solo puro e das misturas S85/CV15 e S70/CV30.

Figura 4.24: Envoltórias de ruptura do solo puro e das misturas S85/CV12/C3 e S70/CV27/C3.

Comparando as misturas com 15% e 30% de cinza, pode-se observar que

ambas possuem um comportamento melhor do que o solo puro, com destaque

para a mistura S85/CV15, que apresenta um ganho considerável na coesão, devido

DBD


111

às características cimentantes conferidas pela cinza. Sendo assim, pode-se

concluir que, para efeitos de ganho de resistência e estabilidade, não é necessário

adicionar grandes quantidades de cinza ao solo. Com relação ao ângulo de atrito,

foi observada uma redução do mesmo com o aumento do teor de cinza. Atkinson

(1993 apud Benedetti, 2011) explica que isto se deve ao fato de, no caso de solos

ou sedimentos com granulometria fina, o ângulo de atrito diminuir com o aumento

da plasticidade, sendo, portanto, a cinza um material que contribui para o aumento

da plasticidade do solo.

Quanto às misturas com cal, pode-se dizer que a mistura S85/CV12/C3

obteve melhores parâmetros de resistência, mesmo com teor de cinza inferior ao

da mistura S70/CV30/C3, o que possivelmente sinaliza para um “teor ótimo” de

cinza volante para o solo estudado. Estudos futuros podem pesquisar mais teores

para “acertar” melhor o alvo, talvez em torno de 12% de cinza em peso.

4.3.1.2.3 Influência da adição de cal

O objetivo da adição de cal às misturas consiste em potencializar a

ocorrência de reações cimentantes com os minerais argílicos do solo e com a cinza

volante, melhorando os parâmetros de resistência do solo. Nas Figuras 4.25 e 4.26

são apresentados os gráficos comparativos das misturas com e sem cal, para os

mesmos teores de solo e cinza, a fim de verificar os efeitos da adição de cal ao

solo.

DBD


112

Figura 4.25: Influência da cal nas misturas S85/CV12/C3 e S85/CV15.

Figura 4.26: Influência da cal nas misturas S70/CV27/C3 e S70/CV30.

Analisando as misturas S85/CV15 e S85/CV12/C3, pode-se dizer que,

apesar de a mistura S85/CV15 apresentar maior ganho de coesão, a mistura com

cal apresenta, de modo geral, um comportamento melhor. Não se pode dizer o

mesmo para a mistura S70/CV30, o que pode ter ocorrido devido ao baixo teor de

cal adicionado à mistura, dificultando a ocorrência das reações.

DBD


113

A Tabela 4.19 apresenta os resultados obtidos para os parâmetros de

resistência do solo puro e das misturas.

Tabela 4.19: Parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo argiloso e das misturas.

Parâmetros S S85/CV15 S70/CV30 S85/CV12/C3 S70/CV27/C3

c (kPa) 21,8 50,3 44,9 39,1 5,4

ø(graus) 23,4 22,6 22,3 28 28,7

4.3.2 Areia

4.3.2.1

Ensaio de cisalhamento direto

Os ensaios de cisalhamento direto foram realizados para a areia, as

misturas com 15%, 30% e 40% de cinza volante; e para as misturas com 3% de

cal, em substituição ao peso seco das cinzas, sendo que estas últimas foram

submetidas a períodos de cura de 0, 30, 100, 125 e 140 dias. O material foi

compactado diretamente na caixa de cisalhamento, uma vez que a areia é um

material não coesivo, não sendo possível moldá-lo fora do equipamento. Para

cada mistura, foram realizados ensaios sob as tensões de 50, 150 e 300 kPa, a fim

de se determinar seus parâmetros de resistência ao cisalhamento. A Tabela 4.20

apresenta os dados específicos dos três ensaios realizados para cada material.

DBD


114

Tabela 4.20: Dados específicos dos ensaios de cisalhamento direto para misturas com areia.

Material/ mistura

Massa aplicada

(kg)

Tensão vertical aplicada

(kPa)

Velocidade da

engrenagem (mm/min)

Duração do ensaio (horas)

Intervalo de leitura

(min)

A 7 50

0,393 0,63 0,17 28 150 60 300

A85/CV15 7 50

0,098 2,54 0,17 28 150 60 300

A70/CV30 7 50

0,393 0,63 0,17 28 150 60 300

A60/CV40 7 50

0,393 0,63 0,17 28 150 60 300

A85/CV12/C3 7 50

0,174 1,42 0,17 28 150 60 300

A70/CV27/C3 7 50

0,393 0,63 0,17 28 150 60 300

A60/CV37/C3 7 50

0,121 2,06 0,17 28 150 60 300

4.3.2.1.1 Comportamento tensão cisalhante vs deslocamento horizontal

A Figura 4.27 mostra as curvas tensão cisalhante vs deslocamento

horizontal para a areia, obtidas para as tensões de 50, 150 e 300 kPa.

DBD


115

Figura 4.27: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a areia.


deslocamento horizontal para as misturas A85/CV15, A70/CV30 e A60/CV40

respectivamente, submetidas às tensões de 50, 150 e 300 kPa.

Figura 4.28: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a mistura A85/CV15.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Te

nsã

o c

isa

lha

nte

(K

Pa

)


50 kPa

150 kPa

300 kPa

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Te

nsã

o c

isa

lha

nte

(K

Pa

)


50 kPa

150 kPa

300 kPa

A85/CV15

A

DBD


116



As Figuras 4.31 e 4.32 mostram as curvas tensão cisalhante vs

deslocamento horizontal para a mistura A85/CV12/C3, a 0 e 30 dias de cura,

respectivamente, submetida às tensões de 50, 150 e 300 kPa.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Te

nsã

o c

isa

lha

nte

(K

Pa

)


50 kPa

150 kPa

300 kPa

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Te

nsã

o c

isa

lha

nte

(K

Pa

)


50 kPa

150 kPa

300 kPa

A70/CV30

A60/CV40

DBD


117

Figura 4.31: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a mistura A85/CV12/C3 a 0 dias de cura.



deslocamento horizontal para a mistura A70/CV27/C3, a 0, 30, 100, 125 e 140

dias de cura, respectivamente, submetida às tensões de 50, 150 e 300 kPa.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Te

nsã

o c

isa

lha

nte

(K

Pa

)


50 kPa

150 kPa

300 kPa

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Te

nsã

o c

isa

lha

nte

(K

Pa

)


50 kPa

150 kPa

300 kPa

A85/CV12/C3-

0d

A85/CV12/C3-

30d

DBD


118



0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Te

nsã

o c

isa

lha

nte

(k

Pa

)


50 kPa

150 kPa

300 kPa

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Te

nsã

o c

isa

lha

nte

(K

Pa

)


50 kPa

150 kPa

300 kPa

A70/CV27/C3-

0d

A70/CV27/C3-

30d

DBD


119



0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Te

nsã

o c

isa

lha

nte

(K

Pa

)


50 kPa

150 kPa

300 kPa

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Te

nsã

o c

isa

lha

nte

(K

Pa

)


50 kPa

150 kPa

300 kPa

A70/CV27/C3-

100d

A70/CV27/C3-

125d

DBD


120



deslocamento horizontal para a mistura A60/CV37/C3, a 0, 30, 100, 125 e 140

dias de cura, respectivamente, submetida às tensões de 50, 150 e 300 kPa.


0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Te

nsã

o c

isa

lha

nte

(K

Pa

)


50 kPa

150 kPa

300 kPa

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Te

nsã

o c

isa

lha

nte

(K

Pa

)


50 kPa

150 kPa

300 kPa

A70/CV27/C3-

140d

A60/CV37/C3-

0d

DBD


121



0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Te

nsã

o c

isa

lha

nte

(K

Pa

)


50 kPa

150 kPa

300 kPa

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Te

nsã

o c

isa

lha

nte

(K

Pa

)


50 kPa

150 kPa

300 kPa

A60/CV37/C3-

30d

A60/CV37/C3-

100d

DBD


122



4.3.2.1.2 Influência do teor de cinza


para a areia e as misturas com 15%, 30% e 40% de cinza volante são apresentados

e comparados na Figura 4.43.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Te

nsã

o c

isa

lha

nte

(K

Pa

)


50 kPa

150 kPa

300 kPa

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Te

nsã

o c

isa

lha

nte

(K

Pa

)

Deslocamento horizontal(mm)

50 kPa

150 kPa

300 kPa

A60/CV37/C3-

125d

A60/CV37/C3-

140d

DBD


123

Figura 4.43: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal da areia e das misturas com cinza.

Analisando as misturas areia-cinza, pode-se dizer que qualquer melhora no

seu comportamento mecânico deve-se apenas à cinza, visto que a areia é

considerada material inerte.

Para baixas tensões, o comportamento das misturas manteve-se semelhante

ao comportamento da areia. Já para tensões elevadas, a mistura com 15% de cinza

apresentou melhores resistências quando comparada às outras misturas e à areia.

Para a tensão de 150 kPa, verificou-se, para elevados deslocamentos, que a areia

apresentou-se melhor em relação às misturas.


para a areia e as misturas A85/CV12/C3, A70/CV27/C3 e A60/CV37/C3 a 0 dias

de cura, são apresentados e comparados na Figura 4.44.

DBD


124

Figura 4.44: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal da areia e misturas A85/CV12/C3, A70/CV27/C3 e A60/CV37/C3 a 0 dias.

A análise da figura permite concluir que, em geral, o comportamento das

misturas com cal também se manteve semelhante ao comportamento da areia,

devido ao fato de a adição de cal ser de apenas 3%. A mistura A85/CV12/C3 foi a

que apresentou melhores resultados, coincidindo com o mesmo comportamento

apresentado pela mistura A85/CV15 a tensões mais elevadas.

Dessa forma, analisando as curvas tensão vs deslocamento horizontal das

misturas solo-cinza e solo-cinza-cal a 0 dias de cura, além das misturas a outros

períodos de cura, separadamente, constatou-se que elas não apresentaram pontos

de ruptura bem definidos, assim, estes também foram determinados com base na

observação de uma constância dos valores de tensão cisalhante máxima após um

determinado tempo. Assim como nas misturas com solo argiloso, esta constância

também foi observada em torno de 12 mm de deslocamento para as misturas com

areia. No entanto, com relação à areia pura, considerou-se um deslocamento

correspondente a 14 mm. A Tabela 4.21 apresenta os dados das tensões normal e

cisalhante no ponto correspondente ao deslocamento de 12 mm para as misturas; e

no ponto referente ao deslocamento de 14 mm para a areia.

DBD


125

Tabela 4.21: Dados de tensão normal e cisalhante no deslocamento de 12 mm para as misturas, e no deslocamento de 14 mm para a areia.

Mistura σ (kPa) τmáx (kPa)

A

58,7 37,1

174,7 98,1

351,3 214

A85/CV15

57,3 35,2

170,7 96,6

343,5 189,6

A70/CV30

57,3 36,1

170,7 85,8

343,4 191,3

A60/CV40

57,4 31,5

170,7 81

343,5 198,1

A85/CV12/C3-0 d

57,3 34,6

170,7 101,6

343,4 195

A85/CV12/C3-30 d

57,3 36,4

170,7 100

343,4 186

A70/CV27/C3-0 d

57,3 18

170,7 83,6

343,5 194,6

A70/CV27/C3-30 d

57,3 39

170,7 87,6

343,6 171

A70/CV27/C3-100 d

57,3 36,4

170,7 92,8

343,6 186,5

A70/CV27/C3-125 d

57,3 47,1

170,7 113

343,4 197,3

A70/CV27/C3-140 d

57,4 39

170,7 105,3

351,3 219

A60/CV37/C3-0 d

57,3 30,2

170,7 82,1

343,4 179,3

A60/CV37/C3-30 d

57,3 41,5

170,7 100,5

343,5 214,3

A60/CV37/C3-100 d

57,3 32,9

170,7 86,6

343,6 163,2

A60/CV37/C3-125 d

57,3 32,5

170,7 97,8

343,4 207,5

A60/CV37/C3-140 d

57,3 35

170,7 100,7

343,4 192,1

DBD


126

Com o objetivo de avaliar a influência do teor de cinza nas misturas, as

Figuras 4.45 a 4.49 apresentam as envoltórias de ruptura das misturas solo-cinza-

cal, nos mesmos tempos de cura.

Figura 4.45: Influência do teor de cinza volante nas misturas A85/CV12/C3, A70/CV27/C3 e A60/CV37/C3 no tempo de cura de 0 dias.

Figura 4.46: Influência do teor de cinza volante nas misturas A85/CV12/C3, A70/CV27/C3 e A60/CV37/C3 no tempo de cura de 30 dias.

DBD


127

Figura 4.47: Influência do teor de cinza volante nas misturas A70/CV27/C3 e A60/CV37/C3 no tempo de cura de 100 dias.


DBD


128


A 0 dias de cura, o comportamento da areia foi melhor do que o das

misturas, na medida em que se acredita que não houve tempo suficiente para a

estabilização química. Já a 30 dias de cura, a mistura com 37% de cinza apresenta

um resultado ligeiramente melhor do que a areia. A 100 dias de cura, quando era

esperado um incremento das reações pozolânicas, provocando melhora dos

parâmetros de resistência; a areia apresenta-se melhor do que as misturas. A 125

dias, a areia e a mistura com 37% de cinza apresentaram resultados semelhantes, e

a mistura A70/CV27/C3 passa a apresentar um comportamento melhor, que

permanece a 140 dias de cura. Dessa forma, pode-se observar que a mistura com

27% de cinza foi a que apresentou, no âmbito geral, melhores resultados,

entretanto, não foi observado um padrão nos resultados obtidos, uma vez que os

mesmos oscilaram de acordo com o período de cura, ao invés de melhorarem à

medida que a cura progredia.

Vale destacar que o objetivo do uso da areia nas misturas foi verificar a

ocorrência de reações entre a cinza e a cal, uma vez que ela, a princípio, seria um

material inerte. No entanto, diante dos resultados obtidos, e levando-se em conta

que a areia utilizada é proveniente de região de praia, contendo sal em sua

composição, possivelmente podem ter ocorrido reações deste sal com a cinza

DBD


129

volante e a cal, o que pode ter inibido a ocorrência das reações pozolânicas, não

resultando em melhoras significativas no comportamento das misturas.

Além disso, outro fator que pode ter influenciado negativamente na

ocorrência das reações pode ter sido a “quebra” dos grumos que se formaram nas

misturas ao longo do processo de cura, sendo estes grumos um indicativo de uma

maior “adesão” entre as partículas. Tal “quebra” foi feita ao colocar o material na

caixa de cisalhamento, com o objetivo de compactá-lo melhor, ajustando-o para a

execução do ensaio.

Na Figura 4.50, constam os gráficos com o comportamento das misturas

sem cal, o que proporciona a análise individual do papel das cinzas.

Figura 4.50: Influência do teor de cinza volante nas misturas A85/CV15, A70/CV30 e A60/CV40.

Nas misturas somente com cinza volante, sem adição de cal, a relação da

tensão cisalhante com a tensão normal mostrou-se semelhante para todas as

porcentagens de cinza utilizadas, o que é explicado pela similaridade existente

entre as curvas granulométricas dessas misturas. Este fato confirma que, ao se

adicionar somente cinza volante a este tipo de solo, não foi possível conferir a ele

alguma estabilização, e como os resultados foram inferiores à areia, não vale a

pena o uso deste material em substituição aos materiais convencionais.

DBD


130

4.3.2.1.3 Influência da adição de cal

As Figuras 4.51 a 4.53 apresentam os gráficos comparativos das misturas

com e sem cal, para os mesmos teores de solo e cinza, no intuito de verificar os

efeitos da adição de cal às misturas.

Figura 4.51: Influência da cal nas misturas A85/CV12/C3 e A85/CV15 a 0 dias de cura.


DBD


131


Comparando as misturas sem cal e com cal a 0 dias de cura, verificou-se

que as misturas com 12% e 15% de cinza apresentaram um ligeiro ganho de

coesão, contudo, devido à redução do ângulo de atrito, todas foram inferiores à

areia. Já com relação às misturas A70/CV30 e A70/CV27/C3, ambas

apresentaram comportamento semelhante, também inferior à areia, assim como as

misturas com 37% e 40% de cinza, que se mostraram piores do que a areia, o que

indica que, sem cura, não é recomendável o emprego destes materiais em

aplicações geotécnicas.

4.3.2.1.4 Influência do tempo de cura

A Figura 4.54 mostra a influência do tempo de cura sobre o

comportamento tensão cisalhante vs deslocamento horizontal da mistura

A85/CV12/C3, submetida a 0 e 30 dias de cura.

DBD


132

Figura 4.54: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal da mistura A85/CV12/C3 a diferentes períodos de cura.

Para tensões baixas, o comportamento da mistura A85/CV12/C3 a 0 e 30

dias manteve-se bem similar à da areia. Já a tensões intermediárias, houve a

tendência de, a 0 e 30 dias de cura, esta mistura possuir resultados melhores do

que a areia, mas a altas deformações, interceptá-lo. Comparando entre si, a 0 dias

de cura, o comportamento obtido foi melhor do que a 30 dias.

Para tensões de 300 kPa, foi observada esta mesma tendência para a

mistura a 0 dias de cura, que se apresentou superior à areia, ao contrário da

mistura a 30 dias, que foi inferior à areia.



A70/CV27/C3, submetida a 0, 30, 100, 125 e 140 dias de cura.

DBD


133


Para tensões da ordem de 50 kPa, os resultados de todas as misturas foram

superiores à areia, com exceção da mistura a 0 dias de cura. Destacou-se a mistura

submetida a 125 dias de cura.

Para tensões intermediárias, a 125 e 140 dias de cura, o comportamento

desta mistura é melhor do que o da areia, sendo que a de 125 dias foi a que

apresentou maior resistência.

Já a tensões elevadas, também a 125 e 140 dias, o comportamento da

mistura é bem semelhante, no entanto, para deslocamentos elevados, a de 125 dias

se aproxima da areia e a de 140 dias se destaca.



A60/CV37/C3, submetida a 0, 30, 100, 125 e 140 dias de cura.

DBD


134


Para tensões de 50 kPa, a 30 e 140 dias, a mistura obtém melhores

resultados, comportando-se melhor do que a areia; já para tensões de 150 kPa, a

30, 125 e 140 dias, também se obtém um comportamento melhor do que a areia,

com uma tendência de, a altas deformações, as curvas interceptarem a areia. Para

tensões de 300 kPa, a mistura, quando submetida a estes mesmos períodos de

cura, também se comporta melhor do que a areia.

Com o objetivo de avaliar a influência do período de cura nas misturas, as

Figuras 4.57 a 4.59 apresentam as envoltórias de ruptura nos diferentes tempos de

cura, para cada mistura.

DBD


135

Figura 4.57: Variação da tensão cisalhante vs tensão normal para a mistura A85/CV12/C3 para os diferentes tempos de cura.


DBD


136


No caso da mistura A85/CV12/C3, o processo de cura provocou aumento

da coesão, contudo, houve uma redução do ângulo de atrito em relação à areia,

fazendo com que esta mantivesse um comportamento melhor.

Com relação à mistura com 27% de cinza, o gráfico mostra que há um

ganho de coesão ao longo do processo de cura, não sendo este, contudo,

proporcional aos dias de cura, quando se esperava que, quanto maior a cura, maior

fosse a ocorrência de reações pozolânicas e, consequentemente, melhores os

parâmetros de resistência. Esta falta de padrão nos resultados, já mencionada

anteriormente, pode ter ocorrido pela quebra dos grumos que se formaram ao

longo do processo de cura, ou pelo fato de a areia, por ser oriunda de região de

praia, possuir sal em sua composição química que pode ter reagido com os

componentes da cinza e da cal, inibindo o desempenho das reações pozolânicas.

Embora tenha havido este ganho de coesão, da mesma forma que na

mistura anterior, ocorre uma diminuição do ângulo de atrito em relação à areia

para períodos de cura distintos, exceto para a cura de 140 dias, que proporciona a

esta mistura um aumento de ambos os parâmetros de resistência, ainda que estes

permaneçam bem próximos aos da areia. Assim, pode-se dizer que o uso de

DBD


137

misturas com 27% de cinza é aplicável em obras geotécnicas quando as mesmas

são submetidas a elevados períodos de cura.

Já para a mistura A60/CV37/C3, quando submetida a 125 dias de cura,

exibe um comportamento semelhante à areia; para outros períodos de cura, exibe

um ganho de coesão acompanhado de uma redução do ângulo de atrito, o que não

acontece para a cura de 30 dias, que provocou um ligeiro aumento de ambos os

parâmetros de resistência.

A Tabela 4.22 apresenta a síntese dos resultados obtidos para a areia e as

misturas.

Tabela 4.22: Parâmetros de resistência ao cisalhamento da areia e das misturas.

Material/Parâmetros c (kPa) ø (graus)

A 0 30,9

A85/CV15 4,3 28,3

A70/CV30 0 28,7

A60/CV40 0 29,1

A85/CV12/C3-0 d 3,8 29,2

A85/CV12/C3-30 d 8,2 27,5

A70/CV27/C3-0 d 0 28,6

A70/CV27/C3-30 d 10,9 24,8

A70/CV27/C3-100 d 5,1 27,7

A70/CV27/C3-125 d 19,7 27,6

A70/CV27/C3-140 d 2,5 31,5

A60/CV37/C3-0 d 0 27,2

A60/CV37/C3-30 d 2,8 31,3

A60/CV37/C3-100 d 7,6 24,4

A60/CV37/C3-125 d 0 30,8

A60/CV37/C3-140 d 5 28,7

4.4 Considerações sobre os resultados

A disparidade existente entre os resultados obtidos em amostras com solo

argiloso e areia permitiu confirmar o fato de o tratamento com a adição de cal ser

eficiente em solos argilosos, uma vez que o melhoramento das propriedades

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138

mecânicas do material está intimamente relacionado às reações que se

desenvolvem entre a cal e os minerais argílicos.

No entanto, na ausência de cal, as misturas de solo argiloso com cinza

também apresentaram um ganho significativo de resistência, refletida no ganho de

coesão, o que se explica pelas características cimentantes conferidas pela cinza.

Desse modo, a função da cal foi potencializar estas reações, melhorando os

parâmetros de resistência.

Vale ressaltar, contudo, que este incremento nas reações não foi observado

na mistura com maior teor de cinza (30%), o que pode ter ocorrido em função do

baixo teor de cal adicionado à mistura, havendo pouca quantidade de cal para

grande quantidade de cinza, dificultando, assim, a ocorrência das reações.

É importante destacar também que, comparando as misturas sem cal e com

cal, a resistência aumentou com o aumento da massa específica aparente seca

dessas misturas, o que também ocorreu no trabalho de Rosa (2009), que utilizou a

mesma cinza da presente pesquisa.

Com relação aos resultados obtidos com a areia, pode-se dizer que os

mesmos não foram tão satisfatórios como se esperava. A princípio, solos mal

graduados e desprovidos de finos, como a areia utilizada nesta pesquisa, não são

indicados para processos de estabilização de solos, uma vez que o maior volume

de vazios das partículas e o menor número de contatos entre elas tendem a

dificultar o processo de cimentação, como afirma Nardi (1975).

Dessa forma, o emprego da cinza volante nas misturas com areia foi

justamente substituir a fração fina do solo, auxiliando nas reações com a cal.

Contudo, como dito anteriormente, estas reações podem ter sido inibidas em

função da quebra dos grumos formados ao longo do processo de cura e de

possíveis reações do sal da areia com a cinza e a cal.

Devido à falta de padrão observada nos resultados obtidos com a cura, foi

difícil determinar um teor ótimo de cinza a ser utilizado. Ainda que tenha ocorrido

ganho de coesão das misturas a determinados dias de cura, este ganho veio

acompanhado de uma redução no ângulo de atrito, fazendo com que a areia

obtivesse um comportamento melhor. No entanto, o teor de 27%, sob a cura de

140 dias, proporcionou ao solo um aumento de ambos os parâmetros de

resistência, o que sinaliza que, para a ocorrência das reações pozolânicas para este

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139

tipo de material, é necessário tempo, podendo a resistência aumentar mesmo após

alguns anos.

Ao contrário do que foi observado, Rosa (2009) verificou um aumento

proporcional da resistência à compressão simples com o aumento do teor da cinza

volante. Para as misturas com teores mais elevados de cinza, a autora constatou

que o tempo de cura das misturas exerceu forte influência sobre a resistência dos

materiais, que aumentou com o aumento do tempo de cura, independentemente da

quantidade de cal e da massa específica aparente seca utilizada.

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5 Considerações finais

5.1 Conclusões

A partir dos resultados apresentados e analisados anteriormente, foi

possível chegar às conclusões abordadas neste item.

A adição de cinza volante e cal ao solo argiloso propiciou melhores

resultados do que quando adicionada à areia, devido às reações desencadeadas

entre a cal e os minerais argílicos.

A seguir, são apresentadas as conclusões relacionadas à adição de cinza

volante de carvão mineral aos solos utilizados na presente pesquisa:

• Através do sistema de classificação SUCS, o solo argiloso foi

classificado como sendo do tipo CH (argila arenosa de média

plasticidade), a areia como SP (areia mal graduada) e a cinza

volante como ML (silte de baixa plasticidade). Para as misturas

com areia, a classificação enquadrou-se no grupo SM (areia

siltosa).

• A cinza volante possui como principais componentes o silício,

alumínio e ferro. Os resultados dos ensaios de composição química

das misturas com areia mostraram que foi mantida a

representatividade dos elementos silício e alumínio. Já nas misturas

com solo argiloso, a representatividade de todos estes elementos foi

mantida, o que sugere que eles estejam presentes em grande

quantidade neste solo. Com relação à análise das misturas

submetidas ao processo de cura, foi apenas observado um aumento

das concentrações de silício, o que já indica a ocorrência de reações

pozolânicas. O teor de óxido de cálcio presente na cinza volante

está em torno de 2%, sendo, portanto inferior a 10%, ou seja,

insuficiente para a ocorrência de reações entre a cinza e o solo

argiloso.

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141

• Quanto aos ensaios de compactação, verificou-se que o teor de

cinza exerce influência sobre os parâmetros de compactação. De

modo geral, observou-se uma redução do peso específico seco

máximo e da umidade com a adição de cinza ao solo.

• As análises dos resultados dos ensaios de cisalhamento direto

comprovaram a influência já conhecida dos seguintes fatores: tipo

de solo, teor de cinza, teor de cal e tempo de cura.

• Quanto ao tipo de solo: os parâmetros de resistência obtidos

para as misturas com solo argiloso foram melhores do que os

obtidos para aquelas com areia, o que se deve, além das reações

entre a cal e a cinza, ao desenvolvimento de reações dos

minerais do solo argiloso com a cal, contribuindo para uma

maior cimentação do material.

• Quanto ao teor de cinza: para as misturas com solo argiloso,

verificou-se que o melhor comportamento obtido foi em torno

de 15%, para a mistura solo-cinza, e 12%, para a mistura solo-

cinza-cal. Para teores mais elevados, o ganho de resistência foi

menor, o que induz ao fato de que, para efeitos de estabilidade,

não é necessário adicionar grandes quantidades de cinza ao

solo. Para as misturas com areia, como não houve um aumento

proporcional da resistência com o aumento do teor de cinza

volante, foi difícil determinar um teor ótimo de cinza a ser

utilizado.

• Quanto ao teor de cal: para as misturas com solo argiloso, a

adição de cal foi benéfica para a mistura S85/CV15,

potencializando as reações pozolânicas; o que não ocorreu para

a mistura S70/CV30, o que pode ter acontecido devido ao baixo

teor de cal adicionado à mistura, havendo pouca quantidade de

cal para elevada quantidade de cinza, dificultando a ocorrência

das reações. Quanto às misturas com areia, de modo geral, a

adição de cal não produziu resultados satisfatórios, o que pode

ter ocorrido em função da quebra dos grumos formados ao

longo do processo de cura, ou da composição salina da areia,

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142

fazendo com que fossem desencadeadas reações entre o sal, a

cinza e a cal, inibindo o desenvolvimento das reações

pozolânicas.

• Quanto ao tempo de cura: devido à disponibilidade de tempo, a

cura foi adotada apenas para as misturas com areia. Observou-

se que, embora tenha ocorrido ganho de coesão das misturas a

determinados dias de cura, este ganho veio acompanhado de

uma redução no ângulo de atrito, fazendo com que o solo puro

obtivesse um comportamento melhor. No entanto, o teor de

27%, sob a cura de 140 dias, proporcionou ao solo um aumento

de ambos os parâmetros de resistência, o que sinaliza que, para

a ocorrência das reações pozolânicas para este tipo de material,

é necessário tempo, podendo a resistência aumentar mesmo

após alguns anos.

• Os resultados permitiram concluir que, ainda que o emprego da

cinza volante em misturas com o solo argiloso tenha se mostrado

mais satisfatório, este material também pode ser utilizado em

misturas com areia, desde que submetido a elevados períodos de

cura e que contenham uma porcentagem de cinza em torno do teor

ótimo encontrado, o que viabiliza o emprego positivo deste

material em aplicações geotécnicas, possibilitando uma destinação

ambientalmente correta deste resíduo e dando um fim mais nobre a

este material.

5.2 Sugestões para pesquisas futuras

A seguir, são citadas algumas sugestões para ampliar o conhecimento e

prosseguir com os estudos sobre estabilização de solos com a inserção de cinzas

de carvão mineral:

• Analisar o comportamento mecânico de misturas com outros tipos

de solo;

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143

• Analisar o comportamento mecânico de misturas com outros teores

de cinza volante;

• Analisar o comportamento mecânico de misturas com distintos

teores de cal não estudados, verificando os efeitos da cal no

comportamento mecânico e de estabilização do solo, por meio de

programa experimental mais aprofundado. Em seguida, comparar

os resultados obtidos com os das misturas solo-cinza-cal;

• Determinar a atividade pozolânica da cinza volante e avaliar

misturas areia-cinza-cal para maiores tempos de cura, a fim de se

estudar melhor a potencialidade de aplicação desta cinza

juntamente com a cal;

• Realizar ensaios adotando-se diferentes densidades relativas para o

material, e quando aplicada a cura, monitorar a temperatura, para

que esta seja constante durante o processo, uma vez que esta

influencia nas reações químicas ocorridas entre os materiais;

• Analisar de forma mais detalhada as reações que ocorrem entre os

materiais estudados, com o objetivo de verificar a natureza da

estabilização existente neste novo material geotécnico, através de

ensaios de microscopia eletrônica;

• Avaliar o comportamento ambiental das misturas solo-cinza e solo-

cinza-cal, realizando ensaios de lixiviação e solubilização para as

misturas que apresentam melhores resultados, uma vez que os

resíduos foram classificados como não inertes;

• Realizar ensaios químicos na areia de praia utilizada, a fim de

verificar a existência de sal, que pode ter inibido os processos

cimentantes nas misturas estudadas; e analisar o comportamento

mecânico das misturas, empregando-se areia de rio em vez de areia

de praia;

• Realizar ensaios de difração de raios-X (DRX) no solo argiloso e

na cinza volante, a fim de saber se a sílica encontra-se no estado

amorfo ou cristalino, interferindo na ocorrência de reações

cimentantes;

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144

• Realizar ensaios de cisalhamento direto com os corpos de prova

pré-moldados, ao invés de moldá-los diretamente na caixa de

cisalhamento, evitando a quebra de grumos, de modo a avaliar o

novo comportamento mecânico das misturas;

• Realizar ensaios triaxiais, a fim de estudar melhor o

comportamento tensão-deformação das misturas;

• Desenvolver modelos de previsão de ruptura para análise numérica

que reproduzam o comportamento de solos misturados com cinzas

de carvão mineral para a simulação de obras geotécnicas.

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