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Departamento de Engenharia Civil
ESTUDO EXPERIMENTAL DE MISTURAS DE SOLO ARENOSO
E CINZA DE BAGAÇO DE CANA DE AÇUCAR E DE CASCA DE
ARROZ PARA APLICAÇÃO EM OBRAS GEOTÉCNICAS
Alunos: Leanderson Muniz de Santana e Paula Helene Silveira
Orientador: Michéle Dal Toé Casagrande
Introdução O bagaço gerado durante a extração do caldo na moagem da cana –de –açúcar é
considerado o maior resíduo na agricultura brasileira. A casca de arroz, que consiste no
principal subproduto da indústria arrozeira, corresponde a cerca de 20% do total de
arroz seu descarte constitui também um grave e dispendioso problema.
O bagaço de cana tem sido empregado como combustível nas usinas e destilarias
brasileiras e a casca de arroz atualmente é utilizada pelas indústrias beneficiadoras em
processos de co-geração de energia.
Como produto das atividades supracitadas, tem-se a redução de volume deste
resíduo, porém há geração de um subproduto, que são a cinza de bagaço de cana de
açúcar e a cinza de casca de arroz.
A presente pesquisa visa propor uma solução para a destinação final destas cinzas
visando sua utilização como um material geotécnico alternativo. Desta forma seria
possível obter uma diminuição tanto nos custos das obras como no uso de recursos
naturais e assim incentivaria o investimento neste tipo de infraestrutura, podendo desta
forma atender também parcelas da sociedade que são menos favorecidas.
Para a utilização desses novos materiais é extremamente necessário que se
conheça as propriedades mecânicas, físicas e químicas dos mesmos, bem como das
misturas realizadas com o solo a fim de conhecer seu comportamento mecânico. A cinza
de bagaço de cana e a cinza de casca de arroz podem funcionar como agentes
estabilizantes de solos, e assim serem empregadas, por exemplo, em camadas de aterros
sanitários, aterros sobre solos moles e estabilização de taludes.
Devido ao fato do solo natural ser complexo e variável, muitas vezes não
preenchendo total ou parcialmente as exigências de um projeto geotécnico, é necessária
uma busca por alternativas, sendo uma delas a adequação e modificação do material
natural através da melhoria de suas propriedades com aditivos. Criando-se um novo
material com características de resistência e deformabilidade próprias que pode ser
adequado a tais obras.
Objetivo
O objetivo principal desta pesquisa consiste em avaliar o potencial de utilização
das cinzas de bagaço de cana de açúcar proveniente da Companhia Açucareira Usina
Barcelos e da cinza de casca de arroz, Indústria de Beneficiamento Arroz Urbano
Agroindustrial, como agentes estabilizantes em um solo arenoso e em um solo argiloso
para possíveis aplicações geotécnicas.
Pretende-se alcançar este objetivo através da análise do comportamento físico,
químico e mecânico do solo puro e misturas com discriminadas porcentagens, com a
cinza de bagaço de cana foram adotadas 5%, 10% e 20% e nas misturas com cinza de
casca de arroz 10% e 20% a fim de se obter a melhoria dos parâmetros de resistência
dos materiais.
Objetivos específicos:
Realizar ensaios de caracterização física e química do solo, das cinzas de bagaço
de cana de açúcar e de casca de arroz e misturas solo-cinza, através de ensaios
laboratoriais normatizados;
Avaliar o comportamento mecânico do solo puro e em mistura com diversos
teores das cinzas de bagaço de cana e de casca de arroz através de ensaios de
cisalhamento direto a fim de se obter os parâmetros de resistência ao
cisalhamento dos materiais;
Analisar a influência dos teores de cinzas adicionadas ao solo;
Através dos resultados obtidos, concluir se há viabilidade técnica e ambiental
das misturas estudadas, de forma que possam ser efetivamente utilizadas em
obras geotécnicas;
Para o desenvolvimento do programa experimental, os ensaios foram realizados
no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da Pontifícia Universidade Católica do
Rio de Janeiro (PUC-Rio).
Programa experimental
Materiais utilizados
Foram utilizados quatro tipos de materiais: solo arenoso (Areia), cinza de bagaço
de cana (CBC), cinza casca de arroz (CCA) e solo argiloso (Argila). Trabalhou-se com
estes materiais puros e misturas decorrentes destes com diferentes teores de cinzas.
Solo Arenoso
O solo arenoso utilizado na presente pesquisa é procedente da praia da Barra da
Tijuca, zona oeste do Rio de Janeiro - RJ. O solo, coletado com todos os procedimentos
pertinentes para a redução das impurezas no mesmo, foi armazenado em sacos plásticos
e transportado até o local de estudo.
Solo Argiloso
O solo argiloso utilizado maduro, coluvionar, argilo-arenoso, não saturado. Este
foi coletado no Campo Experimental II, interior do campus da PUC-Rio. O material foi
retirado entre 0,0 m e 2,00 m de profundidade, desde a superfície da encosta. Este solo
possui características de tonalidade vermelha amarelada, textura micro-granular e com
aspecto homogêneo, sendo constituído basicamente por quartzo, granada alterada,
argilominerais (essencialmente caulinita) e óxidos de ferro e alumínio, como produto do
intemperismo dos minerais primários da biotita gnaisse.
Cinza de Bagaço de Cana de Açúcar
A cinza de bagaço de cana utilizada nesta pesquisa é proveniente da Companhia
Açucareira Usina Barcelos, localizada no Município de São João da Barra/RJ.
Misturas Solo-Cinza
Para realização dos ensaios e preparação das misturas, tanto o solo como as cinzas
foram secados em estufa a 60°C. Logo após, foram armazenados e etiquetados em sacos
plásticos bem vedados e mantidos na câmara úmida. Após a mistura a seco, realizaram-
se os ensaios de caracterização física, química e mecânica.
Para os ensaios mecânicos, adicionou-se a quantidade de água necessária para se
obter a umidade determinada para o ensaio que foi de 10% da massa total para as
misturas com solo arenoso, a determinação desta umidade utilizada nos ensaios foi feita
através do ensaio de cisalhamento direto no solo arenoso puro, foram feitos ensaios com
o solo apresentando 5, 10, 15 e 20% de umidade, obtendo-se melhor resistência do
material quando este apresentava 10% de umidade, dessa forma, determinou-se esta
porcentagem para realização do ensaio em todas as misturas e solo puro. Para o solo
argiloso foi utilizada a umidade ótima de cada mistura, estas foram obtidas por meio do
ensaio de compactação. As porcentagens da cinza de bagaço de cana foi de 5 %,10% e
de 20% no solo arenoso no solo argiloso foi de 10% e de 20% já na cinza de casca de
arroz a variação de 10% e de 20% para ambos os solos estudados.
Métodos e procedimentos de ensaio
O objetivo da realização deste programa experimental foi a de obter a
caracterização física, química e mecânica do solo e misturas solo-cinza, avaliando seu
comportamento através de ensaios de cisalhamento direto e obtendo seus parâmetros de
resistência, para se avaliar a aplicabilidade das cinzas de bagaço de cana de açúcar e de
casca de arroz como estabilizantes dos solos em estudo.
Abaixo são apresentados os ensaios laboratoriais realizados para caracterização
física e mecânica dos solos e misturas estudadas:
a) Propriedades físicas e de classificação dos materiais:
- Densidade Real dos Grãos;
- Índice de vazios máximo e mínimo do solo;
- Análise granulométrica;
- Limite de Liquidez;
- Limite de Plasticidade.
b) Propriedades químicas:
- Composição Química
c) Propriedades mecânicas:
- Ensaio de Compactação
- Ensaio de Cisalhamento Direto
Ensaios de Caracterização Física
Para solo argiloso do campo experimental da PUC-Rio e para as misturas solo
argiloso – cinzas foram executados ensaios de caracterização física do material. Sendo
proveniente de amostras deformadas, o solo foi preparado conforme procedimentos
normatizados pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). Os ensaios
realizados seguiram os métodos estabelecidos pelas seguintes normas:
NBR 6508/1984 - Solo - Determinação da densidade real dos grãos;
NBR 7181/1984 – Solo – Análise Granulométrica;
NBR 12004/1990 – Solo – Determinação do índice de vazios máximo de
solos não coesivos;
NBR 12051/1991 – Solo – Determinação do índice de vazios mínimos de
solos não coesivos.
NBR 6459/1984 – Solo – Determinação do Limite de Liquidez;
NBR 7180/1984 – Solo – Determinação do Limite de Plasticidade.
Densidade Real dos Grãos
Do material passante na peneira #40, seco em estufa a 105°C, foi utilizado
proximadamente 100 gramas. Posteriormente, foi colocado 30g da amostra de material
em três picnômetros de 250ml, e foi adicionada água a estes de forma que o solo ficasse
totalmente submerso. Através de uma válvula a vácuo, realizou-se o processo de
deaeração da mistura, a fim de que todo o ar presente nos vazios do solo fosse retirado.
Completou-se o volume restante com água destilada de maneira lenta, para que não
houvesse entrada de ar nos picnômetros. Após o procedimento descrito anteriormente
para que houvesse a equalização da temperatura dos picnômetros, que baixou devido
aplicação de vácuo, estes foram imersos em água, pesou-se cada conjunto
(picnômetro+solo+água). Obtido este valor, material que estava contido nos
picnômetros foi descartado e estes novamente foram preenchidos desta vez apenas com
água destilada, e em seguida foram pesados (picnômetro+água). A temperatura da água
foi determinada através de um termômetro, e garantiu-se que o valor desta na
equalização do primeiro conjunto, fosse igual a do segundo. A partir dos dados obtidos,
foi possível determinar a massa específica dos grãos segundo a Equação 3.2.1 a seguir:
( ) (3.2.1)
Onde:
= peso do picnômetro + água;
= peso do solo;
= peso do picnômetro + água + solo;
= constante de correção para temperatura igual a 22°C;
Os resultados obtidos para todos os materiais envolvidos são apresentados no
capítulo 4.
Análise Granulométrica
O material retido na peneira # 40 foi lavado e posteriormente secado por 24h em
estufa a 105 °C, realizando-se o peneiramento grosso logo após este período.
Do material passante na peneira #40, utilizou-se 70 gramas para a sedimentação,
sendo este misturado com 125 ml de uma solução de hexametafosfato de sódio e
deixado em repouso pelo menos durante 12 horas. Após este processo, submeteu-se o
material à dispersão mecânica, transferindo-o em seguida para uma proveta de 1000ml
onde o restante do volume foi completado com água destilada para então serem feitas as
devidas leituras.
Depois de realizada a sedimentação, todo o material foi lavado à peneira #200, e o
que ficou retido foi levado à estufa, para quando seco, proceder-se com o peneiramento
fino. Para o solo arenoso em estudo só foi necessária a realização do peneiramento
grosso.
Índice de vazios máximos e mínimos
Para determinação dos índices de vazios máximos e mínimos, tanto do solo
arenoso puro, como das misturas, foram utilizados um funil, um cilindro metálico e uma
mesa vibratória. A principio foram obtidas as dimensões do cilindro metálico, visando
calcular seu volume interno, e seu peso.
A determinação do índice de vazio máximo procedeu segundo a NBR
12004/1990. Inicialmente a amostra de material foi homogeneizada e, com o auxílio de
um funil, despejada no cilindro metálico de forma que a altura de queda do material se
mantivesse constante e este permanecesse num estado mais fofo possível. Neste
processo, o funil foi movido segundo uma trajetória constante em movimento circular,
da borda para o centro do molde, de forma que as camadas fossem compostas de
espessuras uniformes. O molde foi preenchido de 1 a 2 cm acima do topo e o excesso de
material foi retirado com o auxilio de uma régua biselada, pesando o conjunto.
A determinação do índice de vazio mínimo procedeu segundo a NBR 12051/1991.
O processo inicial de homogeneização e o método de utilização do funil para despejo do
material no cilindro se deram da mesma forma que a descrita anteriormente para o
índice máximo. Com o auxílio do funil, primeiramente, 1/3 do volume de cilindro foi
preenchido, colocando-se em seguida um disco-base e um peso em seu interior para
aplicar uma sobrecarga no material, e fixou-se o cilindro a uma mesa vibratória por 1
min. O processo foi repetido em mais 2 camadas, até que o cilindro fosse preenchido de
1 a 2 cm acima do topo. Após esse processo, o excesso de material é retirado e o
conjunto pesado.
Em ambos os casos, o processo foi repetido três vezes, a fim de se ter uma maior
precisão no resultado. O valor final calculado para os mesmos foi obtido tirando uma
média das três repetições.
Limites de Atterberg
Os ensaios de limites de liquidez (LL) e de plasticidade (LP), que permitem
caracterizar a interação solo-água, foram realizados segundo os procedimentos descritos
pelas normas brasileiras NBR 6459 e NBR 7180 (ABNT, 1984), respectivamente.
Através dos dados obtidos por meio destes ensaios, pode-se determinar o Índice
de Plasticidade (IP) dos materiais segundo a Equação 3.2.2 a seguir:
( ) ( ) ( ) (3.2.2)
O Limite de Liquidez é obtido através do teor de umidade do solo quando há o
fechamento de uma ranhura padrão feita em uma massa do mesmo, colocada na concha
de um aparelho normalizado denominado aparelho de Casagrande, sob a ação de 25
golpes no aparelho. O Limite de Liquidez (LL) marca a transição do estado plástico ao
estado líquido do solo e o Limite de Plasticidade a transição do estado plástico para o
estado semi-sólido do solo.
Ensaios de Caracterização Química
Para determinar os componentes químicos, classificar e definir a existência ou não
de periculosidade das cinzas estudadas no presente trabalho, Levam-se em consideração
os ensaios para determinação da classificação do resíduo, Cordeiro(2007), como
perigoso ou não perigoso, e inerte ou não inerte se define a escolha do tipo de
disposição final que este deve ter e suas aplicações.
Para a presente pesquisa não se fez necessária a repetição de todos estes ensaios,
devido ao fato das cinzas serem provenientes do mesmo local que o estudado por
Cordeiro(2007) optando-se então somente pela realização do ensaio para se analisar a
composição química do material.
Composição Química
A fim de se analisar as concentrações dos elementos químicos das cinzas, e o
resultado de possíveis reações entre as cinzas e os solos estudados foram realizados
ensaios de Espectrometria de fluorescência de Raio-X por Energia Dispersiva (EDX)”
para as cinzas puras e para as misturas estudadas.
Este ensaio permite a determinação da composição química total das amostras.
Ensaio de Caracterização Mecânica
Com o objetivo de se verificar as propriedades mecânicas dos materiais e das
misturas estudadas, para determinação da viabilidade do emprego destas em obras
geotécnicas como as citadas anteriormente, foram realizados ensaios de compactação e
cisalhamento direto. Os ensaios realizados seguiram os métodos estabelecidos pelas
seguintes normas:
NBR 7182/1986 – Ensaio de Compactação;
ASTM D 3080/2004 – Ensaio de Cisalhamento Direto;
Ensaio de Compactação
Os ensaios de compactação foram realizados para o solo argiloso puro e em
mistura com 10 e 20 % de cinza de bagaço de cana e de cinza de casca de arroz a fim de
determinar a umidade ótima de compactação (wótm) e o peso específico aparente seco
máximo (dmáx) dos materiais. Estes ensaios foram realizados segundo as diretrizes da
norma NBR 7182 (ABNT, 1986), utilizando-se a energia de compactação Proctor
Normal e com reuso de material.
Após secagem do solo em estufa a 60°C, iniciou-se o processo de
destorroamento do mesmo, passando-o posteriormente pela peneira #4, adotando-se o
procedimento descrito pela norma NBR 6457 (ABNT, 1986) - preparação com secagem
prévia até a umidade higroscópica. Em seguida, adicionou-se uma determinada
quantidade de água ao material, a fim de que este ficasse com cerca de 5% de umidade
abaixo da umidade ótima. Este valor pode ser estimado inicialmente através do limite de
plasticidade, cujo valor pode se aproximar ao da umidade ótima. Após mistura do solo
(puro e com as diversas porcentagens de borracha) com o volume de água calculado,
homogeneizou-se bem o material, armazenando-o na câmara úmida quando não
compactado em seguida, para que não houvesse perda de umidade.
Após preparação das misturas, o material foi colocado dentro do molde
cilíndrico pequeno (cilindro Proctor), de dimensões 10 cm x 12,7 cm (diâmetro x
altura). Aplicaram-se 26 golpes com um soquete pequeno, de massa igual a 2,5 kg, que
se deixa cair na camada de solo a uma altura de 30,5 cm aproximadamente. As porções
de solo compactadas devem ocupar cerca de 1/3 da altura total do molde (compactação
em três camadas). Para se conseguir uma boa aderência entre as camadas compactadas,
escarificou-se bem cada uma delas antes de se compactar a camada sobrejacente. Em
geral, depois de completadas as três camadas, atinge-se uma altura maior que a do
molde, o que ocorre devido a utilização de um anel complementar, o qual garante se ter
a altura total necessária. Este excesso é removido ao final do ensaio, acertando-se o
volume de solo em relação à altura do molde.
Completado o processo de compactação, pesa-se o cilindro juntamente com o
solo. Com o peso total do corpo de prova e o volume do cilindro, é possível se calcular
sua massa específica. Através da retirada de três amostras do interior do corpo de prova
(em sua parte média), determina-se sua umidade média após secagem em estufa. Com a
obtenção destes dois valores, calcula-se a massa específica seca do material.
Finalizado todo o procedimento, um novo corpo de prova é preparado, com uma
quantidade maior de água, aumentando-se a umidade da mistura em aproximadamente
5%. A partir daí, realiza-se uma nova compactação e obtém-se dessa forma um novo par
de valores de umidade (w) e massa específica seca (d). Com todos os pontos obtidos,
constrói-se um gráfico de massa específica versus umidade, tendo-se então a curva de
compactação. Os valores de wótm e dmáx obtidos correspondem ao ponto máximo das
curvas, e foram utilizados para moldagem dos corpos de prova utilizados nos ensaios de
cisalhamento direto. Todo o processo foi repetido cinco vezes para cada mistura, a fim
de se obter cinco pares de valores, sendo ao menos dois no ramo seco e dois no ramo
úmido da curva de compactação. Para se obter esta curva, o procedimento se repete de
forma que a densidade seca máxima obtida se reduza duas ou três vezes.
Ensaio de Cisalhamento Direto
Os ensaios de cisalhamento direto foram realizados para os dois tipos de solo em
estudo, com solo puro e em misturas com 5,10 e 20% de cinza de bagaço de cana e solo
arenoso, misturas de 10 e 20% de cinza de casca de arroz e solo arenoso e em misturas
de 10 e 20% de cinza de bagaço de cana e solo argiloso a mesmas porcentagens de cinza
de casca de arroz e solo argiloso visando determinar a resistência ao cisalhamento do
solo através da obtenção dos parâmetros coesão (c) e ângulo de atrito (φ), componentes
relacionados à resistência entre as partículas. Estes ensaios foram realizados segundo os
métodos descritos pela norma ASTM D 3080/2004.
Devido às características de cada solo em estudo, estes tiveram métodos de
moldagem do corpo de prova de maneiras diferentes. A seguir serão descritos
separadamente os métodos de preparação utilizados para cada um destes.
a) Preparação do corpo de prova para o solo argiloso:
Para confecção dos corpos de prova do solo S e misturas com o mesmo nos
diversos teores de cinza, inicialmente compactou-se um corpo de prova cilíndrico, na
energia Proctor Normal e umidade ótima e massa específica seca máxima, obtidas
através do ensaio de compactação descrito anteriormente. Devido às dimensões da caixa
utilizada no equipamento de cisalhamento direto, que mede aproximadamente 10,2cm x
10,2cm (lado x lado) e 2,0 cm de altura, a compactação do corpo de prova inicial foi
realizada no cilindro grande, de dimensões 15,08cm x 17,78cm (diâmetro x altura),
utilizando-se o soquete grande (4,53kg) e ajustando-se o número de golpes para que a
energia de compactação fosse igualada a aplicada no cilindro pequeno (Ng=20). A
compactação foi realizada no cilindro grande para que fosse possível posteriormente
realizar a moldagem dos corpos de prova para ensaio.
Obtido o material compactado, os corpos de prova foram moldados 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
material compactado, de forma uniforme e escavando-se as laterais para alivio de
tensões quando o material apresenta resistência à cravação do anel. É importante untar
as laterais do mesmo com materiais tipo vaselina, para que o corpo de prova não seja
danificado quando transferido para o equipamento. Após cravagem completa no anel, as
bases do corpo de prova quadrado foram niveladas, para então transferi-lo ao
equipamento. Com a ajuda de um cap de acrílico, o material é pressionado e o corpo de
prova é transferido para a caixa de cisalhamento.
A Figura 3.2.1 apresenta as etapas de moldagem dos corpos de prova para ensaio
a partir do material compactado.
Figura 3.2.1 – Moldagem dos corpos de prova do solo puro e solo-borracha para ensaio.
Moldagem dos corpos de prova – Solo Argiloso
1. Material compactado
para posterior moldagem
dos corpos de prova.
2. Moldagem do corpo de prova do solo puro e
solo-borracha, com a cravação do anel.
4. Corpo de prova
utilizado para ensaio.
b) Preparação do corpo de prova para o solo arenoso:
Para confecção dos corpos de prova do solo arenoso e misturas com o mesmo para
os diversos teores cinza, a compactação do material foi realizada diretamente na caixa
de cisalhamento, pelo fato da areia ser um material não coesivo e não ser possível
moldá-lo fora do equipamento. Esta compactação foi realizada manualmente, de
maneira uniforme, e de modo que a areia não ficasse muito densa. A umidade ótima e
massa específica seca máxima adotadas foram de 10% e 1,5 g/cm³, respectivamente.
Estes parâmetros de compactação foram definidos baseados em estudos realizados por
Casagrande (2005), que realizou ensaios triaxiais e ring shear utilizando o mesmo
material. Estes valores correspondem a uma densidade relativa de 50% e índice de
vazios de 0,75.
Para garantir que o material ficasse com todas as propriedades adequadas,
calculou-se a quantidade certa de material seco que deveria ser adicionado à caixa de
cisalhamento, em seguida foram realizadas as misturas com a quantidade de água e
posteriormente com as porcentagens de cinzas definidas. Com o auxilio de um gabarito
para altura adequada do material no equipamento, foi feito seu ajuste.
Para realização do ensaio, os corpos de prova de ambos os materiais foram
colocados na caixa de cisalhamento metálica. A caixa é dividida horizontalmente em
duas metades e a força normal é aplicada a partir do topo da caixa de cisalhamento no
corpo de prova. 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 se dar inicio à fase de cisalhamento do ensaio, para que
possa haver o deslocamento relativo entre elas. 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, papéis filtro para impedir o carreamento de
partículas, e pedras porosas, para que a drenagem, estando o corpo de prova completo
ou parcialmente saturado, possa ocorrer livremente.
c) Cálculo da Velocidade de Cisalhamento:
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, e mede-se a
variação de altura com o tempo, até que esta se estabilize. Através de um gráfico de
deslocamento vertical versus raiz do 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 o solo argiloso, o tempo de adensamento foi estipulado em 24h; já
para o solo arenoso, o adensamento é praticamente imediato, tendo sido adotado o
tempo de 30 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.
d) Realização do Ensaio de Cisalhamento Direto: Os ensaios foram repetidos em corpos de prova similares, para cada solo e
mistura. Adotou-se os valores de 50, 150 e 300 kPa para as tensões normais aplicadas.
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 3.2.2 ilustra o equipamento
de cisalhamento direto utilizado na presente pesquisa.
Figura 3.2.2 - Prensa utilizada para realização do ensaio de cisalhamento direto. Laboratório de
Geotecnia/PUC-Rio.
Para a gravação dos dados, obtidos por intermédio dos transdutores, foi utilizado o
sistema de aquisição de dados composto pelo hardware QuantumX de oito canais da
empresa alemã HBM e pelo software CatmanEasy. Este sistema permite o
monitoramento contínuo de todos os dados e comportamento dos corpos de prova
durante todas as etapas do ensaio.
Resultados e análises
Ensaios de caracterização física
Solo Arenoso Puro
O solo arenoso em estudo é caracterizado como sendo uma areia média, limpa e
de granulometria uniforme sem matéria orgânica. Os índices físicos do solo puro são
apresentados na Tabela 4.1.
Tabela 4.1 – Índices físicos do solo arenoso.
Índices Físicos Solo Arenoso
Densidade real dos grãos (Gs) 2,65
Coeficiente de uniformidade
(Cu) 1,76
Coeficiente de curvatura (Cc) 1,1
Diâmetro efetivo (D10) 0,33 mm
Diâmetro médio (D50) 0,55 mm
Índice de vazios mínimo (emin) 0,51
Índice de vazios máximo (emax) 0,74
Análise Granulométrica
O ensaio de análise granulométrica tem por finalidade a obtenção das frações
constituintes do solo e sua classificação a partir destas. A Figura 4.1 apresenta a curva
granulométrica obtida para o solo arenoso.
Figura 4.1 – Curva granulométrica do solo arenoso puro.
De acordo com o Sistema Unificado de Classificação dos Solos (SUCS), as areias
com menos de 5% de finos, apresentando Cu < 6 e/ou 1 > Cc > 3, como o material em
questão, é classificado como SP, se tratando então de uma areia mal graduada.
Solo Argiloso Puro
Limites de Atterberg
Os limites de consistência (ou limites de Atterberg) são fundamentais para a
análise do comportamento de solos finos para a engenharia. O estado onde o solo
apresenta um comportamento plástico (permitindo-o ser moldado) está delimitado pelo
Limite de Liquidez (LL), que marca a transição do estado plástico ao estado líquido do
solo, e pelo Limite de Pla sticidade, que corresponde ao teor de umidade em que o
solo passa do estado semi-sólido para o estado plástico.
Os resultados do Limite de Plasticidade e Limite de Liquidez do solo puro podem
ser observados na Tabela 4.1 e Figura 4.2, respectivamente.
Tabela 4.1 - Resultados obtidos para o Limite de Plasticidade.
Ensaio 1 2 3 4
Umidade (%) 38,2 39,8 35,22 39
Umidade Média (%) 39 Figura 4.2 – Gráfico de determinação do
Limite de Liquidez.
Através dos resultados
obtidos, tem-se que o Limite de
Liquidez do solo é igual a 53% e o
Limite de Plasticidade igual a
39%, resultando em um Índice de
Plasticidade (IP = LL – LP), que
exprime o grau de argilosidade da
fração fina, igual a 14%.
De acordo com Das (2007, apud
Burmister, 1949), o IP de um solo pode ser classificado qualitativamente conforme a
Tabela 4.2 a seguir:
Tabela 4.2 – Classificação do Índice de Plasticidade (Das, 2007 apud Burmister, 1949).
Através da Tabela 4.2 observa-se que o solo em questão trate-se de um material
medianamente plástico. Quanto maior o IP de um solo, maior será seu índice de
compressibilidade, sendo menos adequado a obras geotécnicas.
Para as misturas solo-borracha, não foi possível a determinação dos Limites de
Atterberg, devido ao comportamento granular do material, que durante o ensaio não
apresentou características plásticas para sua realização.
Análise Granulométrica
Este ensaio tem por finalidade a obtenção das frações constituintes do solo e sua
classificação a partir destas. A Figura 4.3 apresenta a curva granulométrica obtida para
o solo argiloso puro.
Figura 4.3 – Curvas granulométricas obtidas para o solo argiloso puro.
Através das curvas obtidas, apresentam-se na Tabela 4.3 os resultados da análise
granulométrica do solo puro classificando-se cada fração constituinte dos materiais de
acordo com o diâmetro dos grãos.
Tabela 4.3 – Resultados das análises granulométricas do solo puro
Material Argila (%) Silte (%) Areia (%) Pedregulho (%)
IP Descrição
0 Não -plástico
1 – 5 Ligeiramente plástico
5 – 10 Plasticidade baixa
10 – 20 Plasticidade média
20 - 40 Plasticidade alta
>40 Plasticidade muito alta
Fina Média Grossa
Solo
Argiloso 4,6 62,5 5 22,6 4,2 1,1
Segundo o Sistema Unificado de Classificação dos Solos (SUCS), o solo em
estudo é classificado como CH, correspondente a uma Argila Arenosa de média
plasticidade.
Cinza de Bagaço de Cana de Açúcar e misturas em estudo
Densidade Real dos Grãos (Gs)
O peso específico real dos grãos consiste na relação entre massa e volume dos
grãos. O ensaio consiste na determinação do volume do material sólido de massa
conhecida, de forma com que o volume de vazios seja excluído. Este ensaio foi
realizado tanto para os materiais puros, como para as misturas em estudo. Os valores de
Gs obtidos são apresentados na Tabela 4.4 e 4.5.
Tabela 4.4 – Resultados do ensaio de densidade real dos grãos para o solo arenoso,
cinza de bagaço de cana de açúcar e misturas.
Amostra Teor de
Cinza (%)
Densidade real
dos Grãos (Gs)
Areia 0 2,654
CBc 0 2,530
CBc5Areia95 5 2,638
CBc10Areia90 10 2,621
CBc20Areia80 20 2,601
Tabela 4.5 – Resultados do ensaio de densidade real dos grãos para o solo argiloso,
cinza de bagaço de cana de açúcar e misturas.
Amostra Teor de
Cinza (%)
Densidade real
dos Grãos (Gs)
Argila 0 2,720
CBc 0 2,530
CBc10Argila90 10 2,681
CBc20Argila80 20 2,643
Observa-se que o valor da densidade real dos grãos das cinzas puras se
apresentam menores do que o solo puro, e as misturas se apresentam com valores entre
os dos materiais puros, o que indica que ao se adicionar a cinza de bagaço de cana de
açúcar ao solo, poderá ser obtido um material mais leve que o solo puro.
Análise Granulométrica
A Figura 4.4 apresenta as curvas granulométricas obtidas para o solo arenoso, solo
argiloso e cinza de bagaço de cana de açúcar. A Figura 4.5 apresenta as curvas
granulométricas do solo arenoso, cinza de bagaço de cana e misturas do solo com 5, 10
e 20% de cinza de bagaço de cana de açúcar. A Figura 4.6 apresenta as curvas
granulométricas do solo argiloso, cinza de bagaço de cana e misturas do solo com 10 e
20% de cinza de bagaço de cana de açúcar. Ao se apresentar as curvas granulométricas
em um mesmo gráfico, objetiva-se mostrar a influência da adição da cinza de bagaço de
cana de açúcar na composição granulométrica do material.
Figura 4.4 – Curvas granulométricas dos materiais puros.
Figura 4.5 – Curvas granulométricas do solo arenoso, cinza de bagaço de cana de açúcar e misturas do solo com 5, 10
e 20% de cinza.
Pode ser observado que a cinza de bagaço de cana de açúcar em estudo possui
uma alta fração de material fino, correspondente à granulometria argila, e uma fração
média de grãos referentes a granulometria silte. Através das misturas, observa-se que o
material resultante adquire uma granulometria intermediária aos materiais puros, sendo
mais bem graduado que a areia pura e mais uniforme que a cinza de bagaço de cana de
açúcar pura. Com a adição de 20% de cinza de bagaço de cana, observa-se uma maior
quantidade de finos na mistura, e menor quantidade de fração areia média, quando
comparado com a mistura de 5%, o que seria esperado, devido à maior porcentagem de
cinza na mistura.
A Figura 4.6 apresenta a comparação entre as curvas granulométricas do solo
argiloso, cinza de bagaço de cana de açúcar e misturas do solo com 10 e 20% de cinza
de bagaço de cana de açúcar.
Figura 4.6 – Curvas granulométricas do solo argiloso, cinza de bagaço de cana de açúcar e misturas do solo com 10%
e 20% de cinza.
Ao se adicionar esta cinza ao solo, obteve-se um material semelhante à argila
pura, composto em sua maioria por fração silte e uma maior quantidade de finos devido
à inserção das cinzas.
A Tabela 4.4 apresenta os resultados dos ensaios de análise granulométrica, em
porcentagens, para todos os materiais e misturas estudados.
Tabela 4.6 – Resultados das análises granulométricas.
Amostra Argila
(%)
Silte
(%)
Areia (%) Pedregulho (%)
Fina Média Grossa Fina Média Grossa
Areia - - - 70 30 - - -
Argila 4,6 62,5 5 22,6 4,2 1,1 - -
CBc 44,5 52,5 3 - - - - -
CBc5Areia95 4 2 4,1 69,9 20 - - -
CBc10Areia90 9 2 4 65 20 - - -
CBc20Areia80 16,2 3,8 8,1 62 9,9 - - -
CBc10Argila90 4,6 62,9 12,5 15 4,1 0,9 - -
CBc20Argila80 2,5 69 12,5 12 3,1 0,9 - -
Para as misturas com ambas as cinzas, pode-se esperar que ocorra alguma
estabilização física do solo, de forma que haja uma melhoria em suas características,
uma vez que sua textura e granulometria inicial foram alteradas e o material se tornou
um pouco mais bem graduado que o solo puro.
Ensaios Químicos
Composição Química
Cinza de Casca de Arroz e misturas em estudo.
Densidade Real dos Grãos (Gs)
O peso específico real dos grãos consiste na relação entre massa e volume dos
grãos. O ensaio consiste na determinação do volume do material sólido de massa
conhecida, de forma com que o volume de vazios seja excluído. Este ensaio foi
realizado tanto para os materiais puros, como para as misturas em estudo. Os valores de
Gs obtidos são apresentados na Tabela 4.14 e 4.15.
Tabela 4.14 – Resultados do ensaio de densidade real dos grãos para o solo arenoso,
cinza de bagaço de cana de açúcar e misturas.
Amostra Teor de
Cinza (%)
Densidade real
dos Grãos (Gs)
Areia 0 2,65
CCA 100 2,293
CCa10Areia90 10 2,611
CCc20Areia80 20 2,566
Tabela 4.5 – Resultados do ensaio de densidade real dos grãos para o solo argiloso,
cinza de bagaço de cana de açúcar e misturas.
Amostra Teor de
Cinza (%)
Densidade real
dos Grãos (Gs)
Argila 0 2,72
CCa 100 2,293
CCa10Argila90 10 2,662
CCa20Argila80 20 2,589
Observa-se que o valor da densidade real dos grãos das cinzas puras se
apresentam menores do que o solo puro, e as misturas se apresentam com valores entre
os dos materiais puros, o que indica que ao se adicionar a cinza de casca de arroz ao
solo, poderá ser obtido um material mais leve que o solo puro.
Análise Granulométrica
A Figura 4.4 apresenta as curvas granulométricas obtidas para o solo arenoso, solo
argiloso e cinza de casca de arroz. A Figura 4.5 apresenta as curvas granulométricas do
solo arenoso, casca de arroz e misturas do solo com 10 e 20% de cinza de casca de
arroz. A Figura 4.6 apresenta as curvas granulométricas do solo argiloso, cinza de casca
de arroz e misturas do solo com 10 e 20% de cinza de casca de arroz. Ao se apresentar
as curvas granulométricas em um mesmo gráfico, objetiva-se mostrar a influência da
adição da cinza de casca de arroz na composição granulométrica do material.
Figura 4.4 – Curvas granulométricas dos materiais puros.
Figura 4.5 – Curvas granulométricas do solo arenoso, cinza de casca de arroz e misturas do solo com 5, 10 e 20% de
cinza.
Pode ser observado que a cinza de casca de arroz em estudo possui uma alta
fração de material fino, correspondente à granulometria argila, e uma fração média de
grãos referentes a granulometria silte. Através das misturas, observa-se que o material
resultante adquire uma granulometria intermediária aos materiais puros, sendo mais
bem graduado que a areia pura e mais uniforme que a cinza de casca de arroz pura. Com
a adição de 20% de cinza de casca de arroz, observa-se uma maior quantidade de finos
na mistura, e menor quantidade de fração areia média, quando comparado com a
mistura de 5%, o que seria esperado, devido à maior porcentagem de cinza na mistura.
A Figura 4.6 apresenta a comparação entre as curvas granulométricas do solo argiloso,
cinza de casca de arroz e misturas do solo com 10 e 20% de cinza de casca de arroz.
Figura 4.6 – Curvas granulométricas do solo argiloso, cinza de casca de arroz e misturas do solo com 10% e 20% de
cinza.
Ao se adicionar esta cinza ao solo, obteve-se um material semelhante à argila
pura, composto em sua maioria por fração silte e uma maior quantidade de finos devido
à inserção das cinzas.
A Tabela 4.4 apresenta os resultados dos ensaios de análise granulométrica, em
porcentagens, para todos os materiais e misturas estudados.
Tabela 4.6 – Resultados das análises granulométricas.
Amostra Argila
(%)
Silte
(%)
Areia (%) Pedregulho (%)
Fina Média Grossa Fina Média Grossa
Areia - - - 70 30 - - -
Argila 4,6 62,5 5 22,6 4,2 1,1 - -
CCa 40 57 3 -
CCa10Areia90 9,1 0,9 1 59 30 - - -
CCa20Areia80 19 1 1 63 16 - - -
CCa10Argila90 2 66,8 9,0 18,1 3,9 0,2 - -
CCa20Argila80 1,9 70,1 8,9 14 4,9 0,2 - -
Para as misturas com ambas as cinzas, pode-se esperar que ocorra alguma
estabilização física do solo, de forma que haja uma melhoria em suas características,
uma vez que sua textura e granulometria inicial foram alteradas e o material se tornou
um pouco mais bem graduado que o solo puro.
Ensaio de caracterização mecânica
Solo Argiloso
Ensaio de Compactação
Os ensaios de compactação foram realizados para o solo puro, e as misturas com
cinza de bagaço de cana de açúcar e com cinza de casca de arroz, sob a energia Proctor
normal. A Tabela 4.xx apresenta um resumo dos valores de umidade ótima (wotm) e peso
específico seco máximo (γd máx) do solo e das misturas. As curvas de compactação das
misturas com cinza bagaço de cana de açúcar e com cinza de casca de arroz estão
dispostas na Figura 4.x .
Tabela 4.xx: Resultados dos ensaios de compactação para as misturas com solo
argiloso.
Material/Mistura wotm (%) γdmáx(g/cm³)
Argila 25,24 1,57
CBC10 – Argila90 24,85 1,56
CBC20 – Argila80 24,77 1,53
CCA10 – Argila90 25,70 1,54
CCA20 – Argila80 26,26 1,53
Figura 4.x: Curvas de compactação do solo puro e das misturas com cinza de bagaço de cana de açúcar e com cinza
de casca de arroz.
Pode-se notar que ocorre uma redução do peso específico seco máximo com o
aumento do teor de cinza, tanto para as misturas com cinza de bagaço de cana de açúcar,
como para as misturas com cinza de casca de arroz. Pode-se dizer que também ocorre
um aumento da umidade ótima à medida que se aumenta o teor de cinza, principalmente
em relação a cinza de casca de arroz.
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.xx mostra a curva de compactação obtida por Beneveli.
Figura 4.xx: Curva de compactação Proctor normal obtida por Beneveli (2002 apud Ramirez, 2012).
1,35
1,45
1,55
1,65
14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
Mas
sa E
spec
ífic
a A
par
ente
Se
ca (
g/cm
3)
Umidade (%)
Curvas de Compactação Solo Puro e Misturas
CBC20 -Argila 80
Argila
Referências
1- ABRELPE. Panorama dos resíduos sólidos no Brasil. Associação Brasileira de
Empresas de Limpeza Pública e Resíduos Especiais, São Paulo, 2012
BAPTISTA, C. F. N. Pavimentação. Editora Globo, Tomo II, 2ª ed, Porto Alegre:
Globo, 1976.
2- BECQUART, F.; BERNARD, F.; ABRIAK, N.E.; ZENTAR, R. Monotonic aspects
of the mechanical behavior of bottom ash from municipal solid waste incineration
and its potential use for road construction. Waste management, vol 29, p. 1320 -
1329. 2008.
3- DAS, BRAJA M. Principios de Ingenieria de Cimentaciones. PWS, 4ª ed.,
Thomsom Learning, Mexico, p. 764-813, 2001.
4- FUNDAÇÃO NACIONAL DA SAÚDE. Manual de Saneamento. 3ª Ed. rev. –
Brasília: Ministério da Saúde/FUNASA, 2007.
5- LAMBE, T. W. & WITHMAN, R. V. Soil Mechanics. John Wiley & Sons, Inc. Editorial,
New York, 582 p. 1969.
6- LAM, C. H. K., ALVIN, W. M., BARFORD, J. P., McKAY, G. Use of incineration MSW
ash: A review. Journal of Sustainability, 2, 1943-1968; doi:10.3390, 2010.
7- MONTEIRO, J. H. P. [et al.]. Manual Gerenciamento Integrado de Resíduos
Sólidos. IBAM, Rio de Janeiro-RJ, 2001.
8- PINTO, C. S. Curso básico de mecânica dos solos. Editora Oficina de
Textos, 264 p, 2006.