Gino Omar Calderón Vizcarra
Aplicabilidade de Cinzas de Resíduo Sólido Urbano para
Base de Pavimentos
Dissertação de Mestrado
Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do titulo de Mestre pelo Programa de Pós.Graduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil da PUC.Rio.
Orientadora: Michéle Dal Toé Casagrande
Co.orientadora: Laura Maria Goretti da Motta
Rio de Janeiro,
Março de 2010
Gino Omar Calderón Vizcarra
Aplicabilidade de Cinzas de Resíduo Sólido Urbano para
Base de Pavimentos
Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do titulo de Mestre pelo Programa de Pós.Graduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil da PUC.Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada.
Michéle Dal Toé Casagrande Orientadora
Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, PUC.Rio
Laura Maria Goretti da Motta Co.orientadora
Universidade Federal do Rio de Janeiro, UFRJ/COPPE
Ben.Hur de Albuquerque e Silva Instituto Militar de Engenharia, IME/RJ
Tácio Mauro Pereira de Campos
Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, PUC.Rio
José Eugênio Leal Coordenador Setorial do Centro Técnico Científico . PUC.Rio
Rio de Janeiro, 04 de março de 2010
Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, do autor e da orientadora.
Gino Omar Calderón Vizcarra
Graduou.se em Engenharia Civil pela Universidade Nacional Jorge Basadre Grohmann (Tacna – Perú) em 2000. Trabalhou em projetos e obras no Perú pelo período 2001 – 2007. Ingressou no mestrado na Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro em 2008, desenvolvendo Dissertação na linha de pesquisa de Geotecnia Experimental aplicada a pavimentos.
Ficha Catalográfica
Vizcarra, Gino Omar Calderón
Aplicabilidade de Cinzas de Resíduo Sólido Urbano para Base de Pavimentos / Gino Omar Calderón Vizcarra; orientadora: Michéle Dal Toé Casagrande – 2010
120 f. il; 30,0 cm.
Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – Pontifícia Universidade Católica de Rio de Janeiro, 2010 natureza da ficha catalográfica
Incluí referências bibliográficas.
1. Engenharia Civil – Teses. 2. Cinzas de Incineração de Resíduo Sólido Urbano (RSU) 3. Cinza Volante 4. Cinza de Fundo 5. Base de Pavimentos 6. Mistura Solo.Cinza 7. Dimensionamento de Pavimentos I. Michele Dal Toé Casagrande II. Pontifícia Universidade Católica do rio de Janeiro. III. Departamento de Engenharia Civil. IV. Aplicabilidade de Cinzas de Resíduo Sólido Urbano para Base de Pavimentos.
CDD: 624
Dedico esta Dissertação a minha avó
Carmen Luisa Vizcarra Galindo
e a minha prima
Diva Daleska Duran Vizcarra
Agradecimentos
Tal vez esta seja a página mais difícil de ser escrita, pelo simples fato que
são tantos para agradecer, tantos para serem apenas lembrados e outros
tantos que merecem muito mais que um simples nome citado nestas
paginas. Então peço desculpas pelos que por ventura venha esquecer.
À minha avó Carmen Vizcarra, pelo exemplo de vida.
Aos meus pais Rosendo e Rosa, pelo amor e carinho.
A minha família no Perú, em especial a minha tia Elizabeth pela sua
eterna preocupação.
À Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro – PUC.Rio, e ao
Programa de Pós. Graduação em Engenharia Civil, pela oportunidade de
estudar nesta prestigiosa instituição.
À minha orientadora, Professora Michéle dal Toé Casagrande, com quem
sempre me senti a vontade. Obrigado por ter acreditado em mim, e
sempre me apoiado, motivado, incentivado, compreendido, inspirado e
todo o demais tão necessário para poder fazer qualquer empreendimento
na vida. Obrigado, além pelos ensinamentos e pelo tudo que consegui
aprender.
À Professora Laura Maria Goretti da Motta, por ter me permitido ser mais
um dos seus orientados, está por demais falar do grande profissionalismo
da senhora, é para mim um grande privilegio.
À Banca Examinadora pelas sugerências ao presente trabalho.
A todos os colegas do Laboratório de Geotecnia da COPPE/UFRJ, em
especial à Mariluce Ubaldo pelo apoio e acompanhamento da parte
experimental desta dissertação, assim como ao Bororó, aos Técnicos
Washington, Thiago, Allan, Leandro, Roberto e Rodrigo pela ajuda nas
moldagens e preparação das amostras. Ao Carlinhos, Serginho, Maria da
Gloria, Rosângela, Sandra e Vera por ter me considerado como parte da
família COPPE.
Aos professores da PUC.Rio, pelas aulas ministradas, e pelos quines
guardo grande respeito, apreço e admiração.
A todos os colegas das turmas 2007.2, 2008.1, 2008.2 e 2009.1 com
quines compartilhei as aulas.
Ao Gerson Alves Bastos, pela sua amizade, e por ter compartilhado as
muitas horas de estudo na sala 607.C.
Ao Carlos Aguilar pela sua generosa acolhida na minha imprevista
chegada ao Rio de Janeiro.
Ao Luis Paullo, Iván Aguilar e Julio Bizarreta pelo simples e aventureiro
convívio no Alto Gávea.
À Alejandra Cruz, Bruno Carvalho, Iván Benites, Rocío Pérez, Juliana e
Nilthson pela sua amizade.
À Lucianna Szeliga, pelo acompanhamento e realização de parte dos
ensaios de caracterização.
À Usina Verde S.A. na pessoa do Eng. Jorge Nascimento, pelo
fornecimento das cinzas utilizadas neste estudo.
À Rita de Cassia, pelo constante apoio e preocupação.
À CAPES e CNPq pela oportunidade e financiamento desta pesquisa.
Resumo
Vizcarra, Gino Omar Calderón; Casagrande, Michéle Dal Toe; Motta, Laura Maria Goretti. Aplicabilidade de Cinzas de Resíduo Sólido Urbano para Base de Pavimentos. Rio de Janeiro, 2010. 120 p. Dissertação de Mestrado . Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
Este estudo apresenta a caracterização de cinzas obtidas da incineração de
Resíduo Sólido Urbano (RSU) em usina geradora de energia elétrica, tendo
como objetivo avaliar sua aplicabilidade em camadas de base de pavimentos
rodoviários, através da mistura destas cinzas a um solo argiloso não.laterítico
regional. Foram realizados ensaios de caracterização química, física e mecânica,
para o solo puro e para o mesmo com a adição de diferentes teores de cinzas
(20 e 40%), bem como o dimensionamento mecanístico.empírico para uma
estrutura típica de pavimento. As misturas com inserção de cinzas apresentaram
um comportamento mecânico compatível com as exigências de um pavimento
de baixo volume de tráfego. A cinza volante diminuiu a expansibilidade do
material, apresentando um aumento substancial no valor de CBR. Os resultados
obtidos demonstram que o módulo resiliente do solo em estudo é dependente da
tensão desviadora e que a inserção de cinza volante e cura prévia da mistura
dobram o valor do módulo resiliente, o que resulta em 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 utilizado,
ressaltando o emprego positivo da cinza volante de RSU para aplicação em
camadas de base de pavimentos rodoviários, minimizando problemas atuais de
disposição de resíduos em lixões e aterros sanitários, dando um fim mais nobre
a este material. Ressalta.se que estudos sobre a utilização deste tipo de
resíduos em pavimentação são raros no país e esta pesquisa agrega um
conhecimento exploratório do potencial de sua aplicabilidade.
Palavras.chave
Engenharia civil; cinzas de incineração de resíduo sólido urbano (RSU); cinza
volante; cinza de fundo; base de pavimentos; misturas solo.cinza; estabilização
de solos.
Abstract
Vizcarra, Gino Omar Calderón; Casagrande, Michéle Dal Toé (Advisor); Motta, Laura Maria Goretti (Co.advisor). Applicability of Municipal Solid Waste Ash for Pavements Base. Rio de Janeiro, 2010. 120 p. MSc. Dissertation – Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
This study presents the characteristics of Municipal Solid Waste (MSW)
incineration ash obtained from electric energy generation place, to evaluate the
MSW ash applicability road base as a pavement layer through the ash mixture
with a non.lateritic regional clay soil. Chemical, physical, mechanical tests and
the mechanistic.empirical design for a typical pavement structure were carried
out on the pure soil and also in the soil mixture with the addition of different ash
content (20 and 40%). The addition of MSW ash had a consistent mechanical
behavior to be used on low traffic volume road pavements. Fly ash reduced the
expansion of the material, showing a substantial increase in the CBR value. The
results show that the resilient modulus of soil is dependent on the deviator stress
and the fly ash addition with a mixture cure increase the value of resilient
modulus, which is revealed by the decrease in thickness of the base layer,
compared to pure soil for the same level of loading and the same design
requirements. The results were satisfactory, being dependent on the content and
type of ash used, highlighting the positive work of MSW fly ash for use in base
road pavement layers, minimizing the current problems of waste disposal in
landfills, giving a noble use for this material. It is noteworthy that studies on the
use of such waste in pavements are rare and this research adds to an
exploratory knowledge of its potential applicability.
Keywords
Civil engineering; municipal solid waste (MSW) incineration ash; fly ash; bottom
ash; pavements base; soil.ash mixtures; soil stabilization.
Sumário
1 Introdução
1.1 Relevância e justificativa da pesquisa
1.2 Objetivos
1.3 Organização da Dissertação
2 Revisão Bibliográfica
2.1 Estabilização de Solos
2.1.1 Estabilização Mecânica
2.1.2 Estabilização Física
2.1.3 Estabilização Química
2.1.3.1 Solo.cimento
2.1.3.2 Solo.cal
2.2 Solo.cinza de carvão
2.2.1 Aplicações do Solo.cinza de carvão
2.2.2 Utilização de cinzas de carvão na Pavimentação
2.3 Solo.cinza de RSU
2.4 Utilização de resíduos em Pavimentação.
2.5 Dimensionamento de pavimentos asfálticos
2.5.1 Módulo de Resiliência
2.5.2 Sistema computacional SisPav
2.6 Solos expansivos
2.7 Considerações sobre a revisão bibliográfica
3 Programa Experimental
3.1 Materiais
3.1.1 Solo
3.1.2 Cinza Volante e Cinza de Fundo
3.1.2.1 Produção das cinzas de RSU
3.1.2.2 Processo de incineração
3.1.3 Misturas Solo/Cinza
3.2 Métodos e Procedimentos de Ensaio
3.2.1 Ensaios de caracterização física
3.2.1.1 Massa Especifica Real dos Grãos
3.2.1.2 Limites de Atterberg
3.2.1.3 Análise granulométrica
3.2.1.4 Ensaio de MCT
19
19
20
21
22
22
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24
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46
46
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48
48
53
54
55
55
55
56
56
3.2.2 Ensaios químicos
3.2.2.1 Composição Química
3.2.2.2 Teor de Matéria Orgânica
3.2.2.3 Solubilização e Lixiviação
3.2.3 Ensaios de Caracterização Mecânica
3.2.3.1 Ensaio de Compactação
3.2.3.2 Ensaio de Modulo de Resiliência
3.2.3.3 Ensaio de CBR
3.2.4 Dimensionamento de pavimento típico
3.3 Considerações sobre o Programa Experimental
4 Apresentação e Discussão dos Resultados
4.1 Ensaios de caracterização física
4.1.1 Densidade Real dos Grãos
4.1.2 Limites de Atterberg
4.1.3 Análise granulométrica
4.1.4 Classificação SUCS
4.1.5 Classificação AASHTO
4.1.6 Classificação MCT
4.2 Ensaios químicos
4.2.1 Composição Química
4.2.2 Teor de Matéria Orgânica
4.2.2 Ensaio de Lixiviação
4.2.2 Ensaio de Solubilização
4.3 Ensaios de Caracterização Mecânica
4.3.1 Ensaio de Compactação
4.3.2 Ensaio de Modulo de Resiliência
4.3.2.1 Influência do tempo de cura e atraso na compactação no modulo resiliente
4.3.2.2 Influência do número de ciclos de carregamento N no modulo resiliente
4.3.3 Ensaio de CBR
4.4 Dimensionamento de pavimento típico
4.5 Considerações sobre a apresentação e discussão dos resultados
5 Considerações Finais
5.1 Conclusões
5.2 Sugestões para pesquisas futuras
Bibliografia
62
62
63
64
65
65
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74
76
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95
99
103
106
106
107
110
111
111
112
114
Lista de Figuras Figura 2.1. Efeito do tempo sobre solo estabilizado com CVRSU, cal e
cimento 36
Figura 2.2. Tensões numa estrutura de pavimento 40
Figura 3.1. Solo não.laterítico estudado 47
Figura 3.2. Cinza Volante de RSU. 47
Figura 3.3. Cinza de Fundo de RSU. 47
Figura 3.4. Composição do RSU da Usina Verde (FONTES, 2008) 48
Figura 3.5. Segregação de materiais para reciclagem 50
Figura 3.6. Processo de geração de energia elétrica na Usina Verde 51
Figura 3.7. Etapas do processo de incineração de RSU na Usina Verde S/A 52
Figura 3.8. Compactador MCT da COPPE/UFRJ usado nesta pesquisa. 58
Figura 3.9. Cápsulas imersas para o ensaio de perda por imersão
imediatamente após imersão. 60
Figura 3.10. Perda por imersão do solo deste estudo após 24 horas de
imersão. 60
Figura 3.11 Equipamento de EDX do LABEST da COPPE/UFRJ usado
nesta pesquisa. 63
Figura 3.12. Equipamento mecânico para compactação de corpos de
prova. 68
Figura 3.13. Molde tripartido 10 x 20 cm, para compactação de corpos de
prova. 68
Figura 3.14. Esquema Ilustrativo do Equipamento de Ensaios Triaxiais de
Carga Repetida. 70
Figura 3.15. Equipamento de Ensaios Triaxiais de Carga Repetida da
COPPE/UFRJ usado nesta pesquisa. 71
Figura 3.16. Tomada de leitura de deformação no ensaio CBR na amostra
desta pesquisa. 73
Figura 3.17. Fotografia do Equipamento utilizado para obtenção do CBR
nesta pesquisa. 74
Figura 3.18. Estrutura do pavimento típico adotada para a análise
mecanística.empírica. 75
Figura 3.19. Fluxograma do método integrado de análise e
dimensionamento de pavimentos asfálticos do SisPav. 75
Figura 4.1. Variação da densidade real dos grãos com o teor de cinza 78
volante neste estudo.
Figura 4.2. Variação da densidade real dos grãos com o teor de cinza de
fundo neste estudo. 78
Figura 4.3. Variação dos Limites de Atterberg com o teor de cinza volante
neste estudo. 79
Figura 4.4. Variação do Índice de Plasticidade com o teor de cinza volante
neste estudo. 80
Figura 4.5. Variação dos Limites de Atterberg com o teor de cinza de fundo
deste estudo. 80
Figura 4.6. Variação do Índice de Plasticidade com o teor de cinza de fundo
deste estudo. 81
Figura 4.7. Efeito da estabilização com cinza volante sobre a plasticidade
de solos estabilizados. 82
Figura 4.8. Efeito da cinza volante sobre o índice de plasticidade e limite de
contração linear de solos de Degirmenlik e Tuzla, estabilizados com cinza
volante. 82
Figura 4.9. Curvas Granulométricas do solo, cinza de fundo e cinza volante
deste estudo. 83
Figura 4.10. Curvas Granulométricas do solo, cinza volante e misturas do
solo com 20% e 40% de cinza volante deste estudo. 83
Figura 4.11. Granulometria do solo, cinza de fundo e misturas do solo com
20% e 40% de cinza de fundo deste estudo. 84
Figura 4.12. Classificação MCT para o solo puro. 86
Figura 4.13. Curvas de compactação de solo e misturas com 20% e 40%
de cinza volante deste estudo. 95
Figura 4.14. Variação da Massa específica aparente seca com o teor de
cinza volante. 96
Figura 4.15. Variação do teor de umidade ótimo com o teor de cinza
volante deste estudo. 97
Figura 4.16. Curvas de compactação de solo e misturas com 20% e 40%
de cinza de fundo deste estudo. 97
Figura 4.17. Variação da Massa específica aparente seca com o teor de
cinza de fundo deste estudo. 98
Figura 4.18. Variação do teor de umidade ótimo com o teor de cinza de
fundo deste estudo. 98
Figura 4.19. Curva de compactação das misturas solo/cinza pesada. 99
Figura 4.20. Gráfico 3D do modelo composto do Módulo Resiliente do solo
puro deste estudo. 100
Figura 4.21. Gráfico 3D do modelo composto do Módulo Resiliente da
mistura S80/CV20 deste estudo. 101
Figura 4.22. Gráfico 3D do modelo composto do Módulo Resiliente da
mistura S60/CV40 deste estudo. 101
Figura 4.23. Gráfico 3D do modelo composto do Módulo Resiliente da
mistura S80/CF20 deste estudo. 102
Figura 4.24. Gráfico 3D do modelo composto do Módulo Resiliente da
mistura S60/CF40 deste estudo. 102
Figura 4.25. Variação do Módulo Resiliente vs. tensão desviadora da
mistura S60/CV40 com o tempo de atraso e o tempo de cura deste estudo. 104
Figura 4.26. Variação do Módulo Resiliente vs. tensão confinante da
mistura S60/CV40 com o tempo de atraso e o tempo de cura deste estudo. 105
Figura 4.27. Variação do Módulo Resiliente vs. tensão desviadora da
mistura S60/CV40 com o teor de umidade deste estudo. 105
Figura 4.28. Variação do Módulo Resiliente vs. tensão confinante da
mistura S60/CV40 com o teor de umidade deste estudo. 106
Figura 4.29. Estrutura do pavimento adotada. 108
Figura 4.30. Dados do clima utilizado para o programa SisPav. 108
Figura 4.31. Variação das espessuras de camada em função do período de
projeto. 109
Lista de Tabelas Tabela 2.1 – Combinações de Material/Aplicação em pavimentação. 35
Tabela 2.2 – Tensões numa estrutura de pavimento 39
Tabela 2.3 – Modelos de comportamento tensão.deformação de solos
observados no Brasil. 43
Tabela 3.1 - Símbolos referentes a cada material. 53
Tabela 3.2 - Valores típicos de c’ para diferentes granulometrias de solos. 58
Tabela 3.3 - Valores típicos de d’ para diferentes granulometrias de solos 59
Tabela 3.4 - Níveis de tensões aplicados na fase de condicionamento 70
Tabela 3.5 – Níveis de Tensões utilizados durante o Ensaio Triaxial
Dinâmico especificado pela COPPE 71
Tabela 4.1 – Resultados do ensaio de densidade real dos grãos para o
solo, cinza volante e misturas. 77
Tabela 4.2 – Resultados do ensaio de densidade real dos grãos para o
solo, cinza de fundo e misturas. 77
Tabela 4.3 – Resultados dos ensaios de Limites de Atterberg para o solo e
misturas com cinza volante. 79
Tabela 4.4 – Resultados dos ensaios de Limites de Atterberg para o solo e
misturas com cinza de fundo neste estudo. 80
Tabela 4.5 – Resultados das análises granulométricas. 84
Tabela 4.6 – Índices para classificação SUCS. 85
Tabela 4.7 – Índices para classificação AASHTO. 85
Tabela 4.8 – Composição química do solo deste estudo realizado em duas
amostras do mesmo 87
Tabela 4.9 – Composição química de três argilas de comportamento
não.lateritico. 88
Tabela 4.10 -. Análise química semiquantitativa de óxidos para três solos
residuais e rocha alterada. 88
Tabela 4.11 - Composição química da Cinza Volante de RSU, mistura
(S60/CV40) e Cinza Volante de Carvão 89
Tabela 4.12 - Composição química da Cinza de Fundo de RSU mistura
(S60/CV40) e Cinza de Fundo de Carvão. 90
Tabela 4.13 - Teor de matéria orgânica do solo, da cinza de fundo e da
cinza volante deste estudo. 91
Tabela 4.14 - teor de matéria orgânica da mistura S80/CV20, S60/CV40, 91
S80/CF20 e S60/CF40 deste estudo.
Tabela 4.15 – Resultados analíticos: Lixiviado - Parâmetros Inorgânicos 92
Tabela 4.16 – Resultados analíticos: Lixiviado - Parâmetros Orgânicos 92
Tabela 4.17 – Resultados analíticos: Solubilizado - Parâmetros Inorgânicos 93
Tabela 4.18 – Resultados analíticos: Solubilizado - Parâmetros Orgânicos 94
Tabela 4.19 - Valores de umidade ótima e massa específica aparente seca
máxima. 96
Tabela 4.20 - Valores dos coeficientes do modelo composto para cada
material ou mistura desta pesquisa. 100
Tabela 4.21 - Variação dos coeficientes do modelo composto com o atraso
na compactação e o tempo de cura para a mistura S60/CV40 deste estudo. 104
Tabela 4.22 - Valores de expansão aos 4 dias de imersão, sem tempo de
cura e três dias de atraso na compactação após hidratação. 107
Tabela 4.23 - Valores de CBR 107
Tabela 4.24 - Dados do tráfego. 108
Tabela 4.25 - Espessura de camada em função do período de projeto para
cada tipo de solo ou mistura. 109
Lista de Abreviaturas ABNT = Associação Brasileira de Normas Técnicas
CAP = Cimento Asfáltico de petróleo
CBR = California Bearing Ratio
CH = Argila Inorgânica de Alta Plasticidade
CF = Cinza de Fundo
CV = Cinza Volante
CPs = Corpos de Prova
IP = Índice de Plasticidade
ISC = Índice de Suporte Califórnia
MCT = Miniatura Compactado Tropical
MR = Módulo de Resiliência
NG’ = Não.Laterítico Argiloso
LL = Limite de Liquidez,
LP = Limite de Plasticidade
LABEST = Laboratório de Estruturas
LVDT = Linear Variable Differential Transformer”
SisPAV = Sistema de Pavimentos
TNO = Organização Holandesa para Pesquisa Cientifica Aplicada
RSU = Resíduos Sólidos Urbanos
Lista de Símbolos wótm = umidade ótima de compactação
γdmáx = peso específico seco aparente máximo
γd = massa específica seca
w = umidade
MR = módulo resiliente
σd = tensõe desviadora
σ3 = tensão confinante
E = expansão
h = altura final do corpo de prova.
hi = altura inicial do corpo de prova.
Nf = vida de fadiga
εt = deformação específica de tração
Gs = massa específica real dos grãos
c’ = coeficiente do ensaio MCT
d’ = coeficiente angular do ramo seco da curva de compactação
referente a energia de 12 golpes no ensaio Mini.MCV
e’ = coeficiente do ensaio MCT
Pi = perda de massa por imersão no ensaio MCT
k1, k2 , k3 = coeficientes do modelo Composto
e = espessura
ν = coeficiente de Poisson
SiO2 = Sílica
Al2O3 = Alumina
Fe2O3 = Hematita
SO3 = anidrido sulfúrico
CaO = óxido de cálcio
Cl = cloro
TiO2 = Dióxido de titânio
K2O = Óxido de potássio
P2O5 = Pentóxido de fósforo
ZnO = Óxido de zinco
Cr2O3 = Óxido de crômio (III)
MnO = Óxido de manganês (II)
SrO = Óxido de estrôncio
ZrO2 = Óxido de zircônio
CuO = Óxido de cobre (II)
PbO = Óxido de chumbo (II)
AC = Actínio
Br = Bromo
Rb2O = Óxido de Rubídio
Y2O3 = Óxido de ítrio (III)
MgO = Óxido de magnésio
Ni = Níquel
V2O5 = Pentóxido de vanádio
NbO = Monóxido de nióbio
BaO = Óxido de bário
1
Introdução
1.1.
Relevância e justificativa da Pesquisa
O solo natural é um material complexo e variável, sendo comum que este
não preencha total ou parcialmente as exigências de projeto geotécnico. Uma
alternativa disponível ao engenheiro geotécnico para viabilizar técnica e
economicamente a realização de obras de pavimentação rodoviária sobre solos
ruins é remover o material existente no local e substituí-lo por outro com
características adequadas ou modificar e melhorar as propriedades do solo
existente, de modo a criar um novo material com características de resistência e
deformabilidade adequadas para ser utilizado em obras de pavimentação
rodoviária.
O aumento da produção anual de resíduos sólidos urbanos (RSU), as
preocupações ambientais com os métodos de deposição tradicionais e a falta de
espaço para a instalação de aterros sanitários, têm levado a que sejam
incentivadas formas alternativas de gestão dos resíduos, tais como a
incineração.
A incineração, além de ser freqüentemente associada à recuperação de
energia como uma componente na gestão dos RSU, é uma alternativa capaz de
conseguir significativa redução do seu volume, da ordem de 70-90%. Novas
tecnologias vêm sendo desenvolvidas com a finalidade de mitigar os impactos
ambientais destas usinas incineradoras.
As cinzas, subproduto da incineração de resíduo solido urbano (RSU), são
rejeitos que já vem sendo utilizados de várias formas em outros países
desenvolvidos, como por exemplo, a Suécia, Dinamarca, França, Estados
Unidos, dentre outros.
No Brasil, país em franco desenvolvimento, a produção de energia
mediante incineração de RSU está na sua etapa inicial, como por exemplo, com
a implantação da chamada Usina Verde no campus da UFRJ, com a
conseqüente produção de subprodutos, como as cinzas, que atualmente são
dispostas no Aterro Metropolitano Jardim Gramacho, no Município de Rio de
Janeiro.
20
Diante da escassez de recursos financeiros para aplicação nos mais
diversos setores econômicos e da necessidade de proteção ambiental, torna-se
viável o uso de técnicas e materiais alternativos para pavimentação que
consome volumes consideráveis de material. O aproveitamento de cinzas é
vantajoso para a indústria que gera este rejeito, e pode ser vantajoso para sua
utilização pela indústria de construção civil como alternativa ao uso de
estabilizantes convencionais para solos, tais como cal, cimento ou outros. Para a
primeira pode agregar-se valor ao rejeito e diminuir os gastos com a ocupação
de áreas de deposição e tratamentos impostos pelas regras de proteção
ambiental. Para a construção, o preço do material para pavimentação pode cair,
especialmente se as cinzas forem tecnicamente competitivas.
A utilização das cinzas de RSU em camadas de pavimentos já vem sendo
realizada há vários anos em diversos países, como Suécia, Dinamarca, França e
Estados Unidos (FHWA, 2008). No Brasil não foram detectados relatórios sobre a
utilização deste tipo de resíduos na pavimentação rodoviária, durante esta pesquisa.
Para que sejam concebidos novos materiais é relevante que se conheçam
as propriedades mecânicas, físicas e químicas dos materiais de constituição,
bem como suas possíveis combinações. O conhecimento do mecanismo de
estabilização é de grande importância no entendimento da resposta da mistura
no que tange ao seu comportamento mecânico. Este mecanismo depende de
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 melhor
interpretação e compreensão do comportamento do solo misturado com as
cinzas de RSU, podendo potencializar a sua utilização em obras de
pavimentação rodoviária, dando um fim mais nobre a este material.
1.2.
Objetivos
O objetivo principal desta pesquisa é avaliar o potencial de utilização das
cinzas de RSU, provenientes da Usina Verde S.A., como aditivo em uma
amostra de solo da região, para aplicação em bases de pavimentos rodoviários.
Este objetivo será alcançado através da avaliação do comportamento
físico, químico e mecânico de algumas misturas, estabelecendo padrões de
comportamento que possam medir a influência da adição de cinzas,
relacionando-a com os parâmetros de deformabilidade do solo.
21
A partir do objetivo geral, os seguintes objetivos específicos foram
estabelecidos:
• Realizar caracterização física, química e geotécnica, do solo quanto
das cinzas de RSU e misturas solo-cinza, através de ensaios
laboratoriais normatizados;
• Avaliar o comportamento mecânico do solo e das misturas através de
ensaios experimentais;
• Analisar e comparar os parâmetros químicos, mecânicos e de
deformabilidade do solo e das misturas estudadas para aplicação em
base de pavimentos;
• Realizar o dimensionamento de base de pavimentos, com o objetivo
de comparar os materiais estudados mediante análises mecanístico-
empíricas;
• Através da análise dos resultados obtidos, concluir se há viabilidade
técnica e ambiental de uma mistura que possa ser aproveitada na
construção de base de pavimentos.
1.3.
Organização da Dissertação
Este trabalho está dividido em cinco capítulos, de acordo com as etapas de
pesquisa realizadas, iniciando com este capítulo introdutório (Capítulo 1),
seguido do Capítulo 2, onde é apresentada uma revisão da literatura existente,
compreendendo os tópicos referentes aos principais assuntos abordados nesta
pesquisa.
No Capítulo 3 é descrito detalhadamente o programa experimental, bem
como é apresentada uma descrição dos materiais utilizados, dos equipamentos
e dos métodos de ensaios, e também as variáveis investigadas em cada fase do
trabalho.
No Capítulo 4 são apresentados os resultados dos ensaios de
caracterização física, química e mecânica realizados, da classificação
geotécnica do solo e das misturas solo-cinza e do dimensionamento da base de
uma estrutura típica de pavimento. Estes resultados são analisados e discutidos
em comparação com outras pesquisas realizadas nacional e internacionalmente.
As principais conclusões que representam a síntese do conhecimento
adquirido durante a realização deste trabalho estão apresentadas no Capítulo 5,
onde se encontram também as sugestões para continuidade da pesquisa.
2
Revisão Bibliográfica
A revisão bibliográfica desta dissertação abrange os seguintes tópicos:
• Conceitos fundamentais sobre estabilização de solos e características
principais dos tipos de estabilização mais utilizados na construção de
pavimentos rodoviários, ressaltando a estabilização química de solos;
• O estudo do solo-cinza, as características das cinzas e uma resenha
das principais pesquisas com cinzas em base de pavimentos
realizadas até o momento;
• Breve descrição sobre utilização de diversos resíduos em camadas de
base de pavimentos;
• Dimensionamento de pavimentos com o enfoque mecanístico, através
do módulo de resiliência e do programa SisPAV.
2.1.
Estabilização de solos
O solo pode ser considerado como o material de construção civil mais
comum e de maior abundância na crosta terrestre. Do ponto de vista da
terraplenagem e pavimentação, faz parte do subleito, sub-base, por vezes da
base e até do revestimento primário. Quando as características dos solos locais
não apresentam, total ou parcialmente, os requisitos exigidos, o engenheiro terá
que adotar uma das seguintes atitudes (MEDINA, 1987):
• Evitar ou contornar o terreno ruim;
• Remover o solo ruim e substituí-lo por outro de qualidade superior;
• Projetar a obra para situação de terreno ruim de fundação (conviver
com a situação difícil);
• Estabilizar o solo existente.
VOGT (1971) define a estabilização como todo método que visa aumentar,
de maneira durável, durante todas as estações do ano, a resistência de um
material aos esforços desenvolvidos pelo tráfego e aos efeitos destruidores
exercidos pelas intempéries.
A estabilização de um solo pode ser definida como sendo a alteração de
qualquer uma de suas propriedades, de forma a melhorar seu comportamento
sob o ponto de vista da engenharia. Consiste em um tratamento artificial, por um
23
processo físico, químico ou físico-químico, tornando o solo estável para os
limites de sua utilização, e ainda fazendo com que a estabilização permaneça
sob a ação de cargas exteriores e também sob ações climáticas variáveis.
As propriedades de engenharia que se visa modificar na estabilização de
um solo, segundo MEDINA e MOTTA (2004), são:
• Resistência ao cisalhamento, tornando-a menos sensível às
mudanças ambientais, principalmente à umidade, além de torná-la
compatível com as cargas que a estrutura vai absorver;
• Permeabilidade, aumentando-a ou diminuindo-a;
• Compressibilidade, reduzindo-a.
Podem-se destacar três métodos de estabilização de solos: mecânico,
físico e químico, podendo ser adaptados e combinados para a solução de um
problema.
Com relação ao solo, as seguintes propriedades devem ser consideradas,
de modo a escolher o melhor método de estabilização (KÉZDI, 1979):
• Propriedades do solo na condição natural;
• Propriedades esperadas do solo estabilizado;
• Efeitos no solo estabilizado após a estabilização.
Devido à grande variabilidade de solos, nenhum método se aplica
genericamente a todos os solos, cada método pode ser aplicado (ou não) para
um determinado tipo de solo. Não obstante, a estabilização não só deveria ser
pensada em termos de tratamento corretivo, mas também como uma medida
preventiva ou de segurança contra condições adversas que se desenvolvem no
curso da construção ou ao longo da vida da estrutura (INGLES e
METCALF,1973).
2.1.1.
Estabilização Mecânica
SOLIZ (2007) relata que “Considera-se a estabilização mecânica uma
simples compactação dos solos até a estabilização granulométrica dos mesmos.
24
A estabilização mecânica por compactação refere-se ao processo de
tratamento de um solo com a finalidade de minimizar sua porosidade pela
aplicação de sucessivas cargas, pressupondo que a redução de volume de
vazios é relacionada ao ganho de resistência mecânica. (SANTOS et al, 1995).
Esta densificação é utilizada em todas as camadas do pavimento, sejam
estas estabilizadas por outro processo ou não, e é realizada por meio de
equipamento mecânico, geralmente um rolo compactador, embora, em alguns
casos, como em pequenas valetas, até soquetes manuais possam ser
empregados (PINTO E PREUSSLER, 2002).
Por outro lado, a estabilização mecânica por correção granulométrica
engloba as melhorias induzidas em um solo pela mistura deste com outro ou
outros solos que possibilitem a obtenção de um novo produto com propriedades
adequadas para determinados fins de engenharia (SANTOS et al., 1995).
Na estabilização granulométrica procura-se obter um material bem
graduado e de percentagem limitado de partículas finas, com a mistura íntima
homogeneizada de dois ou mais solos e sua posterior compactação.
2.1.2.
Estabilização física
SOLIZ relata que “A estabilização física mais comumente empregada em
pavimentação é a descrita no item anterior, como parte da estabilização
mecânica, que consiste na modificação das propriedades do solo atuando na
textura, ou seja, misturando solos com diferentes frações granulométricas.
Outras técnicas envolvem tratamentos térmicos de secagem ou congelamento,
tratamento elétrico e eletro-osmose, que melhoram as características estruturais
e de drenagem dos solos (OLIVEIRA apud MACÊDO, 2004).
O tratamento térmico de secagem é citado por INGLES e METCALF
(1973) em estradas de terra na Índia; onde se precedeu à queima do solo no
local.
Atualmente o emprego da calcinação de argila para gerar agregados para
uso em locais onde não se tem agregados naturais, como na Amazônia, por
exemplo, pode ser considerada uma forma de estabilização física, onde o uso de
calor intenso por queima controlada também provoca intensa alteração nos
minerais argílicos presentes no solo (NASCIMENTO, 2005; CABRAL, 2005).
25
Cabe mencionar que as argilas plintíticas quando escavadas em blocos e
secas ao ar constituem blocos que podem ser usados em construção civil, o que
foi observado na Índia por BUCHANNAN no século 19, que o fez criar o termo
“laterita” – de later – tijolo em latim.
CRISTELO (2001) comenta o tratamento por aquecimento, que consiste
em introduzir no solo, a través dum tubo perfurado, uma mistura comprimida de
ar muito quente e combustível. O aquecimento pode ser obtido por queima de
combustíveis ou por processos elétricos. Outro processo térmico, por
resfriamento provoca a estabilização por congelamento artificial da água
intersticial originando um material rígido com elevada resistência. Nenhum
destes processos no entanto tem tido aplicação na pavimentação.
O processo de eletro-osmose foi estudado por CASTELLO BRANCO
(1978), e consiste em colocar dois eletrodos numa massa de solo e fazer passar
uma corrente elétrica entre eles, isto promove a migração da água presente no
solo do eletrodo positivo para o negativo diminuindo assim a quantidade de água
no solo e permitindo a sua consolidação. Também não tem sido aplicado em
pavimentação, mas hoje mostra-se como uma alternativa viável para processo
de remediação de solo contaminado.”
2.1.3.
Estabilização Química
SOLIZ (2007) relata que “A estabilização química consiste na adição de
uma determinada substância química ao solo, de modo a provocar mudanças
que influenciam as propriedades de resistência mecânica, permeabilidade e
deformabilidade deste, atingindo-se, então o objetivo de estabilizá-lo (SANTOS
et al, 1995).
Na estabilização química, como o nome indica, há uma reação química do
aditivo com os minerais do solo (fração coloidal) ou com a constituição de
recheio dos poros pelo produto de reação química do aditivo com a água. No
solo-cimento e solo–cal existe, inicialmente, uma reação que se caracteriza
melhor como físico-química: os cátions Ca++ liberados pela hidratação do
cimento reagem com a superfície dos argilo-minerais e modificam o pH da
solução eletrolítica. Os produtos cimentantes que se formam posteriormente (diz-
se reação pozolânica) acrescem a rigidez da mistura (MEDINA,1987).
26
Segundo o mesmo autor, quando se forma a mistura solo-estabilizador
pode ocorrer que o estabilizador forme ou não uma 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 e as propriedades mecânicas do estabilizador predominam. Tem-se várias
reações resultantes da mistura solo-estabilizador: reações físicas - variação de
temperatura, hidratação, evaporação e adsorção e reações químicas - troca
catiônica, precipitação, polimerização, oxidação, solução e carbonatação.
Na matriz descontínua o estabilizador não preenche todos os poros e
então podem ocorrer três modos de ação:
• Modificação das características das superfícies das partículas;
• Vedação inerte dos poros;
• Interconexão entre as partículas de solo (solda por pontos).
Algumas características sobre os tipos de estabilização química são
descritas nos sub-itens a seguir:
2.1.3.1.
Solo-Cimento
SANDRONI E CONSOLI (2010) relatam que diversos tipos de cimentos
podem ser utilizados para estabilizar praticamente todos os tipos de solos, com
algumas dificuldades particulares para argilas altamente plásticas e orgânicas
(contendo mais que 1-2% de matéria orgânica), os quais normalmente exigem
altas porcentagens de cimento para a obtenção de significativas mudanças nas
propriedades mecânicas das mesmas.
Cimentos Portland são cimentos hidráulicos (ganham resistência através
de reações para com a água – hidratação). Os quatro componentes principais do
cimento Portland são:
Silicato Tricálcico (3CaO . SiO2) � C3S
Silicato Dicálcico (2CaO . SiO2) � C2S
27
Aluminato Tricálcico (3CaO . Al2O3) � C3A
Aluminoferrito Tetracálcico (4CaO . Al2O3 . Fe2O) � C4AF
As reações primárias que ocorrem quando a água é adicionada ao cimento
Portland podem ser sumarizadas a seguir:
2 (3CaO . SiO2) + 6H2O � 3CaO . 2 SiO2 . 3H2O + 3Ca(OH)2
2 (3CaO . SiO2) + 4H2O � 3CaO . 2 SiO2 . 3H2O + Ca(OH)2
3CaO . Al2O3 + 12H2O + Ca(OH)2 � 3CaO . Al2O3 . Ca(OH)2 . 12H2O
4CaO . Al2O3 . Fe2O + 10H2O + 2Ca(OH)2 � 6CaO . Al2O3 . Fe2O3 . 12H2O
C3S enrijece rapidamente e é o responsável primário pela resistência
inicial. C2S enrijece lentamente e contribui para aumento de resistência para
idades alem de 1 semana. C3A libera grande quantidade de calor durante os
primeiros dias de enrijecimento e contribui pouco para o desenvolvimento da
resistência inicial. Em solos finos, a fase argila também pode contribuir para a
estabilização através de sua solução em um meio com pH alto e reações com a
cal livre do cimento para formar CSH adicional (reações pozolânicas).
De forma geral, a quantidade de cimento necessária para estabilizar um
solo aumenta com o aumento da fração de solos finos, com exceção de areias
uniformes que requisitam mais cimento que solos arenosos contendo algum tipo
de silte e argila.
Pode-se dividir a estabilização por cimento nas seguintes categorias
(MEDINA, 1987):
• Solo-cimento: é um material endurecido pela cura de uma mistura
íntima compactada mecanicamente com solo pulverizado, cimento
portland e água, sendo esse endurecimento avaliado por critérios de
durabilidade e resistência à compressão simples de corpos de prova.
Normalmente é utilizado como base ou sub-base;
28
• Solo modificado ou melhorado: é um material não endurecido ou semi-
endurecido que é julgado pela alteração dos índices físicos e/ou
capacidade de suporte do solo. Utiliza-se um teor baixo de cimento
que não deve ser maior que 5%. Pode ser utilizado como base, sub-
base ou subleito;
• Solo-cimento plástico: difere do solo cimento definido anteriormente,
por ser utilizada uma quantidade maior de água durante a mistura, de
forma a produzir uma consistência de argamassa na ocasião da
colocação. É utilizado para revestimento de valas, canais e taludes.
Existem dois métodos de dosagem para solo-cimento: O primeiro,
estabelecido pela ABNT, e o segundo, chamado método físico-químico,
desenvolvido na COPPE pelo Prof. Casanova. Ambos os métodos encontram-se
descritos em MACÊDO (2004).
2.1.3.2.
Solo-Cal
SANDRONI E CONSOLI (2010) relatam que a quantidade de cal
necessária para o tratamento de solos depende das características do solo e o
uso e características mecânicas desejadas da mistura. O tratamento de solos
com cal pode ser dividido em duas classes gerais: (a) modificação do solo com
cal, a qual reduz a plasticidade do solo, melhora a trabalhabilidade, aumenta a
resistência de defloculação e erosão; (b) estabilização do solo com cal, a qual
fornece aumento permanente da resistência e rigidez do solo devido a
ocorrência de reações pozolânicas.
O tratamento de solos com cal não é eficiente em solos com baixo teor de
argila, uma vez que o melhoramento das propriedades mecânicas é produzido
pelas reações entre a cal e os minerais argílicos. Todos os minerais argílicos
reagem com a cal, com a resistência das reações geralmente aumentando na
proporção da quantidade de sílica disponível.
Quatro tipos básicos de reações que ocorrem em solos coesivos são
tratados com cal: (a) carbonatação, (b) troca catiônica, (c) floculação-
aglomeração, e (d) reações pozolânicas.
29
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. O carbonato de cálcio é uma cimentação
fraca e solubiliza na água acida. A carbonatação é indesejável uma vez que
reduz a quantidade de cal disponível para produzir as reações pozolânicas
(cimenticias).
Cal misturada com água resulta em cátions de cálcio livres, os quais
podem substituir outros cátions dentro dos complexos de troca catiônica que
ocorrem no solo. A troca catiônica é ao menos parcialmente responsável pela
floculação e aglomeração de partículas de argila que ocorre em solos tratados
com cal. O resultado prático da floculação-aglomeração é a mudança na textura
do solo uma vez que as partículas de argila unem-se e formam partículas de
dimensões maiores.
As reações pozolânicas são similares aquelas que ocorrem em solos
tratados com cimento. É sabido que a cal e a água reagem com sílica e alumina
existentes no solo para formar vários componentes cimentícios. Origens típicas
de sílica e alumina em solos incluem minerais argílicos, quartzo, feldspato, micas
e outros silicatos ou alumino-silicatos similares, com estrutura cristalina ou
amorfa. A adição de cal também aumenta o pH do solo, aumentando a
solubilidade da sílica e da alumina presentes no solo. Se uma quantidade
significativa de cal é adicionada ao solo, o pH pode alcançar 12,4, que é o pH da
água saturada com cal. A seguir são apresentadas as reações que ocorrem no
solo tratado com cal:
Ca(OH)2 � Ca+2 + 2(OH)-
Ca+2 + 2(OH)- + SiO2 (sílica da argila) � CSH (silicato hidratado de cálcio)
Ca+2 + 2(OH)- + Al2O3 (alumina da argila) � CAH (aluminato hidratado de
cálcio)
Onde C = CaO, S = SiO2, A = Al2O3 e H = H2O
Tais reações somente ocorrem na presença de quantidades de água
capazes de trazer Ca+2 e (OH)- para a superfície das partículas de argila.
30
Conseqüentemente, as reações não ocorrerão em solos secos e cessarão em
um solo úmido que vier a secar.
O efeito da cal nas propriedades do solo pode ser visto sob vários
aspectos:
• Distribuição granulométrica: há uma modificação da granulometria do
solo, devido à ocorrência de floculação-aglomeração e que quanto
maior a quantidade de cal maior a floculação;
• Plasticidade: o limite de plasticidade (LP) cresce com o uso da cal e o
limite de liquidez (LL) tende a diminuir. O aumento do teor de cal
acarreta valores de IP cada vez menores. O índice de plasticidade (IP)
varia com o tempo de reação;
• Variação de volume: o tratamento de um solo expansivo com cal reduz
as variações de volume do solo quando este absorve água;
• Compactação: a densidade diminui e o teor de umidade ótima
aumenta quando se trata um solo com cal;
• Resistência: CONSOLI ET AL (1997) verificaram que o teor de cal e o
tempo de cura são fatores que influem no aumento da resistência a
compressão simples num solo estabilizado com cal.
Quanto maior o teor de cal maior a troca catiônica e a formação de
produtos cimentantes, mas não existe um teor ótimo de cal a ser adotado para
todos os solos, sendo a experiência de campo e laboratório, decisiva para a
escolha do teor de cal.
2.2.
Solo-Cinza de carvão
Durante o processo de incineração de carvão, a depender do tipo do
incinerador, várias cinzas podem ser geradas em diversos pontos de queima do
carvão. As duas cinzas principais são a cinza de fundo (bottom ash) e cinza
volante (fly ash).
Segundo ACAA (2003) e WINTERKORN (1990), a Cinza Volante é um
subproduto de usinas elétricas alimentadas por carvão. É recuperada de gases
de combustão. Tipicamente, o carvão é pulverizado e fundido com ar na câmara
31
da caldeira de combustão, onde imediatamente inflama, gerando calor e
produzindo resíduo de mineral fundido para endurecer e formar as cinzas.
Partículas grossas de cinza, referidas como cinzas de fundo ou escórias,
caem para o fundo da câmara de combustão, enquanto que as partículas finas
de cinza mais leves, denominadas cinzas volantes, permanecem em suspensão
nos gases de combustão. Antes de se esgotar os gases de combustão, a cinza
volante é removida por dispositivos de controle das emissões de partículas.
A cinza volante é um agente efetivo para estabilização química e / ou
mecânica dos solos, modificando a densidade do solo, teor de umidade,
plasticidade, e resistência dos solos. As aplicações típicas incluem: estabilização
de solos para aumentar a sua resistência, dessecamento do solo e controle da
contração-expansão (ACAA, 2003).
2.2.1.
Aplicações do Solo-Cinza de Carvão
A seguir são listadas algumas aplicações e conseqüências do uso de
cinzas no solo (ACAA, 2003):
a) Melhoramento da Resistência do Solo:
A cinza volante tem sido utilizada satisfatoriamente em muitos
projetos para melhorar as características de resistência dos solos. Ela
pode ser usada para estabilizar bases ou sub-bases e aterros, para
reduzir o empuxo lateral de terras e para estabilizar taludes.
O principal motivo para utilizar as cinzas volantes em aplicações
de estabilização do solo é o de melhorar a resistência à compressão e
cisalhamento dos solos.
A resistência à compressão dos solos tratados com cinzas
volantes é dependente de:
- Teor de umidade: o teor de umidade da mistura solo-cinza
volante afeta a resistência;
- Teor de cinza volante: o teor de cinza volante depende da
natureza do solo, das características da cinza volante e da
32
resistência desejada. o teor deverá ser determinado por
ensaios de laboratório para projeto da mistura;
- Propriedades do solo: a plasticidade dos solos tratados com
cinza volante é influenciada pelos argilominerais presentes no
solo e a água adsorvida. Solos que contenham mais do que 10
% de sulfatos são propensos à expansão excessiva em
algumas aplicações. Alem disso, solos orgânicos são difíceis
para estabilizar utilizando cinza volante.
b) Controle da contração e expansão:
Muitos solos argilosos (solos plásticos) são submetidos a
grandes mudanças volumétricas quando sujeito a flutuações de
umidade. Estas mudanças volumétricas quando não são controladas
conduzem a deslocamentos em estruturas e impõem carregamentos
que podem causar rupturas prematuras.
Cinzas volantes reduzem o potencial de um solo plástico
submetido à expansão volumétrica por um mecanismo físico de
cimentação, que não pode ser avaliado pelo índice de plasticidade. As
cinzas volantes controlam a contração-expansão por cimentação dos
grãos do solo em conjunto, muito parecido a como o Cimento Portland
une os agregados para fazer o concreto. Através da ligação dos grãos
do solo em conjunto, os movimentos das partículas do solo são
restritos.
c) Diminuição da umidade:
Solos devem ser compactados na sua máxima densidade prática
para fornecer uma base para as estruturas sobrejacentes. Para solos
a serem compactados, o teor de umidade deve ser controlado por
causa de relação entre densidade do solo e o teor de umidade. Se o
solo a ser compactado está úmido ou seco, o teor de umidade deve
ser ajustado até perto do ótimo para alcançar a densidade máxima. Se
o solo está muito seco, umidade é simplesmente aumentada. Se o
solo está muito úmido, o teor de umidade deve ser diminuído. Cinzas
33
volantes têm sido descobertas como agentes de secagem muito
efetivos, capazes de reduzir o teor de umidade do solo em 30% ou
mais. As cinzas volantes secam o solo por dois mecanismos básicos,
reações químicas que consomem umidade no solo e por diluição
simples (ACAA, 2003).
2.2.2.
Utilização de Cinzas de Carvão na Pavimentação
A principal utilização das cinzas oriundas da queima do carvão mineral no
Brasil acontece na substituição de parte do clínquer portland por cinza volante
(fly ash) na fabricação do cimento portland pozolânico (FARIAS, 2005).
Além de aplicações em matrizes de concreto, também foram
desenvolvidos no Brasil estudos analisando a utilização das cinzas resultantes
da queima do carvão mineral em estruturas semi-rígidas e flexíveis de
pavimentos, sendo que diversos autores já comprovaram a viabilidade de
sua utilização na pavimentação, no que se refere ao desempenho mecânico da
utilização de cinzas.
Os estudos desenvolvidos por NARDI (1975) e posteriormente
complementados pelas pesquisas realizadas por MARCON (1977),
comprovaram a viabilidade da estabilização de areia com cinza volante e cal. Os
trabalhos desenvolvidos por NARDI (1975), resultaram na implantação
de um trecho experimental localizado às margens da BR-101, no
município de Imbituba/SC, onde, sobre o subleito de areia, foi construída uma
sub-base de areia estabilizada com cal e cinza volante. Nesse trecho foram
instaladas seções de instrumentação e os resultados monitorados foram
bastante satisfatórios e aprovaram o desempenho do material.
Com a finalidade de complementar os estudos realizados por NARDI
(1975), MARCON (1977) desenvolveu ensaios de durabilidade e módulo de
elasticidade em misturas de [areia, cinza volante] e [cal e areia, brita, cinza
volante, cal e cimento]. Nos resultados de suas pesquisas os materiais
resultantes se mostraram com aptidão para serem empregadas em bases e sub-
bases de pavimentos, desde que observadas as condições de cura, as
solicitações de tráfego e devendo ser avaliada a rigidez da camada da base, de
modo a promover a redução das tensões verticais transmitidas ao subleito e
retardando os efeitos de fadiga. Com esse aspecto, um bom processo de cura
34
torna-se importante à medida que, com aumento da resistência do material com
o passar do tempo, também é retardado o desenvolvimento de fissuras no
material.
Estudos mais recentes foram desenvolvidos por DIAS (2004), LEANDRO
(2005), FARIAS (2005) e ROSA (2009), onde se faz uma análise do
desempenho de solo estabilizado com cinzas de carvão e aditivos no laboratório.
2.3.
Solo-Cinza de RSU
A estabilização de solos com cinzas de RSU tem sido menos utilizada e
estudada que com as cinzas de carvão, visto que o numero de usinas
termoelétricas de RSU é menor que as que utilizam carvão. Mas o
comportamento relatado sobre os seus efeitos e mecanismos de estabilização é
comparável aos das cinzas de carvão, desde que o RSU seja principalmente
composto por matéria orgânica.
FERREIRA et al. (2003) 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. Questões ambientais relativas a esta
aplicação são a contaminação de solo subjacente e águas subterrâneas por
substâncias lixiviadas da camada de base. Estudos de viabilidade de
substituição de areia por cinza volante em camadas de base de areia/cimento
foram conduzidos por MULDER (1996) na TNO (Organização Holandesa para
Pesquisa Cientifica Aplicada); nestes estudos, a cinza volante de RSU foi
submetida à lavagem com solução de acido nítrico e posterior filtração obtendo-
se uma redução na concentração de metais como apresentado na Tabela 2.1. O
produto obtido após uma lavagem da cinza volante seguido por cimentação
satisfaz as normas holandesas para materiais de construção, ressaltando que o
custo desta lavagem mais aplicação numa base de pavimento é menos caro que
dispor a cinza volante como material perigoso.
35
Tabela 2.1 - Resultados da lavagem da cinza volante.
Elemento
Concentração
original
(mg/kg)
Concentração
após lavagem
(mg/kg) *
Decréscimo em
concentração
(%) **
Cd 220 32 90
Cu 660 920 3
Mo 17 23 5
Pb 6000 7 800 9
Zn 14 000 6 900 66
Cl- 53 000 5 800 92
SO42- 64 000 79 000 14
* Medido na massa solida após lavagem e secagem.
** Após correção para redução da massa de aproximadamente 30*.
Outro uso potencial da Cinza Volante de RSU é em estabilização de solos,
como substituto de cal ou cimento, tomando as vantagens das características
pozolânicas da Cinza Volante de RSU. A densidade da Cinza Volante de RSU é
menor que outros materiais de aterro utilizados em construção de aterros:
valores típicos para Cinza Volante de RSU estão entre 1,7 – 2,4 quando para
areias é tipicamente 2,65. Em solos moles compressíveis é uma vantagem a
substituição de materiais convencionais de aterro por a Cinza Volante, e assim
diminuir os carregamentos impostos nas fundações, resultando em menores
recalques.
GOH e TAY (1993) pesquisaram a possibilidade de utilizar Cinza Volante
de RSU como material de aterro em aplicações geotécnicas. Eles relataram que
a Cinza Volante apresenta os pré-requisitos para este tipo de aplicação com alta
resistência e permeabilidade, típica de material granular, e densidades quando
compactadas menores que os aterros convencionais. Eles também avaliaram a
possibilidade de utilização de Cinza Volante em estabilização do solo (em vez de
cal ou cimento) achando que as misturas solo-cinza volante apresentaram
melhoramento da resistência ao cisalhamento e menor compressibilidade que
outros solos não-tratados.
A Figura 2.1 apresenta a mudança na resistência ao cisalhamento não
drenado de amostras obtidas de ensaios de compressão não confinada. A
resistência ao cisalhamento não drenado incrementou-se com a idade e com o
36
incremento do teor de cinza volante de RSU para os solos estabilizados. A taxa
de endurecimento da mistura com maior teor de cinza volante foi também a mais
rápida. Após 80 dias de tempo de cura, a resistência ao cisalhamento não
drenado do solo tratado acrescentou-se acima de 1,9, 2,5 e 3 vezes para as
misturas com 10%, 20% e 30% de cinza volante, respectivamente.
Maiores ganhos em resistência foram observados para o solo estabilizado
com cimento como mostrado na Figura 2.1. Após 80 dias, a mistura com 5% de
cinza volante de RSU mais 5% de cimento apresentou uma resistência 4% maior
que a resistência do solo estabilizado somente com cimento. Dos resultados dos
ensaios, GOH e TAY (1993) sugerem que (1) a cinza volante poderia ser usada
para estabilizar solos argilosos com um aumento de duas a três vezes a
resistência do solo natural; e (2) a cinza volante poderia ser utilizada em
combinação com cimento ou cal, se maiores ganhos de resistência são
requeridos.
Figura 2.1. Efeito do tempo sobre solo estabilizado com CVRSU, cal e
cimento (adaptado de GOH e TAY, 1993).
Onde:
37
GOH E TAY (1993) compararam o lixiviado de Cinza Volante com lixiviado
de Cinza Volante estabilizado com cal ou cimento. Eles relataram que o lixiviado
da Cinza Volante não estabilizada não atendeu as normas de qualidade de água
potável e que a Cinza Volante estabilizada com cal ou cimento apresentou
valores menores de crômio e cádmio, não se detectando concentrações toxicas.
Contudo, eles limitaram seu estudo a lixiviado de Cinza Volante, e não avaliaram
o sistema solo/cinza volante, o que poderia dar melhor percepção do
comportamento do lixiviado de aterros construídos com esses materiais. Pré-
lavagem da cinza poderia ser uma possível solução para o problema da
lixiviação de metais pesados.
A Cinza de Fundo de RSU tem sido utilizada muito mais que a Cinza
Volante de RSU. Sua utilização nos Estados Unidos está limitada a alguns
trechos de teste, mas na Europa, é utilizada como material para base de
rodovias ou aterros há duas décadas. Na Dinamarca, Alemanha e Holanda mais
do que 50% da Cinza de Fundo de RSU produzida é utilizada como material de
base para rodovias e aterros (FHWA, 2008).
FORTEZA et al. (2004), IZQUIERDO et al (2001), REIS-BARROS (2006)
estudaram o comportamento em laboratório da Cinza de Fundo de RSU puro
para aplicação em base de pavimentos, obtendo resultados bons quanto ao
comportamento mecânico.
ALMEIDA et al (2009) avaliaram o comportamento em trechos rodoviários
em Portugal, onde se utilizou escória de RSU em substituição de agregados
naturais; ele conclui que a utilização de escória de RSU obedece as
especificações ambientais e que sua utilização é possível em aterros e leitos de
pavimento e em camadas de sub-base de pavimentos de baixo tráfego.
2.4.
Utilização de resíduos em Pavimentação
Resíduos são materiais oriundos de diversas origens: indústrias,
agricultura, lares e mineração. Leis têm sido elaboradas por várias nações para
incentivar o uso de alguns resíduos ou para examinar a viabilidade de seu uso,
devido a que seus volumes e custos de eliminação continuam aumentando.
38
O emprego de resíduos na construção de pavimentos pode ser
interessante, principalmente porque obras de pavimentação consomem grandes
quantidades de material. Com isto surgiram alguns pontos de interesses
específicos de avaliação:
• Aos engenheiros interessa o efeito sobre as propriedades de
Engenharia (por exemplo, resistência e durabilidade), impacto
sobre a produção e a possibilidade de futura reciclagem de tais
materiais;
• Interesses ambientais tais como emissões, fumaças, odores,
lixiviação, manutenção e processos de produção;
• Interesses econômicos como custos e carência de incentivos
monetários.
Na Tabela 2.2 estão apresentadas combinações material/aplicação em
pavimentação para alguns resíduos segundo FHWA (2008).
Na perspectiva da engenharia de pavimentos, o reaproveitamento de
materiais deve ser utilizado de tal forma que o desempenho esperado do
pavimento não seja comprometido. Resíduos e subprodutos, no entanto, diferem
substancialmente nos seus tipos e propriedades e, em conseqüência, nas suas
aplicações em pavimentação. Experiência e conhecimento sobre a utilização
desses materiais variam de material a material, como também de local a local.
Para recuperar esses materiais para uso potencial, engenheiros, pesquisadores,
geradores, e os órgãos reguladores ambientais ou de pavimentação têm de
estarem conscientes das propriedades dos materiais, como podem ser usados, e
quais as limitações podem ser associados à sua utilização.
ROHDE (2002), CASTELO BRANCO (2004), RAPOSO (2005), OLIVEIRA
(2006), FREITAS (2007), PENA (2007), estudaram a aplicação de escória de
aciaria para camadas de pavimentos e misturas asfálticas no Brasil.
PINTO (1971), NARDI (1975), MARCON (1977), LEANDRO (2005) e
FARIAS (2005) estudaram a aplicação de cinzas de carvão para camadas de
pavimentos.
FERNANDES (2004), MOTTA (2005) e LEITE (2007) estudaram a
aplicação de Resíduo sólido da construção civil para pavimentação.
39
Tabela 2.2 – Combinações de Material/Aplicação em pavimentação (FHWA, 2008).
Material
Aplicação
Concreto asfaltico
Concreto Cimento Portland
Base Granular
Aterro Base
estabilizada Aterro
hidraulico
Pó de asfalto (Baghouse fines)
x
Escória de alto forno (Blast furnace slag)
x x x x
Cinza de fundo/escória de carvão
(Coal bottom ash/boiler slag) x x x x
Cinza volante de carvão (Coal fly ash)
x x x x x
Desulfuradores de gases de combustão
(FGD scrubber material) x x
Areia de fundição (Foundry sand)
x x x x
Fuligem (Kiln dusts)
x x
Residuos de mineração (Mineral processing wastes)
x x x
Cinza de incineração de RSU
(MSW combustor ash) x x
Escórias não ferrosas (Nonferrous slags)
x x x
Sub-produtos de pedreira (Quarry byproducts)
x
Revestimento asfáltico reciclado
(Reclaimed asphalt pavement)
X (quente e frio)
x x
Concreto reciclado (Reclaimed concrete
material) x x
Telhas de cobertura (Roofing shingle scrap)
x
Borracha de pneus (Scrap tires)
x (úmido e seco)
x
Cinza de lodo de esgoto (Sewage sludge ash)
x
Escoria de aciaría (Steel slag)
x x
Residuos de sulfatos (Sulfate wastes)
x
Residuos de vidro (Waste glass)
x x
40
2.5.
Dimensionamento de pavimentos asfálticos
Segundo FRANCO (2007), é imprescindível no processo de
dimensionamento de estruturas de pavimentos asfálticos o conhecimento de
variáveis como as características dos materiais a serem utilizados, o
comportamento desses materiais em relação à aplicação de cargas e o tipo de
carregamento e resposta da estrutura para suportar as cargas sob condições
climáticas variáveis, entre outras. A dificuldade de prever e modelar essas variáveis
determina o grande desafio de diversas instituições que atualmente pesquisam e
tentam desenvolver métodos modernos e analíticos de dimensionamento.
A teoria da elasticidade é largamente utilizada como ferramenta para
cálculo das tensões, deformações e deslocamentos. Modelos de comportamento
tensão/deformação distintos são comumente utilizados pelos métodos de
cálculo: comportamento elástico-linear e elástico não linear. Na Figura 2.2 é
ilustrada a forma mais comum de representar um pavimento sob carregamento
de roda e as deformações e deslocamento principais que atuam no interior da
estrutura em camadas.
Figura 2.2. Tensões numa estrutura de pavimento (MEDINA e MOTTA, 2005)
É possível estimar a resposta do pavimento por meio do cálculo das
tensões, deformações e deslocamento gerados na sua estrutura, a partir da
definição das espessuras das camadas, dos módulos de resiliência e
coeficientes de Poisson dos diversos materiais a serem utilizados e da
composição do tráfego atuante.
41
A possibilidade de aplicar a teoria da elasticidade à pavimentação, permitindo
o cálculo de estruturas de pavimento com várias camadas, é atribuída a Burmister
que apresentou em 1943 um método para determinar tensões e deformações em
sistemas de duas e três camadas. Esse método se baseia na teoria formulada em
1885 por Boussinesq, que apresentou um conjunto de equações para o cálculo de
tensões e deformações em um meio semi-infinito, linear, elástico, homogêneo e
isotrópico sob carregamento puntual e distribuído (FRANCO, 2007).
GUIMARÃES (2009) diz: “O fator essencial no projeto de dimensionamento
é o conceito de ruptura do pavimento asfáltico e dois tipos de avaliação são
possíveis: a estrutural e a funcional. Por ruptura estrutural depreende-se o
colapso da estrutura ou de um dos seus componentes, tornando o pavimento
incapaz de sustentar carregamentos na sua superfície. A ruptura funcional, que
pode ser constatada em casos de ruptura estrutural ou não, é uma condição
caracterizada pelo desconforto e insegurança ao rolamento dos veículos. O
dimensionamento da estrutura do pavimento visa assegurar que o mesmo não
sofra ruptura estrutural dentro de um período de projeto.”
Segundo FRANCO (2007), o procedimento para o dimensionamento
mecanístico-empírico consiste basicamente em:
• reunir os dados referentes aos materiais de pavimentação, ao tráfego e às
condições ambientais;
• correlacionar os dados de resistência dos materiais e tráfego em função das
épocas sazonais e o comportamento dos materiais em função do tipo de
carregamento;
• escolher as espessuras das camadas e calcular as tensões e deformações
considerando as diversas correlações obtidas;
• relacionar os valores críticos de tensões e deformações com os danos que a
repetição das cargas podem causar ao pavimento por meio de modelos de
previsão; e
• verificar se as espessuras escolhidas satisfazem as condições impostas no
dimensionamento.
2.5.1.
Módulo de Resiliência
Em 1955, Francis Hveem realizou o primeiro estudo sistemático para
determinar a deformabilidade de pavimentos, estabelecendo valores máximos
42
admissíveis de deflexões para a vida de fadiga satisfatória de diferentes tipos de
pavimentos. Hveem relacionou o trincamento progressivo dos revestimentos
asfálticos à deformação resiliente (elástica) das camadas subjacentes dos
pavimentos (MEDINA e MOTTA, 2005).
Em fins de 1977, iniciou-se na COPPE/UFRJ, sob a orientação do Prof.
Jacques de Medina, um amplo programa de pesquisas neste setor, cujos marcos
iniciais podem ser representados pelas teses de mestrado de PREUSSLER
(1978) e SVENSON (1980), que trataram das propriedades resilientes dos solos
arenosos e argilosos, respectivamente.
O módulo de resiliência dos solos para fins de pavimentação é
determinado através do ensaio triaxial de cargas repetidas e é regido pela norma
DNER ME 131/94: “Solos-Determinação do módulo de resiliência”. Nesta
determinação a deformação total do corpo de prova ensaiado tem uma
componente resiliente (recuperável) e outra permanente (irrecuperável) ou
plástica. É a deformabilidade elástica ou resiliente que condiciona a vida de
fadiga das camadas superficiais mais rijas dos pavimentos sujeitas a flexões
sucessivas (MEDINA e MOTTA, 2005).
Define-se, o módulo resiliente ou de resiliência (MR) do solo, a partir de um
ensaio triaxial dinâmico, como a relação entre a tensão-desvio aplicada axial e
ciclicamente em um corpo-de-prova e a correspondente deformação específica
vertical recuperável, conforme a equação (2.1):
(2.1)
onde:
• σd = tensão desvio aplicada repetidamente;
• εr = deformação específica axial resiliente.
Os módulos de resiliência dos solos dependem do estado de tensões
atuante – as decorrentes do peso próprio mais as tensões causadas pelas
cargas dos veículos. O que se procura determinar nos ensaios triaxiais é a
relação experimental:
MR = f (σ1, σ3) (2.2)
para as condições de densidade, umidade e grau de saturação que o solo
apresenta in situ.
43
Num solo, o módulo depende da natureza do material (constituição
mineralógica, textura, plasticidade da fração fina), umidade, densidade e estado
de tensões, além das características do próprio ensaio (freqüência e tempo de
carregamento, forma de onda, etc.). O ensaio faz-se com solos não saturados
quase sempre em condições de drenagem livre (MEDINA e MOTTA, 2005).
Mantendo-se os outros parâmetros sob especificação, para cada solo o
módulo de resiliência poderá ser expresso como uma função do estado de
tensões aplicado durante o ensaio por modelos matemáticos com constantes
experimentais. Os primeiros modelos de módulo em função ao estado de
tensões que foram observados no Brasil estão mostrados na Tabela 2.3
(MEDINA e MOTTA, 2005).
Tabela 2.3 – Modelos de comportamento tensão-deformação de solos
observados no Brasil (MEDINA e MOTTA, 2005).
2.5.2.
Sistema computacional SisPav
O método de dimensionamento, contido no programa SisPav, proposto por
FRANCO (2007) visa considerar características brasileiras de ensaios de
44
laboratório, clima, materiais de pavimentação e tráfego. Este método considera a
variação lateral para os diversos eixos na análise de tráfego, assim como a
variação sazonal das características dos materiais do revestimento ao longo do
período de projeto.
Considera ainda: a utilização de materiais com comportamento elástico
linear e não linear; base de dados de resultados de ensaios brasileiros para
desenvolvimento do modelo de previsão de danos; parâmetros dos materiais e
bacias de deformação calculadas para propiciar o controle de execução no
campo e análise de confiabilidade.
No referido sistema, para efeito de dimensionamento das espessuras das
camadas do pavimento, são considerados os seguintes critérios de aceitação:
• deformação permanente limite no topo do subleito;
• deflexão máxima na superfície do pavimento;
• dano de fadiga da camada asfáltica ou cimentada.
O projetista pode considerar ações climáticas para o local onde existe ou
será construída a estrutura do pavimento. Ao selecionar o local, as informações
sobre as temperaturas médias mensais do ar são apresentadas na tabela e no
gráfico da tela. Caso o local do projeto não se encontre disponível no banco de
dados interno do programa SisPav, as informações poderão ser inseridas
manualmente. O banco de dados interno foi obtido das Normais Climatológicas
(BRASIL, 1992). O detalhamento de tráfego é feito por eixo e por volume de
tráfego no mês.
2.6.
Solos expansivos
Determinados solos sofrem fenômeno de expansão com magnitude
considerável ao aumentar sua umidade. O processo de expansão se produz
quando um solo não saturado se umedece absorvendo água entre suas
partículas, havendo aumento de volume, sendo esse volume constituído por uma
componente devida ao relaxamento das tensões intergranulares ou sucção ao
aumentar o grau de saturação.
Os solos que contém os minerais argilosos como ilita e montmorilonita,
possuem uma tendência de expandir-se na presença de água, sendo esta última
com maior potencial de expansão. LAMBE e WHITMAN (1976) se referem a
esses minerais e consideram que o potencial de expansão dos minerais
45
argilosos expansivos depende da estrutura dos cristais, da estrutura dos grupos
de cristais e da capacidade de troca catiônica.
O mecanismo que envolve a expansão dos solos está relacionado, entre
outros fatores, com a hidratação das partículas de argila e de cátions, que
atraem as moléculas de água causando um aumento de volume. Esse
mecanismo é afetado por uma série de fatores que condicionam sua evolução e
magnitude.
De acordo com BUCIO (2002), são eles:
• Tipo de minerais e quantidade dos mesmos: quanto maior a
expansibilidade dos minerais presentes no solo, maior será sua
capacidade de expandir-se com o aumento da umidade;
• Densidade: para um mesmo solo com a mesma umidade inicial, a
expansão será maior quanto maior for a densidade seca do mesmo;
• Estrutura dos solos: os solos que possuem cimentações possuem menor
tendência de expansão. As estruturas floculadas têm maior tendência a
expandir que as dispersas, sendo a retração menor para o primeiro caso;
• Umidade: a umidade influi na magnitude da expansão dos solos. Quanto
menor for a umidade, maior será a expansibilidade potencial, pois o solo
ainda é capaz de absorver maior quantidade de água.
2.7.
Considerações sobre a revisão bibliográfica
Na revisão bibliográfica do presente estudo foram mencionados os
diferentes métodos de estabilização, dando ênfase na estabilização com cinzas
de carvão e as cinzas de RSU. O estudo do mecanismo de estabilização
mediante cinzas de carvão poderia fornecer uma idéia do que acontece com as
cinzas de RSU, já que estas ainda não têm sido muito estudadas, nacional e
internacionalmente. É mencionado um resumo das aplicações de resíduos na
pavimentação assinalando as suas vantagens. É apresentado o programa
computacional SisPav que é utilizado neste estudo e um resumo sobre solos
expansivos. Os conceitos expostos são principalmente concernentes à Mecânica
dos Pavimentos e Estabilização de Solos.
3
Programa Experimental
O programa de ensaios estabelecido tem como objetivo principal investigar
e identificar o efeito da adição de cinzas de RSU nas propriedades mecânicas de
um solo residual. Para tal, foi desenvolvido um programa experimental que se
baseia em duas etapas distintas.
Na primeira etapa foi realizado o estudo do comportamento mecânico dos
materiais através de ensaios de laboratório, englobando ensaios triaxiais de
carga repetida. Na segunda etapa foi avaliado o comportamento dos materiais
envolvidos no dimensionamento de uma estrutura de pavimento típica, mediante
uso de programa computacional.
As etapas do programa experimental proposto são detalhadamente
descritas neste capítulo, bem como a descrição dos materiais utilizados na
pesquisa, os métodos utilizados na preparação das amostras, detalhes de
execução dos ensaios e equipamentos utilizados nos ensaios de laboratório.
Os ensaios do programa experimental desta pesquisa foram realizados no
Laboratório de Geotecnia/Pavimentos e no Laboratório de Estruturas da
COPPE/UFRJ, bem como no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente e
Laboratório de Química da PUC-Rio.
3.1.
Materiais
Trabalhou-se com três tipos de materiais distintos: solo, cinza volante e
cinza de fundo, bem como as misturas decorrentes destes materiais com
diferentes teores de cinza.
3.1.1.
Solo
O solo é procedente de uma jazida localizada no bairro de Campo Grande –
RJ. A coleta foi feita no mês de Junho/2009. Este solo foi escolhido por ser de uso
regional e ser material de pesquisa de outras teses da COPPE/UFRJ, onde os
ensaios foram desenvolvidos. Os resultados da caracterização deste material são
apresentados no Capitulo 4. A Figura 3.1 ilustra o solo não-laterítico estudado.
47
Figura 3.1. Solo não-laterítico estudado
3.1.2.
Cinza Volante e Cinza de Fundo
A cinza volante e a cinza de fundo são provenientes da incineração do
Resíduo Solido Urbano (RSU) na Usina Verde, que fica localizada na Ilha do
Fundão – Município de Rio de Janeiro – RJ. A incineração e coleta foram
realizadas no mês de Junho/2009. As Figuras 3.2 e 3.3 ilustram a cinza volante e
a cinza de fundo de RSU, respectivamente.
Figura 3.2. Cinza Volante de RSU.
Figura 3.3. Cinza de Fundo de RSU.
48
3.1.2.1.
Produção das Cinzas de RSU
A Usina Verde é uma empresa de capital privado situada na Cidade
Universitária da UFRJ - Ilha do Fundão, e tem como objetivo apresentar
soluções ambientais para a destinação final dos resíduos sólidos urbanos,
através do processo de incineração com co-geração de energia. Atualmente, a
Usina Verde vem tratando o Resíduo Sólido Urbano (RSU), e procura, através
do processo de incineração, propiciar o aproveitamento racional do lixo,
convertendo-o, se possível, em insumos.
O RSU utilizado na Usina Verde vem da Companhia Municipal de Limpeza
Urbana do Rio de Janeiro (Comlurb), já pré-tratados, provenientes do aterro
sanitário da Comlurb, no bairro Cajú/RJ. Todavia, ao chegar à usina, passa por
uma nova triagem. A composição do RSU após processo de reciclagem da
Comlurb e da Usina Verde encontra-se na Figura 3.4. Em funcionamento desde
2004, a Usina recebe diariamente 30 toneladas de resíduos sólidos.
Figura 3.4. Composição do RSU da Usina Verde (FONTES, 2008)
3.1.2.2.
Processo de incineração
Esta descrição está baseada em FONTES (2008) que estudou estes
resíduos para uso em concreto de cimento Portland para construção civil: “O
49
RSU, após a etapa de pesagem, passa pelo processo de triagem, como dito
anteriormente, onde os materiais recicláveis são segregados manualmente e
com o auxílio de detectores de metais localizados nas duas esteiras, por onde os
resíduos são conduzidos. Após a segunda esteira, o RSU é triturado e o material
fino separado com o auxílio de peneira rotativa e encaminhado para secagem,
visando a redução do teor de umidade. Em seguida, o RSU triturado passa por
nova moagem, em moinho de facas, e é depositado em um silo Combustível
Derivado do Resíduo (CDR). Estes resíduos (matéria orgânica e resíduos
combustíveis não recicláveis) são encaminhados para o forno de incineração,
que opera a uma temperatura de 950ºC. Durante o processo de combustão, são
produzidas duas cinzas: cinza de fundo e cinza volante.”
“A cinza de fundo (bottom-ash) é depositada no fundo da câmara de pós-
combustão, encaminhada ao tanque de decantação e disposta em caçambas.
Os gases quentes e a cinza volante (fly-ash) são exauridos da câmara de pós-
combustão e aspirados para a caldeira de recuperação onde ocorre o
aproveitamento energético (co-geração de energia). Há uma geração efetiva de
0,6MW de energia elétrica por tonelada de lixo tratado, o que é suficiente para
abastecer cerca de 2300 residências com consumo médio de 200 KW/mês.”
“Posteriormente, os gases são neutralizados em um conjunto de lavadores
e, em seguida, os gases limpos são aspirados e descarregados na atmosfera. A
solução de lavagem é então recolhida nos tanques de decantação onde ocorre a
neutralização com as cinzas do próprio processo e hidróxido de cálcio, o que
ocasiona a mineralização (decantação dos sais), sendo esta solução
posteriormente reaproveitada no processo de lavagem (recirculação). Em
seguida, a cinza volante é encaminhada para os tanques de decantação onde
periodicamente é retirada e armazenada em caçambas.”
“Ao final do processo de incineração são obtidos de 8 a 10%, em volume,
das duas cinzas, que representam cerca de 80% de cinza pesada e 20% de
cinza volante (dados fornecidos pela Usina Verde S/A). A cinza de fundo está
sendo testada, em substituição à areia, na fabricação de tijolos e pisos. As
cinzas não utilizadas são encaminhadas ao Aterro metropolitano Jardim
Gramacho, localizado em Duque de Caxias/RJ.” (FONTES, 2008).
Nas Figuras 3.5 a 3.7 são apresentados as etapas do processo de
incineração as quais são submetidos os Resíduos para a geração de energia
elétrica na Usina Verde.
50
Figura 3.5. Segregação de materiais para reciclagem
na Usina Verde (USINA VERDE, 2009)
51
Figura 3.6. Processo de geração de energia elétrica na Usina Verde (USINA VERDE, 2009)
52
Figura 3.7. Etapas do processo de incineração de RSU na Usina Verde S/A
(FONTES, 2008)
53
FONTES (2008) conclui no seu estudo que a argamassa testada contendo
cinza volante do resíduo sólido urbano apresentou resultados mecânicos, físicos
e de durabilidade superiores à referência. A presença da cinza, provavelmente,
promoveu o acréscimo destes parâmetros através da ação física de refinamento
dos poros. A distribuição de poros mostrou a redução dos grandes capilares,
proporcionando o acréscimo no volume dos médios e pequenos capilares num
concreto de alto desempenho.
3.1.3.
Misturas Solo-cinza
O solo e as cinzas foram secados ao ar e logo após armazenados e
etiquetados em sacos plásticos com capacidade de 25 Kg. Um dia antes da
preparação de cada mistura foi medida a umidade de cada material. As misturas
solo-cinza foram dosadas em peso seco do material. Após a mistura à seco foi
adicionada a quantidade de água necessária para conseguir o teor de umidade
desejado para a compactação e logo depois armazenadas em sacos plásticos,
para preservar a umidade e guardadas por um dia na câmara úmida do
laboratório, para promover a homogeneização da umidade em todo o material.
As siglas que descrevem os materiais utilizados estão apresentadas na
Tabela 3.1.
Tabela 3.1 - Símbolos referentes a cada material.
Material/Mistura % de Solo % de Cinza Volante % de Cinza de
Fundo Símbolo
Solo 100 0 0 S
Cinza Volante 0 100 0 CV
Cinza de Fundo 0 0 100 CF
Mistura 1 60 40 0 S60/CV40
Mistura 2 60 0 40 S60/CF40
Mistura 3 80 20 0 S80/CV20
Mistura 4 80 0 20 S80/CF20
54
3.2.
Métodos e Procedimentos de Ensaio
Apresenta-se neste item a metodologia e procedimentos utilizados para as
análises físicas, químicas e mineralógicas do solo, das cinzas e respectivas misturas.
O objetivo da realização deste programa experimental foi a caracterização
do solo e do solo-cinza, evidenciando os parâmetros que possam ser
correlacionados com o real desempenho em camadas de pavimentos e, dessa
forma, contribuir para o melhor conhecimento sobre o comportamento das
misturas estudadas.
A seguir são apresentados os ensaios laboratoriais realizados para
caracterização do solo e do solo-cinza:
a) Propriedades físicas e de classificação dos materiais:
- Densidade Real dos Grãos;
- Limites de Atterberg;
- Análise granulométrica;
- MCT (Miniatura, compactados, tropical).
b) Propriedades químicas:
- Análise química total;
- Determinação de matéria orgânica;
- Solubilização.
c) Propriedades mecânicas:
- Compactação;
- Modulo de Resiliência.
- Deformação permanente.
Para caracterização dos materiais, foram realizados ensaios de densidade
real dos grãos, Limites de Atterberg e análise granulométrica. No ensaio de
compactação foram obtidos os parâmetros de umidade ótima e massa específica
aparente seca máxima.
Através do ensaio de compressão triaxial de cargas repetidas determinou-
se o Modulo Resiliente, para se obter os coeficientes do Modelo composto, que
são alguns dos dados de entrada do programa SisPav.
Os ensaios de composição química e teor de matéria orgânica foram
realizados com o objetivo de caracterizar as amostras de solo e cinza. Os
ensaios de solubilização fornecem os resultados utilizados na classificação das
55
cinzas, de acordo com as definições da norma NBR 10004/2004 (ABNT, 2004)
para resíduos sólidos.
3.2.1.
Ensaios de Caracterização física e classificação dos materiais.
Para determinar as propriedades-índice das amostras de solo foram
executados os ensaios de caracterização física. O material proveniente de
amostras deformadas foi preparado conforme o procedimento da Associação
Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) e os ensaios foram realizados no
Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio e no Laboratório de
Geotecnia/Pavimentos da COPPE/UFRJ. As normas utilizadas são citadas a
seguir:
• NBR 6457/1986 – Amostras de Solos – Preparação para Ensaios de
Compactação e Caracterização;
• NBR 6457/1986 – Teor de Umidade Natural;
• NBR 7181/1984 – Solo – Análise Granulométrica;
• NBR 6508/1984 – Massa Específica Real dos Grãos;
• NBR 6459/1984 – Solo – Determinação do Limite de Liquidez;
• NBR 7180/1984 – Solo – Determinação do Limite de Plasticidade.
3.2.1.1.
Massa Específica Real dos Grãos
Para a determinação da massa especifica dos grãos foi realizado o ensaio
segundo a NBR 6508/1984 – Massa especifica real dos grãos, utilizando
amostras deformadas do solo. Foi misturado com água destilada 25g do material
destorroado e passado na peneira 0,42mm (No. 40) e deixado em repouso por
24 horas. Em seguida foi realizada a deaeração da mistura através da aplicação
de vácuo até que não fossem mais detectadas bolhas de ar.
3.2.1.2.
Limites de Atterberg
Visando caracterizar a interação do solo com a água, os ensaios de limite
de liquidez e de limite de plasticidade foram realizados segundo a NBR
56
6459/1984 – Solo – Determinação do Limite de Liquidez e a NBR 7180/1984
– Solo – Determinação do Limite de Plasticidade.
Através dos dados obtidos por meio desses ensaios e também de análise
granulométrica foram determinados:
• Índice de plasticidade (IP, %), obtido através da diferença entre o limite
de liquidez (LL, %) e o limite de plasticidade (LP, %): IP = LL – LP;
3.2.1.3.
Análise Granulométrica
A análise granulométrica foi realizada conforme a NBR 7181/1984 (ABNT,
1984). Como o solo em estudo é constituído de fração grossa e fina realizou-se
esse ensaio por meio da granulometria conjunta, isto é, peneiramento e
sedimentação. Para a etapa correspondente à sedimentação foram realizados
ensaios com defloculante (hexametafosfato de sódio).
O ensaio de sedimentação foi executado com 50g de solo passante na
peneira 0,42mm (#40) colocado em 125ml de defloculante (hexametafosfato de
sódio). Esse material ficou em repouso por 24 horas e então foi submetido à
dispersão mecânica. Em seguida foi colocado em uma proveta de 1000ml onde
o restante do volume foi completado com água destilada para então serem
realizadas as devidas leituras. Após as leituras o material foi colocado na peneira
0,075mm (#200) e submetido ao processo de lavagem com movimentos
circulares e suaves. Por último, foi levado à estufa para secagem e pesagem.
3.2.1.4.
Ensaio de MCT
A metodologia MCT foi desenvolvida por NOGAMI e VILLIBOR nos anos
1980 e 1981, com o objetivo de classificação de solos tropicais e principalmente
diferenciar se o solo tem comportamento laterítico ou não-laterítico.
Para o ensaio de MCT o material tem que ser integralmente passante na
peneira 10 (2,0 mm) ou apresentar uma fração retida nesta peneira que não seja
significativa (<10%).
A Metodología de Classificação MCT, baseada em propriedades
mecânicas e hidráulicas obtidas em corpos de prova compactados em
dimensões reduzidas foi desenvolvida especialmente para os solos tropicais e
57
teve sua normalização regulamentada em 1994, pelo Departamento Nacional de
Estradas de Rodagem (DNER, 1994).
A Metodologia MCT utiliza corpos de prova miniatura, compactados
mediante procedimento especial mostrado na Figura 3.6 que ilustra o
equipamento MCT.
Para a obtenção de dados visando especificamente a classificação MCT
de um solo utilizam-se dois dos ensaios da metodologia: o ensaio de
Compactação e o ensaio de Perda de Massa por Imersão, que apresentam as
características descritas a seguir (conforme a ABPV, 2009):
1. “Ensaio de Compactação:
Da amostra seca ao ar e passada na peneira de 2 mm separam-se pelo
menos 5 porções colocando-as em diferentes umidades.Toma-se uma
porção com determinada umidade (H1) e pesam-se 200g, introduzindo-a
no molde que deve ser devidamente posicionado no equipamento de
compactação, sendo utilizado junto do cilindro de compactação um
espaçador. Dá-se o primeiro golpe (n=1) e mede-se a altura A1. Retira-se
o espaçador e repetem-se as operações de medida de altura após o
primeiro golpe, para n=2, 3, 4, 6, 8, 12, 16, ..., n, ...4n, sendo finalizada a
compactação quando:
• A diferença de altura entre leituras sucessivas for menor que 0,1 mm
(em relação à primeira condição para finalização da compactação, a
norma DNER-ME 258/94 (DNER, 1994) diz que se deve interromper
a compactação quando a diferença entre leituras a4n – na for menor
que 2,0 mm);
• 4n golpes atingir 256 golpes;
• Houver nítida expulsão de água no CP.
Repetem-se as operações para os outros teores de umidade, H2, H3, H4,
e assim sucessivamente.”
São obtidos então 2 coeficientes (c’e d’), descritos a seguir (ABPV, 2009):
“Curvas de Deformabilidade (Mini-MCV) – Coeficiente c’:
Para cada teor de umidade traça-se a curva nx (a4n – na) (número
de golpes x diferença de altura) em escala monolog (log10) para n.
Estas curvas de deformabilidade são denominadas curvas Mini-MCV,
porque a partir delas pode-se determinar o valor da condição de
umidade, tomando-se a curva correspondente a um determinado teor
58
de umidade e procurando-se sua interseção com a reta de equação
a=2mm, que foi adotada como referência para os CP da
metodologia, determinando assim o valor de golpes Bi
correspondente. Define-se Mini MCV para cada teor de umidade pela
expressão:
Mini MCV = 10 x Log10 (Bi) (3.2)
O coeficiente c’ é o coeficiente angular (sem sinal) da reta
“assimilável” à curva Mini MCV igual a 10, a ser obtida diretamente
ou por interpolação gráfica apropriada, visto que raramente se obtém
uma com Mini-MCV igual a 10. Segundo NOGAMI e VILLIBOR
(1995) o coeficiente c’ relaciona-se aproximadamente com a
granulometria, de acordo com a tabela 3.2.
Tabela 3.2 - Valores típicos de c’ para diferentes granulometrias de
solos (NOGAMI e VILLIBOR, 1995).
Tipo de Solo Coeficiente c’
Argilas e solos argilosos Acima de 1,5 – Elevado
Solos de vários tipos granulométricos como
areia argilosa, argila siltosa, etc. 1,5 > c’ > 1,0
Areia e siltes não plásticos ou pouco coesivos Abaixo de 1,0 - Baixo
Figura 3.8. Compactador MCT da COPPE/UFRJ usado nesta pesquisa.
59
a) Curvas de Compactação – Coeficiente d’:
Calculadas as massas específicas aparentes secas (MEAS), traça-
se a família de curvas de compactação. O coeficiente d’ é definido
como a inclinação da parte retilínea do ramo seco da curva de
compactação correspondente expresso em %. Valores típicos de d’
estão apresentados na Tabela 3.3.
Tabela 3.3 - Valores típicos de d’ para diferentes granulometrias de
solos (NOGAMI e VILLIBOR, 1995).
Tipo de Solo Coeficiente d’
Argilas lateríticas Geralmente d’> 20
Argilas não lateriticas Frequentemente possuem valores d’<10
Areias puras d’ baixo
Areias finas argilosas d’ muito elevado (pode ultrapassar 100)
Siltosos, Micáceos e/ou Cauliníticos d’ muito pequeno frequentemente d’ < 5
2. Ensaio de Perda de Massa por Imersão em Água (ABPV, 2009):
“O ensaio de perda de massa por imersão foi desenvolvido com o
objetivo específico de distinguir o comportamento laterítico do não
laterítico, quando os mesmos possuem características similares no que
se relaciona a:
• Inclinação do ramo seco da curva de compactação Mini-MCV,
correspondente a 12 golpes, soquete leve (coeficiente d’);
• Inclinação da curva Mini-MCV (ou de deformabilidade),
correspondente a condições padronizadas.
Para determinação do valor de perda de massa por imersão são
utilizados os corpos de prova compactados segundo o procedimento
Mini-MCV. Os CPs são parcialmente extraídos dos moldes de
compactação, de maneira que fiquem com saliência de 10mm, e imersos
em uma cuba preenchida com água, anotando-se o comportamento nas
primeiras horas. Após pelo menos 20 horas esgota-se a água e secam-se
as cápsulas que contêm a parte desagregada para pesagem. Obtém-se o
“Pi”, expresso pela massa seca em percentagem da massa seca da parte
do corpo de prova inicialmente saliente, para cada teor de umidade.
O fator de desprendimento é dado da seguinte forma:
60
• Desprendimento do solo em bloco coeso – 0,5;
• Não desprendimento de solo – zero;
• Solo desprender esfarelado – 1,0.
O “Pi considerado” é o valor de “Pi” multiplicado pelo valor de
desprendimento.
O valor de “Pi” a ser usado para fins classificatórios é obtido por
interpolação gráfica, traçando-se a curva de variação das percentagens
acima obtidas, “Pi considerado” x Mini MCV, procurando-se o valor
correspondente a Mini MCV 10 ou 15, conforme se trate de solo de baixa
ou elevada massa especifica aparente, conceito fixado de acordo com o
seguinte: considera-se baixa MEAS quando a altura final do corpo de
prova para Mini-MCV igual a 10 for igual ou maior que 48 mm e elevada
MEAS quando não se obtiver a condição anterior.” As Figuras 3.9 e 3.10
apresentam a perda de massa por imersão.
Figura 3.9. Cápsulas imersas para o ensaio imediatamente após imersão.
Figura 3.10. Perda por imersão do solo deste estudo após 20 horas de imersão.
61
3. Classificação Geotécnica MCT:
A classificação geotécnica MCT baseia-se na determinação de algumas
propriedades mecânicas e hidráulicas cm CPs de 50 mm de diâmetro.
Nessas condições, é apropriada apenas para solos de granulação fina,
que passam integralmente na peneira de 2,0 mm ou que têm uma
percentagem desprezível retida nesta peneira, ou que a sua influência
nas propriedades do solo possa ser avaliada para que os resultados
obtidos sejam devidamente corrigidos (NOGAMI e VILLIBOR, 1995). Os
ensaios e dados a serem obtidos, em resumo, são:
a) Ensaio de compactação – Procedimento Mini-MCV
• Coeficiente c’;
• Curva Mini-MCV x Teor de Umidade (h);
• Coeficiente d’.
b) Ensaio de Perda de massa por imersão
• Perda de massa “Pi”, correspondente a Mini-MCV 10
(MEAS baixa) ou Mini-MCV 15 (MEAS alta);
• Curva “Pi” x Mini MCV, que pode ser necessária como
critério auxiliar de decisão.
c) Cálculo do índice e’ pelo emprego da expressão:
(3.2)
Onde:
d’ = coeficiente angular do ramo seco da curva de compactação
referente a energia de 12 golpes no ensaio Mini-MCV;
Pi = perda por imersão (em %).
A determinação do grupo classificatório se dá a partir do gráfico em que
se tem no eixo das abscissas, o coeficiente c’ e no eixo das ordenadas, o
coeficiente e’. Este gráfico será mostrado no capitulo 4.
O grupo é obtido diretamente no gráfico, exceto quando o ponto cai sobre
uma das proximidades dos limites “L/N” (comportamento laterítico – não-
laterítico), prevalecendo o seguinte critério (ABPV, 2009):
• Será considerado “L” quando o Pi decrescer tendendo a zero, no
intervalo Mini-MCV de 10 a 20 e a curva Mini-MCV = f(h) apresentam
concavidade para cima no intervalo Mini-MCV de 1 a 15;
62
• Será “N” quando o Pi variar de maneira diferente e a referida curva
apresentar-se sensivelmente retilínea ou com concavidade para
baixo;
• Será considerado transicional, representado por símbolo duplo dos
grupos adjacentes quando as condições não correspondem às acima
especificadas;
• Ponto cai longe dos limites porém não satisfaz as condições
descritas para a identificação do comportamento “L” ou “N”. A
interpretação dos grupos da classificação pode ficar prejudicada.
VERTAMATTI (1988) discutiu as dificuldades do uso das classificações
tradicionais e apresentou uma relação de propostas de diversos autores, que
incluem a consideração de aspectos como Índice de Atividade de Skempton;
características pedogenéticas dos solos; relações moleculares sílica/alumina e
sílica/sesquióxidos; resistência ao impacto, ao esmagamento e capacidade de
troca catiônica; potencial eletro-resistivo; grau de intemperismo da rocha matriz;
geomorfologia de solos lateríticos; peso específico e índice de vazios; absorção
de água por lateritas; porosimetria; resistividade à cal, dentre outros.
3.2.2.
Ensaios Químicos
Devido ao fato de se trabalhar com cinzas de resíduo sólido urbano, é
importante a execução de ensaios químicos para determinação de compostos,
perigosos ou não, para que então se tenha certeza da viabilidade da utilização
deste resíduo quando misturado ao solo.
3.2.2.1.
Composição Química
A composição química total das amostras de cinzas foi obtida mediante a
técnica “Espectrometría de fluorescêncía de Raios-X por Energia Dispersiva
(EDX)”
As amostras foram submetidas a análise por EDX em um Espectrómetro
de Fluorescência de Raios-X por Energia Dispersiva, modelo EDX-720, marca
Shimadzu no Laboratório de Estruturas (LABEST) da COPPE/UFRJ, o qual está
ilustrado na Figura 3.11.
63
O Espectrômetro de fluorescência de raios-X é um instrumento que
determina qualitativamente e semi-quantitativamente os elementos presentes em
uma determinada amostra. Isto é possível através da aplicação de raios-X na
superfície da amostra e a posterior análise dos fluorescentes raios-X emitidos. É
uma técnica não-destrutiva para todos os tipos de amostras, incluindo sólidos,
líquidos ou pós, sendo por esta razão interessante para a caracterização dos
materiais.
Figura 3.11 Equipamento de EDX do LABEST da COPPE/UFRJ usado nesta
pesquisa.
3.2.2.2.
Teor de Matéria Orgânica
Para o solo, cinza volante e cinza de fundo, o teor de carbono orgânico é
determinado por oxidação com dicromato de potássio em meio sulfúrico, usando
o sulfato de prata como catalizador, sendo o excesso de dicromato após a
oxidação, dosado por titulação com solução padrão de sulfato ferroso amoniacal,
utilizando difenilamina como indicador (DIAS e LIMA, 2004). Os ensaios foram
feitos no Laboratório de Geotecnia/Química de solos da COPPE/UFRJ.
O teor de carbono assim obtido é multiplicado por 1,724 obtendo-se o teor
de matéria orgânica. Este fator é utilizado em virtude de se admitir que, na
composição média do húmus, o carbono participa com 58%. (EMBRAPA, 1997).
Para as misturas solo-cinza volante e solo-cinza de fundo, os ensaios
foram feitos no Laboratório de Geotecnia da PUC-Rio, foi utilizada a Norma
64
ABNT NBR 13600/1996 – Solo – Determinação de do teor de matéria orgânica
por queima a 440º C, seguindo o seguinte procedimento:
i) Pesa-se o cadinho. (Massa da tara);
ii) Coloca-se uma quantidade aleatória de amostra em cada cadinho (Massa
da Tara + Solo + água + M.Org.);
iii) Coloca-se o cadinho na estufa pra tirar umidade da amostra (estufa com
temperatura entre 105°C e 110°C), durante 24h;
iv) Depois das 24 horas, pesa-se de novo. (Massa da Tara + Solo + M.
Org.);
v) Em seguida, coloca-se o cadinho na Mufla, à 440°C, daixando ali por 12
h para ocorrer a queima total da matéria orgânica;
vi) Passadas às 12 horas, pesa-se novamente o cadinho (Massa da Tara +
Solo);
vii) Para calcular o teor de matéria orgânica, utiliza-se a equação:
(3.3)
Onde:
MO = teor de matéria orgânica
A = Massa da amostra seca em estufa, à temperatura de 105°C a 110°C (g)
B = Massa da amostra queimada em mufla, à temperatura de 440°C (g)
3.2.2.3.
Solubilização e Lixiviação
O ensaio de solubilização foi realizado pelo laboratório TASQA Serviços
Analíticos Ltda., segundo a Norma NBR 10006/2004 (ABNT, 2004), com a
finalidade de classificar o resíduo. Para esta classificação foi utilizada a listagem
da Norma NBR 10004/2004 – anexo G (ABNT, 2004). Esta listagem fornece os
valores máximos permitidos para extratos solubilizados. Portanto, quando a
análise dos elementos químicos do extrato solubilizado apresenta algum valor
superior ao da referida listagem, o resíduo é classificado como não inerte, caso
contrario, este é classificado como resíduo inerte de acordo com as definições
apresentadas na norma NBR 10004/2004 para resíduos sólidos. O ensaio de
solubilização é realizado em duplicata.
65
O ensaio de lixiviação foi realizado pelo laboratório TASQA Serviços
Analíticos Ltda., segundo a Norma NBR 10005/2004 (ABNT, 2004).
3.2.3.
Ensaios de Caracterização Mecânica
3.2.3.1.
Ensaio de Compactação
O ensaio de compactação foi realizado na energia Proctor Modificado
segundo a norma NBR 7182/86 – Solo - Ensaio de Compactação, com o intuito
de determinar a umidade ótima de compactação (wótm) e o peso específico seco
aparente máximo (γdmáx).
Após secar o material ao ar até se obter um teor suficientemente baixo de
umidade para destorroá-lo, passou-se pela peneira #4, segundo a norma NBR
6457/86 (preparação com secagem prévia até a umidade higroscópica).
Adicionou-se uma determinada quantidade de água ao material, até que
este ficou com cerca de 5% de umidade abaixo da umidade ótima, que pode ser
estimada à priori pelo conhecimento do limite de plasticidade, cujo valor pode ser
próximo à umidade ótima. Homogeneizou-se bem a mistura e deixou-se na
camara úmida por um tempo de 24 horas.
A amostra retirou-se da câmara úmida e uma porção dela colocou-se
dentro do molde cilíndrico de diâmetro 10 cm para ensaio proctor. Aplicou-se 27
golpes com um soquete de massa de 4,54kg que se deixa cair a uma altura de
45,72cm na camada de solo. A porção do solo compactado deve ocupar cerca
de um quinto da altura total do molde. O material é escarificado para conseguir
uma melhor aderência entre as camadas. A segunda camada é colocada e o
procedimento é repetido. Quando se completam cinco camadas, atinge-se uma
altura maior do que a do molde. Isto é possível porque o molde, cuja altura é de
12,73cm, possui um colarinho, que é removido ao final do ensaio, e permite
então, retirar o excesso e acertar o volume em relação à altura do molde.
O cilindro é pesado junto com o solo. Assim, com o peso total do corpo de
prova e o volume é possível calcular a sua massa específica úmida. Tirando três
amostras do seu interior (na parte média), determina-se sua umidade. Com estes
dois índices físicos, calcula-se a massa específica seca.
Outro corpo de prova é preparado sem reuso do material, com uma
quantidade maior de água (para aumentar a sua umidade em uns 2%
66
aproximadamente). Uma nova compactação é feita e um novo par de valores
umidade (w) e massa específica seca (γd) é obtido. O procedimento se repete
até que a densidade seca máxima obtida nos ensaios prévios reduza duas ou
três vezes.
Com todos os pontos obtidos, plota-se um gráfico de massa específica
seca versus umidade, e com eles, desenha-se a curva de compactação. Os
valores de wótm e γdmáx da curva de compactação foram usados para moldar os
corpos de prova para os ensaios de modulo resiliente, CBR e deformação
permanente.
3.2.3.2.
Ensaio de Módulo de Resiliência ou Módulo Resiliente.
Nos ensaios triaxiais de carga repetida, uma tensão vertical ou tensão
desvio (σ1 - σ3) é aplicada no topo da amostra, sempre no sentido de
compressão, de forma cíclica, promovendo um carregamento e
descarregamento, dependendo da freqüência e magnitude que se deseja,
enquanto a tensão confinante, σ3, permanece constante.
Numa fase inicial, promove-se um condicionamento do material a ensaiar,
eliminando ou minimizando os efeitos da deformação plástica e da história de
tensões.
A segunda fase é a realização do ensaio para obtenção do módulo
resiliente (MR), com aplicações de pares de tensões desvio (σd) e confinante (σ3)
medindo-se a deformação especifica resiliente.
Como o Módulo é a relação entre a tensão e a deformação resiliente,
pode-se obter o módulo para qualquer par de tensões desvio e confinante,
através da equação obtida por regressão, que possibilita determinar o
comportamento elástico do material, em função de parâmetros experimentais K e
das tensões atuantes no pavimento e subleito.
Os procedimentos para a realização do Ensaio Triaxial Dinâmico na
determinação do Módulo de Resiliência em amostras de solos, são descritos no
método ME 131/94, Solos – Determinação do Módulo de Resiliência do DNER.
Recomenda-se a tese de VIANNA (2002) como atualização deste método.
A seguir, são apresentadas as diversas fases de execução do ensaio em
amostras conforme realizado no Laboratório de Geotecnia/Pavimentos da
COPPE/UFRJ (RAMOS, 2003):
67
1. Preparação dos Corpos- de- Prova:
“Inicialmente são realizados os procedimentos normalmente adotados para
ensaios em amostras deformadas de solos, isto é, secagem, destorroamento e
quarteamento. Em seguida determina-se a umidade higroscópica e obtém-se a
massa específica seca máxima e umidade ótima através das curvas de
compactação no Proctor Normal para o subleito, Intermediário para sub-base e
Modificado ou Intermediário para a base. Deve-se tomar uma quantidade de solo
suficiente para preencher o molde de compactação e adiciona-se água
complementar até ser atingida a umidade ótima, sendo então o material
homogeneizado e acondicionados em sacos plásticos hermeticamente fechados
que ficarão em câmara úmida por um período mínimo de 12 horas. Decorrido o
tempo mínimo para a distribuição homogênea da umidade ótima no solo,
procede-se à compactação do material, em camadas, por impacto, através de
um soquete movido por um compactador mecânico (Figura 3.12), na energia
especificada para a amostra.”
“A compactação do material é realizada em um cilindro tripartido de aço
preso por duas braçadeiras e fixado a uma base de aço com três parafusos. Este
molde possui as dimensões 10 cm de diâmetro × 20 cm de altura (razão 1:2)
(Figura 3.13) que é compatível com a granulometria fina do solo e do material
granular até 1 polegada. Em caso de material mais graúdo, pode-se usar molde
de dimensões 15 cm de diâmetro x 30 cm de altura, sendo empregado este
molde para muitas bases de brita graduada ou corrida ou lastro de ferrovia. Após
a conclusão do processo de compactação, o corpo de prova no cilindro é
pesado, em seguida são afrouxados os parafusos das braçadeiras, permitindo
remover cada uma das partes do molde, para a retirada do corpo de prova sem
que ocorram danos.”
“Posteriormente, o corpo-de-prova é envolvido com uma membrana de
látex, estando o mesmo assentado em uma base porosa e com o cabeçote já
posicionado sobre o corpo de prova. Para garantir o confinamento, elásticos são
colocados de forma a fixar a membrana elástica no cabeçote e na base do
aparelho.”
68
Figura 3.12. Equipamento mecânico para compactação de corpos de prova.
Figura 3.13. Molde tripartido 10 x 20 cm, para compactação de corpos de prova.
2. Montagem do Ensaio Triaxial de Cargas Repetidas (RAMOS, 2003):
“Para que se tenha uma garantia na qualidade do Ensaio Triaxial de
Cargas Repetidas é necessário muito cuidado na montagem do corpo de prova
no aparelho de ensaio, cujo esquema ilustrativo é apresentado na Figura 3.14,
69
mostrando os diversos componentes do equipamento utilizado para a realização
do ensaio triaxial. De forma sucinta os procedimentos adotados são:
• Coloca-se o corpo de prova envolvido na membrana de borracha, já com a
base porosa, na base do aparelho e o cabeçote sobre o mesmo;
• Realiza-se a fixação dos transdutores mecano-eletromagnéticos do tipo
LVDT ("linear variable differential transformer”), presos ao cabeçote
superior e apoiado numa haste guia que se estende até a base, onde se
localiza o parafuso de ajuste que se liga externamente à célula, neste
ponto devem ser pré-ajustados os LVDTs;
• Em seguida, é colocado o invólucro cilíndrico da câmara e a placa superior
de vedação, sendo corretamente fixada;
• Novamente se promove o ajuste dos transdutores, através de guias na
base do aparelho e observando o monitor do computador que registra os
deslocamentos dos LVDTs;
• Com os dados do material, do molde e da energia de compactação
utilizada registrados na tela de comando do ensaio, dão-se inicio ao
condicionamento que é aplicação de 500 pulsos de carga para minimizar
os efeitos da deformação plástica e da historia de tensões, sendo que o
equipamento triaxial da COPPE/UFRJ já está automaticamente
programado para realização desta fase;
• Após condicionamento, ajustam-se novamente os transdutores e inicia-se
o ensaio triaxial, onde as condições para o ensaio já estão programadas;
• Ao término do ensaio, pode-se verificar os valores e os gráficos
diretamente no monitor, possibilitando sua impressão imediata, e caso
todos os pontos tenham sido computados ou nenhuma anomalia
verificada, o ensaio pode ser dado como terminado e o corpo de prova
deve ser retirado imediatamente para pesagem e secagem em estufa.
Havendo qualquer anomalia nos resultados, pode-se imediatamente
reiniciar o ensaio triaxial, sem a necessidade de proceder ao
condicionamento.”
Para maior ilustração do ensaio, a Figura 3.15 apresenta o equipamento
de Ensaios Triaxiais de Carga Repetida do Laboratório de Geotecnia/Pavimentos
da COPPE/UFRJ usado nesta pesquisa.
Em linhas gerais, a metodologia empregada atualmente pela
COPPE/UFRJ para realização dos ensaios triaxiais dinâmicos, independente do
70
material e da energia, considera para a fase de condicionamento, a aplicação de
cerca de 500 vezes o par de tensões desvio e confinante, com os níveis de
tensões apresentados na Tabela 3.4.
Figura 3.14- Esquema Ilustrativo do Equipamento de Ensaios Triaxiais de Carga
Repetida (MEDINA e MOTTA, 2005).
Tabela 3.4. Níveis de tensões aplicados na fase de condicionamento
(COPPE/UFRJ)
Tensão confinante, σ3 (MPa) Tensão desvio, σd ( MPa) Razão de tensões, σ1/σ3
0,07 0,07 2
0,07 0,21 4
0,105 0,315 4
Durante a fase do ensaio para obtenção do módulo são aplicados os níveis de
tensões, apresentados na Tabela 3.5. Aplicam-se cerca de 5 vezes a tensão
desvio, ou mais, caso o programa não registre um bom sinal.
71
Figura 3.15. Equipamento de Ensaios Triaxiais de Carga Repetida da
COPPE/UFRJ usado nesta pesquisa.
Tabela 3.5 – Níveis de Tensões utilizados durante o Ensaio Triaxial Dinâmico
especificado pela COPPE (MEDINA e MOTTA, 2005).
Tensão confinante, σ3 (MPa) Tensão desvio, σd ( MPa) Razão de tensões, σ1/σ3
0,021
0,021 2
0,041 3
0,062 4
0,034
0,034 2
0,069 3
0,103 4
0,051
0,051 2
0,103 3
0,155 4
0,069
0,069 2
0,137 3
0,206 4
0,103
0,103 2
0,206 3
0,309 4
0,137
0,137 2
0,275 3
0,412 4
72
3.2.3.3.
Ensaio de CBR
O Índice de Suporte Califórnia (ISC ou CBR - California Bearing Ratio),
padronizado no Brasil pela Norma DNER-ME 049/94 (DNER, 1994), é a relação,
em percentagem, entre a pressão exercida por um pistão de diâmetro
padronizado necessária à penetração no solo até determinado ponto (0,1”e 0,2”)
e a pressão necessária para que o mesmo pistão penetre a mesma quantidade
em solo-padrão de brita graduada. As etapas do ensaio são: compactação,
imersão em água, medida da expansão e da resistência à penetração após 96
horas.
Através do ensaio de CBR é possível conhecer qual será a expansão de
um solo sob um pavimento quando este estiver saturado, e fornece indicações,
de caráter empírico, da perda de resistência do solo com a saturação.
O Ensaio consta de duas etapas, segundo o procedimento a seguir (ABNT,
1987):
1. Expansão:
• Coloca-se o disco espaçador no cilindro de diâmetro = 152 mm;
altura total = 177,8 mm, cobrindo-o com papel filtro;
• Compacta-se o corpo de prova à umidade ótima e energia
modificada (05 camadas e 55 golpes do soquete caindo de 45 cm) e,
invertendo-se o cilindro, substitui-se o disco espaçador pelo prato
perfurado com haste de expansão e pesos, colocando papel-filtro
entre o prato e o solo. Esse peso ou sobrecarga corresponderá ao do
pavimento e não deverá ser inferior a 4,5kg;
• Imerge-se o cilindro com o corpo de prova e sobrecarga no tanque
durante 96 horas, de tal forma que a água banhe o material tanto
pelo topo quanto pela base;
• Realizam-se leituras de deformação (expansão ou recalque) com
aproximação de 0,01mm. a cada 24h; como ilustrado na Figura 3.16.
Para calcular a expansão (%) do solo num dado instante usa-se o
quociente:
(3.4)
73
Onde:
h - hi = deformação até o instante considerado;
hi = altura inicial do corpo de prova.
2. Penetração:
• Instala-se o conjunto, molde cilíndrico com corpo de prova e
sobrecarga, na prensa;
• Assenta-se o pistão da prensa na superfície do topo do corpo de
prova, zerando-se em seguida os extensômetros;
• Aplica-se o carregamento com velocidade de 1,27 mm/min,
anotando-se a carga e a penetração a cada 30 segundos até
decorridos o tempo de 6 minutos, como ilustrado na Figura 3.17.
Figura 3.16. Tomada de leitura de deformação no ensaio CBR na amostra desta
pesquisa.
Com os pares de valores da fase de penetração, traça-se o gráfico que
relaciona a carga, em ordenadas às penetrações, nas abscissas. Do gráfico
obtém-se, por interpolação, ar cargas associadas às penetrações de 2,5 e
5,0mm, as quais serão convertidas a valores de pressão, dividindo-as pela área
do pistão. O CBR se obtém mediante a seguinte equação:
(3.5)
74
O resultado final para o CBR determinado será o maior dos dois valores
encontrados correspondentes às penetrações de 2,5 e 5,0mm.
Figura 3.17. Fotografia do Equipamento utilizado para obtenção do CBR nesta
pesquisa.
3.2.4
Dimensionamento de pavimento típico
Adotou-se uma estrutura de pavimento típico, no qual a espessura e as
propriedades mecânicas do revestimento asfáltico e do subleito ficassem
constantes, de maneira que só se possa mudar a espessura da base, de acordo
com os parâmetros de resiliência para cada material (solo ou misturas), tal como
se ilustra na Figura 3.18. Os dados do subleito e revestimento são os adotados
no exemplo do SisPav.
Para a análise mecanística-empírica utilizou-se o programa computacional
SisPav (FRANCO, 2007), o qual utiliza a Análise Elástica de Múltiplas Camadas,
para obter tensões e deformações devido aos carregamentos. A abordagem da
análise elástica não linear é realizada de forma simplificada, com a divisão das
camadas com este comportamento em três subcamadas. O procedimento de
dimensionamento de pavimentos do SisPav ilustra-se na Figura 3.19.
75
Figura 3.18. Estrutura do pavimento típico adotada para a análise mecanística-
empírica.
Figura 3.19. Fluxograma do método integrado de análise e dimensionamento de
pavimentos asfálticos do SisPav (FRANCO, 2007).
76
Adotou-se também dados do clima do Rio de Janeiro que estão inseridos
na base de dados do SisPav, e dados de trafego correspondentes a uma rodovia
de baixo volume de trafego, que serão mencionados com detalhe no Capítulo 4.
Os parâmetros obtidos dos ensaios de Modulo de Resiliencia foram
inseridos no SisPav, dimensionando o pavimento utilizando o critério de ruptura
estrutural por fadiga da mistura asfáltica.
O modelo utilizado é o mostrado na equação (3.6), válido para misturas
asfálticas com ligantes convencionais, obtido por FRANCO (2007) tendo como
base 536 ensaios realizados no Laboratório de Geotecnia/Pavimentos da
COPPE/UFRJ.
(3.6)
Onde:
Nf = vida de fadiga.
fcl = 10000 (fator campo-laboratório)
εt = deformação específica de tração
Mr = módulo de resiliência da mistura asfáltica, em MPa
Feitas estas análises para cada material, foram comparadas as estruturas
tomando como parâmetros a espessura de camada e o período de projeto.
3.3.
Considerações sobre o Programa Experimental
O Programa Experimental definido e executado neste estudo se mostrou
adequado à investigação do comportamento solo-cinza proposto, onde se
procurou realizar ensaios em diversos Laboratórios das duas instituições
envolvidas no desenvolvimento desta pesquisa (PUC-Rio e COPPE/UFRJ), para
que se tivesse a maior quantidade de dados possível para a investigação do
comportamento dos materiais estudados, dentro do limite de tempo que uma
dissertação de mestrado compreende. Muitas vezes este prazo limita a
continuidade no estudo, principalmente neste caso, onde existem ainda poucas
referências bibliográficas sobre o assunto.
4
Apresentação e Discussão dos Resultados
Neste capítulo são apresentados os resultados e as análises dos ensaios
descritos no capítulo anterior, para as amostras de solo, cinza volante, cinza de
fundo e misturas estudadas. Como o objetivo desta dissertação é avaliar as
cinzas de RSU quanto ao potencial de uso como um material aditivo para
aplicação em base de pavimentos de baixo volume de tráfego, as amostras de
cinza de fundo e cinza volante foram caracterizadas a partir de ensaios
geotécnicos, químicos e ambientais. Esses ensaios tiveram por objetivo uma
melhor compreensão do comportamento do material em estudo.
4.1
Ensaios de Caracterização Física
4.1.1
Massa Específica Real dos Grãos
Os resultados obtidos para massa específica real dos grãos encontram-se
listados nas Tabelas 4.1 e 4.2 e Figuras 4.1 e 4.2.
Tabela 4.1 – Resultados do ensaio de densidade real dos grãos para o solo,
cinza volante e misturas.
Amostra Teor de Cinza (%) Densidade real dos grãos (Gs)
Solo (S) 0 2,709
S80/CV20 20 2,691
S60/CV40 40 2,678
Cinza Volante (CV) 100 2,412
Tabela 4.2 – Resultados do ensaio de densidade real dos grãos para o solo,
cinza de fundo e misturas.
Amostra Teor de Cinza (%) Densidade real dos grãos (Gs)
Solo (S) 0 2,709
S80/CF20 20 2,679
S60/CF40 40 2,607
Cinza de Fundo (CF) 100 2,434
78
Figura 4.1 – Variação da massa específica real dos grãos com o teor de cinza
volante neste estudo.
Figura 4.2 – Variação da massa específica real dos grãos com o teor de cinza de
fundo neste estudo.
Os resultados indicam que ao adicionar cinza volante o Gs diminui, o
mesmo acontece ao adicionar cinza de fundo devido às menores massas
especificas destas cinzas.
79
4.1.2.
Limites de Atterberg
Os resultados de Limite de Liquidez, Limite de Plasticidade e Índice de
Plasticidade do solo com adição de cinza volante são apresentados na Tabela
4.3 e Figuras 4.3 e 4.4.
Os resultados de Limite de Liquidez, Limite de Plasticidade e Índice de
Plasticidade do solo com adição de cinza de fundo são apresentados na Tabela
4.4 e Figuras 4.5 e 4.6.
Tabela 4.3 – Resultados dos ensaios de Limites de Atterberg para o solo e
misturas com cinza volante.
Amostra Teor de Cinza (%) LL (%) LP (%) IP (%)
Solo (S) 0 60 24 36
S80/CV20 20 48 30 18
S60/CV40 40 39 32 7
Figura 4.3 – Variação dos Limites de Atterberg com o teor de cinza volante neste
estudo.
80
Figura 4.4 – Variação do Índice de Plasticidade com o teor de cinza volante
neste estudo.
Tabela 4.4 – Resultados dos ensaios de Limites de Atterberg para o solo e
misturas com cinza de fundo neste estudo.
Amostra Teor de Cinza (%) LL (%) LP (%) IP (%)
Solo (S) 0 60 24 36
S80/CF20 20 51 30 21
S60/CF40 40 46 36 10
Figura 4.5 – Variação dos Limites de Atterberg com o teor de cinza de fundo
deste estudo.
81
Figura 4.6 – Variação do Índice de Plasticidade com o teor de cinza de fundo
deste estudo.
Ressalta-se que não foi possível determinar os Limites de Atterberg para
as cinzas puras, devido ao comportamento granular do material, que durante o
ensaio não apresentou características plásticas para a sua realização.
Nota-se que, tanto a cinza volante como a cinza de fundo, diminuem o
limite de liquidez e o índice de plasticidade e aumentam o limite de plasticidade.
Estes resultados são comparáveis ao estudo feito por BIN-SHAFIQUE (2009), no
qual a adição de cinza volante de carvão reduziu o índice de plasticidade de um
solo expansivo (de 57% a 32%, para um teor de 5% de cinza) e de um solo mole
(de 26% a 18%, para um teor de 5% de cinza), ambos os solos originários do
estado de Texas, EUA. Os resultados são apresentados na Figura 4.7. Teores
maiores reduzem pouco mais estes parâmetros.
NALBANTOGLU (2004) testou uma cinza volante de carvão para avaliar o
seu efeito estabilizador sobre dois solos expansivos da ilha de Chipre. No seu
estudo determinou que a inserção da cinza volante diminui o índice de
plasticidade de solos altamente plásticos, mas tem menor influência no índice de
plasticidade de solos de baixa plasticidade. Ele atribui que partículas menores,
maiores superfícies especificas e menor cristalinidade fazem com que os
minerais de argila tenham maior susceptibilidade à ação da cinza. Uma
comparação é ilustrada na Figura 4.8.
82
Figura 4.7 – Efeito da estabilização com cinza volante sobre a plasticidade de
solos estabilizados (adaptado de BIN-SHAFIQUE, 2009).
Figura 4.8 – Efeito da cinza volante sobre o índice de plasticidade e limite de
contração linear de solos de Degirmenlik e Tuzla, estabilizados com cinza
volante (adaptado de NALBANTOGLU, 2004).
83
4.1.3.
Análise Granulométrica
A Figura 4.9 apresenta as curvas granulométricas do solo, cinza volante e da
cinza de fundo. A Figura 4.10 apresenta as curvas granulométricas do solo,
cinza volante e misturas do solo com 20% e 40% de cinza volante.
Figura 4.9 – Curvas Granulométricas do solo, cinza de fundo e cinza volante
deste estudo.
Figura 4.10 – Curvas Granulométricas do solo, cinza volante e misturas do solo
com 20% e 40% de cinza volante deste estudo.
84
As curvas granulométricas das misturas com a cinza volante ficaram com
uma granulometria mais graúda que a do solo e da cinza separadamente (Figura
4.10), isto pode estar relacionado à cimentação e/ou formação de gel que se
produz ao redor das partículas finas da argila pela presença de cinza.
Figura 4.11 – Granulometria do solo, cinza de fundo e misturas do solo com 20%
e 40% de cinza de fundo deste estudo.
A Tabela 4.5 apresenta os resultados, em porcentagens, do ensaio de
análise granulométrica para o solo, cinza de fundo e cinza volante, obtidos no
presente estudo.
Tabela 4.5 – Resultados das análises granulométricas.
Amostra Argila (%)
Silte (%)
Areia Pedregulho Fina (%)
Media (%)
Grossa (%)
(%)
Solo 34 39 7 8 9 3 S80/CV20 6 36 40 3 12 3 S60/CV40 5 35 46 3 9 2
Cinza Volante 8 38 35 18 1 0 S80/CF20 12 31 32 4 17 4 S60/CF40 9 24 34 5 22 6
Cinza de Fundo 6 25 17 27 19 6
85
4.1.4.
Classificação SUCS
Com relação à classificação SUCS, obtiveram-se os índices apresentados
na Tabela 4.6.
Tabela 4.6 – Índices para classificação SUCS
Amostra Índice
Solo CH S80/CV20 SM S60/CV40 SM
Cinza Volante SM S80/CF20 SM S60/CF40 SM
Cinza de Fundo SM
Segundo SOUZA (1980), o solo classificado como CH, corresponde a
uma Argila inorgânica de alta plasticidade, não sendo recomendável para base
de pavimentos. Já as cinzas e as misturas classificam-se como SM (Areias
Siltosas), tendo comportamento mecânico melhor quando comparado ao solo
puro.
4.1.5.
Classificação AASHTO
Com relação à classificação AASHTO, obtiveram-se os índices
apresentados na Tabela 4.7.
Tabela 4.7 – Índices para classificação AASHTO
Amostra Índice
Solo A-7-6 S80/CV20 A-4 S60/CV40 A-4
Cinza Volante A-4 S80/CF20 A-4 S60/CF40 A-4
Cinza de Fundo A-2-4
Segundo SOUZA (1980), o solo classificado como A-7-6, teria o pior
comportamento da classificação, já a cinza volante e misturas S80/CV20,
S60/CV40, S80/CF20 e S60/CF40, classificados como A-4, teriam um
comportamento fraco para sua utilização em pavimentação, embora melhor do
86
que o solo puro. A Cinza de Fundo, por causa de sua granulometría um pouco
mais grosseira do que as outras misturas, teria o melhor comportamento dentre
todas as amostras estudadas se por outras avaliações pudesse eventualmente
ser utilizada pura no pavimento.
4.1.6.
Classificação MCT
Com relação à classificação MCT foram obtidos os seguintes parâmetros:
c’=1,62 d’=50,0 e’=1,39.
A Figura 4.12 apresenta o resultado da classificação MCT para o solo puro.
Figura 4.12 - Classificação MCT para o solo puro deste estudo.
O solo é classificado como NG’, de comportamento Não Laterítico –
Argiloso. Estes solos quando compactados nas condições de umidade ótima e
massa específica aparente máxima da energia normal, apresentam
características das argilas tradicionais muito plásticas e expansivas. O emprego
destes solos se prende às restrições conseqüentes às sua elevada
expansibilidade, plasticidade, compressibilidade e contração. Quando
submetidos à secagem seu emprego não é recomendado para base de
pavimentos, sendo uns dos piores solos para fins de pavimentação, dentre os
solos tropicais classificados (NOGAMI E VILLIBOR, 1995).
87
4.2.
Ensaios químicos
4.2.1.
Composição Química
Os resultados da composição química das amostras de solo estão
apresentados na Tabela 4.8, onde os ensaios relativos à amostra de Solo (a)
foram determinados no LABEST da COPPE/UFRJ, e os ensaios relativos à
amostra de Solo (b), do mesmo solo, foram determinados no Laboratorio de
Química da PUC-Rio;
Tabela 4.8 – Composição química do solo deste estudo realizado em duas
amostras do mesmo.
Parâmetros Símbolo
Amostra (a) Amostra (b)
Concentração Concentração
(%) (%)
Sílica SiO2 43,076 36,797
Alumina Al2O3 38,676 35,154
Hematita Fe2O3 13,447 20,962
anidrido sulfúrico SO3 0,858 0,103
óxido de cálcio CaO - -
cloro Cl - -
Dióxido de titânio TiO2 0,929 1,759
Óxido de potássio K2O 2,103 4,040
Pentóxido de fósforo P2O5 - -
Óxido de zinco ZnO 0,022 -
Óxido de crômio (III) Cr2O3 - -
Óxido de manganês (II) MnO 0,100 0,153
Óxido de estrôncio SrO 0,008 0,077
Óxido de zircônio ZrO2 0,181 0,456
Óxido de cobre (II) CuO 0,019 -
Óxido de chumbo (II) PbO - -
Óxido de Rubídio Rb2O 0,039 -
Óxido de ítrio (III) Y2O3 0,014 -
Óxido de magnésio MgO - -
Níquel Ni
Pentóxido de vanádio V2O5 0,283
Monóxido de nióbio NbO 0,044 0,097
Óxido de bário BaO 0,365 (a) Determinado no LABEST da COPPE/UFRJ;
(b) Determinado no Laboratorio de Química da PUC-RJ;
88
Os componentes principais do solo são SiO2, Al2O3 e Fe2O3, os quais
participam ativamente do processo de estabilização (REZENDE, 1999). Estes
componentes maiores também foram obtidos por NASCIMENTO (2005), para
três argilas de comportamento não-laterítico no estado de Acre, como se
apresenta na Tabela 4.9.
Os “índices de intemperismo” Ki e Kr do solo em estudo são calculados
pelas relações moleculares sílica alumina (Ki = SiO2/Al2O3) e sílica-sesquióxidos
(Kr = SiO2/[Al2O3 + Fe2O3]). Assim, temos que Ki varia entre 1,78 – 1,89 e Kr
entre 1,29 – 1,55, sendo que a laterização é caracterizada por valores de Ki e Kr
menores que 2 (SILVA, 2009).
Tabela 4.9 – Composição química de três argilas de comportamento não-
lateritico. (NASCIMENTO, 2005)
BRANT (2005) fez uma análise química para três solos residuais de
basalto no Estado de Tocantins, com resultados muito parecidos com os do solo
estudado nesta pesquisa. Menciona que solos provenientes de rochas ácidas, tal
como os gnaisses, tendem a serem menos argilosos do que os provenientes de
rochas básicas, tal como os basaltos. Os seus resultados são apresentados na
Tabela 4.10.
Tabela 4.10 – Análise química semiquantitativa de óxidos para três solos
residuais e rocha alterada. (BRANT, 2005)
Na Tabela 4.11, apresenta-se a composição química da Cinza Volante do
RSU em estudo, esta composição é comparada com a análise feita por FONTES
89
(2008) no mesmo tipo de cinza e da mesma usina. É notória a diferença tanto
nos teores de Óxidos principais (SiO2, Al2O3 e Fe2O3), quanto nos teores de CaO
e SO3, os quais têm influência nas reações de estabilização. Isto demonstra a
variabilidade da composição química da Cinza Volante. Da mesma forma, a
composição química da mistura a seco (S60/CV40) mostra uma redução do teor
de Cloro. Cabe ressaltar que a composição química da Cinza Volante em estudo
é similar àquela típica da Cinza Volante de Carvão Lignito, mencionada por
WINTERKORN (1990), a qual tem propriedades cimentantes. Devido a este fato
pode-se comparar o comportamento geomecânico de solos estabilizados com
este dois tipos de cinzas anteriormente mencionados.
Tabela 4.11. Composição química da Cinza Volante de RSU, mistura
(S60/CV40) e Cinza Volante de Carvão (FONTES, 2008 e WINTERKORN, 1990)
Concentração (%)
Composto CV-RSU CV-RSU S60/CV40 CV-carvão este estudo Fontes (2008) este estudo Winterkorn (1990)
SiO2 21,2 - 12,9 44,26 26,35 20 - 40
Al2O3 15,4 - 12,2 18,16 25,59 10 - 30
Fe2O3 5,3 - 7,7 9,27 17,42 3 - 10
SO3 9,8 - 5,2 0,64 2,30 1 - 8
CaO 32,3 - 45,3 15,39 17,14 10 - 32
Cl 6,6 - 4,7 2,01
TiO2 3,3 - 4,7 3,25 2,67 0,5 - 2
K2O 2,6 - 4,1 2,61 3,70 0,5 - 4
P2O5 1,28 - 0 2,94
ZnO 0,5 - 1,1 0,46 0,42
Cr2O3 0,1 - 0,2 0,16
MnO 0,1 - 0 0,13 0,20
SrO 0,1 - 0,2 0,04 0,08
ZrO2 0,08 - 0,1 0,04 0,37
CuO 0,08 - 0 0,06
PbO 0,08 - 0 0,11
MgO 2,23 0,5 - 8
V2O5 0 - 0,25 0,15
Na Tabela 4.12, apresenta-se a composição química da Cinza de Fundo do
RSU em estudo ensaiado em duas amostras, esta composição é comparada com a
análise feita por ARM (2003) para cinzas de RSU, procedentes de três
incineradoras na Suécia. Da mesma forma que para a Cinza Volante de RSU,
existe diferença tanto nos teores de Óxidos principais (SiO2, Al2O3 e Fe2O3), quanto
nos teores de CaO e SO3, os quais têm influência nas reações de estabilização.
90
Isto demonstra a variabilidade da composição química da Cinza de Fundo. Da
mesma forma, a composição química da mistura a seco (S60/CF40) mostra uma
redução do teor de Cloro. Cabe ressaltar que a composição química da Cinza de
Fundo em estudo é um pouco diferente da Cinza Fundo de Carvão procedente da
termoelétrica Jorge Lacerda, mencionada por POZZOBOM (1997), sendo que a
Cinza de Fundo de RSU apresenta menor teor de SiO2 e maior teor de CaO, Al e
Fe.
Tabela 4.12. Composição química da Cinza de Fundo de RSU mistura
(S60/CV40) e Cinza de Fundo de Carvão.
Concentração (%)
Composto CF-RSU este estudo
CF-RSU S60/CV40 este estudo
CF-carvão
ARM (2003) POZZOBOM (1997)
SiO2 27,086 - 37,761 46 34,317 55,980
Al2O3 14,187 - 19,172 10 31,340 26,730
Fe2O3 10,027 - 6,696 9 18,114 5,800
SO3 1,326 - 3,644 - 0,283 -
CaO 20,181 - 31,804 15 4,640 0,840
Cl 2,388 - 3,855 - - -
TiO2 3,683 - 5,549 - 2,056 1,330
K2O 2,178 - 3,047 - 3,713 2,590
P2O5 0 - 1,047 - - 0,240
ZnO 0,913 - 1,883 - 0,271 -
Cr2O3 0 - 0,195 - - -
MnO 0,103 - 0,168 - 0,164 0,020
SrO 0,057 - 0,147 - 0,037 -
ZrO2 0,112 - 0,126 - 0,320 -
CuO 0 - 0,344 - - -
Ac 0 - 0,036 - - -
Br 0 - 0,009 - - -
Rb2O 0 - 0,014 - - -
MgO 0 - 1,722 2 0,590
V2O5 0 - 0,43 - 0,134 -
NbO - - 0,071 -
NaO2 - - - 0,250
4.2.2.
Teor de Matéria Orgânica
Os resultados do teor de matéria orgânica do solo, cinza de fundo e da
cinza volante estão apresentados na Tabela 4.13, estas foram feitas mediante a
91
técnica de oxidação com dicromato de potássio em meio sulfúrico, no
Laboratório de Geotecnia/Química de Solos da COPPE/UFRJ.
Tabela 4.13 – Teor de matéria orgânica do solo, da cinza de fundo e da cinza
volante deste estudo.
Amostra Carbono Orgânico Matéria orgânica ( g/kg ) % (g/kg) %
Solo 0,70 0,070 1,2 0,120 Cinza volante 4,52 0,452 7,8 0,780 Cinza de fundo 78,4 7,840 135 13,500
Observa-se que o teor de matéria orgânica presente no Solo e na Cinza
Volante é bem baixo, ao contrário da Cinza de Fundo, que tem um teor alto,
sendo que um teor alto de carbono pode inibir a atividade pozolânica
severamente WINTERKORN (1990). Segundo referências da Usina Verde, a
Cinza de Fundo teria um alto teor de matéria orgânica devido ao sub-
dimensionamento do forno que impossibilita a queima de maior porcentagem de
matéria orgânica.
Para as misturas solo-cinza se fez uma análise de teor por queima a 440º
C (ABNT/NBR 13600/1996), os resultados estão apresentados na tabela 4.14,
onde se mostra o aumento de teor de matéria orgânica devido ao aumento do
teor de cinzas, mas as porcentagens são menores do que nos resíduos puros,
como esperado.
Tabela 4.14 – teor de matéria orgânica da mistura S80/CV20, S60/CV40,
S80/CF20 e S60/CF40 deste estudo.
Amostra Carbono Orgânico (%) Matéria Orgânica (%) S80/CV20 0,225 0,388 S60/CV40 0,841 1,450 S80/CF20 1,824 3,144 S60/CF40 2,600 4,482
Segundo DIAS (2004), os valores mais elevados, obtidos pela técnica da
queima, devem-se ao fato de que o aquecimento em estufa e em mufla provoca
a perda de componentes inorgânicos voláteis contidos na amostra, como água
de constituição, por exemplo, além das substâncias orgânicas, logo, se observa
um teor de matéria orgânica acima do esperado, de acordo com este
procedimento, isto pode-se notar na mistura S60/CV40, onde o teor de 1,45% é
maior do que o teor de 0,78% para a Cinza Volante pura, obtida pela técnica de
oxidação com dicromato de potássio.
92
4.2.3.
Ensaio de Lixiviação
Os resultados do ensaio de Lixiviação segundo a norma NBR 10005:2004,
são apresentados nas Tabelas 4.15 e 4.16.
Tabela 4.15 – Resultados analíticos: Lixiviado - Parâmetros Inorgânicos (TASQA, 2010)
Parâmetros Unidade LQ(1) Cinza Volante
Cinza de Fundo
S60/CV40 NBR
10005:2004 - Lix(2)
Arsênio mg/L 0,04 0,27 < LQ 0,08 1
Bário mg/L 0,005 0,52 0,68 0,42 70
Cádmio mg/L 0,003 0,05 0,06 0,007 0,5
Chumbo mg/L 0,03 < LQ < LQ < LQ 1
Cromo Total mg/L 0,002 0,75 0,03 0,25 5
Fluoretos mg/L 0,07 2,01 1,30 1,70 150
Mercúrio mg/L 0,0005 < LQ < LQ < LQ 0,1
Prata mg/L 0,003 0,02 < LQ < LQ 5
Selênio mg/L 0,05 < LQ < LQ < LQ 1 (1) LQ: Limite de Quantificação (2)VMP: Valores Máximos Permitidos. Tabela 4.16 – Resultados analíticos: Lixiviado - Parâmetros Orgânicos (TASQA, 2010)
Parâmetros Unidade LQ(1) Cinza Volante
Cinza de Fundo
S60/ CV40
NBR 10005:2004 - Lix(2)
Aldrin e Dieldrin mg/L 0,001 < LQ < LQ < LQ 0,003
Benzeno mg/L 0,004 < LQ < LQ < LQ 0,5
Benzo(a)pireno mg/L 0,002 < LQ < LQ < LQ 0,07
Clordano (isômeros)
mg/L 0,001 < LQ < LQ < LQ 0,02
Cloreto de vinila mg/L 0,4 < LQ < LQ < LQ 0,5
Clorobenzeno mg/L 0,01 < LQ < LQ < LQ 100
Clorofórmio mg/L 0,004 < LQ < LQ < LQ 6
m-Cresol mg/L 0,01 < LQ < LQ < LQ 200
o-Cresol mg/L 0,01 < LQ < LQ < LQ 200
p-Cresol mg/L 0,01 < LQ < LQ < LQ 200
Cresol Total mg/L 0,01 < LQ < LQ < LQ 200
2,4-D mg/L 0,01 < LQ < LQ < LQ 3
DDT (p,p-DDT + p,p-DDE + p,p-DDD)
mg/L 0,001 < LQ < LQ < LQ 0,2
1,4-Diclorobenzeno mg/L 0,004 < LQ < LQ < LQ 7,5
1,2-Dicloroetano mg/L 0,004 < LQ < LQ < LQ 1
1,1-Dicloroetileno mg/L 0,004 < LQ < LQ < LQ 3
2,4-Dinitrotolueno mg/L 0,01 < LQ < LQ < LQ 0,13
Endrin mg/L 0,001 < LQ < LQ < LQ 0,06
Heptacloro e seu epóxido
mg/L 0,001 < LQ < LQ < LQ 0,003
Hexaclorobenzeno mg/L 0,001 < LQ < LQ < LQ 0,1
93
Parâmetros Unidade LQ(1) Cinza Volante
Cinza de Fundo
S60/ CV40
NBR 10005:2004 - Lix(2)
Hexaclorobutadieno mg/L 0,004 < LQ < LQ < LQ 0,5
Hexacloroetano mg/L 0,01 < LQ < LQ < LQ 3
Lindano (g BHC) mg/L 0,001 < LQ < LQ < LQ 0,2
Metiletilcetona mg/L 0,5 < LQ < LQ < LQ 200
Metoxicloro mg/L 0,001 < LQ < LQ < LQ 2
Nitrobenzeno mg/L 0,01 < LQ < LQ < LQ 2
Pentaclorofenol mg/L 0,01 < LQ < LQ < LQ 0,9
Piridina mg/L 0,01 < LQ < LQ < LQ 5
2,4,5-T mg/L 0,002 < LQ < LQ < LQ 0,2
Tetracloreto de Carbono
mg/L 0,004 < LQ < LQ < LQ 0,2
Tetracloroetileno mg/L 0,004 < LQ < LQ < LQ 4
Toxafeno mg/L 0,002 < LQ < LQ < LQ 0,5
2,4,5-TP mg/L 0,01 < LQ < LQ < LQ 1
Tricloroetileno mg/L 0,004 < LQ < LQ < LQ 7
2,4,5-Triclorofenol mg/L 0,01 < LQ < LQ < LQ 400
2,4,6-Triclorofenol mg/L 0,01 < LQ < LQ < LQ 20 (1) LQ: Limite de Quantificação (2)VMP: Valores Máximos Permitidos.
Os parâmetros analisados apresentaram concentrações adequadas às
indicadas no Anexo F da norma ABNT/NBR 10004:2004.
4.2.4.
Ensaio de Solubilização
Os resultados do ensaio de Solubilização segundo a norma NBR
10006:2004, são apresentados nas Tabelas 4.17 e 4.18.
Tabela 4.17 – Resultados analíticos: Solubilizado - Parâmetros Inorgânicos (TASQA, 2010)
Parâmetros Unidade LQ(1) Cinza Volante
Cinza de Fundo
S60/CV40 NBR
10006:2004 - Sol(2)
Alumínio mg/L 0,07 0,31 0,08 0,70 0,2
Arsênio mg/L 0,001 < LQ < LQ < LQ 0,01
Bário mg/L 0,005 0,41 0,19 0,20 0,7
Cádmio mg/L 0,003 < LQ < LQ < LQ 0,005
Chumbo mg/L 0,002 < LQ < LQ < LQ 0,01
Cianetos mg/L 0,005 < LQ < LQ < LQ 0,07
Cloretos mg/L 2 783 271 389 250
Cobre mg/L 0,003 0,01 0,02 0,06 2
Cromo Total mg/L 0,002 1,99 < LQ 0,88 0,05
Ferro mg/L 0,002 0,22 0,06 0,09 0,3
Fluoretos mg/L 0,07 0,56 0,56 0,76 1,5
Manganês mg/L 0,002 < LQ < LQ < LQ 0,1
94
Parâmetros Unidade LQ(1) Cinza Volante
Cinza de Fundo
S60/CV40 NBR
10006:2004 - Sol(2)
Mercúrio mg/L 0,0005 < LQ < LQ < LQ 0,001
Nitrato (como N) mg/L 0,10 2,10 3,80 0,90 10
Prata mg/L 0,003 < LQ < LQ < LQ 0,05
Selênio mg/L 0,002 < LQ < LQ < LQ 0,01
Sódio mg/L 0,05 85,2 236 362 200
Sulfato (expresso como SO4)
mg/L 1,00 650 290 600 250
Surfactantes mg/L 0,40 < LQ < LQ < LQ 0,5
Zinco mg/L 0,006 0,04 0,11 0,03 5 (1) LQ: Limite de Quantificação (2)VMP: Valores Máximos Permitidos.
Tabela 4.18 – Resultados analíticos: Solubilizado - Parâmetros Orgânicos (TASQA, 2010)
Parâmetros Unidade LQ(1) Cinza Volante
Cinza de Fundo
S60/ CV40
NBR 10006:2004 - Sol(2)
Aldrin e Dieldrin mg/L 2 x 10-5 < LQ < LQ < LQ 3,0 x 10-5
Clordano (isômeros)
mg/L 0,0002 < LQ < LQ < LQ 2,0 x 10-4
2,4-D mg/L 0,01 < LQ < LQ < LQ 0,03
DDT (isômeros) mg/L 0,001 < LQ < LQ < LQ 2,0 x 10-3
Endrin mg/L 0,0002 < LQ < LQ < LQ 6,0 x 10-4
Fenóis Totais mg/L 0,0042 0,014 0,021 0,012 0,01
Heptacloro e seu epóxido
mg/L 2 x 10-5 < LQ < LQ < LQ 3,0 x 10-5
Hexaclorobenzeno mg/L 0,001 < LQ < LQ < LQ 1,0 x 10-3
Lindano (g BHC) mg/L 0,001 < LQ < LQ < LQ 2,0 x 10-3
Metoxicloro mg/L 0,001 < LQ < LQ < LQ 0,02
2,4,5-T mg/L 0,002 < LQ < LQ < LQ 2,0 x 10-3
2,4,5-TP mg/L 0,01 < LQ < LQ < LQ 0,03
Toxafeno mg/L 0,002 < LQ < LQ < LQ 5,0 x 10-3 (1) LQ: Limite de Quantificação (2)VMP: Valores Máximos Permitidos.
Para a Cinza Volante, os parâmetros analisados Alumínio, Cloretos, Cromo
Total, Sulfato (expresso como SO4), Fenóis Totais apresentaram concentrações
superiores às indicadas no Anexo G da norma ABNT/NBR 10004:2004. A
classificação para a amostra é Classe IIA – Resíduo Não Inerte.
Para a Cinza de Fundo, os parâmetros analisados Cloretos, Sódio, Sulfato
(expresso como SO4), Fenóis Totais apresentaram concentrações superiores às
indicadas no Anexo G da norma ABNT/NBR 10004:2004. A classificação para a
amostra é Classe IIA – Resíduo Não Inerte.
Para a mistura S60/CV40, os parâmetros analisados Alumínio, Cloretos,
Cromo Total, Sódio, Sulfato (expresso como SO4), Fenóis Totais apresentaram
95
concentrações superiores às indicadas no Anexo G da norma ABNT/NBR
10004:2004. A classificação para a amostra é Classe IIA – Resíduo Não Inerte.
Baseados nos resultados dos ensaios mencionados podemos concluir que
a mistura solo-cinza volante não é perigosa, sendo que ainda é não inerte,
precisam-se aprofundar os estudos ambientais com testes e monitoramento em
campo sobre pistas experimentais.
4.3.
Ensaios de Caracterização Mecânica
4.3.1.
Ensaio de Compactação
As curvas de compactação do solo e das misturas com cinza de fundo e
cinza volante apresentam-se nas Figuras 4.13 e 4.14. A Tabela 4.19 apresenta
um resumo dos valores de umidade ótima (wotm) e de peso específico aparente
seco máximo (γd máx).
Figura 4.13 – Curvas de compactação de solo e misturas com 20% e 40% de
cinza volante deste estudo.
96
Figura 4.14 – Variação da Massa específica aparente seca com o teor de cinza
volante.
Tabela 4.19 – Valores de umidade ótima e massa específica aparente seca
máxima.
Material ou mistura Símbolo wotm (%) γdmax (g/cm3)
Solo S 18,5 1,718
Mistura 1 S80/CV20 14,3 1,650
Mistura 2 S60/CV40 22,5 1,555
Mistura 3 S80/CF20 16,5 1,672
Mistura 4 S60/CF40 16,0 1,622
Como pode ser observado na Figura 4.13, ao aumentar o teor de cinza
volante na mistura, a máxima densidade aparente seca tende a diminuir, o qual é
concordante com pesquisas feitas por NICHOLSON (1993) sobre utilização de
cinzas volantes de carvão para estabilizar solos tropicais. Porém em relação à
umidade ótima, na Figura 4.14, mostra-se como o teor de umidade ótima
decresce para um teor de 20% de cinza volante e cresce para um teor de 40%
da mesma cinza, o que explica parte da queda de densidade.
A Figura 4.15 apresenta as curvas de compactação de solo e misturas com
20% e 40% de cinza de fundo e a Figura 4.16 mostra a variação da massa
específica aparente seca com o teor de cinza de fundo. A Figura 4.17 apresenta
a variação do teor de umidade ótimo com o teor de cinza de fundo.
97
Como pode ser observado na Figura 4.16, ao aumentar o teor de cinza de
fundo na mistura, a máxima densidade aparente seca tende a diminuir. Neste
caso, para a umidade ótima, na Figura 4.17 mostra como o teor de umidade
ótima decresce para os teores de 20% e 40% de cinza de fundo.
Figura 4.15 – Variação do teor de umidade ótimo com o teor de cinza volante
deste estudo.
Figura 4.16 – Curvas de compactação de solo e misturas com 20% e 40% de
cinza de fundo deste estudo.
98
Figura 4.17 – Variação da Massa específica aparente seca com o teor de cinza
de fundo deste estudo.
Figura 4.18 – Variação do teor de umidade ótimo com o teor de cinza de fundo
deste estudo.
Os resultados da curva de compactação da cinza de fundo são
concordantes com os resultados obtidos por FARIAS (2005), para cinza pesada
de carvão, como apresentado na Figura 4.18, na qual a massa específica
aparente seca diminui com o teor de cinza. A forma rugosa da superfície dos
grãos da cinza pesada resulta em uma menor densidade real dos grãos, quando
comparado às partículas do solo. Tal característica faz com a massa específica
aparente seca diminua à medida que se aumenta o teor de cinza pesada nas
misturas.
99
Figura 4.19 – Curva de compactação das misturas solo/cinza pesada (FARIAS,
2005)
4.3.2.
Ensaio de Módulo de Resiliência
Foram moldados três corpos de prova para cada material ou mistura, na
umidade ótima, e ensaiados no equipamento triaxial dinâmico da COPPE/UFRJ,
dos quais se obtiveram valores de Módulo Resilente (MR) para diferentes
valores de tensão, tanto confinante (σ3) quanto desviadora (σd). A partir destes
valores conseguiu-se obter, por correlação estatística, os coeficientes k1, k2 e k3
do Modelo Composto, como apresentados na Tabela 4.19, com a ajuda do
Programa Computacional STATISTICA (STATSOFT, 2004).
Nas Figuras 4.20 a 4.24 estão esquematizadas as superfícies no espaço
tridimensional [σ3 x σd x MR] para uma faixa de tensões comumente utilizadas em
pavimentos, que foram geradas por ajustes, baseados no modelo Composto.
Cabe mencionar que o propósito de obter-se tais superfícies é para previsão de
Módulos Resilientes para diversas combinações de tensão confinante e tensão
desviadora conhecidas.
100
Tabela 4.20 – Valores dos coeficientes do modelo composto para cada material
ou mistura desta pesquisa.
Compactação Modulo de Resiliencia
Material ou mistura
Umidade ótima (%)
Máxima densidade
aparente seca k1 k2 k3
Coeficiente de correlação (R)
S 18,5 1,718 185,2712 0,1772 -0,4197 0,867
S80/CV20 14,3 1,65 305,5556 0,2939 -0,4708 0,833
S60/CV40 (*) 22,5 1,555 181,3510 0,2364 -0,4482 0,939
S80/CF20 16,5 1,672 120,3640 0,1259 -0,5194 0,876
S60/CF40 16 1,622 112,3940 0,0799 -0,3898 0,861
(*) Com 7 dias de cura após a compactação.
Os resultados obtidos dos ensaios de Modulo de Resiliência demonstram
que o solo em estudo tem seu módulo de resiliência dependente da tensão
desviadora e, mesmo adicionando as cinzas, este comportamento não muda.
Dos modelos obtidos, aprecia-se que quanto maior a tensão desviadora, menor
o valor do Módulo Resiliente.
Figura 4.20 – Gráfico 3D do modelo composto do Módulo Resiliente do solo puro
deste estudo.
101
Figura 4.21 – Gráfico 3D do modelo composto do Módulo Resiliente da mistura
S80/CV20 deste estudo.
Figura 4.22 – Gráfico 3D do modelo composto do Módulo Resiliente da mistura
S60/CV40 deste estudo.
102
Figura 4.23 – Gráfico 3D do modelo composto do Módulo Resiliente da mistura
S80/CF20 deste estudo.
Figura 4.24 – Gráfico 3D do modelo composto do Módulo Resiliente da mistura
S60/CF40 deste estudo.
103
4.3.2.1
Influência do tempo de cura e atraso na compactação no modulo resiliente
FERGUSON (1993) relata que a adição de cinza volante ao solo tende a
alterar as características da compactação e assim, as relações umidade-
densidade deverão ser estabelecidas para cada teor de cinza volante. Para
materiais compactados imediatamente após a mistura, a mudança é
principalmente devida à alteração da graduação dos materiais. Quando a
compactação é atrasada em relação à mistura com água, produtos da hidratação
começam a ligar as partículas num estado fraco e uma ruptura destas
agregações é requerida para compactar o material. Portanto, uma porção da
energia de compactação é utilizada para superar a cimentação e a massa
específica aparente seca máxima é reduzida com o incremento no atraso da
compactação. A quantidade de redução é dependente da taxa na qual a cinza
volante hidrata e pode diferir consideravelmente, dependendo da fonte da cinza.
O atraso na compactação também reduz a máxima resistência potencial de
um material estabilizado com cinza volante. Produtos cimentícios formados antes
da compactação podem ser rompidos para compactar o material e estas ligações
podem não serem recuperadas a sua plena resistência. A redução em
densidade também resulta em menos pontos de contatos intergranulares, nos
quais os produtos da hidratação da cinza proporcionarão ligação do sistema de
partículas.
Foram realizados três ensaios de modulo resiliente para avaliar a variação
deste com o atraso na compactação e a influência do tempo de cura. Os valores
dos coeficientes do Modelo Composto estão na Tabela 4.15 e nas Figuras 4.24 e
4.25, onde é mostrada a variação do Modulo Resiliente com o tempo de atraso
da compactação e o tempo de cura após a compactação na umidade ótima.
Observa-se que o tempo de cura tem uma ação benéfica no
comportamento mecânico, isto talvez se deva às reações pozolánicas na
mistura. O atraso na compactação em relação à hidratação no material deste
estudo, aumenta o Módulo Resiliente em comparação à compactação imediata
sem período de cura, isto pode ser devido a uma taxa lenta de hidratação, como
assinalado por FERGUSON (2003).
Nas Figuras 4.26 e 4.27 apresenta-se a variação do Módulo Resiliente com
o teor de umidade para a mistura S60/CV40. Cada teor de umidade representa
um ponto ao longo da curva de compactação. Observa-se que quanto maior for o
teor de umidade, menor é o Módulo Resiliente, isto permite apreciar a influência
104
do teor de umidade no comportamento mecânico da mistura, sendo que a
estrutura do pavimenta está sempre exposta às variações sazonais, como
mencionado por SILVA (2009).
Tabela 4.21 – Variação dos coeficientes do modelo composto com o atraso na
compactação e o tempo de cura para a mistura S60/CV40 deste estudo.
Atraso na compactação (dias)
Tempo de cura após
compactação (dias) k1 k2 k3
Coeficiente de correlação (R)
1 0 115,2278 0,2851 -0,5014 0,902
0 0 63,2242 0,2375 -0,4469 0,887
0 7 181,3510 0,2364 -0,4482 0,939
Figura 4.25 – Variação do Módulo Resiliente vs. tensão desviadora da mistura
S60/CV40 com o tempo de atraso e o tempo de cura deste estudo.
105
Figura 4.26 – Variação do Módulo Resiliente vs. tensão confinante da mistura
S60/CV40 com o tempo de atraso e o tempo de cura deste estudo.
Figura 4.27 – Variação do Módulo Resiliente vs. tensão desviadora da mistura
S60/CV40 com o teor de umidade deste estudo.
106
Figura 4.28 – Variação do Módulo Resiliente vs. tensão confinante da mistura
S60/CV40 com o teor de umidade deste estudo.
4.3.2.2
Influência do número de ciclos de carregamento N no modulo resiliente
Nas Figuras 4.29 e 4.30 apresenta-se a variação do Módulo Resiliente com
o número de ciclos de carregamento para a mistura S60/CV40. Observa-se que
para 500 000 ciclos, o Módulo Resiliente é aproximadamente 8 vezes maior que
para a mesma mistura sem nenhum ciclo; isto é concordante com os ensaios
realizados por GUIMARÃES (2001).
4.3.3.
Ensaio de CBR
Os Valores de expansão e de CBR são apresentados nas Tabelas 4.21 e
4.22, respectivamente.
Observa-se que a cinza volante diminui a expansibilidade do material até
menos que 0,5%, o que viabiliza sua utilização como base de pavimento. As
outras misturas reduzem a expansibilidade do solo, mas não em grandeza
suficiente para que possa ser utilizado em estruturas de pavimentos.
107
O CBR é aumentado em 16 vezes com a adição de 40% de Cinza Volante,
e em 4 vezes com a adição de Cinza de Fundo; os valores de CBR são tomados
neste estudo apenas como referência, já que também é realizada uma análise
mecanística-empírica utilizando o módulo resiliente.
Tabela 4.22– Valores de expansão aos 4 dias de imersão, sem tempo de cura e
três dias de atraso na compactação após hidratação.
Material ou mistura Símbolo Expansão aos 4 dias (%)
Solo S 4,87
Mistura 1 S80/CV20 3,60
Mistura 2 S60/CV40 0,40
Mistura 3 S80/CF20 4,77
Mistura 4 S60/CF40 2,30
Tabela 4.23 – Valores de CBR
Material ou mistura Símbolo CBR (%)
Solo S 2
Mistura 1 S60/CV40 33
Mistura 2 S60/CF40 8
A partir destes resultados não se fez a avaliação do comportamento
mecânico das misturas solo-cinza de fundo. Pode-se tentar uma adição de cal
em estudos futuros para combater a expansão residual. Outro ponto também
que pode ser verificado é fazer o ensaio de expansão após cura para ver se há
melhoria.
4.4.
Dimensionamento de pavimento típico
Assumiu-se uma estrutura do pavimento tal como apresenta-se na Figura
4.28, bem como características do tráfego, como ilustrado na Tabela 4.29 e
dados do clima da cidade de Rio de Janeiro, como mostrado na Figura 4.30, com
a finalidade de se avaliar o efeito da adição de Cinza Volante ao solo, em um
projeto de pavimentação. A Tabela 4.24 e Figura 4.31 apresentam as
espessuras de camadas em função do período de projeto para cada tipo de
108
mistura de solo-cinza obtidas com o programa computacional SisPav (FRANCO,
2007).
Figura 4.29. Estrutura do pavimento adotada. Tabela 4.24. Dados do tráfego.
Configuração Rodas Volume/ano Carga (kg)
Eixo duplo 4 100 000 8 200
Figura 4.30 – Dados do clima utilizado para o programa SisPav.
109
Tabela 4.25. Espessura de camada em função do período de projeto para cada tipo de solo ou mistura.
Periodo de projeto (anos)
No equiv. de operações (N) (**)
Espessura da camada (cm) Solo puro (S) S80/CV20 S60/CV40
6 5,71E+05 10,00 10,00 10,00
7 6,66E+05 10,00 10,00 10,56
8 7,61E+05 10,00 10,00 14,50
9 8,56E+05 10,92 10,00 16,74
10 9,51E+05 12,45 10,00 22,15
11 1,05E+06 15,43 10,00 26,88
12 1,14E+06 18,21 10,00 31,02
13 1,24E+06 20,82 10,00 45,50 (**) O valor de N é só referencial, não sendo utilizado nas análises pelo SisPAV.
Figura 4.31. Variação das espessuras de camada em função do período de projeto.
A mistura com 20% de cinza volante melhorou o comportamento mecânico
do solo puro, o que se revela pela diminuição da espessura da camada de base
em comparação ao solo puro, para um mesmo nível de carregamento e mesmos
parâmetros/critérios de dimensionamento. A mistura com 40% de cinza volante
piorou o comportamento mecânico do solo puro, no entanto, para um período de
projeto de 8 anos, sua espessura como base para as cargas devidas ao trafego
admitido, chega a ser levemente maior que a espessura da base de solo puro
(14,5 cm para a mistura S60/CV40 com 7 dias de cura, contra 10 cm do solo
puro), sendo para fins de construção, arredondada em 15 cm.
110
Observa-se que as misturas com inserção de cinzas volantes de RSU
apresentaram um comportamento mecânico compatível com as exigências de
um pavimento de baixo volume de tráfego.
A inserção de 20% de cinza volante ao solo argiloso não-laterítico
melhorou o comportamento mecânico do solo, reduziu a expansibilidade do solo,
embora não o suficiente para que este possa ser utilizado como base ou sub-
base de pavimentos rodoviários pelas especificações atuais.
O solo misturado com um teor de 40% de Cinza Volante piorou o seu
comportamento mecânico em relação ao solo puro, com o conseqüente aumento
da espessura de camada, em contrapartida, reduziu notavelmente a
expansibilidade do solo a menos de 0,5%, isto faz com que essa mistura possa
ser utilizada em camadas de pavimentos, podendo ser viável para rodovias de
baixo volume de trafego, ressaltando-se que o comportamento de misturas com
cinzas deve ser cuidadosamente avaliado para diversos teores, analisando-se
resultados físicos, químicos, ambientais e mecânicos em conjunto.
Não foram avaliadas as misturas com Cinza de Fundo devido à sua
elevada expansibilidade, o que impossibilita sua utilização em camadas de base
de pavimentos.
4.5.
Considerações sobre a apresentação e discussão dos resultados
Os resultados exploratórios obtidos neste estudo se mostraram
satisfatórios e cumpriram os objetivos iniciais propostos com relação ao
desenvolvimento desta Dissertação, com relação à investigação do
comportamento solo-cinza. Os resultados som concordantes com os obtidos em
outras pesquisas relatadas na revisão bibliográfica desta Dissertação.
5
Considerações finais
5.1.
Conclusões
A partir dos resultados apresentados e analisados anteriormente foi
possível chegar às conclusões abordadas neste Capítulo final.
A influência das cinzas ao solo proporciona o desenvolvimento de um novo
material geotécnico com características próprias, observado pela melhoria das
propriedades mecânicas deste novo material.
A seguir estão sumarizadas as principais contribuições relacionadas à
adição de cinzas de RSU ao solo:
• As análises mecanística-empíricas exploratórias efetuadas neste estudo com
os valores de módulos resilientes obtidos nos ensaios mostram que é viável a
utilização de cinzas como aditivo ao solo para utilização em base de
pavimentos de baixo volume de trafego.
• Os resultados obtidos permitem concluir que o solo estudado nesta pesquisa é
do tipo CH (argila inorgânica de alta plasticidade). Pela classificação SUCS, é
um solo do tipo A-7-6 (sistema AASHO de classificação) e NG’ (não-laterítico
argiloso) pela classificação MCT. Estas três classificações assinalam que o
comportamento mecânico deste material não é recomendável para ser utilizado
como solo de base de pavimentos;
• A composição química da Cinza Volante de RSU mostra teores médios de
SiO2, Al2O3 e Fe2O3, elevado teor de CaO e valores baixos de teor de matéria
orgânica, sendo que estes compostos influenciam favoravelmente o
mecanismo de estabilização química. Já a Cinza de Fundo de RSU, apresenta
composição química similar à da Cinza Volante, porém tendo menor teor de
CaO e elevado teor de matéria orgânica, o que pode influenciar negativamente
a estabilização química do solo;
• Os parâmetros de compactação (γdmax e wotm) são influenciados pelo teor e tipo
de cinza adicionado, sendo que para cada teor deve-se obter uma curva de
compactação;
• Dos ensaios de módulo de resiliência, se conclui que o teor de cinza tem
influência no comportamento resiliente, sendo que este pode melhorar ou
112
piorar, dependendo do teor de cinzas. Outros fatores que influenciam o
comportamento resiliente são o teor de umidade, o tempo do atraso da
compactação após a mistura dos materiais e o tempo de cura, o qual tem
influência favorável. O comportamento resiliente do solo é dependente
principalmente da tensão desviadora, sendo que esta dependência não muda
com a adição das cinzas;
• O solo estudado apresentou capacidade de suporte (CBR) de 2% na umidade
ótima e uma expansibilidade de 4,87%. Estes resultados indicam que este
material deve ser evitado no emprego em base de pavimentos. A adição de
cinzas aumentou o CBR, o que indica uma melhoria na sua capacidade de
suporte.
• A adição de cinzas ao solo teve uma influência favorável, reduzindo a
expansibilidade do solo estudado, sendo que a cinza volante tem maior ação
estabilizante, ressaltando-se a dependência no teor de cinza utilizado. A
adição de um teor de 40% de cinza volante conseguiu reduzir a
expansibilidade do solo até menos de 0,5%, viabilizando assim seu emprego
em base de pavimentos;
• O emprego do solo misturado com um teor de cinza volante de 40% mostrou-
se viável para fins de pavimentação. O dimensionamento exploratório feito
assinala uma espessura de base de 15 cm, isto significa que para uma rodovia
de 10 m de largura e 1 km de comprimento, o volume necessário de cinza
volante é de 600 m3, para emprego na base do pavimento.
5.2.
Sugestões para pesquisas futuras
Algumas sugestões para a ampliação do conhecimento e o
prosseguimento dos estudos sobre a aplicabilidade de cinzas de RSU em base
pavimentos são citadas a seguir:
• Verificar os efeitos da adição de cinzas de RSU no comportamento
mecânico e de estabilização do solo, realizando um programa experimental
mais aprofundado, utilizando distintos teores de cinza não estudados, com
diferentes tempos de cura e tempos de atraso na compactação;
• Avaliar o comportamento ambiental das misturas, não somente para
aplicação deste novo material em base de pavimentos, mas também para
aplicações em obras geotécnicas em geral;
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• Pesquisar acerca dos mecanismos de estabilização do solo com cinza
volante, realizando ensaios mineralógicos e outros para observar a
modificação da microestrutura.
• Propor uma metodologia de dosagem de misturas solo-cinza volante, para
sua utilização em pavimentação e outras obras geotécnicas.
• Desenvolver modelos de previsão de ruptura para análise numérica, que
reproduzam o comportamento de solos misturados com cinzas de RSU, o
que é de fundamental importância para a simulação de obras geotécnicas;
• Construir trechos experimentais com base de solo-cinza de RSU,
monitorando o seu comportamento mecânico e interações ambientais no
decorrer do tempo;
• Avaliar a potenciabilidade da utilização das cinzas de RSU em diversos
tipos de solos, através de ensaios triaxiais convencionais e ensaios de
campo em verdadeira grandeza, para um melhor entendimento do
comportamento tensão-deformação de misturas solo-cinza para utilização
em outras obras geotécnicas.
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