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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

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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

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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

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Dedico esta Dissertação a minha avó

Carmen Luisa Vizcarra Galindo

e a minha prima

Diva Daleska Duran Vizcarra

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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

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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.

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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.

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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.

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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.

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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.

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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.

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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

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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.

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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).

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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).

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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

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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;

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• 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.

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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.

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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

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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

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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

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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

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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.

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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

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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:

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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.

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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.

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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

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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.

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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

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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.

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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

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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

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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.

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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.

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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.

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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

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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.

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50

Figura 3.5. Segregação de materiais para reciclagem

na Usina Verde (USINA VERDE, 2009)

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51

Figura 3.6. Processo de geração de energia elétrica na Usina Verde (USINA VERDE, 2009)

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52

Figura 3.7. Etapas do processo de incineração de RSU na Usina Verde S/A

(FONTES, 2008)

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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

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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

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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

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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

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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

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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.

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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:

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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.

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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;

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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.

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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

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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.

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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%

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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):

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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.”

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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,

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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

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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.

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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

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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)

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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)

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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.

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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).

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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.

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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

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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.

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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.

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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.

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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.

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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).

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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.

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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

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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

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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).

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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;

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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

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(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.

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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

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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.

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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

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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

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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

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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

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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.

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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.

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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.

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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

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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.

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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.

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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.

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5

Considerações finais

5.1.

Conclusões

A partir dos resultados apresentados e analisados anteriormente foi

possível chegar às conclusões abordadas neste 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

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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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113

• 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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