Lucianna Szeliga

Estudo Experimental de um Solo Arenoso Estabilizado com Cinzas de Resíduo Sólido Urbano e Cal

Dissertação de Mestrado

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

Orientadora: Michéle Dal Toé Casagrande

Rio de Janeiro Abril de 2014

Lucianna Szeliga

Estudo Experimental de um Solo Arenoso Estabilizado com Cinzas de Resíduo Sólido Urbano e Cal

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

Profa. Michéle Dal Toé Casagrande Orientadora

Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio

Prof. Euripedes do Amaral Vargas Jr. Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio

Prof. Silvrano Adonias Dantas Neto Universidade Federal do Ceará

Prof. José Eugenio Leal Coordenador Setorial do Centro

Técnico Científico – PUC-Rio

Rio de Janeiro, 04 de Abril de 2014

Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou

parcial do trabalho sem autorização da universidade, do autor

e da orientadora.

Lucianna Szeliga

Graduou-se em Engenharia Ambiental pela Pontifícia

Universidade Católica do Rio de Janeiro em 2011. Ingressou

no mestrado na Pontifícia Universidade Católica do Rio de

Janeiro em 2012, desenvolvendo Dissertação na linha de

pesquisa de Geotecnia Experimental aplicada a solos

estabilizados.

Ficha Catalográfica

Szeliga, Lucianna

Estudo experimental de um solo arenoso estabilizado com cinzas de resíduo sólido urbano e cal / Lucianna Szeliga; orientadora: Michéle Dal Toé Casagrande. – 2014 160 f. : il. (color.) ; 30 cm

Dissertação (Mestrado) – Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Civil, 2014.

Inclui bibliografia 1. Engenharia civil – Teses. 2. Ensaios triaxiais. 3.

Resíduo sólido urbano (RSU). 4. Estabilização de solos. 5.

Cinza volante. 6. Cinza de fundo. I. Casagrande, Michéle Dal

Toé II. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Civil. III. Título.

CDD : 624

Dedico esta Dissertação aos meus pais

Edison e Iza, às minhas irmãs,

Aline e Marina, e à minha sobrinha Clara.

Agradecimentos

A Deus, por tudo.

Aos meus pais, Edison e Iza, que dedicam suas vidas a mim e às minhas irmãs, nos

dando tudo e um pouco mais. As minhas irmãs Aline e Marina, pelo

companheirismo, amizade e amor. A minha sobrinha Clara, que ainda está em seus

primeiros anos de vida, e faz tudo parecer mágico e possível com um sorriso de

criança.

A Daniel, por vivir conmigo parte de esta jornada, haciéndose presente apesar de la

distancia. Por ser más que mi novio, mi amigo y motivador. Gracias por tu amor y

cariño, por estar siempre a mi lado, por las interminables conversaciones vía

whatsapp y por darme fuerza en todos los momentos. Te amo.

A todos os meus amigos, por compreenderem os momentos de ausência. E em

especial as minhas amigas-irmãs Ana Clara e Maiza, por sempre me darem força,

acreditarem em mim e estarem sempre ao meu lado quando preciso. Obrigada por

suas amizades.

A todos meus amigos que fizeram parte dessa jornada comigo... Sofrendo

(bastante!) e se divertindo também! Um agradecimento especial à Amanda,

Nathalia, Rhaissa, Sandra, Giobana, Julia e Ivânia (As mulheres estão dominando

a Engenharia!).

A professora Michéle Casagrande, pela orientação do meu trabalho, por todo o

conhecimento transmitido e por me dar força para chegar até aqui, principalmente

nas muitas vezes que me perguntei “o que é que eu tô fazendo aqui?”. Obrigada por

estar sempre disposta a me atender e tirar dúvidas mesmo através de fotos e

mensagens por whatsapp (viva à tecnologia nesses momentos!). Obrigada por me

acompanhar nessa longa jornada, que se iniciou ainda na minha graduação, por

sempre acreditar em mim, e por ser mais que professora, uma grande amiga! Parte

dessa conquista é dedicada a você!

Aos professores da Engenharia Civil da PUC-Rio pelas aulas ditadas e os

conhecimentos transmitidos durante estes dois anos de mestrado.

Aos funcionários do Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio, Josué

e Amaury, pelos auxílios e disponibilidade na realização dos ensaios, e momentos

de descontração no laboratório.

A Usina Verde S.A., pelo fornecimento das cinzas utilizadas neste estudo.

Ao CNPq, pelo apoio financeiro prestado para a realização deste trabalho.

Resumo

Szeliga, Lucianna; Casagrande, Michéle Dal Toé. Estudo Experimental de

um Solo Arenoso Estabilizado com Cinzas de Resíduo Sólido Urbano e

Cal. Rio de Janeiro, 2013. 160 p. Dissertação de Mestrado. Departamento

de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.

Este estudo apresenta o comportamento de um solo arenoso estabilizado com

cinzas obtidas através da incineração de Resíduo Sólido Urbano (RSU) e cal.

Através de um estudo experimental, objetiva-se avaliar a aplicabilidade de misturas

solo-cinza e solo-cinza volante-cal em obras geotécnicas como, por exemplo,

camadas de aterros sanitários, aterros sobre solos moles e estabilização de taludes.

Para isso, foram realizados ensaios de caracterização física, química e mecânica

(ensaios triaxiais CID) para os materiais envolvidos. Para as misturas solo-cinza

volante-cal, adicionou-se 3% de cal em substituição ao peso seco das cinzas. Foram

avaliadas as influências do teor de cinza (30 e 40%) e tipo de cinza (volante - CV e

fundo - CF), bem como o tempo de cura (0, 60 e 90 dias) para misturas com cinza

volante e cal. Os resultados mostram que tanto as misturas com CV, como CF,

apresentam resultados satisfatórios. Para ambas as cinzas, as porcentagens de 30 e

40% apresentaram resultados similares, podendo-se adotar o valor de 40% como

teor ótimo, uma vez que proporciona a utilização de uma maior quantidade de

resíduo. Comparando-se as cinzas, a CF apresentou resultados mais satisfatórios

que a CV. Para as misturas com cura, observou-se que no tempo de 60 dias o

material sofreu um maior ganho de resistência. Foram utilizados dois métodos de

moldagem de corpo de prova para o ensaio com cura, obtendo-se melhor resultado

para o método onde a cura era realizada em um corpo de prova pré-

moldado. Portanto o uso das cinzas de RSU em mistura com este tipo de solo se

mostra satisfatório, uma vez que apresentou um bom comportamento, contribui

com o menor consumo de material natural e proporciona uma destinação

ambientalmente correta deste resíduo.

Palavras-chave

Ensaios triaxiais; resíduo sólido urbano (RSU); estabilização de solos; cinza

volante; cinza de fundo.

Abstract

Szeliga, Lucianna; Casagrande, Michéle Dal Toé (Advisor). Experimental

Study of Sandy Soil Stabilized with Municipal Solid Waste Ashes and Lime. Rio de Janeiro, 2014. 160 p. MSc. Dissertation – Departamento de Engenharia

Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.

This study presents the behavior of a sandy soil stabilized with municipal

solid waste ash, and lime. In order to evaluate the applicability of mixtures soil-ash

and soil-fly ash-lime for using in geotechnical projects as layers of landfills,

embankment on soft soils and slope stability, an experimental campaign is

presented. Thus, physical, chemical and mechanical (isotropically consolidated-

drained triaxial test) characterization tests were performed for each material and

mixtures. It was used 3% of lime in the mixtures soil- fly ash-lime, being added in

replacement to the dry weight of fly ash. Were evaluated the influence of ash

content (30 and 40%), type of ash (fly ash and bottom ash) and curing time (0, 60

and 90 days) for mixtures containing fly ash and lime. The results have shown that

mixtures with both kinds of ashes present a satisfactory behavior, increasing or

maintaining the shear strength parameters similar to the pure material. For both

kinds of ashes the variation of the content has not provided significant changes in

the strength parameters, therefore, 40% can be considered as best content, once it

provides a bigger destination of the residue. Comparing fly and bottom ash, the last

has presented better results than fly ash. For mixtures with lime and cure, it has

been observed better results for 60 days of cure, with greater gain of strength. Two

molding methods have been used for preparing the mixture specimen, being

obtained a better result with pre modeled specimen. Therefore, the use of municipal

solid waste ash for stabilizing this kind of soil for using in the cited works, could

minimize the current problems of waste disposal, contribute with the reduction of

consumption of natural resources and give a noble use for this material.

Keywords

Triaxial tests; municipal solid waste (MSW); soil stabilization; fly ash;

bottom ash.

Sumário

1. INTRODUÇÃO 22

1.1 RELEVÂNCIA DA PESQUISA 22

1.2 OBJETIVOS 23

1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO 24

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 26

2.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS 26

2.1.1 Panorama dos Resíduos Soólidos no Brasil. 27

2.2 RESÍDUOS SÓLIDOS 30

2.2.1 Classificação de Resíduos 31

2.2.2 RSU na cidade do Rio de Janeiro 32

2.3 RESÍDUO SÓLIDO URBANO E SEU IMPACTO AO MEIO

AMBIENTE E À SAÚDE HUMANA. 33

2.3.1. Impactos Ambientais 34

2.3.2. Impactos à Saúde Humana 35

2.4 INCINERAÇÃO DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS 36

2.4.1 Cinzas de RSU 37

2.5 ESTABILIZAÇÃO DE SOLOS 40

2.5.1 Estabilização Mecânica 41

2.5.2 Estabilização Física 42

2.5.3 Estabilização Química 43

2.5.3.1 Solo-Cimento 44

2.5.3.2 Solo-Cal 47

2.5.3.3 Solo-Cinza-Cal 52

2.5.3.4 Solo-Cinza de Carvão 57

2.6 APROVEITAMENTO DAS CINZAS DE RSU 59

2.7 CONSIDERAÇÕES FINAIS 68

3. PROGRAMA EXPERIMENTAL 70

3.1 MATERIAIS UTILIZADOS 70

3.1.1 Solo Arenoso 71

3.1.2 Cinza Volante e Cinza de Fundo 72

3.1.2.1 A Produção de Cinzas de RSU 73

3.1.2.2 Processo de Incineração 74

3.1.3 Cal 75

3.1.4 Água 76

3.1.5 Misturas Solo-Cinza 76

3.1.6 Misturas Solo-Cinza-Cal 77

3.2 MÉTODOS E PROCEDIMENTOS DE ENSAIO 78

3.2.1 Ensaios de Caracterização Física 79

3.2.1.1. Densidade Real dos Grãos 80

3.2.1.2 Análise Granulométrica 80

3.2.1.3 Índice de Vazios Máximos e Mínimos 81

3.2.2. Ensaios de Caracterização Química 82

3.1.2.2 Composição Química 82

3.2.3 Ensaio de Caracterização Mecânica 83

3.2.3.1 Resistência ao Cisalhamento 83

3.2.3.2 Ensaio de Compressão Triaxial 84

3.2.3.3 Ensaios Triaxiais CID 86

4. RESULTADOS E ANÁLISES 96

4.1 ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO FÍSICA 96

4.1.1 Solo Arenoso Puro 96

4.1.1.1. Índices Físicos 96

4.1.1.2 Análise Granulométrica 97

4.1.2 Cinzas de RSU e Misturas em Estudo 97

4.1.2.1 Densidade Real dos Grãos (Gs) 97

4.1.2.2 Análise Granulométrica 98

4.1.2.3 Ensaios Químicos 102

Composição Química 102

Teor de Matéria Orgânica 105

Ensaios de Lixiviação e Solubilização 105

4.2 ENSAIO DE CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA 109

4.2.1 Ensaios Triaxiais CID 109

4.2.1.1 Comportamento Tensão Desviadora e Variação

volumétrica versus Deformação Axial. 110

4.2.1.2 Influência do tipo de cinza 119

4.2.1.3 Influência do teor de cinza 127

4.2.1.4 Influência do tempo de cura para as misturas com

cal 135

4.2.1.5 Influência do método de moldagem do corpo de prova

para o ensaio com cura 139

4.2.1.6 Comparação geral dos resultados 143

4.3 COMPARAÇÃO ENTRE SOLO ARENOSO E ARGILOSO EM

MISTURA COM CINZAS VOLANTE E DE FUNDO DE RSU E

CAL 145

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS 148

5.1 CONCLUSÕES 148

5.2 SUGESTÕES PARA PESQUISAS FUTURAS 151

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 153

Lista de Figuras

Figura 2.1 - Participação das regiões do país no total de RSU coletado

em 2012 (ABRELPE, 2012). 28

Figura 2.2 - Destinação final de RSU em toneladas por dia (ABRELPE,

2012). 29

Figura 2.3 – Frações granulares da cinza de fundo de RSU utilizada

na presente pesquisa. 39

Figura 2.4 – Efeito do tempo de cura sobre a resistência à compressão

simples para alguns solos estabilizados com cal (Ingles & Metcalf,

1972 apud Rosa, 2009). 51

Figura 2.5 – Efeito do teor de cal sobre a resistência a compressão

simples para alguns solos tratados com cal e curados por 7 dias

(Fonte: Ingles & Metcalf, 1972 apud Quispe, 2013). 52

Figura 2.6 – Fatores que influenciam nas propriedades dos materiais

estabilizados pozolânicamente (Nardi, 1975). 55

Figura 3.1 – Solo arenoso em estudo. 71

Figura 3.2 – Local de coleta do material na praia da Barra da Tijuca -

RJ. 72

Figura 3.3 – Cinza Volante de RSU. 73

Figura 3.4 – Cinza de Fundo de RSU. 73

Figura 3.5 – Diferentes critérios para definição de ruptura (Head, 1986

apud Dias, 2007). 84

Figura 3.6 – Seção de uma câmara triaxial (Bishop e Bjerrum, 1960

apud Das, 2007). 85

Figura 3.7 – (a) Medidor de Variação de Volume; (b) Painel de controle

das pressões; (c) Câmara de acrílico; (d) Corpo de prova; (e)

Transdutor de Pressão; (f) LVDT; (g) Conjunto de engrenagens

para aplicação da velocidade de cisalhamento. 87

Figura 3.8 – Molde tripartido. 88

Figura 3.9 – Material presente na cinza de fundo descartado antes do

ensaio triaxial. 88

Figura 3.10 – Processo de moldagem do corpo de prova para ensaio

triaxial. 89

Figura 3.11 – Processo de moldagem do corpo de prova para ensaio

com cura (Método 2). 91

Figura 3.12 – Transferência do corpo de prova do molde para o

equipamento triaxial no método com cura. 92

Figura 4.1 – Curva granulométrica do solo arenoso puro. 97

Figura 4.2 – Curvas granulométricas dos materiais puros. 99

Figura 4.3 – Curvas granulométricas do solo, cinza volante e misturas

do solo com 30% e 40% de cinza volante. 99

Figura 4.4 – Curvas granulométricas do solo, cinza de fundo e

misturas do solo com 30% e 40% de cinza de fundo. 100

Figura 4.5 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica

versus deformação axial para o solo arenoso em ensaios

triaxiais. 110

Figura 4.6 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica

versus deformação axial para a mistura CV30A70 em ensaios

triaxiais. 111

Figura 4.7 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica

versus deformação axial para a mistura CV40A60 em ensaios

triaxiais. 112

Figura 4.8 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica

versus deformação axial para a mistura CF30A70 em ensaios

triaxiais. 113

Figura 4.9 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica

versus deformação axial para a mistura CF40A60 em ensaios

triaxiais. 114

Figura 4.10 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica

versus deformação axial para a mistura CV27Cal3A70_T0 em

ensaios triaxiais. 115

Figura 4.11 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica

versus deformação axial para a mistura CV27Cal3A70_T60 em

ensaios triaxiais. 116

Figura 4.12 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica

versus deformação axial para a mistura CV27Cal3A70_T90 em

ensaios triaxiais. 117

Figura 4.13 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica

versus deformação axial para a mistura CV27Cal3A70_T60_PM em

ensaios triaxiais. 118

Figura 4.14 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica

versus deformação axial das amostras A100 e misturas CF30A70 e

CV30A70 em ensaios triaxiais. 121

Figura 4.15 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica

versus deformação axial das amostras A100 e misturas CF40A60 e

CV40A60 em ensaios triaxiais. 123

Figura 4.16 – Comparação entre as envoltórias de resistência do Solo

Puro (A100) e misturas CV30A70 e CF30A70. 125

Figura 4.17 – Comparação entre as envoltórias de resistência do Solo

Puro (A100) e misturas CV40A60 e CF40A60. 126

Figura 4.18 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica

versus deformação axial das amostras A100 e misturas CV30A70 e

CV40A60 em ensaios triaxiais. 129

Figura 4.19 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica

versus deformação axial das amostras A100 e misturas CF30A70 e

CF40A60 em ensaios triaxiais. 132

Figura 4.20 – Comparação entre as envoltórias de resistência do Solo

Puro (A100) e misturas CV30A70 e CV40A60. 133

Figura 4.21 – Comparação entre as envoltórias de resistência do Solo

Puro (A100) e misturas CF30A70 e CF40A60. 134

Figura 4.22 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica

versus deformação axial das amostras A100 e mistura CV27Cal3A70

nos tempos de cura de 0, 60 e 90 dias, em ensaios triaxiais. 137

Figura 4.23 – Comparação entre as envoltórias de resistência do Solo

Puro (A100) e misturas CV27Cal3A70 com tempos de cura de 0, 60

e 90 dias. 138

Figura 4.24 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica

versus deformação axial das amostras A100 e misturas

CV27Cal3A70_T60 e CV27Cal3A70_T60_PM, em ensaios triaxiais. 141

Figura 4.25 – Comparação entre as envoltórias de resistência do Solo

Puro (A100) e misturas CV27Cal3A70_T60 e CV27Cal3A70_T60_PM.

142

Lista de Tabelas

Tabela 2.1 - Previsão da quantidade de cal em função dos diferentes

tipos de solo (Fonte: Ingles & Metcalf, 1972 apud Sandroni &

Consoli, 2010). 50

Tabela 2.2 - Uso potencial da cinza volante de RSU. (Ferreira et al,

2003) . 60

Tabela 3.1 - Exigências Físicas e Químicas da Cal (Fonte: Sandroni

& Consoli, 2010). 76

Tabela 3.2 - Símbolos utilizados para os solos e misturas. 78

Tabela 4.1 - Índices físicos do solo arenoso. 96

Tabela 4.2 - Resultados do ensaio de densidade real dos grãos para

o solo, cinza volante e misturas. 98

Tabela 4.3 - Resultados do ensaio de densidade real dos grãos para

o solo, cinza de fundo e misturas. 98

Tabela 4.4 - Resultados das análises granulométricas. 101

Tabela 4.5 - Classificação SUCS dos materiais. 101

Tabela 4.6 - Elementos químicos presentes nas cinza volante e de

fundo e mistura com cal. 102

Tabela 4.7 - Composição química da cinza volante de RSU estudada

e comparação com outros estudos. 103

Tabela 4.8 - Composição química da cinza de fundo de RSU estudada

e comparação com outros estudos. 104

Tabela 4.9 - Teor de matéria orgânica da cinza de fundo e volante

(Vizcarra, 2010). 105

Tabela 4.10 - Resultados analíticos: Lixiviado – Parâmetros

Inorgânicos (Vizcarra, 2010). 106

Tabela 4.11 - Resultados analíticos: Lixiviado – Parâmetros Orgânicos

(Vizcarra, 2010). 106

Tabela 4.12 - Resultados analíticos: Solubilizado – Parâmetros

Inorgânicos (Vizcarra, 2010). 107

Tabela 4.13 - Resultados analíticos: Solubilizado – Parâmetros

Orgânicos (Vizcarra, 2010). 108

Tabela 4.14 – Variação dos valores de massa específica seca das

misturas estudadas. 119

Tabela 4.15 - Resumo dos valores de coesão e ângulo de atrito para

o solo puro e misturas solo-cinza e solo-cinza-cal estudadas no

presente trabalho. 143

Tabela 4.16 - Comparação entre a influência da inserção de cinzas

volante e de fundo de RSU nos parâmetros de resistência de um

solo argiloso e arenoso. 145

Lista de Abreviaturas

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas

ABRELPE Associação Brasileira de Empresas de

Limpeza Pública e Resíduos Especiais

CD Adensado e drenado

CF Cinza de Fundo

CID Consolidado Isotropicamente Drenado

COMLURB Companhia Municipal de Limpeza Urbana

CU Adensado e não drenado

CV Cinza Volante

EDX Espectrometría de fluorescência de Raios-

X

LVDT Linear Variable Differential Transformer

ML Silte com areia

MMA Ministério do Meio Ambiente

MVV Medidores de Variação Volumétrica

NBR Norma Brasileira

PUC Pontifícia Universidade Católica

SP Areia mal graduada

SM Areia mal graduada

SUCS

Sistema Unificado de Classificação dos

Solos

UU Não adensado e não drenado

Lista de Símbolos

Gs Peso específico

e Índice de vazios

emáximo Índice de vazios máximo

emínimo Índice de vazios mínimo

Cu Coeficiente de uniformidade

Cc Coeficiente de curvatura

D10 Diâmetro efetivo

D50 Diâmetro médio

tf Tempo mínimo de ruptura

L Altura do corpo de prova

ν Velocidade de cisalhamento

‘ Relativo a tensões efetivas

” Polegadas

# Número

ɛa Deformação axial

ɛv Deformação volumétrica

Tensão de cisalhamento

Tensões principais, maior e menor

σ’c Tensão de confinamento efetiva

σ v Tensão desviadora

ф’ Ângulo de atrito

c’ Coesão

p’ (σ’1 + σ’3)/2 (Tensão efetiva média normal)

q (σ’1 – σ’3) /2 (Tensão de Desvio)

h Altura final do corpo de prova.

hi Altura inicial do corpo de prova.

% Porcentagem

ml Mililitro

mm Milímetro

cm Centímetros

m Metro

t Tonelada

t/ano Tonelada por ano

mm/min Milímetro por minuto

min Minuto

Gs Grama

g/cm³ Grama por centímetro cúbico

kg Quilograma

kg/m³ Quilograma por metro cúbico

kgf/m² Quilograma força por metro quadrado

kN Quilo Newton

kPa Quilo Pascal

°C Graus centígrados

H2O Água

SiO2 Sílica

Al2O3 Alumina

Fe2O3 Hematita

SO3 Anidro Sulfúrico

CaO Óxido de Cálcio

Cl Cloro

TiO2 Dióxido de Titânio

K2O Óxido de Potássio

P2O5 Pentóxido de Fósforo

ZnO Óxido de Zinco

Cr2O3 Óxido de Crômio (III)

MnO Óxido de Manganês (II)

SrO Óxido de Estrôncio

ZrO2 Óxido de Zircônio

CuO Óxido de Cobre (II)

PbO Óxido de Chumbo (II)

MgO Óxido de Magnésio

Na2O Óxido de Sódio

V2O5 Pentóxido de Vanádio

KI Iodeto de Potássio

KCl Cloreto de Potássio

H2SO4 Ácido sulfúrico

NaOH Hidróxido de sódio

CO2 Dióxido de Carbono

pH Medida da acidez ou basicidade

Só existem dois dias no ano em que nada pode ser feito.

Um se chama ontem e o outro se chama amanhã, portanto

hoje é o dia certo para amar, acreditar, fazer e

principalmente viver.”

Dalai Lama

22

1. INTRODUÇÃO

1.1 RELEVÂNCIA DA PESQUISA

A gestão e disposição final de Resíduos Sólidos Urbanos (RSU) representa

um grande problema da sociedade atual em todo o mundo. Estima-se que a

população mundial, com mais de 6,6 bilhões de habitantes, esteja gerando entre 2

e 3 bilhões de toneladas de lixo por ano (IPT/CEMPRE, 2010). A destinação

comumente adotada para todo este material, principalmente em países em

desenvolvimento, é a disposição do mesmo em aterros ou lixões. Porém, questões

como escassez ou inexistência de área para a disposição final do lixo, juntamente

com conflitos de uso de solo e operação inadequada de aterros e lixões, causando

poluição do solo e recursos hídricos, se apresentam como uma grande

problemática a ser solucionada. Diante disto, além da prática de reuso e

reciclagem de material, outras alternativas vem sendo propostas e adotadas a fim

de se dar uma destinação ambientalmente correta a todo este resíduo.

Na presente pesquisa apresenta-se a prática que consiste na incineração de

resíduos sólidos urbanos em usinas geradoras de energia elétrica. Como produto

desta atividade, tem-se a redução de volume e tratamento térmico do lixo, porém

também há geração de um subproduto, que são as cinzas volantes e de fundo de

RSU. A presente pesquisa visa propor uma solução para a destinação final dessas

cinzas de RSU, que atualmente ainda são dispostas em aterros sanitários.

A técnica de inserção de materiais alternativos em obras geotécnicas

auxilia na diminuição dos custos das obras, uso de recursos naturais e ainda

incentiva o investimento neste tipo de infraestrutura, podendo assim atender

também parcelas da sociedade que são menos favorecidas. O fato de o solo natural

ser um material complexo e variável, muitas vezes não preenchendo total ou

parcialmente as exigências de um projeto geotécnico, faz com que haja uma

procura por alternativas, sendo uma delas a adequação e modificação do material

23

natural através da melhoria de suas propriedades com a inserção de outros

materiais. Dessa forma, cria-se um novo material com características de

resistência e deformabilidade próprias, que pode ser adequado a tais obras.

Para que sejam concebidos novos materiais, é relevante que se conheçam

as propriedades mecânicas, físicas e químicas de seus materiais constituintes, bem

como das misturas realizadas. O conhecimento do mecanismo de estabilização se

faz importante, uma vez que auxilia no entendimento da resposta da mistura e seu

comportamento mecânico. Tanto as cinzas volantes como as cinzas de fundo de

RSU, podem funcionar como agentes estabilizantes de solos, podendo ser

aplicados em obras geotécnicas, como por exemplo, camadas de aterros sanitários,

aterros sobre solos moles, e estabilização de taludes.

Dentro deste contexto, o presente trabalho busca contribuir para uma

melhor interpretação e compreensão do comportamento de um tipo de solo

arenoso em misturas com as cinzas de RSU, podendo potencializar sua utilização,

e assim dar um fim mais nobre e ambientalmente correto ao material.

1.2 OBJETIVOS

O objetivo principal desta pesquisa consiste em se avaliar o potencial de

utilização das cinzas de RSU, provenientes da Usina Verde S.A, como agente

estabilizante em um solo arenoso, para possíveis aplicações geotécnicas.

Pretende-se alcançar este objetivo através da análise do comportamento

físico, químico e mecânico do solo puro e misturas com duas porcentagens de

cinza de fundo e volante (30% e 40%), a fim de se obter a melhoria dos

parâmetros de resistência dos materiais. Também se pretende estudar misturas

solo arenoso-cinza volante-cal para diversos tempos de cura (0, 60 e 90 dias).

Sabe-se que em geral, solos arenosos sem fração fina, como o caso do material

estudado, não aumentam consideravelmente sua resistência somente com a adição

de cal. Dessa forma, para a estabilização desses solos, a adição da cinza volante

juntamente com a cal, é uma opção para se viabilizar a ocorrência de reações

pozolânicas também neste tipo de solo.

De acordo com o objetivo principal descrito, foram estabelecidos os

24

seguintes objetivos específicos:

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

de RSU e misturas solo-cinza, através de ensaios laboratoriais

normatizados;

Avaliar o comportamento mecânico do solo puro e em mistura com

diversos teores de cinza volante e de fundo, e em mistura com cinza

volante e cal, através de ensaios triaxiais consolidados

isotropicamente drenados (CID), a fim de se obter os parâmetros de

resistência ao cisalhamento dos materiais;

Analisar a influência do tipo e teores de cinzas adicionadas ao solo,

bem como a influência da adição de cal e tempo de cura nas misturas

areia-cinza volante-cal;

Através dos resultados obtidos, concluir se há viabilidade técnica e

ambiental das misturas estudadas, de forma que possam ser

efetivamente utilizadas em tais obras.

1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO

O presente trabalho está dividido em cinco capítulos, de acordo com as

etapas realizadas, iniciando-se com este capítulo introdutório (Capítulo 1),

seguido do Capítulo 2 onde é apresentada uma revisão bibliográfica dos principais

tópicos apresentados no trabalho e de parte da literatura existente sobre cinzas de

RSU, os impactos causados pelo RSU, os estudos e aproveitamento das cinzas de

RSU em projetos geotécnicos e como agentes estabilizantes de solos.

No Capítulo 3, apresenta-se o programa experimental adotado na presente

pesquisa, detalhando-se os materiais, métodos utilizados e ensaios realizados, de

acordo com as normas vigentes.

No Capítulo 4 são apresentados os resultados obtidos através dos ensaios

de caracterização física, química e mecânica, realizados para o solo puro e cinzas

25

volante e de fundo de RSU estudados, analisando-se e comparando-se o

comportamento de todos os materiais e misturas envolvidas na pesquisa.

Por fim, no Capítulo 5, são apresentadas as considerações finais baseadas

na discussão dos resultados e recomendações para continuidade da pesquisa.

Ao final de todo o trabalho apresentam-se as referências bibliográficas

adotadas para realização desta pesquisa.

26

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS

A utilização de resíduos para aplicação em diversos setores construtivos

vem sendo objeto de estudo em todo o mundo, tornando-se uma potencial solução

para a destinação de materiais que antigamente não tinham nenhuma utilidade e

que na maioria das vezes são dispostos incorretamente no meio ambiente.

Dentre os resíduos gerados atualmente em grande escala, se encontram as

cinzas provenientes da queima de diversos materiais, como o carvão mineral em

usinas termelétricas, cinzas de resíduos sólidos urbanos em usinas incineradoras,

cinzas da queima de casca de arroz, de bagaço de cana de açúcar, dentre outras.

Segundo Mallmann (1996), passou-se a existir uma maior preocupação com

o estudo dos efeitos das cinzas sobre o meio ambiente, devido ao seu elevado grau

de toxicidade, a partir da crescente produção destes resíduos nos países que

utilizam a queima de carvão como energia. Diversos estudos como os

apresentados nos trabalhos de Nardi, 1975; Ceratti, 1979; Da Silva, 1982; Zonok

& Chies, 1989; Mallmann, 1996; Fogaça & Ceratti, 1995; Carraro, 1997; Rosa,

2009; Vizcarra, 2010; e Lopes (2011), buscam compreender a influência da cinza

volante como agente estabilizante de solos, destacando, principalmente, o

emprego dos materiais estabilizados em aplicações como bases para pavimentos

ou na produção de blocos destinados à utilização em construção civil.

Nardi (1975) apresenta um histórico detalhado do uso de cinzas e da cal

desde civilizações antigas. Segundo o autor, os chineses usaram a cal e argila para

construir a Grande Muralha da China há aproximadamente 2.000 anos atrás. Os

romanos, séculos antes da era cristã, utilizaram às cinzas vulcânicas provenientes

do vulcão Versúvio, como aditivo às argamassas devido as suas características

pozolânicas (o termo pozolana vem da terra vulcânica de Pozzouli, cidade situada

no sopé do Versúvio).

27

Segundo Nuñes (2007 apud Rosa, 2009), na década de 60 já se utilizavam

as cinzas volantes estabilizadas com cal nos Estados Unidos, Inglaterra, França,

Alemanha, Polônia, antiga URSS, Tchecoslováquia e Iugoslávia. Na Europa o

emprego das cinzas estava relacionado à fabricação de blocos para construções.

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

esta foi incorporada ao concreto, na construção da hidrelétrica de Jupiá. Desde

então, o resíduo tem sido empregado pela indústria de cimento na constituição de

argamassas pozolânicas e obras de pavimentação, por exemplo.

Cinzas provenientes da incineração de resíduos sólidos urbanos também

vêm sendo estudadas para usos como agentes estabilizantes de solos para camadas

de corbetura de rejeitos (Lee et al, 1996 apud Rosa, 2009). O procedimento de

incineração tem sido realizado com o propósito de geração de energia, mas visa,

principalmente, reduzir o volume total de lixo disposto em aterros sanitários.

As pesquisas atualmente realizadas mostram que as cinzas de RSU tem se

constituído em alternativas tecnicamente viáveis para as aplicações citadas, uma

vez que suas características físicas e químicas são semelhantes às cinzas

provenientes da queima de carvão e outras.

2.1.1 Panorama dos Resíduos Sólidos no Brasil

Os resíduos sólidos urbanos (RSU), de acordo com a Lei Federal n°

12.305/10 que instituiu a Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS) – que

estabelece princípios e normas que devem ser adotadas e seguidas pelos

municípios para a destinação do lixo - englobam os resíduos domiciliares, isto é,

aqueles originários de atividades domésticas em residências urbanas e os resíduos

de limpeza urbana (varrição, limpeza de logradouro, vias públicas e outros

serviços de limpeza urbana). De acordo com esta lei, na gestão e gerenciamento

de resíduos sólidos, deve ser observada a seguinte prioridade: não geração,

redução, reutilização, reciclagem, tratamento dos resíduos sólidos e disposição

final ambientalmente adequada dos rejeitos. Esta lei aprova tecnologias que visam

a recuperação energética dos resíduos sólidos urbanos, desde que tenha sido

comprovada sua viabilidade técnica e ambiental, e implantados programas de

monitoramento de emissões de gases tóxicos.

28

De acordo com a Associação Brasileira das Empresas de Limpeza Pública e

Resíduos Especiais (ALBREPE, 2012), 58% do resíduo sólido urbano gerado no

país teve uma destinação final adequada, porém, a quantidade de RSU destinada

inadequadamente cresceu em relação ao ano anterior, totalizando 23,7 milhões de

toneladas (76 mil toneladas diárias) que seguiram para lixões ou aterros

controlados, que do pondo de vista ambiental pouco se diferenciam dos lixões,

pois não possuem um conjunto de sistemas necessários para a proteção do meio

ambiente e da saúde pública. Mesmo com uma legislação mais restritiva, a

destinação inadequada de RSU se faz presente em todas as regiões e estados

brasileiros, sendo um total de 60,2% de municípios que ainda fizeram uso de

locais impróprios para destinação final dos resíduos coletados em 2012. A Figura

2.1 apresenta a participação porcentual das diversas regiões brasileiras no total de

RSU coletado no país em 2012.

Figura 2.1 – Participação das regiões do país no total de RSU coletado em 2012. (ABRELPE,

2012)

A região Sudeste responde por mais de 50% do RSU coletado e apresenta o

maior porcentual de cobertura dos serviços de coleta do país. A pesquisa feita pela

ABRELPE (2012) mostra que só no estado do Rio de Janeiro, foram coletadas

aproximadamente 20.450 toneladas de RSU por dia (1,303 kg/hab/dia) no ano de

29

2012. No Brasil, o RSU total coletado em 2012 foi de aproximadamente 181.288

toneladas por dia, sendo o total gerado calculado em 201.058 toneladas por dia.

A Política Nacional dos Resíduos Sólidos também prevê o fim dos lixões

até 2014 em todos os municípios brasileiros, sendo estes acusados por crime

ambiental caso não cumpram as exigências. Com isso, novos planos de coleta

seletiva, usinas de reciclagem e disposição do lixo têm sido programados, e novas

soluções tem sido procuradas a fim de se estabelecer uma destinação

ambientalmente correta. A Figura 2.2 apresenta a destinação final dada ao RSU

por dia no país.

Figura 2.2 – Destinação final de RSU em toneladas por dia (ABRELPE, 2012).

Diante do panorama e histórico apresentados, observa-se o desafio

enfrentado para o cumprimento das leis vigentes, e a necessidade de alternativas,

que tem sido cada vez mais procuradas. A presente pesquisa apresenta um tipo de

tratamento dado ao RSU, que consiste em sua incineração, e uma alternativa para

a destinação final do produto desta atividade, que são as cinzas volantes e de

fundo de RSU, como agentes estabilizantes de solos para aplicação em obras

geotécnicas, como por exemplo, camadas de aterros sanitários, aterros sobre solos

moles, aterros temporários e estabilização de taludes.

30

2.2 RESÍDUOS SÓLIDOS

A classificação dos resíduos sólidos é o primeiro passo para se determinar

um plano de gestão eficiente. Através de sua classificação, podem-se definir as

etapas de coleta, armazenamento, transporte, manipulação e destinação final, de

acordo com o tipo de resíduo gerado.

No Brasil, as classificações e definições associadas aos resíduos sólidos são

dadas pela norma NBR 10004 (ABNT, 2004), que define resíduos sólidos como

“resíduos nos estados sólido e semi-sólido, que resultam de atividades de origem

industrial, doméstica, hospitalar, comercial, agrícola, de serviços e de varrição.

Ficam incluídos nesta definição os lodos provenientes de sistemas de tratamento

de água, aqueles gerados em equipamentos e instalações de controle de poluição,

bem como determinados líquidos cujas particularidades tornem inviável o seu

lançamento na rede pública de esgotos ou corpos de água, ou exijam para isso

soluções técnica e economicamente inviáveis em face à melhor tecnologia

disponível”.

Apesar da definição oficial de resíduos sólidos ser determinada por

normatização, alguns autores divergem desta, e diversificam este conceito.

Segundo Teixeira et al (1997 apud Faria, 2002), a definição estabelecida pela

norma brasileira é muito ampla e equivoca-se ao incluir líquidos como resíduos

sólidos.

De acordo com a Fundação Nacional da Saúde (2007), resíduos sólidos são

materiais heterogêneos, resultantes das atividades humanas e da natureza, os quais

podem ser parcialmente utilizados, trazendo proteção à saúde pública e economia

de recursos naturais. Para Monteiro et al (2001) resíduo sólido “é todo material

sólido ou semi-sólido indesejável e que necessita ser removido por ter sido

considerado inútil por quem o descarta em qualquer recipiente destinado a este

ato”.

Popularmente, refere-se ao resíduo sólido como lixo, e de acordo com o

IPT/CEMPRE (2010) “denomina-se lixo os restos das atividades humanas,

considerados pelos geradores como inúteis, indesejáveis ou descartáveis.

31

Normalmente, apresentam-se sob estado sólido, semi-sólido, ou semi-líquido

(com conteúdo líquido insuficiente para que possa fluir livremente)”.

2.2.1 Classificação de Resíduos

São diversas as formas possíveis de se classificar o resíduo sólido. De

acordo com Faria (2002), esta classificação varia de acordo com os tipos de

constituintes presentes na composição física do lixo.

Segundo a norma NBR 10004 (ABNT, 2004), a classificação se dá em três

categorias, que objetiva avaliar o risco do resíduo ao meio ambiente e à saúde

pública para que estes possam ser manuseados e dispostos adequadamente. Esta

classificação envolve a identificação do processo ou atividade que lhes deu

origem e de seus constituintes e características, comparando-os com listagens de

resíduos e substâncias cujo impacto à saúde e ao meio ambiente são conhecidos.

As classes previstas são:

a) Resíduo Classe I - Perigoso

São aqueles cujas propriedades físicas, químicas ou infecto-contagiosas podem

oferecer riscos à saúde pública, ocasionando um aumento da mortalidade ou

incidência de doenças irreversíveis ou impedir a reversibilidade das demais, e/ou

gerar perigo ao meio ambiente, quando o resíduo for gerenciado de forma

inadequada. Esta classe de resíduo deverá, portanto, sofrer tratamento ou

acondicionamento adequado no próprio local de produção nas condições

estabelecidas pelo órgão estadual de controle da poluição e preservação ambiental.

Para um resíduo ser enquadrado nessa classe, ele deve estar contido nos Anexos A

ou B da ABNT NBR 10004:2004 ou apresentar uma ou mais das seguintes

características: inflamabilidade, corrosividade, reatividade, toxicidade e

patogenicidade.

32

b) Resíduo Classe II – Não Perigoso

b.1) Classe II A: Resíduo não inerte

São aqueles que não se enquadram nas classificações de resíduo Classe I ou

resíduos Classe II B. Podem apresentar propriedades como biodegradabilidade,

combustibilidade ou solubilidade em água.

b.2) Classe II B: Resíduo inerte

Quaisquer resíduos que não tiverem nenhum de seus constituintes solubilizados a

concentrações superiores aos padrões de potabilidade da água excetuando-se

aspecto, cor, turbidez, dureza e sabor, conforme Anexo G da referida norma. Para

tal análise, os resíduos devem ser amostrados de forma representativa, segundo a

NBR 10007 (ABNT, 2004), e submetidos a um contato dinâmico e estático com

água destilada ou deionizada, à temperatura ambiente, conforme a ABNT NBR

10006:2004.

De acordo com o IPT/CEMPRE (2010), o lixo pode ser classificado por sua

natureza física (seco ou molhado), por sua composição química (matéria orgânica

ou inorgânica), quanto à origem (domiciliar, comercial, varrição e feiras livres,

serviços de saúde e hospitalar, portos, aeroportos, terminais rodoviários e

ferroviários, industriais, agrícolas e entulhos), e pelos riscos potenciais ao meio

ambiente (perigosos, inertes e não-inertes).

De maneira geral, o resíduo sólido urbano (RSU), está inserido na

classificação que utiliza a origem ou fonte geradora como critério.

2.2.2 RSU na cidade do Rio de Janeiro

Devido à variedade de critérios estabelecidos e adotados para classificação

do resíduo sólido urbano, torna-se difícil ter apenas um conceito para este, pois

sua composição varia em função do serviço de coleta realizado em cada região.

Para a cidade do Rio de Janeiro, a Lei n° 3273/2001 que dispõe sobre a

Gestão do Sistema de Limpeza Urbana no Município do Rio de Janeiro, divide os

33

resíduos sólidos em dois grupos: Resíduos Sólidos Urbanos (RSU) e Resíduos

Sólidos Especiais (RSE).

De acordo com a lei citada, os resíduos sólidos urbanos abrangem: (a) Lixo

domiciliar ou doméstico; (b) Resíduos de poda de manutenção de jardim, pomar

ou horta; (c) Entulho de pequenas obras de reforma, de demolição ou de

construção em habitações familiares; (d) Lixo público decorrente da limpeza de

logradouros (avenidas, ruas, praças e demais espaços públicos); (e) Lixo

proveniente de feira livre; (f) Excrementos oriundos da defecação de animais em

logradouros; (g) Lixo de estabelecimentos comerciais, industriais ou de unidades

de trato de saúde humana ou animal, cuja composição seja similar aos

domiciliares. Os resíduos sólidos especiais abrangem: (a) Lixo extraordinário; (b)

Lixo perigoso produzido em unidades industriais e que apresentam potencial risco

à saúde publica e/ou meio ambiente; (c) Lixo infectante resultante de atividades

médico-assistenciais; (d) Lixo radioativo; (e) Lodos e lamas oriundos de estações

de tratamento de águas ou esgoto sanitário; dentre outros.

Para a presente pesquisa, utilizou-se a cinza proveniente da queima de

resíduo sólido urbano da cidade do Rio de Janeiro, cuja composição, em geral,

consiste no que foi apresentado anteriormente.

2.3 RESÍDUO SÓLIDO URBANO E SEU IMPACTO AO MEIO

AMBIENTE E À SAÚDE HUMANA.

Apesar de o Brasil ser um país com mais de 80% da população vivendo em

áreas urbanas, as infraestruturas e os serviços não acompanharam o ritmo de

crescimento das cidades. Nas ultimas décadas, com a rápida industrialização e

urbanização, a produção de resíduos sólidos apresentou um aumento considerável,

que acarretou em sérios problemas ambientais. Os impactos do manejo

inadequado de resíduos sólidos e da limpeza urbana deficiente são expressivos,

quer seja em relação à saúde pública e à qualidade ambiental, quer seja em relação

aos aspectos estéticos e de turismo. Ao mesmo tempo, os resíduos que são

corretamente encaminhados e dispostos em aterros sanitários vêm causando

34

outros problemas, como escassez de espaço devido ao grande volume de material

disposto e redução de vida útil dos aterros.

Tanto a geração, como a composição do resíduo sólido depende de fatores

culturais, hábitos de vida e consumo, situação socioeconômica, nível educacional,

fatores climáticos e sazonais e das características dos grupos populacionais.

A disposição final dos resíduos sólidos é uma preocupação crescente tanto

para a administração pública quanto para os órgãos ambientais. A presença de

metais pesados na composição de determinados resíduos sólidos, o chorume que é

liberado destes por meio de sua degradação, dentre outros fatores, faz com que o

RSU possua elevado potencial contaminante, contribuindo para impactos adversos

ao meio ambiente e consequentemente à saúde da população, quando depositados

de forma inadequada (Fontes, 2008).

A complexidade dos resíduos e a evolução constante dos hábitos de vida

sugerem que as propostas de solução para o problema devem ser maleáveis,

sempre baseadas em princípios de educação ambiental da população, o que a

integrará responsavelmente à construção de medidas técnicas e ambientalmente

corretas (Faria, 2002).

2.3.1 Impactos Ambientais

A proteção do meio ambiente contra as consequências adversas da

disposição de resíduos é um importante problema enfrentado atualmente.

Entre os impactos ambientais negativos que podem ser originados a partir

do lixo urbano produzido, estão os efeitos decorrentes da disposição inadequada

de resíduos sólidos em fundos de vale, às margens de ruas ou cursos d’água. Estas

práticas, que já se tornaram habituais, podem provocar, entre outras coisas,

contaminação de corpos d’água, assoreamento de rios e lagos, enchentes, e

proliferação de vetores transmissores de doenças. Ainda, a poluição visual, o mau

cheiro e contaminação do ambiente somam-se a esses impactos.

35

2.3.2 Impactos à Saúde Humana

Os resíduos sólidos urbanos possuem características biológicas de extrema

relevância, uma vez que em sua massa são encontrados agentes patogênicos e

microrganismos prejudiciais à saúde humana.

O problema sanitário constituído pelos resíduos sólidos ocorre devido ao

seu favorecimento à proliferação de vetores e roedores. Podem ser vetores

mecânicos e agentes etiológicos causadores de doenças, tais como: diarréias

infecciosas, amebíase, salmoneloses, teníase e outras parasitoses, difteria, entre

outros. Estes servem, ainda, de criadouro e esconderijo de ratos, animais esses

envolvidos na transmissão de leptospirose e outras doenças. As baratas que

pousam e vivem nos resíduos sólidos, têm importância sanitária relacionada à

transmissão de doenças por meio de transporte mecânico de bactérias e parasitas

do lixo para os alimentos e pela eliminação de fezes infectadas. Podem, ainda,

transmitir doenças de contágio direto (Fundação Nacional de Saúde, 2007).

Há também a possibilidade de contaminação do homem pelo contato direto

com os resíduos sólidos ou pela massa de água por estes poluídas. Catadores de

lixo sofrem constantemente o risco direto de adquirir alguma doença. Por

disporem de água e alimento, o acumulo de resíduos sólidos em locais

inadequados também serve como ponto de alimentação de animais como cães,

aves, bovinos e possibilita, ainda, a proliferação de mosquitos que se desenvolvem

em água acumuladas em eventuais latas, vidros ou outros recipientes comumente

encontrados. (Fundação Nacional de Saúde, 2007).

Na tentativa de minimizar a quantidade de resíduos sólidos gerados, muitos

países vêm adotando diversas técnicas, sendo a mais comum a reciclagem de

materiais. Uma outra alternativa que em certos países já é adotada, e em outros

está sendo avaliada, é a incineração do resíduo, visto que, além de reduzir a

quantidade de material disposto nos aterros sanitários, durante a combustão do

RSU ocorre a co-geração de energia, devido ao poder calorífico que o resíduo

tem. Através desse processo são geradas as cinzas de resíduo sólido urbano, que

podem vir a ser utilizadas como insumo na indústria da construção civil.

Atualmente, diversas pesquisas tem sido realizadas visando o aproveitamento das

cinzas de RSU.

36

2.4 INCINERAÇÃO DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS

A incineração do lixo é um tratamento eficaz para reduzir o seu volume,

tornando o resíduo absolutamente inerte em pouco tempo, se realizada de forma

adequada. Porém, em geral sua instalação e funcionamento são dispendiosos,

devido principalmente à necessidade de filtros e tecnologia sofisticada para

diminuir ou eliminar a poluição do ar provocada pelos gases produzidos no

processo de queima do lixo (Monteiro et al, 2001).

De acordo com a Fundação Nacional de Saúde (2007), o processo de

incineração deve ocorrer em instalações bem projetadas e corretamente operadas,

para que haja a transformação de materiais e a destruição dos microorganismos

dos resíduos sólidos, visando, essencialmente, à redução do seu volume para 5%

e, do seu peso, para 10 a 15% dos valores iniciais.

Apesar de a técnica reduzir o volume de resíduo sólido urbano e fornecer

energia, esta não é considerada um tipo de disposição final, uma vez que as

escórias (cinzas de fundo) e as cinzas volantes geradas no processo devem,

subsequentemente, receber cuidados quanto ao acondicionamento,

armazenamento, identificação, transporte e destinação, pois apesar dos

organismos patogênicos e compostos orgânicos tóxicos serem eliminados, os

metais pesados continuam presentes nas cinzas. Uma disposição inadequada pode

acarretar lixiviação/solubilização de certos componentes, que podem

posteriormente ser absorvido pelo meio ambiente.

A geração de dioxinas e furanos, produtos tóxicos gerados durante o

processo de incineração de resíduos, devem obedecer aos seus limites de emissões

para a atmosfera, que situam-se entre 0,10 ± 0,04 ng/Nm³ (Fundação Nacional de

Saúde, 2007). É imprescindível a instalação de equipamentos filtrantes/lavadores,

para que os gases e materiais particulados gerados no processo sejam retidos e os

padrões de emissão estabelecidos em legislação sejam obedecidos (Secretaria do

Meio Ambiente, 2010). Atualmente, a tecnologia utilizada pelas usinas opera e

monitora todas as emissões, garantindo os níveis aceitáveis especificados por

norma para cada país.

37

Além da principal vantagem deste processo, que consiste na redução

expressiva do total do volume de material, o que faz com que o tempo de vida útil

dos aterros sanitários seja prolongado e a necessidade de áreas municipais

diminuída, outros aspectos positivos podem ser observados, como:

Redução das quantidades de resíduos perigosos, promovendo a

concentração de poluentes e metais pesados, permitindo a sua

disposição em separado;

Destruição de organismos patogênicos, de produtos tóxicos com

consequente redução do potencial de doenças e de contaminação

do meio ambiente;

Aproveitamento energético do conteúdo do lixo municipal com

geração de energia elétrica.

De acordo com Uieda (2009), dados fornecidos pela Usina Verde – empresa

brasileira que visa apresentar soluções para a destinação final do lixo através do

processo de incineração com recuperação de energia, e a qual forneceu as cinzas

para a presente pesquisa – mostram que as cinzas resultantes desse tipo de

tratamento térmico representam cerca de 8% do total de lixo tratado em peso.

2.4.1 Cinzas de RSU

As cinzas são produtos da incineração e constituem-se da porção inorgânica

e da matéria não-combustível presente no lixo. Há dois tipos de cinzas: as de

fundo que são resultantes da combustão e consistem nos materiais não-

combustíveis (denominadas por alguns autores como escória) e as cinzas

suspensas retidas pelo sistema de controle das emissões gasosas, denominadas de

cinzas volantes. Em geral, a cinza de fundo corresponde de 75 a 90% de toda

cinza gerada, dependendo do tipo das instalações e do tipo de resíduo incinerado

(Caixeta, 2005).

A cinza volante apresenta-se como um resíduo de granulometria fina, que

durante a combustão do resíduo é transportada pelo fluxo de gases. Devido à sua

baixa densidade, elas flutuam até as chaminés, onde são coletadas mecanicamente

ou por precipitadores. Estas cinzas são capazes de desenvolver reações

pozolânicas, e quando misturadas à cal, possuem características propícias à

38

estabilização de solos (Lopes, 2011). Esta cinza é caracterizada por possuir alto

teor de sais solúveis, quantidades significativas de substancias perigosas, como

metais pesados e componentes orgânicos, além de poluentes inorgânicos, por ser

proveniente do sistema de lavagem dos gases (Fontes, 2008).

Os aspectos citados sobre a cinza volante faz com que sua gestão seja uma

das questões ambientais mais importantes relacionadas à incineração de resíduos

sólidos urbanos, e por consequência, ao dispor esse material em aterros sanitários,

deve-se adotar um sistema de impermeabilização adequado ou fazer um

tratamento prévio do material. Cinzas de fundo e volante são muitas vezes

misturadas por razões práticas, formando um resíduo denominado “cinza

combinada”. Essa prática ocorre em alguns países como EUA e Japão (Ferreira,

2003).

Uma vez que a composição do lixo municipal varia no tempo e de país para

país, devido às diferenças culturais e processos de reciclagem de cada lugar, a

composição das cinzas também irão variar. Geralmente, a caracterização química

e física das cinzas irão depender da composição do lixo bruto, condições

operacionais, tipo de incinerador e sistema de controle de poluição do ar (He et al,

2004 apud Lam et al, 2010).

A composição química das cinzas de RSU mostra que os elementos

principais encontrados nestas são Si, Al, Fe, Mg, Ca, K, Na e CL. Além disso,

SiO2, AL2O3, CaO, Fe2O3, Na2O, K2O são óxidos comumente achados nas cinzas,

sendo o CaO o composto mais abundante existente na cinza volante, constituindo

mais de 46% desta, e o composto SiO2 o mais abundante existente na cinza de

fundo, constituindo mais de 49% desta (Lam et al, 2010).

A cinza de fundo, diferentemente da volante, se apresenta como um material

bastante heterogêneo e com uma granulometria mais grossa. De acordo com

Forteza (2004), os elementos presentes em sua composição química faz com que o

material seja similar a materiais geológicos. A fração metálica presente nesta pode

ser recuperada e o restante reutilizado para diversos fins. Alguns autores afirmam

que estas cinzas também podem ser definidas como material pozolanico, embora

ainda não seja reconhecido como tal pelas normas atuais. A Figura 2.3 apresenta

as diferentes frações granulares da cinza de fundo utilizada na presente pesquisa,

que se apresenta similar à descrição feita por outros autores (Caixeta, 2005;

39

Forteza et al, 2004; Becquart et al, 2008; Vizcarra, 2010; Quispe, 2013, entre

outros).

Figura 2.3 – Frações granulares da cinza de fundo de RSU utilizada na presente pesquisa.

Dentre as vantagens da reutilização destes materiais em obras geotécnicas

como aterros sobre solos moles, camadas de aterros sanitários, pavimentação,

construção civil, dentre outras, destacam-se (Lopes, 2011):

Redução da demanda de materiais primários e convencionais;

Redução dos custos energéticos relacionados com a extração e o

transporte de materiais convencionais;

Redução dos custos ambientais associados com a recuperação dos

passivos ambientais gerados pela exploração de jazidas de

materiais convencionais;

Redução dos problemas ambientais e econômicos associados com a

estocagem e disposição final de resíduos;

O processo de incineração e produção tanto das cinzas de fundo, como

volante utilizadas na presente pesquisa, está descrito no Capítulo 3 do presente

trabalho. Ambas as cinzas são provenientes da USINAVERDE, que se localiza no

Rio de Janeiro.

40

2.5 ESTABILIZAÇÃO DE SOLOS

Quando as características dos solos locais não atendem, total ou

parcialmente, os requisitos de projeto exigidos, são consideradas as seguintes

atitudes a serem tomadas (Medina, 1987 apud Vizcarra, 2010):

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 difícil situação);

Estabilizar o solo existente.

De acordo com Vendruscolo (1996), a estabilização de solos é uma técnica

antiga, desenvolvida principalmente para pavimentação, mas que também tem

sido amplamente utilizada em outras áreas, como fundações, contenção de taludes

e barragens.

Denomina-se estabilização de solos, a aplicação de processos e técnicas que

busquem a melhoria das propriedades mecânicas desses materiais. O aumento da

resistência, da rigidez e durabilidade, são algumas das alterações mais importantes

nas propriedades mecânicas do solo (Ingles e Metcalf, 1972 apud Vendruscolo,

1996). De acordo com o autor, a melhoria das propriedades físicas do solo podem

ser obtidas de várias formas, como por exemplo, por compactação, drenagem,

estabilização granulométrica, estabilização por processos físico-químicos,

estabilização térmica, injeções de materiais, dentre outras.

Segundo Baptista (1976).estabilizar o solo consiste em se utilizar um

processo qualquer de forma a tornar este estável para os limites de sua utilização e

ainda fazer com que esta estabilidade permaneça sob as ações das cargas e ações

climáticas variáveis

Vargas (1977 apud Dourado, 2013), define a estabilização de solos como o

processo pelo qual se confere ao solo maior resistência às cargas, ao degaste ou

erosão, através de processo de compactação, correção granulométrica e

plasticidade ou de adição de substâncias que vão lhe conferir uma coesão

proveniente da cimentação ou aglutinação dos grãos.

41

As propriedades de um solo podem ser alteradas por métodos mecânicos,

físicos e/ou químicos, sendo o tipo de estabilização escolhida dependente das

propriedades do solo em seu estado natural, propriedades desejadas para o solo

estabilizado e dos efeitos no solo após estabilização. A escolha por um ou outro

tipo de estabilização também é influenciada pelo custo e finalidade da obra,

podendo ser adaptados e/ou combinados para a solução de um problema (Santos,

2012).

Devido à grande variabilidade de solos, nenhum método de estabilização se

aplica genericamente a todos eles, sendo cada método aplicável (ou não) para um

determinado tipo de solo.

2.5.1 Estabilização Mecânica

De acordo com Santos (2012) os métodos mecânicos são aqueles que

promovem o aumento da densidade do solo, melhorando sua resistência mecânica

e durabilidade; envolvem a redução de volume de vazios do solo in situ através da

energia imposta; promovem o preenchimento dos vazios, reduzindo-se assim os

poros e inibindo a percolação de água e a erosão provocada por esta, aumentando

a durabilidade; promovem ou aumentam a compacidade, tendo-se o acréscimo de

resistência mecânica.

A estabilização mecânica de solos pode ser descrita por dois processos

principais: compactação e estabilização granulométrica. De acordo com Santos et

al. (1995), a 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.

Já a estabilização mecânica por correção granulométrica engloba as

melhorias induzidas em solo pela mistura deste com um ou mais solos e/ou outros

materiais, que possibilitem a obtenção de um novo produto com propriedades

adequadas aos fins de engenharia requeridos Santos et al. (1995).

Na estabilização granulométrica, procura-se obter um material bem

graduado e de percentagem limitado de partículas finas, com a mistura de dois ou

mais solos bem homogeneizada e posterior compactação.

42

2.5.2 Estabilização Física

Na estabilização física as propriedades do solo são alteradas modificando-

se, em geral, sua textura e granulometria. Este método consiste basicamente em se

misturar dois ou mais materiais, de modo que o produto final se enquadre dentro

de uma determinada especificação granulométrica, ou na adição de fibras. Destas

combinações de materiais, surge um produto que agrega as propriedades de suas

fases constituintes, e que é denominado de material compósito (Sales, 2006 apud

Pinto, 2008).

A estabilização granulométrica é feita quando se objetiva alterar as

propriedades do solo para se atingir um objetivo específico, alterando a

distribuição das partículas do mesmo.

Silva (2007) apresenta que a estabilização física do solo também pode ser

realizada por processos classificados como elétricos, que consiste na passagem de

uma corrente elétrica pelo solo que se pretende estabilizar; e por processos

térmicos, que consiste no emprego de energia térmica por meio de congelamento

(solução temporária onde se altera a textura do solo), termo osmose (técnica de

drenagem onde se promove a difusão de um fluido em um meio poroso pela ação

de gradientes de temperatura), e aquecimento (técnica que busca rearranjos na

rede cristalina dos minerais constituintes do solo). De acordo com a autora, os

processos elétricos em solos arenosos saturados envolvem descargas sucessivas de

alta tensão e em solos argilosos são usadas descargas de baixa tensão contínuas

provocando fenômenos de eletro-osmose, eletroforese e consolidação

eletroquímica.

O processo de eletro-osmose consiste em colocar dois eletrodos numa

massa de solo e fazer passar uma corrente elétrica entre eles, promovendo assim a

migração da água presente no solo do eletrodo positivo para o negativo,

diminuindo assim a quantidade de água no solo e permitindo sua consolidação

(Castello Branco, 1978 apud Vizcarra, 2010).

O tratamento por aquecimento consiste na introdução de uma mistura

comprimida de ar muito quente e combustível no solo, através de um tubo

perfurado, sendo o aquecimento obtido por queima de combustíveis ou por

processos elétricos. O congelamento se dá por um processo térmico de

43

resfriamento, que provoca uma estabilização por congelamento artificial da água

intersticial originando um material rígido com elevada resistência (Silva, 2007).

2.5.3 Estabilização Química

A estabilização química dos solos refere-se ao procedimento no qual uma

quantidade de material químico qualquer (aditivo) é adicionada ao solo natural,

para melhorar uma ou mais de suas propriedades de engenharia. Dentre os

estabilizantes mais utilizados têm-se os materiais betuminosos, o cimento

Portland, a cal, as pozolanas, e certas resinas (Santos, 2012).

Para se verificar qual aditivo é mais indicado a ser utilizado na estabilização

de solos, deve-se levar em consideração a granulometria e plasticidade do solo.

Solos com média a alta plasticidade são mais reativos a cal, por exemplo, a qual

aumenta a trabalhabilidade, diminui a expansão volumétrica e aumenta a

resistência (USACE, 1994).

Segundo Pereira (2012), a estabilização química pode ser definida como a

adição de uma ou mais substâncias químicas ao solo, a fim de gerar uma mudança

no seu comportamento quanto ao ganho de resistência e estabilidade às

intempéries. Tais mudanças podem influenciar também na permeabilidade e

deformabilidade, atingindo o objetivo previsto.

De acordo com Sandroni & Consoli (2010), melhorar ou controlar a

estabilidade volumétrica, resistência e propriedades tensão-deformação estão entre

os principais objetivos da mistura de aditivos aos solos. As reações químicas mais

comuns na estabilização são as de troca catiônica com partículas de argilas, além

das reações cimentícias e pozolânicas.

Segundo Medina (1987 apud Soliz, 2007), na estabilização química, como o

nome indica, há uma reação química do aditivo com os minerais do solo (fração

coloidal) ou 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.

44

Ainda 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. Na matriz

descontínua o estabilizador não preenche todos os poros e então podem ocorrer

três modos de ação (Soliz, 2007):

Modificação das características das superfícies das partículas;

Vedação inerte dos poros;

Interconexão entre as partículas de solo-solda por pontos.

Quando utilizada para solos granulares, a estabilização química visa

melhorar sua resistência ao cisalhamento por meio da adição de pequenas

quantidades de ligantes nos pontos de contato dos grãos (Silva, 2007).

A seguir apresentam-se algumas características sobre os tipos de

estabilização química.

2.5.3.1 Solo–Cimento

A estabilização solo-cimento ocorre a partir da hidratação do cimento dentro

dos vazios do solo, sendo o cimento o principal agente.

Sandroni & 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 (com mais de

1-2% de matéria orgânica), os quais normalmente exigem altas porcentagens de

cimento para a obtenção de significativas mudanças nas propriedades mecânicas

das mesmas.

Segundo Vendruscolo (2003), a matéria orgânica tem a capacidade de

retardar ou impedir a hidratação do cimento. Como esta absorve os íons de cálcio,

a adição de cal hidratada pode permitir que o solo seja tratado com o cimento.

Embora qualquer tipo de solo possa ser tratado com cimento, consideram-se

os solos granulares mais indicados que os argilosos, pois conseguem atingir

45

resistências mais elevadas, com menores teores de cimento. Já os solos finos

requerem maiores quantidades de aglomerantes além de serem de difícil

pulverização e mistura (ABPC, 1984 apud Silva, 2007). Dessa forma, de maneira

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.

Das (2001) apresenta que o cimento ajuda a diminuir o limite de liquidez e

incrementar o índice de plasticidade de solos argilosos, da mesma forma que a cal.

Em solos argilosos, a estabilização com cimento é efetiva quando o limite de

liquidez é menor que 45%-50% e o índice de plasticidade é menor do que 25%,

aproximadamente.

A estabilização por cimento pode ser dividida em categorias (Medina, 1987

apud Soliz, 2007):

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 de

pavimentos;

Solo modificado ou melhorado: é um material não endurecido ou

semiendurecido 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 de pavimentos;

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.

Segundo Medina (1987 apud Dourado, 2013), durante o processo de

estabilização do solo com cimento, ocorrem dois tipos de reações: as reações de

hidratação do cimento Portland e as reações entre os argilominerais e a cal

46

liberada na hidratação do cimento. Estas reações podem ser exemplificadas da

seguinte forma:

(1) Reações de hidratação do cimento:

C3S + H2O → C3S2Hx (gel hidratado) + Ca(OH)2

Ca(OH)2 → Ca++ + 2(OH)-

Se o pH da mistura abaixar: C3S2Hx → CSH + Cal

(2) Reações entre a cal gerada na hidratação e os argilominerais do

solo:

Ca++ + 2(OH)- + SiO2 (Sílica do solo) → CSH

Ca++ + 2(OH)- + Al2O3 (Alumina do solo) → CAH

As ultimas reações são chamadas pozolânicas e ocorrem em velocidade mais

lenta. O CSH é um composto cimentante semelhante ao C3S2Hx.

Nos solos granulares desenvolvem-se vínculos de coesão nos pontos de

contato entre os grãos (semelhante ao concreto, porém o ligante não preenche

todos os espaços). Nos solos argilosos a ação da cal gerada sobre a sílica e

alumina do solo resulta no aparecimento de fortes pontos de ligação entre as

partículas de solo. Os solos granulares respondem melhor à estabilização com

cimento porque em solos argilosos a reação da cal gerada na hidratação e os

argilominerais ocasionam uma queda no pH da mistura, afetando a hidratação e o

endurecimento do cimento. Se o pH abaixar, o composto C3S2Hx reage

novamente formando CSH e cal. Como o C3S2Hx é responsável pela maior parte

da resistência da mistura solo-cimento, o aparecimento do CSH é indesejável

quando provém deste composto, sendo benéfico apenas quando origina-se das

reações da cal com os argilominerais. Portanto as reações de hidratação do

cimento são as mais importantes e respondem pela maior parte da resistência final

alcançada para a mistura (Dourado, 2013).

47

2.5.3.2 Solo–Cal

O uso da cal como aditivo no tratamento de solos é o mais antigo método de

estabilização química conhecida, utilizada nas mais variadas aplicações, como a

Via Apia, construída pelos Romanos. Atualmente, a cal está entre os dez produtos

de origem mineral de maior consumo mundial, e vem ganhando ainda mais

expressão devido à quantidade de setores industriais que dela se utilizam, devido

às suas características de reagente químico e aglomerante-ligante.

Pode-se definir solo-cal como o produto resultante da mistura íntima

compactada de solo (geralmente argila), cal e água, em proporções estabelecidas

através de dosagem (USBR, 1998).

De acordo com a USBR (1998), existem diversas denominações para as

misturas onde se tem a adição de cal ao solo, sendo os termos solo estabilizado,

solo melhorado, solo modificado e solo tratado comumente utilizados. Entretanto,

os processos são conceitualmente os mesmos, e o critério para a adoção de uma

ou outra denominação é o grau de alteração das propriedades do solo natural em

função da quantidade de aglomerante aplicado.

A introdução e mistura de cal ao solo objetiva a obtenção de propriedades

como resistência, deformabilidade e permeabilidade adequadas a um determinado

uso de engenharia, quando o solo puro não atende às especificações exigidas. A

estabilização com cal tem sido comumente empregada na construção de estradas

(para uso em base ou sub-base de pavimentos), na proteção de taludes contra a

erosão e em obras hidráulicas.

Segundo Dourado (2013), suas principais funções são:

Melhoria permanente das características do solo;

Aumento da resistência à ação da água;

Melhoria do poder de suporte;

Melhoria da trabalhabilidade de solos argilosos;

Diminuição da expansão de solo;

Alteração granulométrica do solo.

De acordo com Medina (1987 apud Soliz, 2007), as reações entre o solo e

a cal podem ser de duas formas: i) Rápida ou imediata ou ii) Reações lentas.

48

Danimond e Kinter (1972, apud Silvane 2013), apresentam que os dois estágios

de reações são bem definidos, sendo o processo rápido ocorrido de minutos a dias,

podendo atingir meses, e no qual há uma melhora na plasticidade do material, mas

é desenvolvida pouca resistência permanente; e o processo lento ocorrido de

minutos a anos, onde se tem o desenvolvimento da resistência com a formação de

produtos cimentantes.

Na estabilização de solos com cal, inicialmente ocorre a hidratação da cal,

que modifica o pH do solo e provoca a floculação das argilas em função das

reações de troca de cátions. Após essa etapa o material sofre uma redução de

expansão e retração melhorando sua plasticidade. Com o tempo, há a produção de

reações pozolanicas e fenômenos de carbonatação, proporcionando ao material

melhores características geo-mecânicas (Silva, 2007).

Sandroni & Consoli (2010) apontam que a carbonatação ocorre quando o

dióxico 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. A

carbonatação é indesejável, uma vez que reduz a quantidade de cal disponível para

a produção de reações pozolânicas (cimentícias).

A cal misturada com água resulta em cátions livres, os quais podem

substituir outros cátions dentro dos complexos de troca catiônica que ocorrem no

solo. Guimarães (2002 apud Lopes, 2011) assegura que a troca catiônica

promove, após alguns instantes, mudanças nas propriedades físicas do solo, como

a granulometria, Limites de Atterberg, compactação, expansão e capacidade de

suporte. O resultado prático da floculação-aglomeração é a mudança da textura do

solo, uma vez que as partículas de argila unem-se e formam partículas com

maiores dimensões.

Vizcarra (2010) afirma que as reações pozolânicas são similares àquelas que

ocorrem em solos tratados com cimento. É sabido que a cal e a água reagem com

a 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

49

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. Por consequência, as

reações não ocorrerão em solos secos e cessarão em um solo úmido que vier a

secar.

Segundo Soliz (2007) o efeito da cal nas propriedades do solo pode ser visto

sob vários aspectos:

Distribuição granulométrica: há um aumento do tamanho dos

grãos, tanto mais acentuada quanto mais fino o solo natural. A

agregação pode se desfazer em parte quando se embebe o solo-cal

na água, porém muitos agregados tornam-se hidrofóbicos;

Plasticidade: o LP cresce com o uso da cal e o LL tende a diminuir.

O aumento do teor de cal acarreta valores de IP cada vez menores.

O 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: a resistência à compressão simples é o ensaio mais

comumente utilizado.

Quanto maior o teor de cal, maior a troca catiônica e formação de produtos

cimentantes, mas não existe um teor ótimo de cal a ser adotado para todos os

solos, sendo a experiência de campo decisiva para a escolha do teor de cal.

Sandroni & Consoli (2010) relatam que a quantidade de cal necessária para

o tratamento de solos depende das características dos mesmos, de seu uso e das

50

características mecânicas desejadas da mistura. O tratamento de solos com cal

pode ser dividido em duas classes gerais:

Modificação do solo com cal, a qual reduz a plasticidade do solo,

melhora trabalhabilidade, aumenta a resistência de defloculação e

erosão;

Estabilização do solo com cal, a qual fornece aumento permanente

da resistência e rigidez do solo devido à ocorrência de reações

pozolânicas.

A cal tem pouco efeito em solos altamente orgânicos e também em solos

com pouca ou nenhuma quantidade de argila, uma vez que o melhoramento das

propriedades mecânicas é produzido pelas reações entre a cal e os minerais

argílicos. Seu efeito é mais eficiente em solos argilosos, podendo ser mais efetivo

que o cimento em pedregulhos argilosos (Ingles & Metcalf, 1972 apud Lopes

Junior, 2011). A Tabela 2.1 apresenta a previsão da quantidade de cal em função

dos diferentes tipos de solo.

Tabela 2.1 – Previsão da quantidade de cal em função dos diferentes tipos de solo (Fonte:

Ingles & Metcalf, 1972 apud Sandroni & Consoli, 2010)

Tipo de Solo Teor de Cal para

Modificação

Teor de Cal para

Estabilização

Pedra finamente britada 2 a 4 não recomendado

Pedregulho argiloso bem

graduado 1 a 3 ≥ 3

Areias não recomendado não recomendado

Argila arenosa não recomendado ≥ 5

Argila siltosa 1 a 3 2 a 4

Argilas 1 a 3 3 a 8

Solos Orgânicos não recomendado não recomendado

Segundo Rosa (2009), argilas expansivas apresentam uma resposta mais

rápida à adição de cal. Bell (1996 apud Rosa, 2009) constatou um rápido aumento

inicial na resistência à compressão simples de um solo contendo montmorilonita,

com pequenos teores de cal (2 a 3%). Além disso, para o mesmo solo, 4% de cal

foi suficiente para atingir a resistência máxima, enquanto que para um solo rico

em caulinita, a resistência máxima foi atingida com teores entre 4 e 6%.

51

Ingles e Metcalf (1972 apud Rosa, 2009), apresentam um estudo sobre a

influência do tempo de cura e da quantidade de cal aplicada em diferentes tipos de

solos. Os autores observaram que as taxas de ganho de resistência eram maiores

em pedregulhos arenosos, conforme ilustrado na Figura 2.4, e que a resistência a

compressão simples aumenta linearmente com a quantidade de cal até

determinado nível, e a partir deste ponto, a taxa de acréscimo de resistência

diminui com a quantidade de cal, devido à lenta cimentação, conforme ilustrado

na Figura 2.5.

Figura 2.4 – Efeito do tempo de cura sobre a resistência à compressão

simples para alguns solos estabilizados com cal (Ingles & Metcalf, 1972 apud

Rosa, 2009).

52

Figura 2.5 – Efeito do teor de cal sobre a resistência a compressão simples para

alguns solos tratados com cal e curados por 7 dias (Fonte: Ingles & Metcalf, 1972

apud Quispe, 2013)

Silvane (2013) apresenta que uma forma de potencializar a estabilização

com a cal, quando o solo não possui argila suficiente, ou esta não é

suficientemente reativa, è através da substituição do solo por materiais

pozolânicos, como a cinza volante de carvão mineral, RSU, casca de arroz, entre

outras. De acordo com Pinto (1971), o uso de cinza volante misturada com cal,

para estabilização de solos arenosos iniciou na década de 40 nos Estados Unidos,

onde parte de uma auto-estrada de New Jersey foi executada com este tipo de

mistura.

2.5.3.3 Solo-Cinza-Cal

As reações que ocorrem em sistemas constituídos de materiais como solo,

cinza volante, cal e água são relativamente complexas, mas sabe-se que a cinza

volante desenvolve reações pozolânicas e que sua mistura com a cal possui

características semelhantes ao solo-cal. Este tipo de reação ocorre com materiais

que contém sílica e alumina, e que, estando finamente divididos, em presença de

água reagem com a cal. Para que as reações ocorram é necessário que a sílica e

alumina sejam solubilizadas.

53

Segundo Mateos (1961, apud Rosa, 2009), uma idéia geral do fenômeno

físico-químico envolvido é que quando a cal e cinza volante são misturadas ao

solo, parte desta cal se combina com as partículas do solo e outra parte com o

dióxido de carbono presente nas fases ar e água do solo, e a parcela remanescente,

combina-se com a cinza volante, em uma reação de natureza pozolânica. Estas

reações se processam lentamente, produzindo então ação cimentante.

Materiais com acentuadas características pozolânicas estão, seguramente,

entre aqueles mais utilizados para promover mecanismos de melhora e otimização

de desempenho de solos, qualquer que seja sua aplicação (construção de

barragens, obras rodoviárias, elementos de fundações).

Em princípio, solos arenosos sem fração fina, como o caso do material

estudado, não apresentam reações secundárias, não aumentando

consideravelmente sua resistência somente com a adição de cal. Dessa forma, para

a estabilização desses solos, quando a correção granulométrica não é possível (por

falta de outros materiais) ou quando o consumo de cimento é muito elevado

(economicamente inviável), a adição da cinza volante juntamente com a cal,

permite a ocorrência de reações pozolânicas também neste tipo de solo, pois a

cinza disponibiliza sílica amorfa.

Consoli et al (2001), estudando um solo arenoso tratado com cinza volante

e cal de carbureto, verificaram que para uma mesma tensão confinante, o aumento

da quantidade de cal provoca aumento da resistência de pico e diminuição da

deformação na qual o pico é atingido.

Rosa (2009) estudou os parâmetros que possuem influência sobre a

resistência de misturas solo-cinza-cal. Através de ensaios de compressão simples

e medidas de sucção, avaliou-se a influência das variáveis quantidade de cal,

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

um solo estabilizado com cal e cinza volante. Em seu estudo foi utilizado um

arenito da formação Botucatu, com adição de cinza volante (0%, 12,5%, 25%) e

cal (3%, 5%, 7%, 9%), e tempos de cura de 28, 60 e 90 dias. Através de seus

resultados, a autora concluu que o aumento da quantidade de cal e cinza volante,

do peso específico aparente seco e do tempo de cura, provoca o aumento da sua

resistência à compressão simples, sendo que esta resistência cresce linearmente

com o aumento da quantidade de cal e exponencialmente com a redução da sua

54

porosidade. Assim, verificou-se que, a relação vazios/cal, definida pela razão

entre a porosidade da mistura compactada e o teor volumétrico de cal, ajustado

por um expoente, demonstra ser um parâmetro adequado na estimativa da

resistência à compressão simples das misturas estudadas.

Mateos (1961, apud Thomé, 1999) observou que os solos arenosos são os

que mais se beneficiam com a adição de cal e cinza volante e que também não

existe uma proporção ótima de cal e cinza volante para estabilizar todos os solos.

Foram feitos ensaios de resistência à compressão, com amostras utilizando 6% de

cal, 76,5% de areia e 17,5% de cinza volante. Observou-se que a mistura areia-

cinza volante-cal aumentou sua massa específica aparente seca. O aumento da

densidade leva a um aumento na resistência, pois há um contato mais próximo

e/ou aumento de contatos entre as partículas da cal e cinza. Foram estudadas dois

tipos de cinzas, e também observou-se que os tipos de cinzas com maior

superfície específica são mais reativas, levando a um maior aumento da

resistência (Mateos, 1961 apud Mallmann, 1996).

Mallmann (1996) observou que o aumento da energia de moldagem resulta

em um acréscimo de resistência nas misturas solo-cinza-cal. Segundo o autor,

grande parte desse aumento ocorre devido, provavelmente, a um maior número de

reações pozolânicas que se desenvolveram com a aproximação das partículas

devido ao aumento de energia. Estudos mostraram que o tempo de cura é um dos

principais fatores influentes na resistência à compressão simples de corpos de

prova curados à temperatura ambiente (± 21°C).

De acordo com Mateos (1961, apud Thomé, 1999) os fatores que afetam a

estabilização de solos com cinza e cal são: tipo de solo, tipo de cinza, tipo de cal,

efeito de diferentes proporções de cal e cinza, períodos de cura, efeito da energia

de compactação e efeito da temperatura de cura. A Figura 2.6 apresenta um

esquema dos fatores que influenciam nas propriedades dos materiais estabilizados

pozolanicamente de acordo com Nardi (1975).

55

Figura 2.6 – Fatores que influenciam nas propriedades dos materiais estabilizados

pozolânicamente (Fonte: Nardi, 1975).

Carraro (1997 apud Rosa, 2009) ao estudar um solo silto arenoso tratado

com cinza volante e cal de carbureto observou que o teor de cal presente nas

misturas não teve tanta influência sobre os valores médios de resistência à

compressão simples até a idade de 90 dias de cura. Já para 180 dias, o valor da

resistência se mostrou dependente do teor de cal utilizada.

De acordo com Ahlberg & Barenberg (1975 apud Mallmann, 1996), um

dos fatores que interferem na solubilidade do hidróxido de cálcio ao adicionar-se

água no sistema, é a variação da temperatura. Para que ocorra a reação pozolânica,

além da presença de íon cálcio na solução, é importante que haja solubilidade da

sílica presente no material pozolânico, então se torna importante conhecer os

fatores que afetam essa solubilidade.

Silvane (2013) estudou a influência da temperatura de cura no

comportamento mecânico de misturas areia-cinza volante-cal. Foram realizados

ensaios de compressão simples e de tração por compressão diametral em corpos

de prova com 3, 5 e 7% de cal (em massa), com peso especifico aparente seco de

14, 15 e 16 kN/m², curados a 20, 27, 35 e 50°C por 28 dias e com 25% de cinza

volante, a fim de se avaliar a resistência das misturas para diferentes temperaturas

56

devido à natureza endotérmica das reações de hidratação da cal. Foi observado

através dos resultados, que ambas as resistências estudadas aumentam linearmente

com o aumento da quantidade de cal e exponencialmente com a redução de

porosidade, e que a temperatura mostrou ter grande influencia em ambas as

resistências estudadas. Para o ensaio de tração por compressão diametral,

observou-se que a resistência amplia-se 1,6 vezes quando a temperatura de cura

passa de 20°C para 27°C, 1,4 vezes quando é elevada de 27°C para 35°C, porém

não há crescimento relevante de 30 para 50°. Para o ensaio de compressão

simples, observa-se que de 20°C para 27°C há um aumento de cerca de 2 vezes na

resistência, porém a partir desta temperatura não há mais um crescimento

significativo. A autora supõe que a parada no aumento das resistências estudadas

é provavelmente devido à extinção das reações entre a cal e a cinza volante

Behak (2007) estudou o comportamento de um solo sedimentar arenoso

em mistura com cinza de casca de arroz e cal, constatando que as misturas

desenvolveram resistência a tração, demonstrando a ocorrência de reações

pozolânicas. Esta cinza, em conjunto com a cal, possibilitou a produção de um

material significativamente mais resistente e durável e menos deformável que o

solo natural.

Solos estabilizados pozolanicamente, mediante a adição de cinza volante e

cal hidratada, constituem-se em um novo material geotécnico artificialmente

cimentado. O comportamento mecânico deste novo material, entre outras

características, pode diferir daquele que caracteriza o solo natural, sendo

necessária sua avaliação para previsão e compreensão do comportamento de

engenharia que o novo material passa a apresentar.

A estabilização de solos com cinza pesada é mais recente e menos usual,

devido ao fato do material apresentar menor atividade pozolânica quando

comparado às cinzas volantes. Porém, atualmente diversos estudos vêm sendo

desenvolvidos a fim de se avaliar a aplicabilidade desta cinza.

Segundo Dawson et al (1991, apud Farias, 2005), o poder cimentante das

cinzas de fundo está relacionado com o tipo e quantidade de carbonatos presentes

em sua composição química, sendo que, devido aos baixos percentuais de óxido

de cálcio, pode-se esperar um desenvolvimento de reações autocimentantes mais

limitado.

57

2.5.3.4 Solo-Cinza de Carvão

A cinza de carvão é gerada durante o processo de incineração do carvão

em usinas termelétricas, e os dois principais tipos de cinzas resultantes do

processo são a cinza de fundo (bottom ash) e a cinza volante (fly ash).

Tipicamente o carvão é pulverizado e fundido com ar na câmara da caldeira de

combustão, onde imediatamente inflama, gerando calor e produzindo resíduo

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

cinzas mais leves, chamadas cinza volante, permanecem em suspensão nos gases

de combustão. Antes dos gases se esgotarem, a cinza volante é removida por

dispositivos de controle das emissões de partículas.

A cinza volante pode ser definida como resíduo de granulometria fina, e

que constitui um agente efetivo para estabilização química e/ou mecânica dos

solos, modificando sua densidade, teor de umidade, plasticidade, e resistência.

Como grande parte das cinzas volantes no Brasil já possuem reutilização de

diversas formas, após processo de geração e coleta, parte destas são separadas

para análises de parâmetros físicos e químicos, para que se determinem a variação

de suas propriedades e sejam enquadradas aos requisitos aplicáveis (Lopes, 2011).

As cinzas de fundo possuem uma granulometria mais grossa que as cinzas

volantes. Suas propriedades também variam com a composição do carvão, grau de

moagem do beneficiamento na pré-queima e, do sistema de extração e transporte

da cinza após a queima (Goethe, 1990 apud Lopes, 2011). A variação da

granulometria das cinzas de fundo é grande, apresentando maior parte dos grãos

na fração areia e silte e baixos teores de argila, não apresentando plasticidade,

nem coesão.

As cinzas pesadas são, reconhecidamente, materiais com menor atividade

pozolânica do que as cinzas volantes. Este fato pode ser interpretado como uma

justificativa para as cinzas pesadas ainda não possuírem grande índice de

reaproveitamento. Atualmente, a maioria das cinzas de fundo produzidas nas

usinas termelétricas é depositada nas bacias de decantação, diferentemente das

58

cinzas volantes, que são vendidas como matéria-prima para outras indústrias

(Lopes, 2011).

Segundo a ACAA (2014), a cinza volante proveniente da queima de

carvão é praticamente idêntica à composição das cinzas vulcânicas pozolânicas,

ideais para o concreto. Nos Estados Unidos, mais que a metade da produção de

concreto utiliza as cinzas volantes em alguma quantidade em substituição ao

cimento tradicional. São algumas aplicações da cinza volante:

Matérias primas em produtos de concreto e argamassa;

Material de enchimento para aplicações estruturais e aterros;

Ingrediente na estabilização e/ou solidificação de resíduos;

Ingrediente na modificação e/ou estabilização de solos;

Componente de bases de estradas, sub-bases e pavimentos.

Ainda de acordo com a ACAA (2014), fisicamente a cinza de fundo é

caracterizada pela cor cinza a preto, possui grãos angulares e uma estrutura

porosa. A cinza de fundo pode ser usada como substituto a agregados e

geralmente é suficientemente bem graduada em tamanho de partículas para evitar

a necessidade de uma mistura com outros agregados finos para satisfazer os

requisitos. A estrutura porosa da superfície das partículas faz com que esse

material seja menos resistente que os agregados convencionais e mais adequado

pao uso em camadas de base, ou aplicações de misturas a frio, por exemplo. Sua

superfície porosa também faz com que esse material seja mais leve que os

agregados convencionais. São algumas aplicações deste:

Material de enchimento para aplicações estruturais e aterros;

Agregado para uso em bases de estradas, sub-bases e pavimentos;

Agregado em produtos de concreto leve.

São diversos os estudos já realizados com cinzas de carvão. Nardi (1975),

posteriormente complementado por Marcon (1977), comprovaram a viabilidade

da estabilização de areia com cinza volante e cal. Estudos mais recentes foram

desenvolvidos por Thomé (1999), Prabakar et al (2003), Dias (2004), Farias

(2005), Kim et al (2005) Rosa (2009), Lopes (2011), Tastan et al (2011), dentre

59

outros, onde foi analisado o desempenho de solos estabilizados com cinzas de

carvão e aditivos em laboratório.

2.6 APROVEITAMENTO DAS CINZAS DE RSU

O aproveitamento de materiais residuais constitui, atualmente, uma área de

estudo em expansão, principalmente devido às questões de sustentabilidade e

racionalização de recursos naturais envolvidas no tema.

Uma das técnicas de aproveitamento, tanto das cinzas de RSU, como outros

resíduos industriais, é a aplicação destes como estabilização de solos,

proporcionando a melhoria de um material já existente.

A estabilização de solos com cinzas de RSU ainda vem sendo tema de

pesquisas e menos utilizadas na prática quando comparadas, por exemplo, às

cinzas de carvão, devido ao menor número de usinas termoelétricas de RSU.

Contudo, o comportamento relatado sobre seus efeitos e mecanismos de

estabilização é comparável aos das cinzas de carvão, desde que o RSU seja

principalmente composto por matéria orgânica (Vizcarra, 2010).

De acordo com Mangialarde (2001), o reuso do resíduo como agregado

reciclado para a produção de concreto pode ser muito interessante, pois reduz o

consumo de agregados naturais. Por outro lado, suas propriedades químicas e de

lixiviação requerem uma caracterização rigorosa, para que não haja potencialidade

de impactos negativos ao meio ambiente.

De acordo com Ferreira et al (2003), a cinza volante é rica em alguns

elementos e compostos (como metais e sais) e, portanto, tem potencialidade para

ser usada como material bruto. Cada potencial aplicação para a cinza volante

resulta em três vantagens principais: o uso de um material bruto sem nenhum

custo, conservação de recursos naturais e a eliminação de resíduo. Os autores

consideram a existência de três fatores relevantes para se avaliar a potencialidade

da cinza volante em cada aplicação: (1) adequação para o processamento; (2)

desempenho técnico; (3) impacto ambiental.

60

(1) O primeiro fator depende das características físico-químicas das

cinzas volantes, tais como o tamanho das partículas e propriedades

químicas, que podem constituir uma limitação para determinado

processo (embora em alguns casos estas características possam ser

ajustadas em conformidade com os requisitos de processamento);

(2) O segundo fator considera que, mesmo que a cinza volante possa

ser facilmente processada, o produto final não pode ser usado, a

menos que este apresente boas propriedades técnicas;

(3) Por fim, o terceiro fator considerado é o impacto ambiental. A

toxicidade não necessariamente desaparece com a valorização da

cinza volante. Os riscos impostos sobre o meio ambiente, por cada

eventual aplicação, deve ser cuidadosamente considerado, para

que não sejam criadas novas fontes de poluição.

Considerando estes três fatores e as características das cinzas volantes, Ferreira et

al. (2003) apresentam nove potenciais aplicações para o resíduo, agrupando-as em

quatro categorias principais. A Tabela 2.2 apresenta as possíveis aplicações.

Tabela 2.2 - Uso potencial da cinza volante de RSU. (Ferreira et al, 2003).

Categoria Aplicação

Materiais de

Construção

Produção de cimento

Concreto

Cerâmicas

Vidro e cerâmicas de vidro

Geotécnica Pavimentação

Aterros

Agricultura Condicionador do solo

Diversos Absorvente

Condicionamento de lodo

Para fins de obras geotécnicas como a pavimentação, a cinza volante de

RSU pode ser aplicável 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 do solo subjacente e águas subterrâneas por

substâncias lixiviadas da camada de base (Ferreira et al, 2003). Segundo Vizcarra

61

(2010), estudos de viabilidade para substituição de areia por cinza volante em

camadas de base de areia/cimento foram conduzidos por Mulder (1996) e, nestes

estudos, a cinza volante de RSU foi submetida à lavagem com solução de ácido

nítrico e posterior filtração obtendo-se uma redução na concentração de metais.

Observou-se que 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 a aplicação numa base de pavimento,

é ainda mais barato que dispor a cinza volante como material perigoso.

Vizcarra (2010) comenta que uma potencial aplicação da cinza volante de

RSU em estabilização de solos, ocorre como sua substituição à cal ou cimento,

aproveitando-se suas características pozolânicas. Materiais com características

pozolânicas estão entre os mais utilizados para promover mecanismos de melhora

e otimização de desempenho de solos, qualquer que seja sua aplicação

(construções de barragens, obras rodoviárias, elementos de fundações, etc.) (Rosa,

2009). A compreensão das reações é difícil, mas se sabe que a cinza volante

desenvolve reações pozolânicas e que sua mistura com cal tem as mesmas

características de solo-cal.

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

provenientes da queima de carvão mineral em termoelétricas. De acordo com

Pinto (1971 apud Lopes, 2011), a cinza volante (fly ash) é considerada como uma

pozolâna artificial. Sua definição, dada pela norma americana ASTM C618 é:

material silicoso ou silico-aluminoso, que por si só possui pouca ou nenhuma

capacidade de cimentação, porém em forma finamente dividida e na presença de

umidade, reage quimicamente com hidróxidos alcalinos e alcalinos terrosos, a

temperatura ambiente para formar ou ajudar na formação de compostos com

propriedades cimentantes.

O processo de hidratação e reação pozolânica em estabilização de solos

pode ser explicado da seguinte forma: quando a água entra em contato com o

cimento, a hidratação do mesmo ocorre rapidamente. Os principais produtos da

hidratação são os silicatos de cálcio hidratados (CSH), aluminatos de cálcio

hidratado (CAH), silicatos de alumínio de cálcio hidratado (CASH), e cal

hidratada [Ca(OH)2]. Esta hidratação leva ao aumento do valor do pH da água

presente nos poros do material, que é resultado da dissociação do Ca(OH)2. As

62

bases fortes dissolvem a sílica e alumina do solo e cinza volante de maneira

similar à reação entre um ácido fraco e uma base forte. (Saitoh et al, 1985 apud

Horpibulsuk et al, 2012). A sílica e alumina hidratadas em seguida irão reagir

gradualmente com o cálcio e íons liberados a partir da hidrólise do cimento, a

partir de compostos insolúveis (produtos de cimento secundários) e endurecer

com o tempo. Consequentemente, do ponto de vista econômico e ambiental,

alguns resíduos podem ser utilizados juntamente com materiais pozolânicos, como

a cinza volante, para desenvolver um material cimentante (Horpibulsuk et al,

2012).

Segundo Quispe (2013), ao se adicionar cal ou cimento ao solo tem-se a

redução da compressibilidade e aumento da resistência ao cisalhamento do

material, melhorando- se assim suas propriedades de engenharia. A densidade da

cinza volante de RSU é menor que a de outros materiais utilizados

convencionalmente em construções de aterros. Valores típicos de densidade para a

cinza volante de RSU estão na faixa de 1,7 – 2,4, enquanto que pra areia esse

valor é aproximadamente 2,65. Para aplicação como aterro sobre solos moles, por

exemplo, o uso da cinza se torna vantajoso, uma vez que o carregamento imposto

é diminuído, obtendo-se menores recalques.

Em obras geotécnicas como construção de aterros, em geral se utilizam solo

ou pedras como materiais de construção, e faz-se um sistema de drenagem

apropriado. Quando os solos não apresentam as propriedades geotécnicas

desejáveis, é comum se utilizar da prática de estabilização.

Goh e Tay (1993, apud Vizcarra, 2010) investigaram a possibilidade da

utilização da cinza volante de RSU em aplicações geotécnicas, como material de

aterro. Os autores relatam que o material apresenta os pré-requisitos necessários

para este tipo de aplicação, possuindo alta resistência e permeabilidade,

característica típica de materiais granulares, e menor densidade quando

comparado com os materiais convencionais. Também avaliou-se a possibilidade

de utilização da cinza volante em estabilização do solo, observando-se que as

misturas solo-cinza volante apresentaram menor compressibilidade e aumento da

resistência ao cisalhamento quando comparado com outros solos não tratados.

Através de ensaios de compressão não confinada, observou-se mudança na

resistência ao cisalhamento não drenada, que sofreu acréscimo com o tempo e

63

com o aumento no teor de cinza volante de RSU. Dos resultados de seus ensaios,

os autores sugerem que: (1) a cinza volante poderia ser utilizada 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, a

fim de se adquirir resistências maiores.

O principal problema referente ao uso da cinza de resíduo sólido urbano em

aterros é o mesmo citado anteriormente para aplicação em camadas de

pavimentos, que consiste na possibilidade de contaminação do solo e das águas

subterrâneas. Para avaliar a periculosidade deste material, Goh e Tay (1991, apud

Ferreira et al, 2003) compararam ensaios de lixiviação realizados para a cinza

volante de RSU pura e estabilizada com cal/cimento. Eles observaram que o

produto lixiviado da cinza volante pura não atendeu às normas de qualidade de

água potável e que a cinza volante estabilizada com cal/cimento apresentou

valores menores, não se detectando concentrações tóxicas. Porém, eles limitaram

seu estudo à análise somente da cinza volante pura de RSU, não observando o que

aconteceria com misturas solo-cinza volante, o que poderia dar uma indicação

mais precisa do comportamento de lixiviados de aterros construídos com esses

materiais. Uma das soluções que diversos autores propõem para o problema da

lixiviação de metais pesados é o tratamento prévio da cinza, através de lavagem.

Mangialardi (2001) utilizou a cinza volante de RSU não para fins

geotécnicos, mas também avaliou resultados da cinza com e sem pré-tratamento.

O autor aplicou a cinza volante como agregado para a produção de concreto, e em

seu estudo obteve como resultado que a cinza volante sem pré-tratamento não foi

adequada para ser utilizada como agregado, já a cinza que recebeu o tratamento

apresentou bons resultados e potencialidade de uso em concretos. De acordo com

o autor, a modificação da composição química da cinza volante de RSU através de

um tratamento de lavagem preliminar, representa um modo efetivo de melhorar as

características químicas e mecânicas do material.

Lam et al (2010) apresenta três métodos de tratamento que podem ser

utilizados com o objetivo de adequar os resíduos à reutilização e reduzir os

impactos ambientais, estes são: processo de separação, solidificação/estabilização

e métodos térmicos. Na prática, é comum se iniciar o tratamento das cinzas por

técnicas de separação, que consistem em melhorar a qualidade do resíduo através

64

de técnicas que incluem sua lavagem, processo de lixiviação e técnicas

eletroquímicas, seguindo-se seu beneficiamento com o tratamento térmico e

finalizando com a solidificação/estabilização. Este último se refere aos processos

que utilizam algum aditivo para imobilizar química e/ou fisicamente o conteúdo

perigoso presente nas cinzas.

Tastan et al (2011) estudaram a efetividade e os fatores que afetam o grau

de estabilização de solos orgânicos estabilizados com cinza volante. De acordo

com os autores, a construção de rodovias sob solos orgânicos pode ser

problemática, uma vez que estes em geral apresentam baixa resistência ao

cisalhamento e alta compressibilidade. Uma das soluções adotadas nestes casos, é

a remoção do solo e substituição deste por outro material, o que constitui um

procedimento dispendioso. Uma alternativa que se apresenta é a estabilização

química deste tipo de material. Dentre os ensaios realizados, os autores

apresentam resultados de ensaios de compressão não confinada realizados em

diversas misturas de solo-cinza. Foram utilizados três tipos de solos orgânicos e

seis tipos de cinza volante, e para todas as misturas estabilizadas com cada tipo de

cinza volante, os resultados de resistência se apresentaram significativamente

melhores que para o solo orgânico puro.

Em relação à cinza de fundo, sua maior aplicação tem sido em base de

rodovias ou aterros. Na Europa, este resíduo já é amplamente utilizado como

substituto de agregados, consequentemente, atualmente já existe uma base de

dados maior sobre suas propriedades físicas e químicas (Chandler et al 1997). Na

Alemanha, Dinamarca e Holanda, mais que 50% da cinza de fundo de RSU

gerada, é utilizada como material de base para rodovias e aterro. Nos Estados

Unidos sua utilização ainda não foi bem estabelecida, contudo, projetos

experimentais significativos têm sido desenvolvidos, nos quais as cinzas de fundo

são utilizadas como substitutos de agregados em misturas asfálticas, material de

sub-base para construção de estradas, aterros e aplicações marinhas (erosão

costeira) (Forteza et al, 2004).

Chandler et al (1997) destacam a importância de se avaliar a composição da

cinza de fundo bruta, pois dessa forma as comparações entre o resíduo, e outros

materiais utilizados como agregados, pode ser realizada. A determinação da

composição bruta geralmente envolve sua classificação visual, medição do teor de

65

água, avaliação da concentração de materiais ferrosos, dentre outros aspectos, que

são considerados como descrição da cinza de fundo bruta, e indica a qualidade

física e ambiental geral da cinza

Forteza et al (2004) realizaram uma análise física e química detalhada das

cinzas de fundo de RSU visando avaliar seu potencial de reuso. Seus resultados

indicaram que o uso deste resíduo para construção de estradas é praticável tanto

do ponto de vista ambiental como das propriedades estruturais do material. Eles

apresentam que em qualquer caso de efetiva utilização do material, alguns

aspectos devem ser considerados. Primeiramente, a cinza de fundo de RSU

apresenta tanto uma alta heterogeneidade, como variabilidade, que seus resultados

não podem garantir o comportamento da cinza em qualquer momento e sob

qualquer condição, sendo necessário, portanto, um contínuo controle das

principais propriedades químicas e de engenharia do material. Em segundo lugar,

a partir de alguns resultados eles puderam deduzir que uma gestão mais rigorosa

de coleta seletiva poderia dar origem a uma alteração significativa na composição

da cinza de fundo. Assim, uma redução da quantidade de vidro incinerado iria

reduzir o volume da cinza de fundo, a qual possui o vidro como componente

dominante. Eles destacam que com esse maior controle a cinza de fundo resultante

se tornaria um pó fino e as aplicações a serem consideradas seriam moderadas.

Por fim, os autores afirmam que o comportamento da cinza de fundo, em

pavimentação e em condições reais pode ser apenas avaliado através da realização

de seções experimentais, onde o comportamento a longo prazo tem que ser

também considerado.

Com o objetivo de descrever mais detalhadamente o comportamento

mecânico de cinzas de fundo de RSU para aplicação em camadas de pavimentos,

Becquart et al (2008) realizaram uma larga campanha experimental, que incluiu

ensaios e carga cíclica, oedométricos, e de cisalhamento triaxial. A cinza de fundo

foi estudada individualmente, sem e com um tratamento específico a base de

utilização de um agente ligante específico. Os resultados revelaram um

comportamento mecânico similar à materiais densos convencionais (areias,

materiais granulares não cimentados) e dependente da pressão média aplicada,

característica do comportamento mecânico de meios granulares. Os autores

destacam algumas características mecânicas observadas, como: elevada rigidez,

66

baixo índice de compressibilidade, e elevado ângulo de atrito, que está

relacionado principalmente ao embricamento dos grãos. Todas essas

características dão ao material uma aplicação semelhante ao cascalho natural,

classicamente utilizado em pavimentação. Os resultados para o material tratado

com teores de cimento variando de 1 a 5% seguiram as mesmas tendências

observadas em materiais que possuem uma base cimentante, cujo comportamento

se apresenta mais frágil. Os ângulos de atrito interno aumentaram tanto para

resistência de pico, como para grandes deformações, sendo estes parâmetros

dependentes do teor de cimento. Os autores destacam que a realização de ensaios

laboratoriais, como triaxiais, em cinzas de fundo representa um procedimento

delicado, devido à grande presença de pedaços de vidro angulares no material, que

podem levar a perfuração da membrana durante o ensaio.

Vizcarra (2010) utilizou cinzas volantes e de fundo de RSU provenientes da

mesma usina incineradora de resíduos do presente estudo (USINAVERDE). Seu

estudo teve como objetivo avaliar a aplicabilidade das cinzas de RSU para uso em

base de pavimentos rodoviários, através de misturas destas com um solo não-

laterítico regional. Foram realizados ensaios de caracterização física, química e

mecânica para o solo puro e para o mesmo com a adição de diferentes teores de

cinzas (20 e 40%). Ensaios ambientais de lixiviação e solubilização também

foram realizados, visando avaliar sua aplicabilidade do ponto de vista ambiental,

de forma a garantir a não periculosidade do material. Através destes, o autor

classifica ambas as cinzas como Resíduo Classe IIA – Não Inerte, o que as

classifica como resíduo não perigoso, mas devido ao fato de serem não inertes,

seria necessário um acompanhamento quando aplicadas em campo. As misturas

com inserção de cinzas apresentaram um comportamento mecânico compatível

com as exigências de um pavimento típico de baixo volume de tráfego. Através de

ensaios de módulo de resiliência o autor conclui que os resultados são

dependentes do teor de cinza, e esta pode melhorar ou piorar o comportamento do

solo. A adição da cinza ao solo influenciou favoravelmente em seu

comportamento, diminuindo sua expansibilidade, sendo que a adição de 40% de

cinza chegou a diminuir esta característica em até 0,5%. Os melhores resultados

obtidos foram em misturas com a cinza volante.

67

Fontes (2008) avaliou a potencialidade de aplicação da cinza volante de

RSU como aditivo mineral em concretos de alto desempenho e argamassas. Em

seus resultados, observou-se que a utilização deste resíduo proporciona melhoria a

todas as propriedades dos concretos, e além disso, os metais pesados presentes

nestes ficaram retidos nas matrizes cimentícias. A argamassa testada contendo a

cinza volante apresentou resultados mecânicos, físicos e de durabilidade

superiores à referência, o que poderia estar relacionado à ação física de

refinamento dos poros pela cinza. Assim como Vizcarra (2010), Fontes (2008)

realizou ensaios de lixiviação e solubilização na cinza utilizada, classificando-a

como Resíduo Classe II A – não inerte.

Ubaldo et al (2012) analisou a adição das cinzas volantes de RSU para

estabilização química de um solo residual com baixa capacidade de suporte. Os

autores relatam que, por apresentar teores médios de SiO2, Al2O3 e Fe2O3, elevado

teor de CaO e baixo teor de matéria orgânica, a cinza influencia favoravelmente o

mecanismo de estabilização química. Avaliou-se a influência da cinza na

resistência mecânica das misturas sobre dois aspectos: i) variando-se o tempo de

cura da mistura após a compactação e ii) variando-se o intervalo de tempo entre a

homogeneização da mistura e sua compactação. Segundo os autores, a qualidade

na estabilização da mistura solo-cinza volante depende muito das características

da cinza e do tipo de solo. Em relação à influência do tempo de cura do corpo de

prova moldado com solo-cinza volante de RSU, observou-se que a cinza funciona

como agente químico para estabilização do solo, aumentando a resistência

mecânica da mistura realizada tanto com solo argiloso, como com solo arenoso.

Quispe (2013) avaliou o comportamento de um solo argiloso estabilizado

com cinzas de RSU também provenientes da mesma usina do presente estudo.

Foram realizados ensaios de caracterização física, química e mecânica. Através de

ensaios triaxiais estáticos, analisou-se a influência dos dois tipos de cinzas, do teor

utilizado (20, 30 e 40%) e do tempo de cura (0, 30 e 60 dias) nos parâmetros de

resistência do material. Através de seus resultados, o autor conclui que todas as

misturas solo-cinza apresentam melhoria nos parâmetros de resistência, quando

comparados com o solo puro, sendo que as misturas solo-cinza volante

apresentam os melhores resultados. As misturas com 40% de cinza volante e 30%

de cinza de fundo apresentaram as melhores características de resistência e

68

poderiam ser utilizadas como estabilizante no solo estudado, cumprindo

exigências geotécnicas e ambientais. Com relação ao tempo de cura, o autor

observou que na maioria dos casos houve uma melhora do comportamento das

misturas solo-cinza em comparação ao obtido sem cura. O teor de cinza (volante

ou de fundo), tempo de cura e a tensão de confinamento influenciam na

deformação volumétrica das misturas solo-cinza, apresentando menores

deformações volumétricas para maiores teores de cinza e maiores tempos de cura.

Através da realização de ensaios físicos, químicos e mecânicos, Dourado

(2013) estudou as cinzas de fundo de RSU para aplicação em obras de

pavimentação. Para tal, foram testadas misturas da cinza de fundo a um solo

granular inadequado para uso como material de fundação em pavimentos. Foram

analisados o solo puro, misturas solo-cinza de fundo (20 e 40%) e solo-cinza de

fundo-cal (20% de CF e 3% de cal). Observou-se que as misturas de solo-cinza de

fundo apresentaram comportamento semelhante ao do solo puro, o que pode estar

relacionado ao baixo grau de pozolanicidade das cinzas de fundo, atuando, então,

somente como melhoria granulométrica. A adição de cal mostrou um aumento

considerável nos parâmetros estudados, quando comparado ao solo puro e outras

misturas.

2.7 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Na revisão bibliográfica do presente estudo, foi mencionada a problemática

atual sobre a geração e disposição de resíduos sólidos urbanos (RSU) no Brasil,

bem como seus impactos quando não há se tem o gerenciamento correto do

mesmo. Além disso, apresentou-se uma das soluções adotadas atualmente para o

tratamento do RSU, que consiste em sua incineração, e os produtos resultantes

desse processo, que são as cinzas volante e de fundo de RSU. É dada ênfase às

pesquisas e possíveis aplicações das cinzas de RSU e aos diferentes métodos de

estabilização de solos, onde pode-se aplicar as cinzas, comparando-as com outros

aditivos estabilizadores, como cal, cimento e cinzas de carvão. A maioria dos

estudos já realizados com cinzas de RSU visam sua utilização para obras de

69

pavimentação, mas existem também outras aplicabilidades a serem estudadas,

como o uso destes materiais para uso em aterros sobre solos moles, camadas de

aterros sanitários, estabilização de taludes, dentre outras. Nesta revisão relataram-

se também pesquisas de diversos autores que vêm sendo realizadas, e em diversos

países. Através das pesquisas já realizadas, a utilização de cinzas de RSU em

obras geotécnicas tem se mostrado viável, contribuindo para um menor custo das

obras e uma destinação ambientalmente correta para o resíduo. Vale ressaltar que

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

imprescindível a realização de ensaios de caráter ambiental, para se garantir a

aplicabilidade do mesmo.

70

3. PROGRAMA EXPERIMENTAL

O programa de ensaios estabelecido teve como principal objetivo identificar

o efeito da adição de dois tipos de cinzas de RSU nas propriedades de resistência

e deformabilidade de um solo arenoso, bem como analisar a influência destas na

presença de cal. Para tal, foram feitas misturas areia-cinza e areia-cinza-cal,

variando-se as porcentagens das cinzas estudadas e aplicando-se 3% de cal nas

misturas onde esta foi utilizada. Para as misturas com cal, também se objetivou

analisar a influência do tempo de cura nas propriedades dos materiais. Para as

misturas solo-cinza-cal adotou-se tempos de cura de 0, 60 e 90 dias.

Dessa forma, primeiramente foram realizados ensaios de caracterização

física do solo puro e misturas, com o intuito de se obter os índices físicos de todos

os materiais envolvidos na pesquisa e evidenciar os parâmetros que possam se

correlacionar com o real desempenho mecânico destes. Posteriormente, foi

realizado o estudo do comportamento dos materiais através dos resultados dos

ensaios de caracterização mecânica, que consistiram em ensaios triaxiais

consolidados isotropicamente drenados (CID).

As etapas propostas para este programa experimental, assim como os

materiais utilizados na presente pesquisa, e métodos de execução dos ensaios e

equipamentos utilizados serão descritos a seguir.

Para o desenvolvimento deste programa experimental, os ensaios foram

realizados no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da Pontifícia

Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio).

3.1 MATERIAIS UTILIZADOS

Foram utilizados quatro tipos de materiais distintos, sendo estes: solo

arenoso (A), cinza volante (CV), cinza de fundo (CF) e cal. Trabalhou-se com

estes materiais puros e misturas decorrentes destes com diferentes teores de cinzas

71

e um teor de cal determinado em 3%. É sabido que mesmo pequenas porcentagens

de cal já influenciam significativamente no comportamento mecânico de

materiais, desta forma, optou-se pela utilização de uma porcentagem mínima

observada em pesquisas anteriores.

3.1.1 Solo Arenoso

O solo arenoso (Figura 3.1) utilizado na presente pesquisa é procedente da

praia da Barra da Tijuca, localizada na zona oeste da cidade do Rio de Janeiro-RJ.

A coleta do material foi realizada entre os postos 5 e 6, em frente ao condomínio

Beton. Para realização da coleta, procedeu-se a escavação de uma trincheira com

cerca de 40 cm de profundidade a fim de se evitar que eventuais impurezas

também fossem coletadas, e armazenou-se o solo em sacos plásticos. Os

resultados da caracterização deste material são apresentados no capítulo seguinte.

A Figura 3.2 ilustra o local de coleta do material.

Figura 3.1 – Solo arenoso em estudo.

72

Figura 3.2 – Local de coleta do material na praia da Barra da Tijuca - RJ.

3.1.2 Cinza Volante e Cinza de Fundo

A cinza volante e a cinza de fundo são provenientes da incineração do

resíduo sólido urbano (RSU) na Usinaverde, que se localiza na Ilha do Fundão –

Rio de Janeiro-RJ.

A incineração e coleta foram realizadas no mês de Abril/2013. As Figuras

3.3 e 3.4 ilustram a cinza volante e a cinza de fundo de RSU, respectivamente.

Pode-se observar a presença de um material mais grosseiro e restos de resíduos

como pedaços de vidro, fios de ferro, pilhas, azulejo, etc, na cinza de fundo.

Devido à presença destes materiais grosseiros, a cinza de fundo foi destorroada e

passada na peneira #4 (4,74 mm) anteriormente ao início de todos os ensaios

descritos adiante.

Ambas as cinzas foram recebidas úmidas, armazenadas em sacolas plásticas.

73

Figura 3.3 – Cinza Volante de RSU.

Figura 3.4 – Cinza de Fundo de RSU.

3.1.2.1 A Produção de Cinzas de RSU

A Usinaverde se localiza na Cidade Universitária da UFRJ – Ilha do Fundão

– Rio de Janeiro-RJ, e tem como objetivo apresentar soluções ambientais para a

destinação final de resíduos sólidos urbanos e industriais, através do processo de

incineração com recuperação energética e tratamento dos gases de combustão.

O RSU utilizado na Usinaverde é coletado pela Companhia Municipal de

Limpeza Urbana do Rio de Janeiro (COMLURB), e provém dos bairros

adjacentes à Ilha do Fundão. Após coleta, o lixo é levado para uma usina de

triagem localizada no bairro Caju/RJ, e daí é separado o material que será levado

para incineração. Todavia, ao chegar à Usinaverde, o material passa por uma

segunda etapa de triagem, onde materiais recicláveis que, eventualmente, não

74

tenham sido separados na primeira fase de triagem, são segregados. Neste

processo, são ainda reciclados aproximadamente 5% do montante de resíduos que

chegam à Usinaverde, sendo o restante destinado à incineração.

3.1.2.2 Processo de Incineração

A descrição do processo de incineração aqui apresentado baseia-se em

Fontes (2008), que utilizou as mesmas cinzas de resíduo sólido urbano aqui

estudadas, e em informações fornecidas pela própria Usinaverde para execução do

presente trabalho.

O RSU recebido em caminhões basculantes, é descarregado na moega da

balança, onde tem sua vazão de descarga controlada. O RSU que sai da balança

passa num tambor rotativo, onde é fragmentado e homogeneizado para facilitar a

coleta manual de recicláveis sobre uma esteira transportadora. Após a coleta, os

resíduos (matéria orgânica e resíduos combustíveis não recicláveis) passam por

um detector metálico e são encaminhados através de uma esteira elevatória para

dentro do forno de incineração, que opera a uma temperatura sempre maior que

850ºC. 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 dos gases de combustão com geração de vapor

superaquecido de alta temperatura e pressão que é usado no acionamento de um

turbogerador para geração de energia elétrica.

Após a caldeira, os gases são aspirados através de um filtro de mangas, onde

a totalidade das cinzas volantes é retirada dos gases de combustão e recolhida em

caçambas para posterior destinação. Na saída do filtro de mangas, após passarem

pelo exaustor de gases são injetados nos lavadores, onde em contato com águas de

lavagem alcalinizadas têm seus componentes ácidos removidos e são lançados na

atmosfera através da chaminé.

Ao final do processo de incineração são obtidos 15%, em massa, das duas

cinzas, que representam cerca de 80% de cinza pesada e 20% de cinza volante.

75

Atualmente, ambas as cinzas estão sendo estudadas para se avaliar sua

aplicabilidade, em obras como pavimentação e em fabricação de tijolos e pisos,

por exemplo. Anteriormente, ambas as cinzas eram encaminhadas ao aterro

sanitário de Gramacho.

3.1.3 Cal

A cal utilizada nas misturas deste estudo é a cal hidratada calcítica, do tipo

CH-III, conhecida comercialmente por “Cal Hidratada Itaú”, da Votorantim

Cimentos, cuja composição consiste em um pó fino na forma de hidróxido de

cálcio e magnésio. Sua fabricação é feita segundo as exigências da NBR

7175/2003 – Cal Hidratada para Argamassas. Na Tabela 3.1 estão apresentados os

dados técnicos fornecidos pelo fabricante, de acordo com as exigências da norma.

Na presente pesquisa não foi feito nenhum ensaio de caracterização

particular da cal utilizada, acreditando-se que o lote comercial empregado atende

os requisitos da especificação. A cal foi adquirida em Abril de 2013 em saco de

20kg e durante todo o estudo foi utilizada a mesma amostra.

76

Tabela 3.1 - Exigências físicas e químicas da cal (Fonte: Sandroni & Consoli, 2010)

Tipo da Cal CH I CH II CH III

Exigência Físicas

Finura (% Retido

Acumulado)

Peneira 0,6mm

(máx) 0,50% 0,50% 0,50%

Peneira 0,075mm

(máx) 10% 15% 15%

Retenção de Água (mín) 75% 75% 70%

Incorporação de Areia (mín) 3,00% 2,50% 2,20%

Estabilidade ausência de cavidades ou protuberâncias

Plasticidade (mín) 110 110 110

Exigências Químicas

Anidrido

Carbônico (CO2)

Fábrica (máx) 5% 5% 13%

Depósito (máx) 7% 7% 15%

Óxidos de Cálcio e Magnésio não

hidratado calculado (CaO +MgO)

(máx)

10% 15% 15%

Óxidos totais na base de não voláteis

(CaOt + MgOt) (mín) 90 88 88

3.1.4 Água

A água utilizada na preparação das misturas para realização dos ensaios

triaxiais foi proveniente da rede pública de abastecimento da cidade do Rio de

Janeiro. Já para os ensaios de caracterização física, utilizou-se água destilada,

conforme especificações em normas.

3.1.5 Misturas Solo-Cinza

Para realização dos ensaios e preparação das misturas, tanto o solo como as

cinzas foram secados em estufa a 60°C e logo após armazenados e etiquetados em

sacos plásticos bem vedados e mantidos na câmara úmida. Para preparação das

misturas solo-cinza, calculou-se a quantidade de cada material individualmente

em relação a massa seca total que seria utilizado. Após a mistura a seco,

realizaram-se os ensaios de caracterização física, química e mecânica como

descritos mais adiante. Para os ensaios mecânicos, adicionou-se a quantidade de

77

água necessária para se obter a umidade determinada para o ensaio, e logo depois

armazenou-se o material em sacos plásticos, a fim de se preservar a umidade

deste. As porcentagens de cinza volante e de fundo utilizadas foram de 30% e

40%.

A determinação das porcentagens de ambas as cinzas utilizadas foram

baseadas nas pesquisas feitas por Vizcarra (2010), que avaliou a influência das

cinzas de RSU em mistura com um solo regional, submetido a um carregamento

dinâmico, para aplicação em base de pavimentos rodoviários, encontrando

melhores resultados quando utilizado 40% de cinza volante; e Quispe (2013), que

avaliou a influência das mesmas em mistura com um solo argiloso, submetido a

um carregamento estático, tendo como principal objetivo avaliar a influência

destas misturas para possíveis aplicações em obras geotécnicas, encontrando

melhores resultados para cinza volante em 40% e cinza de fundo em 30%.

A determinação da umidade a ser utilizada nos ensaios foi feita através do

ensaio de cisalhamento direto no solo arenoso puro. Foram feitos ensaios com o

solo apresentando 5, 10, 15 e 20% de umidade, obtendo-se melhor resistência do

material quando este apresentava 10% de umidade. Dessa forma, determinou-se

esta porcentagem para realização do ensaio em todas as misturas e solo puro.

3.1.6 Misturas Solo-Cinza-Cal

O teor de cal adotado foi de 3%, em substituição ao peso seco das cinzas.

Todo o processo para realização dos ensaios e preparação das misturas se deu

igualmente às misturas solo-cinza. A Tabela 3.2 apresenta as siglas que

descrevem os materiais utilizados na presente pesquisa.

78

Tabela 3.2 – Símbolos utilizados para os solos e misturas.

Material/Mistura % Solo

% Cinza

Volante

(CV)

% Cinza

de Fundo

(CF)

Cal Símbolo

Solo Arenoso 100 - - - A100

Mistura 1 70 30 - - CV30A70

Mistura 2 60 40 - - CV40A60

Mistura 3 70 - 30 - CF30A70

Mistura 4 60 - 40 - CF40A60

Mistura 5 70 27 - 3 CV27Cal3A70

Mistura 6 70 27 - 3 CV27Cal3A70_PM

Para as misturas com tempos de cura de 0, 60 e 90 dias foram adicionadas

as siglas T0, T60 e T90, respectivamente. Para as misturas pré-moldadas (Método

2 apresentado na Figura 3.14), adicionou-se ainda a sigla PM ao símbolo desta.

A Mistura 6 possui a mesma composição que a Mistura 5, e ambas foram

submetidas a tempo de cura, porém se diferem no modo de moldagem do corpo de

prova. Os métodos de moldagem serão descritos a seguir no item 3.2.3.

3.2 MÉTODOS E PROCEDIMENTOS DE ENSAIO

Serão apresentadas a seguir todas as etapas referentes aos ensaios realizados

neste trabalho, bem como a descrição detalhada dos procedimentos utilizados, e

normatização seguida para realização destes.

O objetivo da realização deste programa experimental foi o de se obter a

caracterização física, química e mecânica do solo e misturas solo-cinza e solo-

cinza-cal, avaliando-se seu comportamento através de ensaios triaxiais

consolidados isotropicamente drenados e se obtendo seus parâmetros de

resistência, para se avaliar a aplicabilidade das cinzas de fundo e volante como

estabilizantes do solo em estudo. Foram determinados diversos teores para o

resíduo com o intuito de se analisar a melhoria ou não dos parâmetros de

resistência de cada tipo de material, a fim de se estabelecer uma melhoria máxima

com o maior volume de resíduos, visto que um dos maiores objetivos aqui

79

apresentados é se dar uma destinação ambientalmente correta à maior quantidade

possível desse material.

Abaixo são apresentados os ensaios laboratoriais realizados para

caracterização física e mecânica dos solos e misturas estudadas:

a) Propriedades físicas e de classificação dos materiais:

- Densidade real dos grãos;

- Índice de vazios máximo e mínimo do solo;

- Análise granulométrica.

b) Propriedades mecânicas:

- Ensaio triaxial consolidado isotropicamente drenado;

3.2.1 Ensaios de Caracterização Física

Com o objetivo de se determinar as propriedades índice da amostra de solo

arenoso, proveniente da praia da Barra da Tijuca – Rio de Janeiro/RJ, e das

misturas estudadas, foram executados ensaios de caracterização física do material

no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio. Os materiais foram

preparados conforme procedimentos normatizados pela Associação Brasileira de

Normas Técnicas (ABNT). Os ensaios realizados seguiram os métodos

estabelecidos pelas seguintes normas:

NBR 6457/1986 – Amostras de Solos – Preparação para Ensaios de

Compactação e Caracterização;

NBR 7181/1984 – Solo – Análise Granulométrica;

NBR 6508/1984 - Solo - Determinação da densidade real dos grãos;

NBR 12004/1990 – Solo – Determinação do índice de vazios máximo

de solos não coesivos;

NBR 12051/1991 – Solo – Determinação do índice de vazios mínimos

de solos não coesivos.

80

3.2.1.1 Densidade Real dos Grãos

Para determinação da densidade real dos grãos do solo, misturas solo-cinza

e solo-cinza-cal, utilizou-se o material passante na peneira #40 (0,425 mm),

adotando-se os procedimentos descritos segundo a norma NBR 6508 (ABNT,

1984).

Do material passante na peneira #40, seco em estufa a 105°C, utilizou-se

aproximadamente 100 gramas. Posteriormente, colocou-se 30g da amostra de

material em três picnômetros de 250ml, e adicionou-se água a este de forma que o

solo ficasse totalmente submerso. Através de uma válvula à vácuo, realizou-se o

processo de deaeração da mistura, a fim de se retirar todo ar presente nos vazios

do solo. Completou-se o volume restante com água destilada de maneira lenta, a

fim de garantir que não houvesse entrada de ar. Após imersão dos picnômetros em

banho-maria para equalização da temperatura, que baixou devido aplicação de

vácuo, pesou-se cada conjunto (picnômetro+solo+água). Obtido este valor,

descartou-se o material e encheu-se o picnômetro com água destilada, pesando-se

em seguida o novo conjunto (picnômetro+água). A temperatura da água foi

determinada através de um termômetro, e garantiu-se que o valor desta na

equalização do primeiro conjunto, fosse igual ao do segundo, durante o banho-

maria. Os resultados obtidos para todos os materiais envolvidos são apresentados

no capítulo 4.

3.2.1.2 Análise Granulométrica

Para a determinação da curva granulométrica do solo e cinzas puras, e

misturas realizadas, peneirou-se 1000 gramas do material na peneira #40 (0,425

mm), seguindo a norma NBR 7181 (ABNT, 1984).

O material retido na peneira foi lavado e posteriormente secado por 24h em

estufa a 105 °C, realizando-se o peneiramento grosso logo após este período.

Do material passante na peneira #40, utilizou-se 70 gramas para a

sedimentação, sendo este misturado com 125 ml de uma solução de

hexametafosfato de sódio e deixado em repouso pelo menos durante 12 horas.

Após este processo, submeteu-se o material à dispersão mecânica, transferindo-o

81

em seguida para uma proveta de 1000ml onde o restante do volume foi

completado com água destilada para então serem feitas as devidas leituras.

Depois de realizada a sedimentação, todo o material foi lavado na peneira

#200, e o que ficou retido foi levado à estufa, para quando seco, proceder-se com

o peneiramento fino.

Para o solo arenoso em estudo só foi necessária a realização do

peneiramento grosso. Devido ao fato das cinzas estudadas serem constituídas por

fração grossa e fina, realizou-se este ensaio por meio da granulometria conjunta,

que engloba as etapas de peneiramento e sedimentação para estas e misturas solo-

cinza.

3.2.1.3 Índice de vazios máximos e mínimos

Para determinação dos índices de vazios máximos e mínimos, tanto do solo

puro, como das misturas, fez-se uso de um funil, cilindro metálico e uma mesa

vibratória. Primeiramente, foram obtidas as dimensões do cilindro metálico, a fim

de se calcular seu volume interno, e seu peso.

A determinação do índice de vazio máximo procedeu-se segundo a NBR

12004/1990. Inicialmente a amostra de material foi homogeneizada, e com o

auxílio de um funil despejou-se o mesmo no cilindro metálico, de forma que a

altura de queda do material se mantivesse constante, e este permanecesse num

estado tão fofo quanto possível. Neste processo, o funil foi movido segundo uma

trajetória constante em movimento circular, da borda para o centro do molde, de

forma que as camadas fossem compostas de espessuras uniformes. Preencheu-se o

molde até 1 a 2 cm acima do topo e retirou-se o excesso de material com o auxilio

de uma régua biselada. Após este processo se pesou o conjunto.

A determinação do índice de vazio mínimo procedeu-se segundo a NBR

12051/1991. O processo inicial de homogeneização e o método de utilização do

funil para despejo do material no cilindro se deram da mesma forma que a descrita

para o índice máximo. Com o auxílio do funil, primeiramente preencheu-se 1/3 do

volume de cilindro, colocando-se em seguida um disco-base e um peso em seu

interior para aplicar uma sobrecarga no material, e fixou-se o cilindro à uma mesa

vibratória por aproximadamente 1 min. O processo foi repetido por 3 camadas, até

82

que o cilindro fosse preenchido até 1 a 2 cm acima do topo. Após esse processo,

retirou-se o excesso de material e pesou-se o conjunto.

Para ambos os índices, o processo foi repetido três vezes, a fim de se ter

uma maior precisão no resultado. O valor final calculado para os mesmos

consistiu numa média das três repetições.

3.2.2 Ensaios de Caracterização Química

A fim de se determinar os componentes químicos, classificar e definir a

existência ou não de periculosidade das mesmas cinzas provenientes da queima de

resíduo sólido urbano estudadas no presente trabalho, Vizcarra (2010) realizou

ensaios de “Espectometria de fluorescência de Raios-X por Energia Dispersiva

(EDX)”, “Ensaio para determinação de matéria orgânica” e “Ensaio de

Solubilização e Lixiviação” na cinza de fundo e cinza volante.

Estes ensaios são de grande relevância, uma vez que a classificação do

resíduo como perigoso ou não perigoso, e inerte ou não inerte define a escolha do

tipo de disposição final que este deve ter e suas aplicações.

Para a presente pesquisa não se fez necessária a repetição de todos estes

ensaios, devido ao fato das cinzas serem provenientes da mesma usina e produto

da incineração do mesmo tipo de resíduo sólido urbano, optando-se então somente

pela realização do ensaio para se analisar a composição química do material.

Os resultados obtidos por Vizcarra (2010) para a caracterização química das

cinzas são apresentados no capítulo 4.

3.2.2.1 Composição Química

A fim de se analisar as concentrações dos elementos químicos das cinzas, e

o resultado de possíveis reações entre cinza-cal, foram realizados ensaios de

Espectrometria de fluorescência de Raio-X por Energia Dispersiva (EDX)” para

as cinzas puras e a mistura cinza-solo-cal estudada.

Este ensaio permite a determinação da composição química total das

amostras.

O espectrômetro de fluorescência de raios-X é um instrumento que

determina qualitativamente e semi-quantitativamente os elementos presentes em

83

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.

Esta se trata de uma técnica não destrutiva para todos os tipos de amostras,

incluindo sólidos, líquidos ou pós.

O modelo do equipamento utilizado para realização destes ensaios para a

presente pesquisa é o EDX-700, pertencente ao Laboratório de Química da PUC-

Rio.

3.2.3 Ensaio de Caracterização Mecânica

3.2.3.1 Resistência ao Cisalhamento

A resistência ao cisalhamento de um solo pode ser definida como a máxima

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

cisalhante no plano em que a ruptura estiver ocorrendo. Esta resistência depende

do peso, da tensão normal atuante, e do grau de “aspereza” da superfície de

contato, ou seja, do atrito entre as partículas do solo. No entanto, a atração elétrica

existente entre as partículas, pode provocar uma resistência que independe da

tensão normal atuante no plano e que constitui uma coesão real. Esta, deve ser

diferenciada da chamada coesão aparente, que constitui uma parcela da resistência

ao cisalhamento de solos úmidos não saturados (Pinto, 2006).

Para se obter a tensão de ruptura na análise de resistência, pode-se analisar o

pico das curvas tensão versus deformação traçadas em função da diferença de

tensões principais (σ1-σ3) ou da relação σ1/σ3, dependendo da finalidade do ensaio

(Dias, 2007). A relação σ1/σ3 é preferencialmente usada para solos argilosos, em

ensaios não drenados, em que a tensão desviatória continua a aumentar para

grandes deformações. Outras “opções de ruptura” podem ser escolhidas, como a

resistência residual ou a resistência obtida para cisalhamento a volume constante,

ou seja, na condição de estado crítico, ou ainda definida a partir das deformações

máximas permissíveis no projeto em questão (Head, 1986 apud Dias, 2007). A

Figura 3.5 apresenta os critérios para determinação de ruptura.

84

Figura 3.5 – Diferentes critérios para definição de ruptura (Head, 1986 apud Dias, 2007)

3.2.3.2 Ensaio de Compressão Triaxial

O ensaio de compressão triaxial é um dos mais confiáveis para a determinação

dos parâmetros de resistência ao cisalhamento. Segundo Das (2007) existem três

tipos padrões de ensaios triaxiais: ensaio adensado drenado (CD); adensado não-

drenado (CU); não adensado e não drenado (UU).

Por Lambe e Whitmam (1969), resume-se este ensaio como: a câmara

cilíndrica de pressão é composta de um cilindro de acrílico transparente, fixo por

parafusos metálicos. O corpo de prova de solo é envolto por uma membrana de

borracha flexível a qual impede que o fluido penetre nos poros do solo. No

interior da câmara o corpo de prova é submetido primeiramente a uma tensão

hidrostática confinante, seguido de sucessivos incrementos de tensão axial. O

ensaio finaliza quando o corpo de prova rompe por cisalhamento. A Figura 3.6

mostra a seção típica de uma câmara triaxial.

85

Figura 3.6 – Seção de uma câmara triaxial (Bishop e Bjerrum, 1960 apud Das, 2007).

A tensão confinante pode ser aplicada por um fluido ou por compressão a

ar. O sistema de drenagem é composto por duas pedras porosas postas na base e

no topo do corpo de prova, além de tubos condutores ligados externamente à

câmara. A tensão axial é aplicada por um pistão localizado na parte superior da

câmara triaxial sob duas formas:

Aplicação de pesos ou pressão hidrostática em incrementos iguais

até o rompimento do corpo de prova;

Aplicação da deformação axial a uma taxa constante através de

uma pensa de carregamento mecânico ou hidráulico (ensaio de

deformação controlada).

Com o objetivo de se verificar as propriedades mecânicas dos materiais e

misturas estudadas, para determinação da viabilidade do emprego destas em obras

geotécnicas como as citadas anteriormente, foram realizados ensaios triaxiais do

tipo consolidado isotropicamente drenado (CID). Todos os ensaios foram

executados no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio.

Foram realizados 28 ensaios triaxiais, cujos resultados são apresentados no

Capítulo 4. Porém, a quantidade total de ensaios realizados foi significativamente

86

superior, mas que devido a diferentes tipos de problemas inerentes a estudos

experimentais, não puderam ser utilizados.

Inicialmente objetivava-se a realização de ensaios em misturas solo-cinza

também com teor de 50% de cinza de fundo e volante, bem como misturas solo-

cinza de fundo-cal e ensaios com tempo de cura de 120 dias. Alguns problemas

enfrentados, que impossibilitaram a realização de todos os ensaios previstos, e

causaram a perda de outros realizados, foram, dentre outros: (i) problemas na

saturação do corpo de prova devido entupimento das linhas do equipamento

triaxial, e resolução deste problema tardiamente; (ii) contínuos problemas no

compressor do laboratório; (iii) perda de leituras dos ensaios por problemas

ocorridos no computador; (iv) perfuração da membrana durante o ensaio, gerando

dados incorretos; (v) disponibilidade de prensas triaxiais; (vi) problemas na

conexão da célula de carga e LVDT ao sistema de aquisição de dados.

A seguir, descrevem-se os equipamentos utilizados nestes ensaios e

metodologias empregadas para preparação dos corpos de prova, processo de

saturação e carregamento.

3.2.3.3 Ensaios Triaxiais CID

a) Equipamento utilizado

A prensa utilizada é da marca Wykeham-Ferrance de velocidade de

deslocamento controlada, com capacidade de 10 toneladas. O ajuste das

velocidades de deslocamento do pistão é determinado mediante a seleção

adequada de pares de engrenagens e respectiva marcha (Ramírez, 2012).

A câmara triaxial empregada é própria para corpos de prova com diâmetro

de 1,5” e possui um corpo de acrílico que suporta uma pressão confinante máxima

de 1000 kPa (Ramírez, 2012).

A célula de carga utilizada é do fabricante ELE International Ltda., com

capacidade máxima de 5000 kN e exitadão de 0,1 kN. Para a obtenção dos

deslocamentos foram utilizados LVDT´s da marca Wykwham-Farrance, com

cursos de 25 mm com resolução de precisão de 0,01 mm. O transdutor usado na

medida das pressões na câmara, no medidor de variação de volume e das

87

poropressões são da marca Schaevitz, com variações de ± 2,0 kPa e capacidade

máxima de 1700 kPa (Ramírez, 2012).

As variações de volume são obtidas através de medidores de variação

volumétrica (MVV), fabricados na PUC-Rio, segundo o modelo do Imperial

College. Todas as partes do equipamento são apresentadas na Figura 3.7.

Para a gravação dos dados, obtidos por intermédio dos transdutores, foi

utilizado o sistema de aquisição de dados composto pelo hardware QuantumX de

oito canais da empresa alemã HBM e pelo software CatmanEasy. Este sistema

permite o monitoramento contínuo de todos os dados e comportamento dos corpos

de prova durante todas as etapas do ensaio.

Figura 3.7 – (a) Medidor de Variação de Volume; (b) Painel de controle das pressões; (c)

Câmara de acrílico; (d) Corpo de prova; (e) Transdutor de Pressão; (f) LVDT; (g) Conjunto de

engrenagens para aplicação da velocidade de cisalhamento.

b) Preparação dos corpos de prova

I. Misturas sem cura:

A confecção dos corpos de prova do solo arenoso puro e misturas deste com

os diversos tipos e teores de cinza, foi realizado por compactação, diretamente em

88

um molde cilíndrico tripartido (Figura 3.8). Esta compactação foi realizada

manualmente em aproximadamente 6 camadas. Tanto para areia pura como as

misturas, os valores de umidade e densidade relativa adotados foram de 10% e

50%, respectivamente.

Figura 3.8 – Molde tripartido.

Antes da moldagem de cada corpo de prova, calculou-se a quantidade de

material necessária para o preenchimento do molde cilíndrico tripartido de forma

que os parâmetros de compactação indicados anteriormente fossem seguidos.

Devido à presença de um material mais grosseiro na cinza de fundo, como

dito anteriormente, esta foi primeiramente passada na peneira #20 (0,84 mm). O

material retido (Figura 3.9) foi descartado e o material passante foi utilizado para

realização dos ensaios triaxiais.

Figura 3.9 – Material presente na cinza de fundo descartado antes do ensaio triaxial.

A Figura 3.10 ilustra as etapas da montagem dos corpos de prova, que se dá

diretamente no equipamento triaxial.

89

Moldagem dos corpos de prova do solo puro e misturas (Método M1).

1 – Coloca-se a

membrana na base do

equipamento e insere-se

o’rings para vedação da

mesma, com o auxilio de

um bipartido. .

2 – Fixa-se o molde

tripartido na mesma base,

com o auxilio de uma

abraçadeira metálica.

3. Vedam-se as juntas

com uma fita adesiva e

dois dos três furos de

acesso ao interior do

molde. Colocam-se dois

o’rings na parte superior

do molde tripartido e

ajusta-se a membrana por

cima deste.

4. Para que seja possível a

inserção do material e

moldagem do mesmo,

conecta-se uma bomba a

vácuo ao tripartido, e

aplica-se sucção na

membrana.

5 – Com a membrana

succionada, coloca-se o

papel filtro sobre a pedra

porosa da base e inicia-se

o processo de moldagem

do corpo de prova através

de compactação das

camadas, sendo estas de

um total de seis.

6 - Após corpo de prova

moldado, coloca-se o

papel filtro, pedra porosa

e o cap na parte superior

do mesmo, e em seguida

ajusta-se a membrana ao

redor do cap, fixando-a

através dos o’rings.

7 – Desmontam-se todos

os acessórios que

auxiliam a moldagem do

corpo de prova.

8 – A câmara triaxial é

colocada no equipamento,

vedada e preenchida com

água.

Figura 3.10 – Processo de moldagem do corpo de prova para ensaio triaxial.

II. Misturas com cura:

Os ensaios com cura foram realizados somente para uma mistura, contendo

o teor de 27% de cinza volante, 3% de cal e 70% de solo (CV27Cal3A70),

variando-se o tempo de 0 a 90 dias. Foram adotados dois métodos distintos (M1 e

M2) para se avaliar a influência do tempo de cura na resistência do material.

Inicialmente para os ensaios com cura, procedeu-se à preparação da mistura

solo-cinza-cal como descrito nos itens 3.1.5 e 3.1.6, adicionando-se a quantidade

90

de água adequada para se obter o teor de umidade definido. Armazenou-se o

material em sacos plásticos bem vedados, que foram levados à câmara úmida e

mantidos lá ate atingirem o tempo de cura desejado para ensaio, sendo então o

corpo de prova moldado como descrito na Figura 3.10.

Quando o material atingiu o primeiro tempo de cura, que foi determinado de

60 dias, observou-se que se formaram grumos na massa total do material, o que

indicaria uma maior “adesão” entre as partículas. Porém, devido ao método de

preparação do corpo de prova para ensaios triaxiais com areia, estes grumos

tiveram que ser desfeitos, e acredita-se que este processo pode ter interferido na

resistência que o material curado apresentaria se não tivesse sido destorroado.

Dessa forma, pensou-se em um segundo método para realização de ensaios com

cura para a areia.

Para o segundo método (M2), após preparação da mistura, esta foi

armazenada em sacos plásticos e mantida durante um dia na câmara úmida, para

se obter uma maior homogeneização da umidade. Após este processo, foi feita a

pré- moldagem dos corpos de prova fora do equipamento triaxial, para que estes

fossem curados já prontos para serem ensaiados após o tempo determinado. O

passo a passo da moldagem do corpo de prova para este método é descrito a

seguir nas Figura 3.11 e 3.12.

91

Moldagem dos corpos de prova para misturas solo-cinza-cal com cura (Método M2)

1 – Fizeram-se diversos

moldes bipartidos de tubo

PVC com as mesmas

dimensões do molde

tripartido utilizado

anteriormente, e uma base

para moldagem do corpo

de prova.

2 – Fixou-se a membrana

à base.

3. Inseriu-se o bipartido

de PVC ao conjunto.

4. Vedou-se as juntas com

uma fita adesiva e

acomodou-se a membrana

na parte superior do tubo.

5 – Conectou-se a bomba

a vácuo ao bipartido e

aplicou-se sucção na

membrana.

6 – Com a membrana

succionada, iniciou-se o

preenchimento do molde

através da compactação

de camadas, até se

preencher todo seu

volume com a quantidade

de material calculada.

7 – Após montagem

finalizada, vedou-se o

corpo de prova no molde

com papel insufilme, para

garantir a preservação do

mesmo e evitar perda de

umidade.

8 – Foram moldados um

total de 7 corpos de prova,

vedados e posteriormente

armazenados em uma

caixa na câmara úmida,

para serem ensaiados após

o tempo de cura

determinado.

Figura 3.11 – Processo de moldagem do corpo de prova para ensaio com cura.

92

Transferência do corpo de prova do molde para o equipamento triaxial.

1 – Com o auxilio de um

bipartido, transferiu-se os

o’rings de vedação para a

base mais grossa do

equipamento.

2 – Colocou-se a pedra

porosa da base e o papel

filtro na posição da base

do corpo de prova.

3 – Tirou-se a vedação do

corpo de prova pré-

moldado, apoiou-se uma

de suas faces na base,

encaixou-se a membrana

na base do equipamento e

transferiram-se os o’rings

de vedação da base para a

membrana.

4 – Descolaram-se as fitas

que vedavam e uniam o

bipartido de PVC e o

desconectou do corpo de

prova.

5 – Fixou-se o tripartido de ferro ao

redor do corpo de prova a fim de

protegê-lo, e para que fosse

possível se colocar o papel filtro,

pedra porosa e cap do topo.

6 – Com o auxilio do tripartido

transferiu-se os o’rings para o cap,

para vedação superior, e

posteriormente se retirou o tripartido

do corpo de prova.

7 – Colocou-se a câmara triaxial

no equipamento, posteriormente

vedando-a e preenchendo-a com

água para realização do ensaio.

Figura 3.12 – Transferência do corpo de prova do molde para o equipamento triaxial no método

com cura.

c) Procedimento de saturação dos corpos de prova

As técnicas de saturação utilizadas para os corpos de prova do solo puro e

misturas, foram de saturação por percolação de agua através das amostras e de

saturação por contrapressão. No caso da percolação, o gradiente de pressão entre

base e topo do corpo de prova foi de 5kPa, sendo o sentido de percolação da base

para o topo. Na saturação por contrapressão, a pressão confinante aplicada ao

corpo de prova excedia a contratrapressão em 10 kPa, onde o fluxo de agua era

permitido pelo topo e base.

93

Para verificação do grau de saturação, monitorou-se as pressões e se calculou

o parâmetro B de Skempton, que é dado pela seguinte equação:

𝑩 = 𝜟𝒖

𝜟𝝈𝒄 Equação 1

onde:

Δu: excesso de poropressão gerado,

Δσc: acréscimo de tensão confinante aplicada.

Tanto para os corpos de prova confeccionados com areia pura, como

misturas, os valores de parâmetro B aceitáveis foram entre 0,83 e 0,87, sendo que

a obtenção de valores deste parâmetro iguais a 0,9 ou maior, implicava em um

processo de saturação com duração de pelo menos quatro dias. Além de se estimar

o parâmetro B, também se monitorava a quantidade de água que percolava através

da amostra, considerando-se saturada quando se atingia um volume percolado de

duas vezes o volume de vazios do corpo de prova.

d) Cálculo da velocidade de carregamento

Após a saturação do corpo de prova, iniciava-se a fase de adensamento

isotrópico. Durante o tempo de adensamento, coletavam-se os dados de variação

de volume.

Através dos dados obtidos se traçava o gráfico variação volumétrica (ml) vs

raiz do tempo (min0,5). Segundo Head (1986), deve-se fazer o prolongamento do

trecho retilíneo inicial até encontrar a prolongação horizontal do trecho final. Este

último trecho corresponde à estabilização das variações de volume. O ponto de

interseção destas duas linhas prolongadas fornece a raiz de t100 (min0,5) no eixo

das abscissas. Logo, com o valor de t100 (min), se calcula a velocidade de

cisalhamento.

Como os ensaios triaxiais realizados foram drenados, a expressão utilizada

(Head, 1986), foi a seguinte:

𝛎 = 𝛆𝐟 .𝐋

𝟏𝟎𝟎 .𝐭𝐟 Equação 1

94

onde:

ν: velocidade máxima de cisalhamento em mm/min,

L: altura do corpo de prova em mm,

εf: deformação axial estimada na ruptura em %,

tf: tempo mínimo de ruptura em minutos.

O valor de tf para o ensaio triaxial do tipo CID é dado por 8,5 vezes o valor

de t100. Contudo, se o valor de tf for menor que 120 min, Head (1986) propõe

utilizá-lo igual a um valor mínimo, que é de 120 min.

O objetivo de definir uma velocidade suficientemente lenta para a aplicação

da compressão axial é permitir a total drenagem da água do corpo de prova sem

que haja geraração de excessos de poropressão.

Todos os valores de tf obtidos para os corpos de prova do solo puro e

misturas, foram menores que 120 minutos. Portanto, adotou-se tf = 120 minutos.

Dessa forma, definiu-se que a ruptura ocorreria a uma deformação axial de 5% e

dessa maneira a velocidade máxima (ν) calculada foi a mesma para todos os

ensaios (0,033 mm/min), sendo a velocidade adotada igual a 0,030 mm/min.

Com a velocidade de cisalhamento definida, selecionou-se o par de

engrenagens a ser colocado na prensa que forneceria a velocidade desejada. Para

os cálculos foi adotado 18% de deformação máxima.

e) Ruptura dos Copos de Prova

Para os ensaios triaxiais, as variantes de tensão q (tensão de desvio) e p’

(tensão efetiva média normal) foram calculados com as formulações de Lambe.

Para os parâmetros de resistência do solo utilizou-se os valores da envoltória de

resistência (α’) e da coesão (a’) obtida no espaço p’:q para calcular os parâmetros

de resistência no espaço Mohr Coulomb (ϕ’ – c’). As formulações de Lambe e os

parâmetros que são apresentados nos gráficos dos resultados definem-se como:

𝒒 = (𝝈′𝟏− 𝝈′𝟑)

𝟐 Equação 2

95

𝒑′ = (𝝈′

𝟏+𝝈′𝟑)

𝟐 Equação 3

𝐭𝐚𝐧(𝜶′) = 𝒔𝒆𝒏(𝝋′) Equação 4

𝒂′ = 𝒄′. 𝐜𝐨𝐬 (𝝋′) Equação 5

Onde: α’: inclinação da envoltória de resistência no espaço p’:q.

a’: intercepto com o eixo q da envoltória de resistência no espaço p’:q.

φ’: inclinação da envoltória de resistência do espaço σ:τ (Mohr-Coulomb).

c’: intercepto da envoltória de resistência do espaço σ:τ (Mohr-Coulomb).

96

96

4. RESULTADOS E ANÁLISES

Neste capítulo serão apresentados os resultados e análises dos ensaios

executados nesta pesquisa, para as amostras de solo, cinza volante, cinza de fundo

e misturas estudadas. Esses ensaios têm como objetivo melhorar a compreensão

do comportamento dos materiais em estudo, a fim de que sua utilização em obras

geotécnicas com carregamento estático (como por exemplo, solo de fundações,

camadas de aterros sanitários e aterros sobre solos moles) venha a ser validada.

4.1 ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO FÍSICA

4.1.1 Solo Arenoso Puro

4.1.1.1 Índices Físicos

O solo arenoso em estudo caracteriza-se por ser uma areia média, limpa e de

granulometria uniforme. Durante sua caracterização não foi observada a presença

de matéria orgânica. Os índices físicos do solo puro são apresentados na Tabela

4.1.

Tabela 4.1 – Índices físicos do solo arenoso.

Índices Físicos Solo Arenoso

Densidade real dos grãos (Gs) 2,65

Coeficiente de uniformidade (Cu) 1,76

Coeficiente de curvatura (Cc) 1,1

Diâmetro efetivo (D10) 0,33 mm

Diâmetro médio (D50) 0,55 mm

Índice de vazios mínimo (emin) 0,51

Índice de vazios máximo (emax) 0,74

97

4.1.1.2 Análise Granulométrica

O ensaio de análise granulométrica tem por finalidade a obtenção das

frações constituintes do solo e sua classificação a partir destas. A Figura 4.1

apresenta a curva granulométrica obtida para o solo arenoso.

Figura 4.1 – Curva granulométrica do solo arenoso puro.

De acordo com o Sistema Unificado de Classificação dos Solos (SUCS),

as areias com menos de 5% de finos, apresentando Cu < 6 e/ou 1 > Cc > 3, como o

material em questão, é classificado como SP, se tratando então de uma areia mal

graduada.

4.1.2 Cinzas de RSU e Misturas em Estudo

4.1.2.1 Densidade Real dos Grãos (Gs)

O ensaio consiste na determinação do volume do material sólido de massa

conhecida, de forma com que o volume de vazios seja excluído. Este ensaio foi

realizado tanto para os materiais puros, como para as misturas em estudo. Os

valores de Gs obtidos são apresentados na Tabela 4.2 e 4.3.

98

Tabela 4.2 – Resultados do ensaio de densidade real dos grãos para o solo, cinza volante e

misturas.

Amostra Teor de

Cinza (%)

Teor de Cal

(%)

Densidade real

dos Grãos (Gs)

A 0 - 2,654

CV30A70 30 - 2,637

CV40A60 40 - 2,628

CV27Cal3A70 27 3 2,730

CV 100 - 2,596

Tabela 4.3 – 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)

A 0 2,654

CF30A70 30 2,649

CF40A60 40 2,642

CF 100 2,638

Observa-se que o valor da densidade real dos grãos das cinzas puras se

apresentam menores do que o solo puro, e as misturas se apresentam com valores

entre os dos materiais puros, o que indica que ao se adicionar a cinza volante ou

de fundo ao solo, poderá ser obtido um material mais leve. A mistura com cal se

apresenta mais densa.

4.1.2.2 Análise Granulométrica

A Figura 4.2 apresenta as curvas granulométricas obtidas para o solo,

cinza volante e cinza de fundo. A Figura 4.3 apresenta as curvas granulométricas

do solo, cinza volante e misturas do solo com 30 e 40% de cinza volante. Ao se

apresentar as curvas granulométricas em um mesmo gráfico, objetiva-se mostrar a

influência da adição das cinzas de RSU na composição granulométrica do

material.

99

Figura 4.2 – Curvas granulométricas dos materiais puros.

Figura 4.3 – Curvas granulométricas do solo, cinza volante e misturas do solo com 30% e 40% de

cinza volante.

Observa-se que a cinza volante de RSU em estudo possui uma alta fração de

material fino, correspondente à granulometria silte, e uma fração média de grãos

referentes a uma areia média. Através das misturas, observa-se que o material

100

resultante adquire uma granulometria intermediária aos materiais puros, sendo

mais bem graduado que a areia pura e mais uniforme que a cinza volante pura.

Com a adição de 40% de cinza volante, observa-se uma maior quantidade de finos

na mistura, e menor quantidade de fração areia média, quando comparado com a

mistura de 30%, o que seria esperado, devido à maior porcentagem de cinza na

mistura.

A Figura 4.4 apresenta a comparação entre as curvas granulométricas do

solo, cinza de fundo e misturas do solo com 30 e 40% de cinza de fundo.

Figura 4.4 – Curvas granulométricas do solo, cinza de fundo e misturas do solo com 30% e 40%

de cinza de fundo.

Em relação às cinzas de fundo de RSU, observa-se uma maior presença da

fração areia grossa e média na cinza pura, e uma pequena quantidade de finos,

composto por fração silte e argila. Ao se adicionar esta cinza ao solo, obteve-se

um material semelhante à areia e à cinza pura, composto em sua maioria por

fração areia e uma pequena quantidade de finos devido à inserção das cinzas.

A Tabela 4.4 apresenta os resultados dos ensaios de análise granulométrica,

em porcentagens, para todos os materiais e misturas estudados.

101

Tabela 4.4 – Resultados das análises granulométricas.

Amostra Argila

(%)

Silte

(%)

Areia (%) Pedregulho (%)

Fina Média Grossa Fina Média Grossa

Areia - - - 70 30 - - -

Cinza Volante 4,6 62,5 5 22,6 4,2 1,1 - -

CV30A70 2,5 12,1 4,9 69,7 10,5 0,3 - -

CV40A60 3,6 14,9 8,4 63,1 8,6 1,4 - -

Cinza de Fundo 3,1 9,3 7,5 21,5 42 16,5 0,1 -

CF30A70 0,8 3,1 2,5 68,8 20,8 4 - -

CF40A60 1 3,8 2,9 63,1 23,5 5,7 - -

Para as misturas com ambas as cinzas, pode-se esperar que ocorra alguma

estabilização física do solo, de forma que haja uma melhoria em suas

características, uma vez que sua textura e granulometria inicial foram alteradas e o

material se tornou um pouco mais bem graduado que o solo puro.

Classificação SUCS dos Materiais

Com relação ao Sistema Unificado de Classificação dos Solos (SUCS), os

materiais obtiveram os índices conforme apresentado na Tabela 4.5.

Tabela 4.5 – Classificação SUCS dos materiais.

Amostra Índice Nome

Areia SP areia mal graduada

Cinza Volante ML silte com areia

CV30A70 SM areia siltosa

CV40A60 SM areia siltosa

Cinza de Fundo SM areia siltosa

CF30A70 SP areia mal graduada

CF40A60 SP areia mal graduada

Vizcarra (2010) também utilizou em seu trabalho as cinzas de RSU

provenientes da USINAVERDE, obtendo a mesma classificação do presente

trabalho para a cinza de fundo. O autor classificou a cinza volante como SM (areia

siltosa). Dourado (2013) utilizou somente cinzas de fundo provenientes da

Usinaverde, classificando-as como SM (areia siltosa).

102

De acordo com Ferreira et al (2003), as cinzas de RSU podem ser aplicadas

em obras de pavimentação como substitutos à areia. De fato, como observado, as

cinzas possuem grande proporção de fração areia, o que as tornariam adequadas a

tal aplicação.

Estas mesmas classificações das cinzas para diferentes períodos de coletas,

mostram que o material incinerado e as cinzas produzidas no processo possuem

uma constância, o que favorece os estudos realizados para aplicabilidade destas

cinzas.

4.1.2.3 Ensaios Químicos

Composição Química

Os ensaios de composição química foram realizados no laboratório do

Departamento de Engenharia Química da PUC-Rio, para as amostras de cinzas

pesada e volante, e mistura com cal. A Tabela 4.6 apresenta os resultados obtidos

em termos de elementos químicos.

Tabela 4.6 – Elementos químicos presentes nas cinza volante e de fundo e mistura com cal.

Elemento

Químico

Concentração (%)

CV CF CV27Cal3A70

Silício 14,386 61,486 38,960

Cálcio 54,489 18,795 37,369

Ferro 7,934 3,450 2,130

Alumínio 6,781 9,477 8,744

Titânio 4,211 1,130 1,769

Enxofre 4,095 - 5,125

Potássio 2,645 3,718 2,113

Zinco 2,234 0,356 0,698

Cloro 1,238 0,779 1,142

Manganês 0,466 - -

Vanádio 0,341 - -

Cromo 0,319 - -

Chumbo 0,403 - -

Outros 0,458 0,809 1,95

Através dos resultados obtidos, observa-se que os principais elementos

encontrados em ambas as cinzas são o Si, Ca, Fe, Al, Cl, Na, K, S, Zn.

103

Forteza et al (2004) realizaram uma análise física e química detalhada das

cinzas de fundo de RSU visando avaliar seu potencial de reuso. Segundo os

autores, a cinza de fundo é principalmente composta pelos elementos Si, Fe, Ca,

Al, Na e K, em forma de óxidos, e assim apresentam uma composição similar à

materiais geológicos. Becquart et al (2008) também estudou a cinza de fundo de

RSU, apresentando resultados semelhantes aos outros autores. Lam et al (2010)

compilaram análises químicas de cinzas de fundo e volante de RSU provenientes

de diferentes usinas incineradoras, realizadas por diversos autores. Os resultados

apresentados mostraram como principais, os mesmos elementos encontrados na

presente pesquisa.

Na Tabela 4.7, apresenta-se uma comparação dos resultados da composição

química da cinza volante obtidos por Vizcarra (2010) e Fontes (2008), que

utilizaram em seus trabalhos cinzas também provenientes da Usinaverde, e

resultados apresentados por Lam et al (2010).

Tabela 4.7 – Comparação entre a composição química da cinza volante de RSU obtida em outros

estudos.

Composto Concentração (%)

Fontes (2008) Vizcarra (2010) Lam et al (2010)

SiO2 44,26 21,2 - 12,9 6,35 - 27,52

AL2O3 18,16 14,4 - 12,2 0,92 - 12,7

Fe2O3 9,27 5,3 - 7,7 0,63 - 5,04

SO3 0,64 9,8 - 5,2 5,18 - 14,4

CaO 15,39 32,3 - 45,3 16,6 - 45,42

Cl - 6,6 - 4,7 -

TiO2 3,25 3,3 - 4,7 0,85 - 3,12

K2O 2,61 2,6 - 4,1 2,03 - 8,9

P2O5 2,94 1,28 - 0 1,56 - 2,7

ZnO 0,46 0,5 - 1,1 -

Cr2O3 0,16 0,1 - 0,2 -

MnO 0,13 0,1 - 0 -

SrO 0,04 0,1 - 0,2 -

ZrO2 0,04 0,08 - 0,1 -

CuO 0,06 0,08 - 0 -

PbO 0,11 0,08 - 0 -

MgO 2,23 - 1,38 - 3,16

Na2O - - 2,93 - 8,9

V2O5 - 0 - 0,25 -

104

Na Tabela 4.8, apresenta-se uma comparação dos resultados da composição

química da cinza de fundo obtidos por Vizcarra (2010), Arm (2003 apud Vizcarra,

2010) e resultados apresentados por Lam et al (2010).

Tabela 4.8 – Comparação entre a composição química da cinza de fundo de RSU obtida em outros

estudos.

Composto Concentração (%)

Arm (2003) Vizcarra (2010) Lam et al (2010)

SiO2 46 27,0 - 37,7 5,44 - 49,38

Al2O3 10 14,1 - 19,1 1,26 - 18

Fe2O3 9 10,0 - 6,6 1,21 - 13,3

SO3 - 1,3 - 3,6 0,5 - 12,73

CaO 15 20,1 - 31,8 13,86 - 50,39

Cl - 2,3 - 3,8 -

TiO2 - 3,6 - 5,5 0,92 - 2,36

K2O - 2,1 - 3,0 0,88 - 7,41

P2O5 - 0 - 1,0 0,85 - 6,9

ZnO - 0,9 - 1,8 -

Cr2O3 - 0 - 0,19 -

MnO - 0,10 - 0,16 -

SrO - 0,05 - 0,14 -

ZrO2 - 0,11 - 0,12 -

CuO - 0 - 0,344 -

Ac - 0 - 0,036 -

Rb2O - 0 - 0,014 -

MgO 2 0 - 1,722 1,6 - 3,3

V2O5 - 0 - 0,43 -

Na2O - - 3,3 - 17,19

Segundo Lam et al (2010), os compostos SiO2, Al2O3, CaO, Fe2O3, Na2O,

K2O são os óxidos comumente achados nas cinzas, sendo o CaO o composto mais

abundante existente na cinza volante, constituindo mais de 46% desta, e o

composto SiO2 o mais abundante existente na cinza de fundo, constituindo mais

de 49% desta.

Observa-se também nos resultados de Vizcarra (2010) que o CaO se

encontra mais abundante na cinza volante. Já para os resultados obtidos por

Fontes (2008), o composto SiO2, se apresenta em maior porcentagem. Para a cinza

de fundo todos os trabalhos obtiveram o SiO2 como componente mais abundante.

Através da comparação dos resultados obtidos pelos diversos autores, nota-

se uma diferença tanto nos teores de óxidos principais (SiO2, Al2O3 e Fe2O3),

105

quanto nos teores de CaO e SO3 presentes nas cinzas volante e de fundo, os quais

têm influência nas reações de estabilização, demonstrando a existência uma

variabilidade da composição química das cinzas.

Teor de Matéria Orgânica

Os resultados dos ensaios de determinação de matéria orgânica da cinza de

fundo e volante são apresentados na Tabela 4.9. Estes foram obtidos mediante a

técnica de oxidação com dicromato de potássio em meio sulfúrico, no Laboratório

de Geotecnia/Química de Solos da COPPE/UFRJ, por Vizcarra (2010).

Tabela 4.9 – Teor de matéria orgânica da cinza de fundo e volante (Vizcarra, 2010).

Amostra Carbono Orgânico Matéria Orgânica

(g/kg) (%) (g/kg) (%)

Cinza Volante 4,52 0,452 7,80 0,780

Cinza de Fundo 78,40 7,840 135,00 13,500

Nota-se que o teor de matéria orgânica presente na cinza volante é bem

baixo, quando comprado com a cinza de fundo, que tem uma porcentagem

significativamente maior. Winterkorn (1990) apresenta que uma das

consequências da presença de um alto teor de carbono, é uma severa inibição da

atividade pozolânica.

Ubaldo et al (2012) também utilizou as cinzas volantes de RSU

provenientes da Usinaverde para estudo, obtendo em sua análise um baixo teor de

matéria orgânica presente na cinza volante, afirmando que isto influencia

favoravelmente o mecanismo de estabilização química.

Ensaios de Lixiviação e Solubilização

Para a classificação dos resíduos, foram utilizadas as listagens da Norma

ABNT/NBR 10004/2004 – Anexo F (Lixiviação) e Anexo G (Solubilização). Os

códigos constantes no anexo F identificam resíduos perigosos devido à sua

toxicidade, conforme ensaio de lixiviação. A listagem do anexo G fornece os

valores máximos permitidos para extratos solubilizados. Portanto, quando a

106

análise dos elementos químicos do extrato solubilizado apresenta algum valor

superior ao da referida listagem, o resíduo é classificado como não inerte, caso

contrário, este é classificado como resíduo inerte.

O ensaio de lixiviação foi realizado pelo laboratório TASQA Serviços

Analíticos Ltda., segundo a Norma ABNT/NBR 10005/2004 (Vizacarra, 2010).

Os resultados são apresentados nas Tabelas 4.10 e 4.11.

Tabela 4.10 – Resultados analíticos: Lixiviado – Parâmetros Inorgânicos (Vizcarra, 2010).

Parâmetros LQ(1) Resultados Análiticos (mg/l)

VMP(2) CV CF

Arsênio 0,04 0,27 < LQ 1

Bário 0,005 0,52 0,68 70

Cádmio 0,003 0,05 0,06 0,5

Chumbo 0,03 < LQ < LQ 1

Cromo Total 0,002 0,75 0,03 5

Fluoretos 0,07 2,01 1,3 150

Mercúrio 0,0005 < LQ < LQ 0,1

Prata 0,003 0,02 < LQ 5

Selênio 0,05 < LQ < LQ 1

(1)LQ: Limite de Quantificação (2)VMP: Valores Máximos Permitidos segundo a norma NBR 10004/2004

Tabela 4.11 – Resultados analíticos: Lixiviado – Parâmetros Orgânicos (Vizcarra, 2010).

Parâmetros LQ(1) Resultados Análiticos (mg/l)

VMP(2) CV CF

Aldrin e Dieldrin 0,001 < LQ < LQ 0,003

Benzeno 0,004 < LQ < LQ 0,5

Benzeno(a)pireno 0,002 < LQ < LQ 0,07

Clordano (isômeros) 0,001 < LQ < LQ 0,02

Cloreto de vinila 0,4 < LQ < LQ 0,5

Clorobenzeno 0,01 < LQ < LQ 100

Clorofórmio 0,004 < LQ < LQ 6

m-Cresol 0,01 < LQ < LQ 200

o-Cresol 0,01 < LQ < LQ 200

p-Cresol 0,01 < LQ < LQ 200

Cresol Total 0,01 < LQ < LQ 200

2, 4-D 0,01 < LQ < LQ 3

DDT (p,p-DDT +

p,p-DDE + p,p-DDD) 0,001 < LQ < LQ 0,2

1,4-Diclorobenzeno 0,004 < LQ < LQ 7,5

1,2-Dicloroetano 0,004 < LQ < LQ 1

107

Continuação Tabela 4.11 – Resultados analíticos: Lixiviado – Parâmetros Orgânicos (Vizcarra,

2010).

1,1-Dicloroetileno 0,004 < LQ < LQ 3

2,4-Dinitrotolueno 0,01 < LQ < LQ 0,13

Endrin 0,001 < LQ < LQ 0,06

Heptacloro e seu

epóxido 0,001 < LQ < LQ 0,003

Hexaclorobenzeno 0,001 < LQ < LQ 0,1

Hexaclorobutadieno 0,004 < LQ < LQ 0,5

Hexacloroetano 0,01 < LQ < LQ 3

Metiletilcetona 0,5 < LQ < LQ 200

Metoxicloro 0,001 < LQ < LQ 2

Nitrobenzeno 0,01 2

Pentaclorofenol 0,01 < LQ < LQ 0,9

Piridina 0,01 < LQ < LQ 5

2,4,5-T 0,002 < LQ < LQ 0,2

Tetracloreto de

Carbono 0,004 < LQ < LQ 0,2

Tetracloroetileno 0,004 < LQ < LQ 4

Toxafeno 0,002 < LQ < LQ 0,5

1,4,5-TP 0,01 < LQ < LQ 1

Tricloroetileno 0,004 < LQ < LQ 7

2,4,5-Triclorofenol 0,01 < LQ < LQ 400

2,4,6-Triclorofenol 0,01 < LQ < LQ 20 (1)LQ: Limite de Quantificação (2)VMP: Valores Máximos Permitidos segundo a norma NBR 10004/2004

O ensaio de solubilização foi realizado pelo laboratório TASQA Serviços

Analíticos Ltda., segundo a Norma ABNT/NBR 10006:2004. Os resultados são

apresentados nas Tabelas 4.12 e 4.13.

Tabela 4.12 – Resultados analíticos: Solubilizado – Parâmetros Inorgânicos (Vizcarra, 2010).

Parâmetros LQ(1) Resultados Análiticos (mg/L)

VMP(2)

CV CF

Alumínio 0,07 0,31 0,08 0,2

Arsênio 0,001 < LQ < LQ 0,01

Bário 0,005 0,41 0,2 0,7

Cádmio 0,003 < LQ < LQ 0,005

Chumbo 0,002 < LQ < LQ 0,01

Cianetos 0,005 < LQ < LQ 0,07

Cloretos 2 783 389 250

Cobre 0,003 0,01 0,06 2

Cromo Total 0,002 1,99 0,88 0,05

108

Continuação Tabela 4.12 – Resultados analíticos: Solubilizado – Parâmetros Inorgânicos

(Vizcarra, 2010).

Ferro 0,002 0,22 0,09 0,3

Fluoretos 0,07 0,56 0,76 1,5

Manganês 0,002 < LQ < LQ 0,1

Mercúrio 0,0005 < LQ < LQ 0,001

Nitrato (como N) 0,1 2,10 3,80 10

Prata 0,003 < LQ < LQ 0,05

Selênio 0,002 < LQ < LQ 0,01

Sódio 0,05 85,2 236 200

Sulfato (expresso

como SO4) 1,00 650 290 250

Surfactantes 0,40 < LQ < LQ 0,5

Zinco 0,006 0,04 0,11 5

(1)LQ: Limite de Quantificação (2)VMP: Valores Máximos Permitidos segundo a norma NBR 10004:2004

Tabela 4.13 – Resultados analíticos: Solubilizado – Parâmetros Orgânicos (Vizcarra, 2010).

Parâmetros LQ(1) Resultados Análiticos (mg/L)

VMP(2)

CV CF

Aldrin e Dieldrin 2,0 x 10-5 < LQ < LQ 3,0 x 10-5

Clordano (isômeros) 0,0002 < LQ < LQ 2,0 x 10-4

2, 4-D 0,01 < LQ < LQ 0,03

DDT (isômeros) 0,001 < LQ < LQ 2,0 x 10-3

Endrin 0,0002 < LQ < LQ 6,0 x 10-4

Fenóis Totais 0,0042 0,014 0,021 0,01

Heptacloro e seu

epóxido 2,0 x 10-5 < LQ < LQ 3,0 x 10-5

Hexaclorobenzeno 0,001 < LQ < LQ 1,0 x 10-3

Lindano (g BHC) 0,001 < LQ < LQ 2,0 x 10-3

Metoxicloro 0,001 < LQ < LQ 0,02

2,4,5-T 0,002 < LQ < LQ 2,0 x 10-3

2,4,5-TP 0,01 < LQ < LQ 0,03

Toxafeno 0,002 < LQ < LQ 5,0 x 10-3

(1)LQ: Limite de Quantificação (2)VMP: Valores Máximos Permitidos segundo a norma NBR 10004/2004

Através dos resultados obtidos observa-se que todos os parâmetros

analisados, para ambas as cinzas, apresentaram concentrações menores que os

limites máximos permitidos estabelecidos no Anexo F da Norma ABNT/NBR

109

10004/2004, sendo estes então classificados como Não Perigosos (Resíduo

Classe II).

Para o ensaio de solubilização, a cinza volante apresentou os parâmetros

Alumínio, Cloretos, Cromo Total , Sulfato (expresso como SO4) e Fenóis Totais

com concentrações acima dos valores máximos indicados no Anexo G da Norma

ABNT/NBR 10004/2004. Dessa forma, a classificação para a amostra é Resíduo

Classe IIA – Não Inerte.

Em relação à cinza de fundo, os parâmetros Cloretos, Sódio, Sulfato

(expresso como SO4) e Fenóis Totais apresentaram concentrações superiores aos

valores máximos permitidos indicados no Anexo G, sendo então classificado

como Resíduo Classe IIA – Não Inerte.

Devido ao fato das cinzas serem classificadas como não-inertes, seus

estudos ambientais devem ser aprofundados e sua aplicação monitorada através de

testes em campos experimentais, de modo a se avaliar seu impacto ao meio

ambiente.

4.2 ENSAIO DE CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA

4.2.1 Ensaios Triaxiais CID

Este item apresenta os resultados dos ensaios triaxiais CID, em compressão

axial, realizados em amostras de solo arenoso e misturas deste com teores de cinza

volante e cinza de fundo de 30% e 40%, calculados em relação ao peso seco do

solo, e mistura solo-cinza-cal com 3% de cal adicionada em substituição ao peso

da cinza na mistura com 30%. Foram aplicadas tensões efetivas variando de 50 a

300 kPa. Analisou-se o tempo de cura de 0, 60 e 90 dias para a mistura solo-cinza

volante-cal, sendo que para os corpos de prova pré-moldados (Método 2

apresentado na Figura 3.16) analisou-se a cura somente com 60 dias, devido à

falta de tempo para a realização de ensaios com curas mais longas.

As trajetórias, envoltórias de resistência e os parâmetros de resistência ao

cisalhamento, assim como uma análise da influência do tipo de cinza, teores e

tempo de cura no comportamento das amostras durante o cisalhamento, serão

110

apresentadas neste item.

4.2.1.1 Comportamento Tensão Desviadora e Variação Volumétrica

versus Deformação Axial.

Na Figura 4.5 apresentam-se as curvas tensão desviadora (σd) e variação

volumétrica (ɛv) versus deformação axial (ɛa), correspondentes aos ensaios do tipo

CID, para a matriz de solo arenoso, em compressão axial nas tensões confinantes

de 50, 150, 250 e 300 kPa.

Figura 4.5 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para o

solo arenoso em ensaios triaxiais.

111

Na Figura 4.6 apresentam-se as curvas tensão desviadora (σd) e variação

volumétrica (ɛv) versus deformação axial (ɛa), correspondentes aos ensaios do tipo

CID, para a mistura CV30A70, em compressão axial nas tensões confinantes de 50,

150 e 250 kPa.

Figura 4.6 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a

mistura CV30A70 em ensaios triaxiais.

Na Figura 4.7 apresentam-se as curvas tensão desviadora (σd) e variação

volumétrica (ɛv) versus deformação axial (ɛa), correspondentes aos ensaios do tipo

112

CID, para a mistura CV40A60, em compressão axial nas tensões confinantes de 50,

200 e 250 kPa.

Figura 4.7 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a

mistura CV40A60 em ensaios triaxiais.

Na Figura 4.8 apresentam-se as curvas tensão desviadora (σd) e variação

volumétrica (ɛv) versus deformação axial (ɛa), correspondentes aos ensaios do tipo

CID, para a mistura CF30A70, em compressão axial nas tensões confinantes de 50,

150 e 250 kPa.

113

Figura 4.8 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a

mistura CF30A70 em ensaios triaxiais.

Devido a problemas nas leituras realizadas pelo LVDT conectado ao

medidor de volume no equipamento triaxial, não foi possível plotar a curva

variação volumétrica (ɛv) vs deformação axial (ɛa) para o ensaio com a mistura

CF30A70 a 250 kPa. O mesmo ocorreu para a mistura CF40A60 a 50 kPa

apresentada a seguir.

114

Na Figura 4.9 apresentam-se as curvas tensão desviadora (σd) e variação

volumétrica (ɛv) versus deformação axial (ɛa), correspondentes aos ensaios do tipo

CID, para a mistura CF40A60, em compressão axial nas tensões confinantes de 50,

150 e 250 kPa.

Figura 4.9 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a

mistura CF40A60 em ensaios triaxiais.

Na Figura 4.10 apresentam-se as curvas tensão desviadora (σd) e variação

volumétrica (ɛv) versus deformação axial (ɛa), correspondentes aos ensaios do tipo

115

CID, para a mistura CV27Cal3A70 com tempo de cura de 0 dias, em compressão

axial nas tensões confinantes de 50, 150 e 250 kPa.

Figura 4.10 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a

mistura CV27Cal3A70_T0 em ensaios triaxiais.

Na Figura 4.11 apresentam-se as curvas tensão desviadora (σd) e variação

volumétrica (ɛv) versus deformação axial (ɛa), correspondentes aos ensaios do tipo

CID, para a mistura CV27Cal3A70 com tempo de cura de 60 dias, em compressão

axial nas tensões confinantes de 50, 150 e 250 kPa.

116

Figura 4.11 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a

mistura CV27Cal3A70_T60 em ensaios triaxiais.

Na Figura 4.12 apresentam-se as curvas tensão desviadora (σd) e variação

volumétrica (ɛv) versus deformação axial (ɛa), correspondentes aos ensaios do tipo

CID, para a mistura CV27Cal3A70 com tempo de cura de 90 dias, em compressão

axial nas tensões confinantes de 50, 150 e 250 kPa.

117

Figura 4.12 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a

mistura CV27Cal3A70_T90 em ensaios triaxiais.

Na Figura 4.13 apresentam-se as curvas tensão desviadora (σd) e variação

volumétrica (ɛv) versus deformação axial (ɛa), correspondentes aos ensaios do tipo

CID, para a mistura CV27Cal3A70_T60_PM, que foi realizado com o corpo de

prova pré moldado (Método 2 apresentado na Figura 3.14) no tempo de cura de 60

dias, em compressão axial nas tensões confinantes de 50, 150 e 250 kPa.

118

Figura 4.13 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a

mistura CV27Cal3A70_T60_PM em ensaios triaxiais.

Ao se avaliar individualmente os resultados apresentados pelas misturas

estudadas, pôde-se constatar que o comportamento da areia pura se apresenta

semelhante ao de areais compactas, onde se observa um crescimento do valor de

resistência a pequenas deformações, seguido pela ruptura definida por um pico.

Ao se adicionar a cinza, observa-se que houve uma mudança de comportamento

do material. As misturas, em geral, passam a apresentar curvas semelhantes ao de

areais pouco compactas ou fofas, onde não se tem a presença de um pico de

119

ruptura e o crescimento do valor de resistência do material se dá a maiores

deformações axiais.

Um dos motivos que poderia explicar tal mudança de comportamento é o

fato de que apesar do calculo da quantidade de material para compactação do

corpo de prova ter seguido os mesmos critérios para todas as misturas, as massas

específicas secas dos mesmos sofreram uma grande variação de valores, o que

indica que a densidade relativa de 50% adotada, não foi de fato atingida na

preparação das misturas. A Tabela 4.14 apresenta os valores calculados para a

massa específica seca das misturas estudadas.

Tabela 4.14 – Variação dos valores de massa específica seca das misturas estudadas.

Mistura Massa específica seca

(g/cm³)

Areia 1,63

CV30A70 1,28

CV40A60 1,21

CF30A70 1,36

CF40A60 1,30

CV27Cal3A70 1,31

Nota-se que os valores das massas específicas seca das misturas se apresentaram

com valores próximos, enquanto que o solo puro apresenta um valor mais

elevado.

4.2.1.2 Influência do tipo de cinza

O comportamento de tensão desviadora (σd) e variação volumétrica (ɛv)

versus deformação axial (ɛa), correspondentes aos ensaios do tipo CID, para o solo

arenoso puro (A100) e misturas com 30% de cinza volante (CV30A70) e de cinza de

fundo (CF30A70), são apresentados e comparados na Figura 4.14.

Nota-se que para a tensão confinante de 50 kPa, a mistura CF30A70 apresenta

melhor comportamento que o solo arenoso puro e mistura com cinza volante para

pequenas deformações, de aproximadamente 2 a 6%. Porém, com o aumento da

deformação axial, o comportamento do solo e da mistura CF30A70 tendem a se

igualar, possuindo uma mesma resistência residual. Já a mistura CV30A70 se

120

apresenta sempre inferior para este nível de tensão. Nenhuma das misturas

apresenta uma resistência de pico bem definida, sendo a resistência alcançada em

pequenas deformações aproximadamente iguais às alcançadas a maiores

deformações axiais. Através do gráfico da deformação volumétrica versus

deformação axial, nota-se que tanto a areia pura, quanto a mistura CF30A70,

sofrem um aumento de volume contínuo durante o cisalhamento a 50 kPa,

enquanto que a mistura CV30A70 sofre contração.

Para a tensão confinante de 150 kPa o solo arenoso apresenta uma

resistência de pico a aproximadamente 2% de deformação axial, depois se

mantendo constante com o aumento desta. A esta tensão, ambas as misturas

apresentam um comportamento inferior ao solo puro, suportando uma menor

carga. Porém, à deformação de aproximadamente 5%, o comportamento da

mistura CF30A70 se iguala ao do solo puro. O mesmo ocorre para a mistura

CV30A70, porém somente a maiores deformações, de aproximadamente 18%.

Para a tensão confinante de 250 kPa observa-se um comportamento

semelhante ao descrito quando aplicada a tensão de 150 kPa. Porém nesta tensão o

comportamento da mistura CF30A70 só se iguala ao solo puro a maiores

deformações, de aproximadamente 14%. Em relação à mistura CV30A70, ainda

observa-se um comportamento inferior.

Em relação à variação de volume, nota-se que a areia pura também sofre

dilatação para as tensões confinantes de 150 e 250 kPa, enquanto a mistura com

CV nesse caso sofre uma diminuição de volume mais acentuada. Para 150 kPa a

mistura CF30A70 apresentou uma contração baixa, comparado aos outros

resultados.

121

Figura 4.14 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial das

amostras A100 e misturas CF30A70 e CV30A70 em ensaios triaxiais.

Dessa forma, pode-se dizer que o comportamento da mistura CV30A70 se

apresenta inferior tanto ao solo puro como à mistura com cinza de fundo na

mesma proporção. A mistura CF30A70 se apresenta um pouco inferior ao solo puro

a pequenas deformações axiais e se iguala a este a deformações axiais médias e

122

altas quando aplicadas altas tensões confinantes. Para baixa tensão a mistura se

apresentou superior ao solo puro. Observa-se que a mistura CV30A70 também

atinge a mesma resistência residual que os outros materiais, porém isto só ocorre

quando se aplica uma maior tensão confinante e a maiores deformações axiais.

O comportamento de tensão desviadora (σd) e variação volumétrica (ɛv)

versus deformação axial (ɛa), correspondentes aos ensaios do tipo CID, para o solo

arenoso puro (A100) e misturas com 40% de cinza volante (CV40A60) e de cinza de

fundo (CF40A60), são apresentados e comparados na Figura 4.15.

Nota-se que para a tensão confinante de 50 kPa a mistura CF40A60 apresenta

praticamente o mesmo comportamento que o solo arenoso puro. Nenhum dos

materiais apresenta uma resistência de pico bem definida, sendo a resistência

alcançada em pequenas deformações aproximadamente iguais às alcançadas a

maiores deformações axiais. Já a mistura CV40A60 apresenta um comportamento

semelhante aos outros materiais, porém atingindo uma resistência inferior aos

mesmos. Para todas as misturas, a resistência máxima, e aproximadamente

constante, é atingida a 2% de deformação axial. Através do gráfico da deformação

volumétrica versus deformação axial, nota-se que o corpo de prova da areia pura

sofre um aumento de volume contínuo durante o cisalhamento a 50 kPa, enquanto

que a mistura CV40A60 sofre uma contração menos acentuada que a dilatação

ocorrida com o solo arenoso puro. Não foi possível avaliar este comportamento

para a mistura CF40A60 devido a problemas ocorridos na aquisição dos dados.

Para a tensão confinante de 150 kPa a mistura CF40A60 possui uma

resistência inferior ao o solo arenoso puro para baixas e médias deformações, se

igualando e tornando superior ao mesmo para uma deformação de 16%, e se

mantendo constante com o aumento desta.

A mistura CV40A60 foi submetida a uma tensão de 200 kPa, e em

comparação à CF40A60 submetida a tensão confinante de 150 kPa, esta possui uma

menor resistência até 14% de deformação, ultrapassando ambos os materiais, areia

pura e mistura CF40A60, neste ponto e se mantendo crescente. Observa-se a

ocorrência de contração para ambas as misturas, porém a CV40A60 possui uma

variação de volume bem mais expressiva do que a mistura com cinza de fundo, e

ambas apresentam uma crescente deformação volumétrica com o aumento da

deformação axial.

123

Figura 4.15 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial das

amostras A100 e misturas CF40A60 e CV40A60 em ensaios triaxiais.

Para a tensão confinante de 250 kPa observa-se um comportamento

semelhante ao descrito quando aplicada a tensão de 150 kPa. Porém nesta tensão o

comportamento da mistura CF40A60 tende a se igualar ao solo puro para

deformações mais elevadas, acima das atingidas no ensaio realizado. Para baixas e

médias deformações, a resistência do solo se apresentou maior em comparação

124

com ambas as misturas. Em relação à mistura CV40A60, a resistência obtida se

encontra significativamente inferior aos outros materiais para a faixa de

deformação axial atingida no ensaio. Porém, a mistura apresenta o mesmo

comportamento que quando submetido a 150 kPa, tendenciando ultrapassar ambos

os materiais, areia pura e mistura CF40A60, para uma maior deformação axial.

Também é observada a ocorrência de contração para ambas as misturas, sendo que

a CV40A60 apresenta uma variação de volume bem mais expressiva.

Dessa forma, pode-se dizer que o comportamento resistente da mistura

CV40A60 se apresenta inferior tanto ao solo puro como à mistura com cinza de

fundo na mesma proporção para baixas e médias deformações axiais,

apresentando uma maior resistência à maiores deformações, e que tende a

aumentar e ultrapassar o valor dos outros materiais. A mistura CF40A60 se

apresenta com um comportamento mais semelhante ao solo puro, sendo um pouco

inferior a pequenas e médias deformações axiais e se igualando a este a

deformações axiais mais altas quando aplicadas altas tensões confinantes. À baixa

tensão a mistura se apresentou praticamente igual ao solo puro. Apesar da mistura

com cinza volante ultrapassar a resistência do solo puro e mistura com cinza de

fundo à maiores deformações, esta apresenta uma variação volumétrica

significativamente maior que os outros materiais.

Envoltórias e Parâmetros de Resistência ao Cisalhamento comparando a

influência do tipo de cinza.

Na Figura 4.16 se apresentam as envoltórias e parâmetros de resistência ao

cisalhamento para o solo arenoso puro e misturas CV30A70 e CF30A70. As

envoltórias estão plotadas no espaço p’:q.

Devido aos diferentes comportamentos apresentados pelos materiais à

medida que a deformação axial aumenta, e devido à ausência de uma resistência

de pico bem definida, as envoltórias de resistência foram feitas com a resistência

apresentada pelos materiais a uma mesma deformação axial de 17%, visto que

seus comportamentos tendem à similaridade a maiores deformações e foi possível

chegar a este valor em todos os ensaios.

125

Figura 4.16 – Comparação entre as envoltórias de resistência do Solo Puro (A100) e misturas

CV30A70 e CF30A70.

A partir das envoltórias apresentadas, nota-se que a inserção de 30% tanto de

cinza de fundo, como da cinza volante, geraram um aumento na coesão do material, e

mantiveram o ângulo de atrito muito próximo ao valor do solo puro.

Comparando-se as misturas com cinza volante e de fundo, observa-se que a

mistura CF30A70 proporcionou um aumento maior da coesão, igual a 13,65 kPa, e

uma queda do valor do ângulo de atrito somente em casas decimais, apresentando-se

melhor do que a mistura com cinza volante na mesma proporção, que ocasionou uma

queda maior no parâmetro e gerou uma coesão de 9,35 kPa.

Vale ressaltar que a coesão apresentada pelos materiais se trata de uma coesão

aparente, e não real que ocorre em geral devido a atrações elétricas entre partículas.

Esta coesão aparente constitui uma parcela da resistência que pode estar relacionada

a possíveis bolhas de ar remanescentes no corpo de prova que, consequentemente,

não estaria 100% saturado (parâmetro B=1), condição que de fato foi difícil de se

atingir no ensaio, como apresentado anteriormente.

Desta maneira, pode-se dizer que tanto a mistura com 30% de cinza de fundo,

como com cinza volante, apesar de apresentarem variações em seus comportamentos

quando comparados com o solo puro, não causaram variações significativas nos

parâmetros de resistência do mesmo, podendo ser aplicados em mistura com o solo.

126

Na Figura 4.17 se apresentam as envoltórias e parâmetros de resistência ao

cisalhamento para o solo arenoso puro e misturas CV40A60 e CF40A60.

Figura 4.17 – Comparação entre as envoltórias de resistência do Solo Puro (A100) e misturas

CV40A60 e CF40A60.

Assim como para as misturas com 30%, nota-se que a inserção de 40% de

cinza de fundo gerou um aumento na coesão do material, e manteve o ângulo de

atrito muito próximo ao valor do solo puro, decrescendo somente de alguns décimos.

A mistura CV40A60 neste caso apresentou coesão igual a zero e uma maior queda do

ângulo de atrito quando comparada com o solo puro e mistura CF40A60. Portanto,

observa-se que a mistura CF40A60 apresenta-se melhor do que a mistura com cinza

volante na mesma proporção. Porém, a diferença entre ambas também não foi

significativamente grande, de forma que a mistura com cinza volante também se

mostra aplicável.

Desta forma, pode-se afirmar que tanto a mistura com 40% de cinza de fundo,

como com cinza volante, poderiam ser aplicados em mistura com o solo, uma vez

que em seus parâmetros de resistência não foram alterados significativamente em

relação ao solo puro.

127

4.2.1.3 Influência do teor de cinza

O comportamento de tensão desviadora (σd) e variação volumétrica (ɛv)

versus deformação axial (ɛa), correspondentes aos ensaios do tipo CID, para o solo

arenoso puro (A100) e misturas com 30% e 40% de cinza volante (CV30A70,

CV40A60) são apresentados e comparados na Figura 4.18.

Nota-se que para a tensão confinante de 50 kPa, tanto a mistura com 30%,

como a com 40% de cinza volante, apresentam um comportamento pior do que o

solo arenoso puro. Entre 0 e 2% de deformação axial todos os materiais alcançam

uma resistência que se mantém aproximadamente constante até atingir-se maiores

deformações, sendo que nesta faixa, o solo puro apresenta uma maior resistência.

Observa-se que a mistura CV30A70 atinge uma resistência maior que a mistura

com 40% de cinza volante quando submetida a este nível de tensão. Através do

gráfico da deformação volumétrica versus deformação axial, nota-se que a areia

pura sofre um aumento contínuo de volume durante o cisalhamento, enquanto

ambas as misturas com cinza volante sofrem uma diminuição semelhante de seu

volume, sendo que a amostra CV30A70 apresenta uma deformação volumétrica um

pouco maior que a CV40A70.

Para a tensão confinante de 150 kPa, o solo arenoso apresenta uma

resistência de pico à aproximadamente 2% de deformação axial, depois se

mantendo constante com o aumento desta. A mistura CV40A60, ensaiada à tensão

confinante de 200 kPa, se apresenta inferior à mistura CV30A70, ensaiada na 150

kPa, até uma deformação de aproximadamente 10,4%, onde as resistências das

misturas se igualam e os valores de resistência da CV40A60 continuam a crescer e

também ultrapassam o solo arenoso puro a 14% de deformação axial, se tornando

superior a ambos os materiais. Inicialmente a mistura CV30A70 apresenta valores

de resistência menores do que o solo puro, se igualando a este a partir de maiores

deformações axiais, de aproximadamente 16%, e se mantendo constante e inferior

à mistura CV40A60. Enquanto o solo arenoso apresenta um aumento de volume

contínuo durante o cisalhamento, ambas as misturas apresentam uma diminuição

de volume, sendo que a mistura CV40A60 apresentou uma deformação volumétrica

significativamente maior do que a mistura CV30A70.

Para a tensão confinante de 250 kPa o solo puro apresentou valores de

resistência sempre superiores a ambas as misturas com cinza volante, sendo que

128

neste caso a mistura com 30% se manteve todo o tempo também superior à

mistura com 40%. Ambas as misturas igualam o valor da resistência em

aproximadamente 20% de deformação axial, porém ainda com valor inferior ao

solo puro.

Em relação à variação de volume, nota-se que a areia pura também sofre

dilatação para a tensão confinante de 250 kPa, enquanto que ambas as misturas

nesse caso também sofrem uma diminuição de volume mais acentuada, e a

mistura com 40% apresenta deformação volumétrica maior que a mistura com

30% de cinza volante.

Assim, pode-se dizer que de forma geral, o comportamento do solo puro foi

superior a ambas as misturas com cinza volante para baixos e médios valores de

deformação axial, tanto para baixas como altas tensões confinantes. Neste caso,

ensaios como o ring shear, que possibilitam a análise dos resultados a

deformações axiais maiores, seriam importantes, uma vez que se observa a

tendência das resistências residuais se igualarem ou ultrapassarem os valores do

solo puro. Comparando-se ambas as misturas, de maneira geral observa-se que a

mistura CV40A60 se apresenta inferior à mistura com 30% de cinza volante, uma

vez que esta possui valores de resistência maiores para baixas e médias

deformações, podendo se igualar à CV40A60 a maiores deformações axiais e

apresenta menores deformações volumétricas durante o cisalhamento.

129

Figura 4.18 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial das

amostras A100 e misturas CV30A70 e CV40A60 em ensaios triaxiais.

O comportamento de tensão desviadora (σd) e variação volumétrica (ɛv)

versus deformação axial (ɛa), correspondentes aos ensaios do tipo CID, para o solo

arenoso puro (A100) e misturas com 30% e 40% de cinza de fundo (CF30A70,

CF40A60) são apresentados e comparados na Figura 4.19.

130

Nota-se que para a tensão confinante de 50 kPa, tanto a mistura com 30%,

como a com 40% de cinza de fundo, apresentam um comportamento muito similar

ao solo arenoso puro, sendo a resistência apresentada pela mistura CF40A60

somente um pouco inferior aos outros materiais. Entre 0 e 2% de deformação

axial todos os materiais alcançam uma resistência que se mantém

aproximadamente constante até atingir-se maiores deformações. Entre 0 e 6% de

deformação axial observa-se que a mistura CF30A70 apresenta uma maior

resistência, mas não muito significativa. Através do gráfico da deformação

volumétrica versus deformação axial, nota-se que tanto a areia pura como a

mistura CF30A70 sofrem um aumento contínuo de volume durante o cisalhamento,

sendo que a mistura com cinza apresenta uma deformação volumétrica menor que

o solo puro. Não foi possível a determinação do comportamento da deformação

volumétrica da mistura CF40A60 devido a problemas na aquisição dos dados.

Para a tensão confinante de 150 kPa, o solo arenoso apresenta uma

resistência de pico a aproximadamente 2% de deformação axial, depois se

mantendo constante com o aumento desta. A mistura CF40A60 se apresenta inferior

à mistura CF30A70 até uma deformação de aproximadamente 16%, onde suas

resistências se igualam e mantêm aproximadamente constante e iguais também ao

solo puro. A mistura CF30A70 apresenta um comportamento mais semelhante ao

solo puro nesta tensão que a mistura CF30A70, se igualando aos valores do solo a

deformações axiais ainda baixas, de aproximadamente 5%, enquanto a mistura

CF40A60 também a deformações de 16%. A este nível de tensão, ambas as misturas

sofrem uma diminuição de volume do cisalhamento, sendo que a deformação

volumétrica para a mistura com 40% de cinza é significativamente maior que para

a mistura com 30%, que atinge um valor constante de deformação volumétrica a

6% de deformação axial. O solo puro apresenta uma expansão, e também valores

de deformação volumétrica mais elevados que a mistura CF30A70.

Para a tensão confinante de 250 kPa o solo puro apresentou valores de

resistência superiores a ambas as misturas com cinza de fundo para baixas e

médias deformações axiais, e a mistura com 30% de cinza se apresentou superior

à mistura com 40%. À maiores deformações ambas as misturas e o solo puro

tendem igualar o comportamento e apresentar mesma resistência. Em relação à

variação de volume, nota-se que a areia pura também sofre dilatação para a tensão

confinante de 250 kPa, enquanto que ambas as misturas nesse caso também

131

sofrem uma diminuição de volume mais acentuada, sendo a deformação

volumétrica apresentada pela mistura CF30A70 maior que a mistura com 40%, se

igualando à mesma a deformações axiais de aproximadamente 16%.

Assim, pode-se dizer que o comportamento de ambas as misturas com cinza

de fundo se apresenta semelhante entre si, sendo inferiores ao solo puro a

pequenas deformações axiais e se igualando a este a deformações axiais médias e

altas quando submetidos a tensões confinantes mais elevadas. A baixas tensões, a

mistura com 30% se apresentou bem semelhante ao solo puro e um pouco

superior à mistura com 40%. Em geral, a mistura com 40% apresentou maiores

deformações volumétricas durante os diferentes carregamentos. Todos os

materiais atingem uma resistência residual bastante semelhante.

132

Figura 4.19 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial das

amostras A100 e misturas CF30A70 e CF40A60 em ensaios triaxiais.

133

Envoltórias e Parâmetros de Resistência ao Cisalhamento comparando a

influência do teor de cinza.

Na Figura 4.20 se apresentam as envoltórias e parâmetros de resistência ao

cisalhamento para o solo arenoso puro e misturas CV30A70 e CV40A60. As

envoltórias estão plotadas no espaço p’:q.

Assim como apresentado anteriormente, as envoltórias de resistência foram

feitas baseadas na resistência apresentada pelos materiais a uma mesma

deformação axial de 17%.

Figura 4.20 – Comparação entre as envoltórias de resistência do Solo Puro (A100) e misturas

CV30A70 e CV40A60.

A partir das envoltórias apresentadas, nota-se que as misturas tanto com 30%

como 40% de cinza volante, mantiveram o ângulo de atrito bem próximo ao valor do

solo puro, porém diminuindo este em mais ou menos 1,5 – 1,8°. Observa-se que a

mistura CV30A70 apresenta um valor de ângulo de atrito um pouco superior à mistura

com 40%, e ocasionou um aumento na coesão do material, que como apresentado

anteriormente, se trata de uma coesão aparente.

Desta maneira, pode-se dizer que tanto a mistura com 30%, como 40% de

cinza volante, não causaram variações muito significativas dos parâmetros de

134

resistência do solo, podendo serem utilizados em substituição ao mesmo. Ainda, a

mistura CV30A70 se apresenta um pouco superior à mistura CV40A60.

Na Figura 4.21 se apresentam as envoltórias e parâmetros de resistência ao

cisalhamento para o solo arenoso puro e misturas CF30A70 e CF40A60.

Figura 4.21 – Comparação entre as envoltórias de resistência do Solo Puro (A100) e misturas

CF30A70 e CF40A60.

Pode-se observar que as misturas, tanto com 30% como 40% de cinza de

fundo, mantiveram o ângulo de atrito quase iguais ao solo puro, variando-se deste

somente em alguns décimos. Observa-se que ambas as misturas apresentaram um

aumento no valor da coesão, sendo que a mistura com 30% de CF apresentou um

maior valor que a mistura com 40% de CF. A diferença entre o ângulo de atrito de

ambas as misturas não se apresenta significante. Vale ressaltar novamente que este

valor de coesão se trata de uma coesão aparente, podendo-se então considerar ambas

as misturas com parâmetros de resistência praticamente iguais.

Os resultados próximos obtidos para o solo arenoso puro e misturas com

cinza de fundo em ambas as porcentagens, podem estar relacionados ao fato da

granulometria destes materiais se apresentarem semelhantes. A inserção da cinza

135

de fundo ao solo arenoso proporcionou um material com uma granulometria

intermediária entre cinza de fundo e areia, e que se mostra viável a ser utilizado.

Becquart et al (2008) estudou a cinza de fundo de RSU individualmente,

realizando, dentre outros, ensaios triaxiais. Os autores afirmam que a cinza de

fundo revela um comportamento mecânico similar a materiais densos

convencionais (areias, materiais granulares não cimentados) e dependente da

pressão média aplicada, característica do comportamento mecânico de meios

granulares. Destaca-se que a cinza de fundo apresenta algumas características

mecânicas como: elevada rigidez, baixo índice de compressibilidade, e elevado

ângulo de atrito, que estaria relacionado principalmente ao embricamento dos

grãos.

4.2.1.4 Influência do tempo de cura para as misturas com cal

O comportamento de tensão desviadora (σd) e variação volumétrica (ɛv)

versus deformação axial (ɛa), correspondentes aos ensaios do tipo CID, para o solo

arenoso puro (A100) e misturas com cinza volante e cal (CV27Cal3A70) nos tempos

de cura de 0, 60 e 90 dias são apresentados e comparados na Figura 4.22.

Nota-se que para a tensão confinante de 50 kPa, a mistura CV27Cal3A70_T0,

com zero dias de cura, se apresenta com uma resistência inferior ao solo puro e

misturas nos tempos de cura de 60 e 90 dias. O solo puro se apresenta superior a

todas as misturas para este nível de tensão, e o comportamento do material a 60 e

90 dias de cura se apresenta praticamente o mesmo. Nenhum dos materiais

apresenta uma resistência de pico bem definida, sendo a resistência alcançada em

pequenas deformações aproximadamente iguais às alcançadas a maiores

deformações axiais. Através do gráfico da deformação volumétrica versus

deformação axial, nota-se que enquanto a areia sofre um aumento de volume

durante o cisalhamento, todas as misturas sofrem uma diminuição deste. A

mistura CV27Cal3A70_T0 apresenta uma deformação volumétrica

significativamente maior que as misturas à 60 e 90 dias de cura. A mistura

CV27Cal3A70_T60 apresenta uma deformação volumétrica muito pequena, que

tende ao seu estado inicial quando deformações axiais maiores são atingidas.

Para a tensão confinante de 150 kPa as misturas com cura de 0 e 90 dias

apresentam um comportamento significativamente inferior ao solo puro e mistura

136

CV27Cal3A70_T60, e um comportamento semelhante entre si. A resistência nestes

tempos de cura aumenta continuamente, mas mesmo a maiores deformações

axiais não chegam a atingir o mesmo valor do solo ou mistura a 60 dias de cura. A

mistura CV27Cal3A70_T60 apresenta um pior comportamento quando comparado

ao solo puro para deformações axiais baixas e médias, se igualando ao mesmo

para a deformação de aproximadamente 16%. Neste nível de tensão confinante, o

solo arenoso apresenta uma expansão, enquanto as misturas para todos os tempos

de cura apresentam uma diminuição de volume semelhante. A mistura

CV27Cal3A70_T60 é a que apresenta menores níveis de deformação volumétrica

durante o cisalhamento, enquanto a mistura com 0 dias de cura apresenta maiores

deformações.

Para a tensão confinante de 250 kPa observa-se um comportamento

semelhante ao descrito quando aplicada a tensão de 150 kPa. As misturas com 0 e

90 dias de cura apresentam comportamento semelhante e resistência

significativamente inferior ao solo puro e mistura com 60 dias, mesmo a maiores

deformações axiais. A mistura CV27Cal3A70_T60 também apresenta um

comportamento inferior ao solo puro, porém seus valores de resistência se

mantém crescente e se igualam ao solo para deformações axiais de

aproximadamente 16%. Para este nível de tensão confinante, as deformações

volumétricas dos materiais são mais acentuadas que a 150 kPa, porém o

comportamento das misturas são similares às descritas para este nível de tensão.

Dessa forma, pode-se dizer que o comportamento da mistura

CV27Cal3A70_T60, com 60 dias de cura, se apresenta significativamente melhor

que as misturas com cura de 0 e 90 dias. A pequenas e médias deformações o

material possui uma menor resistência do que a apresentada pelo solo puro, porém

a maiores deformações axiais este se iguala ou se mostra superior ao solo puro.

Quando comparado com as misturas de 0 e 90 dias de cura, observa-se que a

mistura com 60 dias sofre menores deformações volumétricas, principalmente

quando submetido a baixas tensões confinantes.

137

Figura 4.22 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial das

amostras A100 e mistura CV27Cal3A70 nos tempos de cura de 0, 60 e 90 dias, em ensaios triaxiais.

Envoltórias e Parâmetros de Resistência ao Cisalhamento comparando a

influência do tempo de cura para as misturas com cal.

Na Figura 4.23 se apresentam as envoltórias e parâmetros de resistência ao

cisalhamento para o solo arenoso puro e mistura CV27Cal3A70 a 0, 60 e 90 dias de

cura. As envoltórias estão plotadas no espaço p’:q.

138

Assim como apresentado anteriormente, as envoltórias de resistência foram

feitas baseadas na resistência apresentada pelos materiais a uma mesma

deformação axial de 17%.

Figura 4.23 – Comparação entre as envoltórias de resistência do Solo Puro (A100) e misturas

CV27Cal3A70 com tempos de cura de 0, 60 e 90 dias.

Pode-se observar que as misturas CV27Cal3A70_T0 e CV27Cal3A70_T90

apresentam suas envoltórias abaixo do solo puro, e parâmetros de resistência

inferiores ao mesmo, sendo possível observar uma queda de aproximadamente 4° e

2,5°, respectivamente, no ângulo de atrito do material. A mistura a 0 dias de cura

apresentou um acréscimo da coesão, igual a 2,66 kPa, já a mistura a 90 dias de cura

apresenta a coesão nula, igual ao solo puro.

A mistura CV27Cal3A70_T60 foi a que apresentou melhores resultados, com

parâmetros de resistência sendo ainda superiores ao solo puro. A mistura apresentou

o ganho de 1° no ângulo de atrito e um acréscimo de coesão, igual a 1,91 kPa.

Porém, ainda se faz necessária a realização de uma maior quantidade de

ensaios, também com outros tempos de cura para que se possa ter um melhor

conhecimento da influência deste no comportamento das misturas. Devido ao fato

dos parâmetros de resistência não terem sofrido alterações significativas, pode-se

dizer que não se tem como definir um tempo de cura ideal.

139

4.2.1.5 Influência do método de moldagem do corpo de prova para ensaio

com cura.

Na Figura 4.24 apresenta-se o comportamento da tensão desviadora (σd) e

variação volumétrica (ɛv) versus deformação axial (ɛa), correspondentes aos

ensaios do tipo CID, para a mistura CV27Cal3A70_T60 e CV27Cal3A70_T60_PM,

que foi realizado com o corpo de prova pré-moldado, a fim de se avaliar a

influência do método de moldagem e cura dos corpos de prova.

Nota-se que para a tensão confinante de 50 kPa, o solo puro apresenta

resistências superiores a ambas as misturas, mas a CV27Cal3A70_T60_PM,

realizada com corpo de prova pré-moldado, apresenta um comportamento pior do

que a mistura no mesmo tempo de cura para o Método 1 de moldagem. Nenhum

dos materiais apresenta uma resistência de pico bem definida, sendo a resistência

alcançada em pequenas deformações aproximadamente iguais às alcançadas a

maiores deformações axiais. Através do gráfico da deformação volumétrica versus

deformação axial, nota-se que enquanto a areia sofre um aumento de volume

durante o cisalhamento, todas as misturas sofrem uma diminuição deste, sendo

que a mistura pré-moldada apresenta deformações volumétricas

significativamente maiores que a mistura CV27Cal3A70_T60. Esta, apresenta uma

deformação volumétrica muito pequena, que tende ao seu estado inicial quando

deformações axiais maiores são atingidas.

Para a tensão confinante de 150 kPa ambas as misturas apresentam um

comportamento inferior ao solo puro para baixas e médias deformações axiais se

igualando ao mesmo em uma deformação de aproximadamente 16%. Neste ponto,

a mistura CV27Cal3A70_T60 passa a manter sua resistência constante, enquanto a

CV27Cal3A70_T60_PM ultrapassa o solo mostrando uma tendência de

crescimento. Neste nível de tensão não se observa uma diferença muito acentuada

entre o comportamento das misturas com e sem corpo de prova pré-moldado para

cura. Porém a mistura CV27Cal3A70_T60_PM apresenta uma resistência um pouco

maior. Ambas as misturas apresentaram uma contração durante o cisalhamento,

sendo que se observa na mistura CV27Cal3A70_T60 uma deformação volumétrica

mais acentuada que a mistura com pré-molde para mesmos níveis de deformação

axial.

140

Para a tensão confinante de 250 kPa observa-se que as misturas

CV27Cal3A70_T60 e CV27Cal3A70_T60_PM apresentam comportamentos

semelhantes entre si, porém com a mistura com corpo de prova pré-moldado

apresentando uma resistência um pouco maior que a outra mistura e se igualando

ao solo puro para deformações axiais de aproximadamente 13%, mostrando uma

tendência de aumento com o crescimento da deformação axial. A mistura

CV27Cal3A70_T60 se iguala ao solo para deformações axiais de aproximadamente

16%, tendendo a ficar com valores de resistência constantes a partir daí. Para este

nível de tensão confinante, as deformações volumétricas de ambas as misturas são

praticamente iguais.

Dessa forma, pode-se dizer que o método de moldagem para cura de 60 dias

do material não apresentou tanta influência nos resultados, como se esperava.

Porém, em aspectos gerais, a mistura CV27Cal3A70_T60_PM de fato apresenta

maiores valores de resistência se igualando e ultrapassando valores do solo puro

para menores deformações axiais que as apresentadas pela mistura

CV27Cal3A70_T60. Assim, ambos os métodos apresentaram resultados

satisfatórios, contudo se faz necessária a realização de mais ensaios com este

aspecto comparativo.

141

Figura 4.24 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial das

amostras A100 e misturas CV27Cal3A70_T60 e CV27Cal3A70_T60_PM, em ensaios triaxiais.

142

Envoltórias e Parâmetros de Resistência ao Cisalhamento comparando a

influência do método de moldagem para os ensaios com cura de 60 dias.

Na Figura 4.25 se apresentam as envoltórias e parâmetros de resistência ao

cisalhamento para o solo arenoso puro e mistura CV27Cal3A70 a 60 dias de cura

comparando-se o método de moldagem do corpo de prova. As envoltórias estão

plotadas no espaço p’:q.

Figura 4.25 – Comparação entre as envoltórias de resistência do Solo Puro (A100) e misturas

CV27Cal3A70_T60 e CV27Cal3A70_T60_PM.

Pode-se observar que ambas as misturas com 60 dias de cura apresentaram um

aumento nos valores dos parâmetros de resistência quando comparados ao solo puro.

As misturas CV27Cal3A70_T60 e CV27Cal3A70_T60_PM mostram um ganho de 1° e

2,3°, respectivamente, no ângulo de atrito do material. Esta diferença de 1,3° no

ângulo de atrito entre ambas as misturas curadas por 60 dias, pode estar relacionado

ao método de moldagem, uma vez que o método com pré-moldagem mantém a

estrutura do corpo de prova após as eventuais reações químicas ocorridas com o

material.

Apesar dos resultados positivos obtidos, ainda se faz necessária a realização de

mais ensaios em corpos de prova pré-moldados, para que se possa ter melhores

conhecimentos da influencia deste sob o real ganho de resistência do material.

143

4.2.1.6 Comparação geral dos resultados.

A Tabela 4.15 apresenta um resumo e uma comparação geral dos valores de

coesão e ângulo de atrito para o solo arenoso e todas as misturas (com e sem cura)

estudadas.

Tabela 4.15 – Resumo dos valores de coesão e ângulo de atrito para o solo puro e misturas solo-

cinza e solo-cinza-cal estudadas no presente trabalho.

Parâmetros de Resistência – Deformação axial de 17%

Misturas Parâmetros de Lambe Parâmetros de Mohr

a (kPa) α (°) c (kPa) ф (°)

A 0 29,1 0 33,82

CV30A70 7,91 28,07 9,35 32,23

CV40A60 0 27,96 0 32,06

CF30A70 11,42 28,73 13,65 33,24

CF40A60 6,96 28,9 11,37 33,50

CV27Cal3A70_T0 2,31 26,37 2,66 29,72

CV27Cal3A70_T60 1,57 29,73 1,91 34,82

CV27Cal3A70_T90 0 27,42 0 31,25

CV27Cal3A70_T60_PM 0 30,52 0 36,12

De maneira geral, observa-se que a inserção da cinza, seja volante ou de

fundo, se mostra aplicável, uma vez que os parâmetros de resistência do material

não são consideravelmente alterados ou sofre uma melhoria, dando dessa forma

uma destinação mais nobre ao rejeito.

Em relação à cinza volante, ambas as misturas com 30 e 40% apresentaram

praticamente o mesmo valor de ângulo de atrito, diferenciando-se somente em

alguns décimos. A diferença para o valor do mesmo parâmetro para o solo puro

foi de aproximadamente menos 1,6°. A mistura com 30% ainda apresentou um

ganho de coesão de 9,35 kPa. Dessa forma, a porcentagem ótima pode ser

considerada de 40%, uma vez que há um uso de maior volume de resíduo.

Para as misturas com cinza de fundo, ambas as porcentagens de 30% e 40%

apresentaram também praticamente o mesmo valor de ângulo de atrito, diferindo-

se somente de alguns décimos entre si e em relação ao solo puro. As misturas

CF30A70 e CF40A60 também apresentaram um aumento de coesão de 13,65 KPa e

11,37 KPa respectivamente. Dessa forma, a porcentagem ótima para a cinza de

144

fundo pode ser considerada de 40%, visto que se faz uso de um maior volume de

resíduo.

Entre ambas as cinzas, volante e de fundo, as diferenças nos ângulos de atrito

foram de aproximadamente 1 – 1,5°, e as misturas com cinza de fundo

apresentaram valores de coesão maiores que os gerados pela inserção de cinza

volante. Dessa forma, dentre todas as misturas sem cal, a CF40A60 foi a que

apresentou um comportamento mais semelhante ao solo.

Dentre as misturas com cal e cura, a CV27Cal3A70_T0 foi a que apresentou

uma piora significativa, apresentando uma queda de 4° no ângulo de atrito, porém

um pequeno aumento na coesão do material. A mistura CV27Cal3A70_T90

apresentou uma queda de 2,6° no ângulo de atrito quando comparado ao solo

puro, e nenhum acréscimo da coesão. A mistura que se mostrou com melhores

resultados foi a CV27Cal3A70_T60, com 60 dias de cura, apresentando valores

tanto de ângulo de atrito como coesão maiores que o solo puro.

Comparando-se os métodos de moldagem do corpo de prova, a mistura com

pré-moldagem CV27Cal3A70_T60_PM, apresentou um acréscimo de 2,3° no

ângulo de atrito em comparação com o solo, porém não apresentou coesão.

Dessa forma, a mistura que se apresenta com melhores resultados quando se

comparam todas as misturas estudadas, é a mistura CV27Cal3A70_T60_PM. Porém

ainda se faz necessária a execução de mais ensaios com este material para outros

tempos de cura.

O resultado mais satisfatório encontrado para a mistura solo-cinza-cal pode

estar relacionado às características pozolânicas da cinza volante. A mistura cinza-

cal proporciona uma estabilização química ao solo granular, de forma a melhorar

sua resistência por meio da adição de pequenas quantidades de ligantes nos pontos

de contato dos grãos.

Mateos (1961, apud Thomé, 1999) observou em sua pesquisa que os valores

da massa específica aparente seca para a mistura areia-cinza volante-cal sofreram

um aumento, que levaria consequentemente, a um aumento também na resistência

da mistura, pois há um contato mais próximo e/ou aumento de contatos entre as

partículas da cal e cinza.

145

4.3 COMPARAÇÃO ENTRE SOLO ARENOSO E ARGILOSO EM

MISTURA COM CINZAS VOLANTE E DE FUNDO DE RSU E CAL.

Alguns dos fatores que afetem a estabilização de solos com cinza e cal são:

tipo de solo, tipo de cinza, tipo de cal, efeito de diferentes proporções de cal e

cinza, períodos de cura, efeito da energia de compactação e efeito da temperatura

de cura.

Quispe (2013) avaliou o comportamento de um solo argiloso estabilizado

com cinzas de RSU também provenientes da Usinaverde. Foram realizados

ensaios de caracterização física, química e mecânica. Através de ensaios triaxiais

estáticos, analisou-se a influência dos dois tipos de cinzas, do teor utilizado (20,

30 e 40%) e do tempo de cura (0, 30 e 60 dias) nos parâmetros de resistência do

material.

Neste item se apresenta uma comparação entre a influência da inclusão das

cinzas em mistura com um solo argiloso (Quispe, 2013) e um solo arenoso, nos

parâmetros de resistência dos mesmos.

Segundo Quispe (2013), o solo utilizado pelo autor se trata de uma argila

arenosa de média plasticidade e em sua composição química há uma grande

quantidade de Al2O3 e Fe2O3 e uma pequena quantidade de CaO, MgO, K2O e

Na2O.

A Tabela 4.16 apresenta uma comparação dos resultados obtidos por Quispe

(2013) e os obtidos na presente pesquisa.

Tabela 4.16 – Comparação entre a influência da inserção de cinzas volante e de fundo de RSU nos

parâmetros de resistência de um solo argiloso e arenoso.

Comparação dos Resultados

Misturas Quispe (2013)

Misturas Presente Pesquisa

c (KPa) ф (°) c (KPa) ф (°)

Solo Puro 21,22 26,4 A100 0 33,82

SP70CV30 41,9 32,1 CV30A70 9,35 32,23

SP60CV40 34 34,4 CV40A60 0 32,06

SP70CF30 48,3 30,8 CF30A70 13,65 33,24

SP60CF40 35,78 33 CF40A60 11,37 33,50

SP70CV30_T60 43,7 32,1 CV27Cal3A70_T60 1,91 34,82

146

Através dos resultados obtidos por Quispe (2013), observa-se que todas as

misturas solo-cinza apresentaram uma melhoria significativa nos parâmetros de

resistência, quando comparados com o solo puro, sendo que as misturas solo-

cinza volante apresentam os melhores resultados. De acordo com o autor as

misturas com 40% de cinza volante e 30% de cinza de fundo apresentaram as

melhores características de resistência e poderiam ser utilizadas como

estabilizante no solo estudado. Para a mistura com cura de 60 dias, observam-se

parâmetros quase iguais à mesma mistura sem cura.

Como apresentado anteriormente, as misturas estudadas na presente

pesquisa apresentaram os valores de seus parâmetros de resistência bastante

semelhante ao solo puro, e quando utilizada a mesma cinza, com porcentagens

diferentes entre si, observa-se também valores próximos, podendo-se então definir

a porcentagem de 40% como um teor ótimo para ambas as misturas.

Observa-se que a coesão do solo argiloso é expressivamente mais elevada

que a do solo arenoso, porém apresenta um ângulo de atrito menor. Quando se

insere tanto as cinzas de fundo, como volante ao mesmo, este passa a apresentar

valores de ângulo de atrito semelhantes ao solo arenoso puro e misturas deste com

as cinzas. Este especto pode estar relacionado ao fato de ambas as cinzas

apresentarem uma granulometria arenosa, e tornar o solo argilo-arenoso mais

semelhante a uma areia.

Devido à composição física e química do solo argiloso, as cinzas funcionam

como agentes estabilizantes proporcionando tanto uma estabilização física, como

química, diferentemente do solo arenoso, que sofre somente uma estabilização

física com alteração de sua granulometria, visto que sua composição é

basicamente formada por minerais de quartzo.

A princípio, solos sem fração fina, como a areia estudada, não possuem um

aumento considerável de sua resistência somente com a adição de cal. Dessa

forma, a adição de cinza volante juntamente com a cal permite a ocorrência de

reações pozolânicas neste tipo de solo, pois a cinza disponibiliza os elementos

necessários para tais reações, enquanto um solo argiloso geralmente já possui tais

componentes em sua composição. Assim, ao se adicionar cal à mistura com areia

e cinza, além de se promover uma estabilização granulométrica, promove-se

também uma estabilização química. De fato, observa-se que dentre todas as

147

misturas, considerando o solo arenoso, a mistura CV27Cal3A70_T60 foi a que

apresentou o melhor resultado.

Comparando-se as misturas realizadas com os dois tipos de solos, a mistura

CV27Cal3A70_T60 é a que apresenta um maior ângulo de atrito, semelhante à

mistura SP60CV40 realizada com o solo argiloso.

Através dos resultados apresentados, pode-se observar que a inclusão de

cinzas em ambos os tipos de solo se mostra viável. Em solos argilosos, os

parâmetros de resistência do material sofrem um ganho mais significativo com a

inclusão de cinzas, diferentemente do que se observou para o solo arenoso

estudado. Porém, a inclusão das mesmas ao solo arenoso também se mostra

aplicável, o que contribui com a possibilidade de reutilização do resíduo e sua

destinação mais adequada.

148

148

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS

5.1 CONCLUSÕES

A partir dos resultados apresentados e analisados anteriormente, foi

possível chegar às conclusões abordadas neste item.

A adição tanto de cinza volante, como de fundo, de Resíduo Sólido

Urbano (RSU) ao solo arenoso estudado, proporcionou a geração de um novo

material com características próprias e que se mostra aplicável para utilização em

substituição ao solo puro.

A seguir estão apresentadas as principais conclusões relacionadas à adição

de cinzas de RSU ao solo utilizado na presente pesquisa.

Através do sistema de classificação SUCS o solo foi classificado

como sendo do tipo SP (areia mal graduada), a cinza volante como

ML (silte com areia) e a cinza de fundo como SM (areia siltosa).

Ambas as misturas, com 30 e 40% de cinza volante foram

classificadas como SM (areia siltosa), e as misturas com cinza de

fundo nas mesmas porcentagens obtiveram a mesma classificação do

solo puro, como SP (areia mal graduada);

Os resultados da composição química da cinza volante apresentaram

teores médios de SiO2, Al2O3 e Fe2O3 e elevado teor de CaO, além de

baixos teores de matéria orgânica, que em conjunto são positivos para

a ocorrência das reações pozolânicas, que integram o processo de

estabilização química do solo e neste caso influencia nos resultados

das misturas solo-cinza-cal. As cinzas de fundo apresentam maiores

teores de SiO2, Al2O3 e Fe2O3 e de matéria orgânica em comparação

com a cinza volante pura;

Ambas as cinzas se classificam como materiais não perigosos através

do ensaio de lixiviação. A cinza volante se classifica como Resíduo

149

Classe II A – Não inerte, devido à presença dos parâmetros Alumínio,

Cloretos, Cromo Total, Sulfato (expresso como SO4) e Fenóis Totais

com concentrações acima dos valores máximo permitidos no ensaio

de solubilização. A cinza de fundo também se classifica como

Resíduo Classe II A – Não Inerte, devido a presença dos parâmetros

Cloretos, Sódio, Sulfato (expresso como SO4) e Fenóis Totais com

valores acima dos permitidos por norma;

As análises dos resultados dos ensaios triaxiais CID comprovaram a

influência já conhecida dos seguintes fatores: tipo de cinza, teor de

cinza e tempo de cura com misturas com cal. Para o solo arenoso

utilizado na presente pesquisa, avaliaram-se também dois tipos de

métodos de moldagem do corpo de prova, para ensaios com cura.

Conclui-se que:

1. Quanto ao tipo e teores de cinza: comparando-se os dois tipos

de cinza e as porcentagens utilizadas, a mistura com 40% de

cinza de fundo (CF40A60) foi a que apresentou melhores

resultados nos parâmetros de resistência, sendo praticamente

igual ao solo puro e apresentando um ganho de coesão de 11,37

kPa. Contudo, todas as outras misturas também se apresentaram

viáveis, uma vez que mantiveram os parâmetros de resistência

muito próximos aos valores do solo puro;

2. Quanto ao teor de cinza: Tanto para as misturas com cinza

volante, como cinza de fundo, pode-se considerar a

porcentagem de 40% como a melhor porcentagem estudada,

uma vez que os parâmetros de resistência apresentados por

essas misturas foram quase iguais ao solo puro e um volume

maior de resíduo é destinado;

3. Quanto às misturas com cal e tempo de cura: a cura foi um fator

a ser estudado porque se acredita que o aumento do tempo de

cura possibilita que as reações químicas ocorridas entre os

materiais sejam completadas, contribuindo para uma maior

cimentação do material e consequente ganho de resistência.

Porém, não foi possível se estabelecer um padrão quanto aos

parâmetros de resistência obtidos, porque se observou que a 0

150

dias de cura o material apresentou uma piora, melhorando

novamente para 60 dias de cura, passando a perder resistência a

90 dias de cura. Assim, para as misturas solo-cinza volante-cal,

o melhor resultado obtido foi para a mistura CV27Cal3A70_T60,

porém ainda se faz necessárias a realização de mais ensaios e

análises para avaliação deste critério.

4. Quanto ao método de preparação do corpo de prova: Optou-se

pela realização de ensaios com corpos de prova pré-moldados

ao se observar a formação de grumos na massa de material

preparada em sacos plásticos. Devido à disponibilidade de

tempo e equipamentos, só foi possível a realização de ensaios

com corpos de prova pré-moldados para o tempo de cura de 60

dias. Através dos resultados observa-se que o maior ganho de

resistência foi apresentado por essa mistura, sendo superior à

mesma realizada com corpo de prova sem ser pré-moldado.

Dos ensaios triaxiais CID, conclui-se que a inserção de cinza ao solo

arenoso ocasionou uma mudança de comportamento no material. A

mistura solo-cinza passa a apresentar um comportamento semelhante

ao de areias pouco compactas ou fofas, enquanto a areia pura seguiu

um comportamento típico de areais mais compactas.

As misturas solo-cinza quando submetidas a baixas tensões

confinantes (50 kPa), possuem um crescimento de resistência até

aproximadamente 2 a 3% de deformação axial, se mantendo

praticamente constante após este ponto, assim como observado para o

solo puro. Praticamente todas as misturas se igualam ao solo puro

para esta tensão;

Para as tensões confinantes de 150 e 250 kPa, observa-se em geral

que as misturas solo-cinza apresentam uma resistência inferior ao

solo puro para baixas a médias deformações axiais, tendendo à se

igualar ao mesmo ou ultrapassar seu valor, comportamento explicado

pela diferença entre os valores das massas específicas obtidos para as

misturas. Por esse motivo, optou-se para a análise dos parâmetros de

resistência de todos os materiais à deformação axial de 17%, uma vez

151

que estes também não apresentaram um pico de resistência bem

definido;

Analisando-se a variação volumétrica dos materiais durante o

cisalhamento, não foi observado um padrão de comportamento para

nenhuma mistura;

Através dos resultados obtidos, foi possível concluir que a inserção

de ambas as cinzas ao solo arenoso em estudo se mostra viável, uma

vez que os parâmetros de resistência e deformabilidade do mesmo,

não sofreram alterações significativas.

5.2 SUGESTÕES PARA PESQUISAS FUTURAS

A seguir são citadas algumas sugestões para que o conhecimento do

comportamento destes materiais possam sem ampliados e que se possa prosseguir

com os estudos sobre estabilização de solos com a inserção de cinzas de RSU:

Analisar o comportamento mecânico de misturas com outros teores

de cinza volante e de fundo e para diversos tipos de solo;

Avaliar o comportamento ambiental das misturas solo-cinza de RSU

realizando ensaios de lixiviação e solubilização para as misturas que

apresentam melhores resultados, uma vez que os resíduos foram

classificados como não inertes;

Avaliar misturas solo arenoso-cinza volante-cal para maiores tempos

de cura, a fim de se estudar a potencialidade de aplicação desta cinza

juntamente com a cal, uma vez que esta permite a ocorrência de

reações pozolânicas também neste tipo de solo, disponibilizando os

componentes químicos necessários para tais reações;

Realizar ensaios adotando-se diferentes densidades relativas para o

material, e quando aplicada a cura, monitorar a temperatura, para que

esta seja constante durante o processo, uma vez que esta influencia

nas reações químicas ocorridas entre os materiais;

152

Desenvolver modelos de previsão de ruptura para análise numérica,

que reproduzam o comportamento de solos misturados com cinzas de

RSU;

Realizar ensaios que permitam a análise do comportamento dos

materiais à maiores deformações axiais, uma vez que se observa uma

tendência de aumento de resistência para maiores deformações para

algumas misturas;

Avaliar a potencialidade da utilização das cinzas de RSU através de

ensaios de campo em verdadeira grandeza, monitorando-se o seu

comportamento mecânico e a ocorrência de eventuais interações dos

rejeitos com o meio ambiente no decorrer do tempo.

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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