PROPRIEDADES MECÂNICAS DO RESÍDUO DE BRITAGEM

DE ROCHA CALCÁRIA EMPREGADO COMO MATERIAL DE

PREENCHIMENTO DE ATERRO

LUIZ PHILIPE CARVALHO DE SOUSA

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

(MODALIDADE - ARTIGO)

NATAL-RN

2016

U F R N

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

LUIZ PHILIPE CARVALHO DE SOUSA

PROPRIEDADES MECÂNICAS DO RESÍDUO DE BRITAGEM

DE ROCHA CALCÁRIA EMPREGADO COMO MATERIAL DE

PREENCHIMENTO DE ATERRO

Trabalho de Conclusão de Curso na

modalidade Artigo Científico, submetido ao

Departamento de Engenharia Civil da

Universidade Federal do Rio Grande do

Norte como parte dos requisitos

necessários para a obtenção do Título de

Bacharel em Engenharia Civil.

Orientador: Prof. Dr. Fagner Alexandre de

Nunes França.

NATAL-RN

2016

2

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PROPRIEDADES MECÂNICAS DO RESÍDUO DE BRITAGEM DE ROCHA

CALCÁRIA EMPREGADO COMO MATERIAL DE PREENCHIMENTO DE ATERRO

Luiz Philipe Carvalho de Sousa¹ Fagner Alexandre Nunes de França²

RESUMO

Segundo dados do Departamento Nacional de Produção Mineral (2015), a mesorregião do oeste potiguar do estado do Rio Grande do Norte possui a maior jazida de rocha calcária do país. Ao final dos processos de britagem e peneiramento da rocha, há a disposição de um material granular chamado de Resíduo de Britagem de Rocha Calcária (RBRC). Este resíduo não possui ampla aplicação, assim sua grande parcela geralmente é disposta em pilhas de acumulação nas próprias unidades das lavras da região. Assim, surge a necessidade de se investigar uma alternativa para este resíduo. Para isso se faz necessário conhecer suas propriedades em função do seu uso. O presente trabalho objetiva dar continuidade aos estudos prévios realizados na UFRN com o RBRC, desta vez visando sua aplicação como material de preenchimento de aterro de grande porte, estudando assim seu comportamento à resistência, compressibilidade e percolação d’agua. Foram realizados ensaios de cisalhamento direto, compressão edométrica, permeabilidade a carga variável e granulometria conjunta. Os resultados demonstraram que o resíduo pode sim ser utilizado e preenchimento de aterros por apresentar alta resistência e baixa compressibilidade, no entanto apresenta baixo coeficiente de permeabilidade, o que deve-se atentar em projeto.

Palavras-chave: Resíduo de Britagem de Rocha Calcária. Parâmetros Geotécnicos. Aterros de grande porte.

ABSTRACT

According to the brazillian’s national mineral production department (2015), the middle region of the Potiguar west of the Rio Grande do Norte has the largest deposit of limestone country rock. At the end of the crushing and screening processes of rock, there is the provision of a granular material called limestone extraction waste (RBRC). This waste does not have much application, so a large portion is disposed in accumulation of cells in own mining units. Them, comes the necessity of investigate an alternative use for this residue. This work aims to continue the previous studies in UFRN with RBRC, this time aiming the application of the residue like material for large landfill filling, so studying its behavior to the resistance, compressibility and percolation with water. For this, was accomplished several tests like direct shear, testing edometric, join granulometry and permeability. The results showed that the residue can indeed be used as landfill material by having high strength and low compressibility, yet has a low permeability coefficient which attention should be paid in designing.

Key-words: Limestone extraction waste. Geotechnical parameters. Large landfill filling.

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INTRODUÇÃO

Segundo dados fornecidos pelo Departamento Nacional de Produção Mineral

(DNPM, 2015), no ano de 2014 houve um crescimento de 7,9% na produção

mineral, quando comparada a 2013, indicando o aumento nas atividades da

mineração. A mineração é o termo que abrange os processos, atividades e

indústrias cujo objetivo é a extração de substâncias minerais ou de depósitos ou

massas minerais.

Dentre as substâncias presentes em minérios extraídos, destaca-se o

carbonato de cálcio, presente no dolomito e no calcário. O calcário apresenta valor

econômico superior ao do dolomito, sendo assim mais explorado. O uso dessa

substância está presente nos mais diversos setores da economia, na indústria e na

agricultura. Portanto, o aumento populacional está diretamente ligado à sua maior

exploração.

Ao final dos processos de britagem e peneiramento da rocha calcária, há a

disposição de um material granular heterogêneo, chamado de Resíduo de Britagem

de Rocha Calcária (RBRC). Este resíduo não possui ampla aplicação, e é delimitado

comumente ao uso como material de preenchimento em aterros de pequeno porte,

como de residências. Deste modo, grande parcela do material, geralmente, é

disposta em pilhas de acumulação nas próprias unidades de lavra, conforme o que

acontece em uma pedreira próxima ao município de Mossoró/RN, na mesorregião

do oeste potiguar. Essa região é detentora da maior jazida de rocha calcária do

país, atingindo uma área de aproximadamente vinte mil quilômetros quadrados, com

uma espessura de 50 a 400 metros de profundidade (DNPM, 2015). Fato este que

explica a economicamente ativa exploração deste minério na região.

Surge então a necessidade de se investigar uma alternativa para este

resíduo, para que possamos evitar a sua acumulação. Por conseguinte, se faz

necessário conhecer suas propriedades físicas, químicas e/ou mecânicas, em

função do seu uso.

Este trabalho visa continuar estudos prévios iniciados na Universidade

Federal do Rio Grande do Norte com o RBRC, desta vez empregado como material

de preenchimento de aterros de grande porte. Deve-se para tanto conhecer suas

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propriedades geotécnicas. Algumas delas foram determinadas em estudos

anteriores realizados nesta universidade. Assim sendo, será dado o aprofundamento

nas propriedades: resistência ao cisalhamento, permeabilidade e compressibilidade,

tendo em vista que são de indispensável conhecimento para materiais utilizados em

aterros.

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Nos aterros, as cargas atuantes são responsáveis por fornecer um acréscimo

de tensões em toda a área de solo das proximidades do carregamento, capazes de

causar deformações no solo, as quais se evidenciam por recalques na superfície do

aterro (recalque superficial). Como esses recalques são limitados em projetos,

devemos estudar como eles acontecem para o RBRC. Para isso será realizado

ensaio de compressão edométrica, que consiste na aplicação de uma tensão

vertical crescente de compressão sobre uma amostra de solo compactada e

confinada, acompanhada de medições de deformação vertical do corpo de prova. A

partir da curva índice de vazios x tensão aplicada em escala logarítmica é obtido o

índice de compressão, e a partir da curva altura do corpo de prova x tempo em

escala logarítmica é obtido o coeficiente de adensamento, caso ocorra.

Os aterros também possuem altos valores de tensão em sua base, podendo

superar a resistência do solo ao cisalhamento, dada como a máxima tensão

cisalhante que um solo suporta, sem sofrer ruptura (Pinto, 2006), ocasionado

possíveis deslocamentos de massa de solo. Assim, é fundamental determinarmos a

resistência ao cisalhamento do RBRC, que se dará do ensaio de cisalhamento

direto. O ensaio consiste em colocar a amostra de solo em uma caixa de

cisalhamento constituída de uma parte inferior fixa, e uma parte superior que pode

movimentar-se, aplicando tensões cisalhantes no solo. Aplica-se uma tensão normal

(σ) e, após o adensamento da amostra, aplica-se a tensão cisalhante ( ), crescente.

Após o ensaio, fica possível definir o ângulo de atrito ( ) e a coesão (c) pela

equação:

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Segundo Pinto (2006), a água ocupa a maior parte dos vazios do solo e o

estudo de sua percolação se faz importante principalmente para estimar a

quantidade de água que infiltra numa massa de solo, na análise dos recalques

decorrentes da expulsão da água dos vazios e para determinação da pressão neutra

nos estudos de estabilidade geral da massa de solo. Assim, será determinado o

coeficiente de permeabilidade do RBRC através de ensaio de permeabilidade à

carga variável.

Dois estudos anteriores foram realizados na UFRN com RBRC de uma

mesma pedreira, ambos visando a aplicação deste resíduo em camadas de sub-

base de aterro. No primeiro deles, Queiroz (2015) expõe seu estudo de

caracterização geotécnica do RBRC e ensaios de Índices de Suporte Califórnia. No

seguinte, Fernandes (2015) realizou ensaios de caracterização geotécnica (dentre

eles o de massa específica dos sólidos) e Índice de Suporte California, analisando a

sua variabilidade diante de resultados de Queiroz (2015), e ensaios de

compactação, cujos resultados serviram de base para a realização dos ensaios

deste trabalho uma vez que foram utilizadas as mesmas amostras.

MATERIAIS E MÉTODOS

A metodologia adotada para essa pesquisa consistiu na realização de

ensaios de granulometria conjunta, compressão edométrica, cisalhamento direto e

permeabilidade à carga variável.

Amostragem do Resíduo

As amostras utilizadas para este trabalho foram as mesmas utilizadas por

Fernandes (2015) em seu trabalho. As mesmas foram coletadas na pedreira Coelho

Brita LTDA, próximo ao município de Mossoró, no dia 24 de junho de 2015. Foram

coletadas amostras do topo, do centro e da base de uma pilha de depósitos do

resíduo. As amostras foram levadas ao Laboratório de Mecânica dos Solos da

UFRN, onde sofreram processos de homogeneização e quarteamento. Lá ficaram

armazenadas, protegidas de intempéries, e disponíveis para estudos (Fernandes,

2015). As amostras foram intituladas como Amostra “A” referente ao topo da pilha

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de estocagem de resíduo (figura 1), Amostra “B” referente ao centro da pilha,

amostra “C” referente à base, e amostra “B-d” como a amostra “B” sofrendo

processo de destorroamento.

Para o destorroamento da amostra B, o controle de parada foi a passagem do

RBRC na peneira ABNT #10 (2mm), por ser a peneira de diâmetro inferior das

utilizadas no processo de peneiramento que sucede a britagem da rocha calcária.

Figura 1 – Posição das Amostra na Pilha de Estocagem. Fonte: Fernandes (2015).

Para os ensaios realizados, foram utilizados valores de umidade ótima e de

massa específica seca máxima resultantes dos ensaios de compactação de

Fernandes (2015).

Moldagem dos Corpos de Prova

Os corpos de prova dos ensaios de cisalhamento direto, compressão

edométrica e permeabilidade à carga variável foram todos moldados com teor de

umidade ótima e massa específica seca máxima obtidos por Fernandes (2015) em

seus ensaios de compactação (figuras 2 e 3), e grau de compactação intencional de

100%, simulando as condições de compactação de aterros in loco.

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Figura 2 – Curva de compactação da amostra C virgem. Fonte: Fernandes (2015).

Figura 3 – Curva de compactação da amostra C destorroada. Fonte: Fernandes

(2015).

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Ensaio de Granulometria Conjunta

O ensaio de granulometria conjunta foi realizado de acordo com a norma

brasileira NBR 7181/1984, a qual fornece todas as instruções tanto para a etapa de

peneiramento como para a de sedimentação. O ensaio foi realizado para as

amostras em seu estado natural, para posterior comparação com resultados de

Fernandes (2015).

Ensaio de Cisalhamento Direto

Os ensaios foram realizados seguindo as instruções da norma americana

ASTM D3080/D3080M-11. Foram realizados os ensaios para tensões normais de

50, 100 e 200 kPa, com grau de compactação 100%. Cada amostra foi ensaiada na

condição ambiente e inundada. Em ambos os casos o corpo de prova era moldado,

logo em seguida fixado na caixa de cisalhamento e aplicada a tensão normal, e

aguardado a estabilização da deformação vertical do corpo de prova, com critério de

parada de 5 minutos. Na condição ambiente, dava-se início ao ensaio, enquanto que

na condição inundada, era realizada a saturação do corpo de prova, para em

seguida dar início ao ensaio.

Saturação do Corpo de Prova

Para definir o tempo necessário para saturação do corpo de prova durante a

inundação, a caixa de cisalhamento foi preenchida d’agua com o corpo de prova,

moldado e compactado, fixado dentro, e a tensão normal máxima (200 kPa)

aplicada. Foram realizadas inundações com durações decrescentes em duas horas,

iniciando em 24h, e em seguida, determinado o teor de umidade e de saturação da

amostra. Foi notado que 8 horas eram suficientes para elevar o grau de saturação

do corpo de prova da amostra B (maior quantidade de argila e silte) próximo à

100%, tanto destorroada como em estado natural. Assim, as inundações foram

realizadas com duração de 10h para todas as amostras, qualquer que fosse a

tensão normal.

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Ensaio de Compressão Edométrica

Os ensaios foram realizados de acordo com a norma brasileira NBR

12007/1990. Para realização do ensaio foi utilizado uma prensa edométrica. A

aplicação das tensões normais de compressão no corpo de prova foi realizada com

pesos sobre um pendural, com braço de alavanca 1/10. Os ensaios foram realizados

nas condições ambiente e inundada. Uma tensão de 5 kPa era inicialmente

aplicada, até estabilização da deformação vertical, e em seguida aplicada uma

tensão de 10 kPa e efetuadas as leituras de deformação vertical do corpo de prova

para tempos crescentes, sendo a última com 24h de duração do carregamento. Em

seguida a tensão aplicada era dobrada e efetuadas novas leituras de deformação,

sendo assim o ensaio realizado para tensões de 10 a 640 kPa, dobrando de valor.

Para o exame na condição inundada, a saturação era efetuada com os 5kPa de

tensão iniciais aplicados, e leituras de deformação vertical estabilizadas, para em

seguida ser aplicado os 10kPa e iniciada as leituras do ensaio.

Ensaio de Permeabilidade a Carga Variável

Os ensaios de permeabilidade a carga variável foram realizados seguindo

instruções da norma brasileira NBR 14545/2000, com uso de permeâmetro. Foram

realizadas medições do coeficiente de permeabilidade até a obtenção de quatro

valores iguais consecutivos.

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Granulometria Conjunta

Na figura 4 estão representadas as curvas granulométricas das amostras A, B

e C em seu estado virgem. Estão apresentadas também as curvas granulométricas

das amostras destorroadas (respectivamente A-d, B-d e C-d) obtidas por Fernandes

(2015). Em função dos percentuais de composição granulométrica, as amostras A,

B e C em estado virgem foram classificadas como Areia Siltosa. Quando

destorroadas, passam a ser classificadas como Areia Argilosa (Fernandes, 2015).

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Figura 4 – Curvas granulométricas das amostras das amostras A, B e C

destorroadas obtidas por Fernandes (2015), e das amostras A, B e C virgens.

Nota-se que o destorroamento das amostras provocou considerável redução

no diâmetro das partículas. Com o destorroamento, a quantidade de silte e argila

das amostras aumentou em 1,1% para a amostra A, 5,2% para a amostra B e

11,6% para a amostra C. A quantidade de areia reduziu em 6,2% para a amostra A,

9,9% para a amostra B, e aumentou em 11,2% para a amostra C. As amostras

destorroadas não apresentaram pedregulho uma vez que o critério de parada do

destorroamento era a passagem do resíduo na peneira de abertura 2mm.

Cisalhamento Direto

Na figura 5 estão apresentadas as envoltórias de resistência das amostras

nas condições ambiente e inundada, traçadas com as tensões cisalhantes máximas

resistidas pelo corpo de prova. O valor nulo de coesão para todas as amostras, na

condição inundada, demonstra que a duração da inundação foi suficiente para

atingir a saturação do corpo de prova.

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Figura 5 – Envoltórias de resistência obtidas por meio de ensaios de cisalhamento

direto. a) Amostra A virgem; b) Amostra B virgem; c) Amostra C virgem; d) Amostra

B destorroada.

As amostras apresentaram altos valores de ângulo de atrito, variando entre

52,4° e 36,9°. Tanto o maior como o menor valor pertencem à amostra A nas na

condição, respectivamente, ambiente e inundada.

A inundação ocasionou redução no ângulo de atrito das amostras A-v, C-v e

B-d de respectivamente 29,6%, 10,8% e 9,4%, representando uma média de 16,6%,

e aumento no ângulo de atrito da Amostra B-v de 13,7%

.

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Compressão Edométria

Na figura 6 estão as curvas Altura do Corpo de Prova versus Tempo (esc.

Log.) no estágio de tensão de 80 kPa. Nenhuma das amostras sofreu o fenômeno

do adensamento. A amostra B demonstrou alta sensibilidade à saturação para

alturas de corpo de prova final, e a amostra C demonstrou sensibilidade quase nula.

Figura 6 – Curvas Altura do Corpo de Prova versus Tempo (esc. Log.) das amostras.

A curva Índice de Vazios/Índice de Vazios Inicial versus Tempo está

representada na figura 7 e a curva Índice de Vazios versus Tensão está

representada na figura 8. Na condição inundada, a amostra B virgem, a qual contém

maior teor de finos, foi a que sofreu maior redução do índice, equivalente a 31,6%, e

na condição ambiente foi a que sofreu menor redução, equivalente a 16,7%,

demonstrando ter compressibilidade sensível à saturação. Nota-se que a inundação

ocasionou maior redução de índice de vazios em todas as amostras (menores

valores finais).

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Figura 7 – Curvas ei/e0 versus Tempo (índice de vazios/índice de vazios inicial x

tempo) das amostras.

.

Figura 8 – Curva Índice de Vazios versus Tensão (esc. Log.) das amostras.

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Foi calculado o índice de compressão e de recompressão para as amostras

(tabela 1), os quais resultaram ambos em valores baixos, variando entre 0,047 e

0,033 o índice de compressão, e entre 0,010 e 0,020 o de recompressão. Nota-se

que as amostras virgens não apresentam variação no índice de compressão com a

saturação, porém apresentam variação no índice de recompressão da ordem de

20%. Já a amostra B destorroada apresentou aumento nos dois índices com a

saturação, equivalente a 30,3% para o índice de compressão e de 100% para o

índice de recompressão.

Tabela 1 – Índice de Compressão (Cc) e Índice de Recompressão (Cr) das amostras.

Amostra Condição do

Ensaio Cc Cr

A-v ambiente 0,047 0,017

A-v Inundado 0,047 0,020

B-v ambiente 0,037 0,007

B-v inundado 0,037 0,010

C-v ambiente 0,037 0,010

C-v inundado 0,037 0,013

B-d ambiente 0,033 0,010

B-d inundado 0,043 0,020

Permeabilidade à Carga Variável

Na tabela 2 apresentam-se os resultados do coeficiente de permeabilidade à

temperatura de 20°C para as amostras A, B e C em estado virgem. As amostras A e

C apresentaram 2.10-6

cm/s, e a amostra B apresentou 1.10-6

cm/s, no entanto a

diferença entre os coeficientes pode ser tida como insignificante. Pela classificação

de Pinto (2000), todas as mostras possuem permeabilidade muito baixa (equivalente

à areia fina, silte, misturas de ambos e argilas).

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Tabela 2 – Coeficientes de Permeabilidade à 20° das amostras virgens.

Amostra k20 (cm/s)

A 2 x 10-6

B 1 x 10-6

C 2 x 10-6

CONCLUSÕES

Este artigo apresentou um estudo das propriedades mecânicas referentes à

compressibilidade, resistência ao cisalhamento, e permeabilidade do Resíduo de

Britagem de Rocha Calcária por meio de três amostras de posições distintas de uma

pilha do resíduo. Ficou concluído que:

A amostras em estado virgem são classificadas como Areia Siltosa. O

destorroamento provocou redução no diâmetro das partículas,

ocasionando aumento no teor de silte e argila, passando a ser

classificadas como Areia Argilosa.

As amostras apresentaram valores de ângulo de atrito elevados,

variando de 36,9° a 52,4°. A saturação ocasionou redução no ângulo

de atrito de todas as amostras, exceto a amostra B em estado virgem.

A amostra B virgem na condição ambiente foi a que sofreu menor

redução do índice de vazios, equivalente a 16,7%, e na condição

inundada a que sofreu maior redução, equivalente a 31,6%. As

amostras na condição inundada apresentaram maior redução de índice

de vazios que as amostras na condição ambiente (menores valores

absolutos finais).

As amostras apresentaram coeficiente de compressão variando entre

0,033 e 0,047, e coeficiente de recompressão variando entre 0,010 e

0,020, demostrando serem pouco deformáveis.

Todas amostras demonstraram compressibilidade sensível à

saturação, sendo maior na amostra B virgem (maior teor de finos), e

menor na amostra C virgem (maior teor de areia e pedregulho).

Todas amostras possuem permeabilidade muito baixa.

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Assim, pode-se dizer que a utilização do RBRC como material de

preenchimento de aterro de grande porte é possível diante dos parâmetros de

resistência e compressibilidade. No entanto, deve-se projetar de forma cuidadosa os

sistemas de drenagem superficial e profunda, devido a sua baixa permeabilidade.

Todavia, deve-se também atentar para a variabilidade deste resíduo, que pode se

dar para explorações em diferentes épocas do ano diante das variações climáticas,

diferentes profundidades de rocha, diferente composição mineralógica das rochas

exploradas e diferenças executivas dos processos de britagem e peneiramento da

rocha entre pedreiras.

REFERÊNCIAS

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, ABNT. NBR 7181 – Solo –

análise granulométrica. Rio de Janeiro. 1984.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, ABNT. NBR 14545 – Solo-

Determinação do coeficiente de permeabilidade de solos argilosos à carga

variável. Rio de Janeiro. 2000.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, ABNT. NBR 12007 – Solo-

Ensaio de adensamento unidimensional. Rio de Janeiro. 1990.

AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, ASTM. D3080/D3080M –

Standard test method for direct shear test of soils under consolidated drained

conditions. West Conshohocken. 2011.

DEPARTAMENTO NACIONAL DE PRODUÇÃO MINERAL. Anuário Mineral

Brasileiro. Brasília. 2010.

DEPARTAMENTO NACIONAL DE PRODUÇÃO MINERAL. Informe Mineral

Brasileiro. Brasília. 2014.

PINTO, C. S. Curso Básico de Mecânica dos Solos. 3a ed. Oficina de Textos. São Paulo – SP. 2006.

QUEIROZ, F. L. (2015) Caracterização Geotécnica de Resíduo de Britagem de

Rocha Calcária para emprego em pavimentação. Trabalho de Conclusão de Curso. Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Natal/RN. 15 páginas.

FERNANDES, F. C. (2015) Variabilidade das Propriedades Geotécnicas do

Resíduo de Britagem de Rocha Calcária e sua utilização em Obras

Rodoviárias. Trabalho de Conclusão de Curso. Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Natal/RN. 15 páginas.