A metodologia aplicada neste trabalho visou à utilização da escória proveniente da fabricação de ferro-ligas de manganês (FeSiMn - escória de ferro-sílica-manganês 1620, ou seja, com teor de sílica variando entre 16 a 20%) e dos resíduos finos de pedra-sabão (esteatito) oriundos da fabricação de artesanatos para confecção de tijolos solo-cal após a caracterização física, química e mineralógica das amostras. Posteriormente, os corpos- de-prova foram submetidos a ensaios de absorção de água, classificação de resíduos e resistência à compressão simples. A figura 5.1 resume a metodologia deste trabalho.
Figura 5.1: Fluxograma da metodologia do trabalho
5.1 – Amostragem 5.1.1 – Solo
As amostras de solo foram coletadas no Morro do Caxambu que se situa a 5 km de Cachoeira do Campo-MG (figura 5.2). Foram coletados manualmente 110 kg de solo, utilizando picaretas.
Amostragem
Caracterização química, física e mineralógica das amostras
Confecção dos corpos-de-prova
Cura (28 e 60 dias) dos corpos- de-prova Absorção de água Ensaios Resistência à compressão Classificação de resíduos
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Figura 5.2: Localização geográfica do local de coleta das amostras em Cachoeira do Campo (©2013 Google – Dados cartográficos) Lat.:-20° 24.517'; Long.:-43° 40.387'
5.1.2 – Escória de ferro-ligas de manganês
Utilizou-se amostra de escória de ferro-ligas de manganês (figura 5.3) proveniente da Usina Rancharia/VALE localizada em Ouro Preto-MG. A empresa disponibilizou 150 kg de escória para a execução deste trabalho.
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5.1.3 – Finos de pedra sabão
Resíduos de finos de pedra sabão (figura 5.4) utilizados neste trabalho, cerca de 40 kg, foram provenientes de uma oficina de artesanato em pedra sabão da região de Bandeiras localizada em Santa Rita de Ouro Preto, distrito do município de Ouro Preto-MG, previamente caracterizado por Rodrigues (2010). Na tabela 5.1 está apresentada a composição química da referida amostra.
Figura 5.4: Fotos dos resíduos finos de pedra-sabão
Tabela 5.1: Composição química da amostra de finos de pedra-sabão Teor
% ppm
Al2O3 MgO CaO Fe2O3 SiO2 As Cu Mn Pb
2,30 27,80 0,07 4,99 58,91 2,32 16,30 298 25,82
Fonte: Rodrigures (2010).
5.1.4 – Cal
Adquiriu-se a cal (de uso corrente em pinturas), da marca CALFIX (figura 5.5), encontrada em casas comerciais do ramo de construção civil. A cal CALFIX é comercializada em sacos de papel de 07kg, e ao chegar ao laboratório, ela foi fracionada em sacos plásticos, lacrada e etiquetada para evitar sua hidratação.
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Figura 5.5: Fotos da cal
5.2 – Caracterização das Amostras
A caracterização das amostras de solo, escória de ferro-ligas de manganês, finos de pedra sabão e a cal utilizadas no presente trabalho, constaram de: análise química, determinação de densidade, determinação de área superficial, análise granulométrica por peneiramento a úmido, perda por calcinação (PPC) e difração de raios X. A amostra de solo também foi submetida à determinação de limite de Atterberg.
5.2.1 – Análise química
As análises químicas das amostras globais de solo, escória de ferro-ligas de manganês e a cal foram realizadas no Laboratório de Geoquímica Ambiental DEGEO/UFOP por plasma de acoplamento indutivo (Spectro modelo Ciros/CCD). Determinaram-se os teores de: MnO, Al2O3, CaO, MgO, FeO para todas as amostras. A sílica (SiO2)
presente nas amostras foi calculada por diferença (100 - PPC e teores de elementos maiores).
O procedimento de ataque das amostras para análise química foi realizado conforme descrito abaixo:
i – Pesar 0,25g de cada amostra em frasco Savillex e adicionar separadamente, 1mL de HNO3 e 3mL de HCL, ambas na concentração de 10M, efetuando-se agitação manual
das amostras.
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iii - Acrescentar, em seguida, 2mL de HF concentrado, deixando novamente os frascos abertos sobre a placa aquecedora para ocorrer nova secura.
iv - Adicionar 2mL de HF concentrado, deixando-os fechados por um período de 30 horas sobre a placa aquecedora a 110ºC.
v – Retirar os frascos da placa aquecedora para serem resfriados até a temperatura ambiente.
vi – Abrir os frascos e colocá-los novamente sobre a placa aquecedora até secarem. vii - Após a secagem da amostra, faz-se a adição, em cada frasco, 2 mL de HNO3 a 10M
e levá-los a secura sobre a placa aquecedora a 110ºC, repetindo esta etapa de adição de HNO3 mais uma vez.
viii - Acrescentar 2 mL de HCL e deixar os frascos abertos novamente sobre a placa aquecedora para secarem.
ix - Retirar os frascos da placa e em seguida, adicionar 25 mL de HCL a 2M.
x - Fechar os frasco, recolocá-los sobre a placa aquecedora a 110ºC e mantê-los sob agitação por 2h.
xi - Deixar os frascos esfriarem fechados para em seguida serem pesados. xii – Anotar a massa total (frasco + tampa + solução).
Cabe ressaltar aqui que o procedimento de ataque para a abertura foi igual para todas as amostras e após a finalização do procedimento o extrato solubilizado foi encaminhado para leitura no aparelho por plasma de acoplamento indutivo (Spectro modelo Ciros/CCD).
5.2.2 – Determinação de densidade
Densidade real corresponde ao real volume que determinado sólido ocupa, não levando em conta sua porosidade. As densidades das amostras de solo, escória de ferro-ligas de manganês, finos de pedra-sabão e a cal foram determinadas pelo picnômetro a gás
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(hélio) da Quantachrome Corporation (modelo Ultrapycnometro 1200e version 4.00) do Laboratório de Propriedades Interfaciais do DEMIN/UFOP.
Os parâmetros utilizados nos ensaios de determinação de densidade foram: tamanho da célula (médio), temperatura de análise (±2 25°C), pressão (0,131 MPa), tempo de purga (4 min.), número de corridas (4). O valor obtido da densidade é a média de 3 corridas para desvio padrão entre valores medidos igual a 0,0050%.
5.2.3 – Determinação de área superficial
Para a determinação da área superficial específica das amostras de solo, escória de ferro-ligas de manganês, finos de pedra sabão e a cal (todas na fração granulométrica abaixo de 74 µm) usou-se o medidor de área superficial BET (Brunauer, Emmett e Teller) da Quantachrome Corporation (modelo Ultrapycnometro 1200e) do Laboratorio de Propriedades Interfaciais do DEMIN/UFOP.
Inicialmente, as amostras foram homogeneizadas e quarteadas e posteriormente foram submetidas à temperatura de 200 °C sob vácuo por 16 h em atmosfera de nitrogênio com fluxo de 30 mL.min-1 a 77,3 K.
5.2.4 – Análise granulométrica
A caracterização granulométrica do solo, escória de ferro-ligas de manganês e finos de pedra sabão foi realizada no Laboratório de Tratamento de Minérios (DEMIN/UFOP). Os materiais coletados foram passados em peneira de 4,8 mm de abertura nominal, o retido na peneira foi britado no britador de mandíbulas a fim de reduzir o seu tamanho para atingir o diâmetro menor que 4,8 mm. Em seguida, o solo e a escória de ferro-ligas de manganês foram homogeneizados e quarteados por quarteador tipo carrossel e finalmente em quarteador Jones. Os finos de pedra sabão foram homogeneizados através da técnica de pilha cônica e quarteada em quarteador Jones.
Efetuou-se peneiramento a úmido para o solo e a escória de ferro-ligas manganês com peneiras segundo a série Tyler, a partir da peneira de 3360 µm, (6 #), para os finos de
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pedra sabão foi realizado peneiramento a úmido, usando a série Tyler a partir de 150 µm (100 #).
A distribuição granulométrica da fração passante em 38μm das amostras de solo, escória de ferro-ligas de manganês e finos de pedra-sabão foi determinada em um granulômetro a laser Cilas 1064 do Laboratório de Propriedades Interfaciais do DEMIN/UFOP. A fração passante em 38μm foi filtrada, secada e analisada no equipamento. Quando necessário foi utilizado uma solução de 0,1%(p/v) de hexametafosfato de sódio como dispersante.
5.2.6 – Perda por calcinação (PPC)
A perda por calcinação expressa em porcentagem é a medida da diferença entre o peso de uma amostra antes e depois de queimada a temperatura de 1000 °C. Está relacionada com a liberação de voláteis tais como CO2, H2O provenientes da decomposição de
carbonatatos e desidratação de hidróxidos.
As determinações de PPC das amostras foram realizadas no Laboratório de Geoquímica Ambiental DEGEO/UFOP, utilizando-se 1g de cada material (solo, escória de ferro- ligas de manganês e a cal) pesados separadamente em cadinho de porcelana para serem levados à mufla a 1000 ºC por 1h.
5.2.6 – Limites de Atterberg
Os limites de liquidez, de plasticidade e do índice de plasticidade são chamados de limites de Atterberg. Estes limites fornecem informações sobre o material, quanto à sua trabalhabilidade, variação de volume e absorção de água. Neste trabalho os limites de Atterberg do solo, foram determinados de acordo com as metodologias propostas pelas normas ABNT NBR 6459/88 e NBR 7180/84. Os ensaios foram realizados no Laboratório de Geotecnia no DEMIM/DEGEO da UFOP.
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5.2.7 – Difração de raios X (DRX)
Para identificar as fases cristalinas presentes nas amostras de solo, escória de ferro-ligas de manganês, finos de pedra sabão e a cal, foi utilizada difração de raios X (DRX). Foram analisadas as amostras na faixa granulométrica compreendida entre 325 µm e 400µm.
O difratômetro de raios X utilizado foi da marca PanAnalytical modelo Empyrean do Laboratório de Difratometria de Raios X do DEGEO/UFOP. Para obtenção dos difratogramas das diversas faixas granulométricas foi utilizado o método do pó total, empregando a radiação λKα do cobre (1,5405 Å) e ângulo de varredura variando de 2° a 72°.
5.3 – Confecção dos Corpos-de-Prova
Os corpos-de-prova foram confeccionados no Laboratório de Mecânica EM/UFOP, utilizando moldes cilíndricos, com dimensões de 5 cm de diâmetro e 10 cm de altura. O traço utilizado para a confecção dos corpos-de-prova foi de 1:10 em massa de cal/solo e cal+resíduo/solo. Foram confeccionados corpos-de-prova de referência solo/cal (sem adição de resíduo) e corpos-de-prova com incorporações de 25%, 50% e 75% de escória da fabricação de ferro ligas de manganês ou finos de pedra-sabão em substituição a parte do aglomerante (cal). Na figura 5.6, estão apresentadas as etapas de confecção dos corpos-de-prova.
30 Legenda: (a) Adição da mistura ao molde (b) compactação do corpo-de-prova utilizando prensa hidráulica (c) corpo- de-prova após prensagem (d) retirada do excesso de material do molde (e) corpo-de-prova após a retirada do excesso (f) corpo-de-prova confeccionado na dimensão 5 por 10cm.
Figura 5.6: Confecção dos corpos-de-prova
O fator água/aglomerante foi estabelecido através ensaio de compactação Proctor normal, regido pela norma brasileira ABNT NBR 7182/86. Através deste ensaio foi obtida a correlação entre o teor de umidade e o peso específico seco do solo quando compactado à energia normal (03 camadas e 26 golpes). A compactação confere ao solo um aumento de massa específica e resistência ao cisalhamento e uma diminuição do índice de permeabilidade, vazios e compressibilidade. Se a quantidade de água utilizada na compactação do solo for maior ou menor que a umidade ótima, o solo não atingirá seu grau de compactação máxima. O ensaio de compactação Proctor normal foi realizado no Laboratório de Mecânica EM/UFOP.
Conforme a curva de compactação (figura 5.7) dos traços solo-cal e solo-cal-resíduo a umidade ótima dos corpos-de-prova são aproximadamente: solo-cal 22%, solo-cal-PS25 21%, solo-cal-PS50 20,5%, solo-cal-PS75 20%, solo-cal-ESC25 21%, solo-cal-ESC50 20,5%, solo-cal-ESC75 20%.
a
b
c
31 Legenda: solo-cal: Corpo-de-prova referência; solo-cal-PS25:corpo-de-prova com substituição de 25% da cal por pedra-sabão; solo-cal-PS50:corpo-de-prova com substituição de 50% da cal por pedra-sabão;solo-cal-PS75:corpo-de- prova com substituição de 75% da cal por de pedra-sabão; solo-cal-ESC25:corpo-de-prova com substituição de 25% da cal por escória de ferro-ligas de Mn; solo-cal-ESC50:corpo-de-prova com substituição de 25% da cal por escória de ferro-ligas de Mn ; solo-cal-ESC75:corpo-de-prova com substituição de 25% da cal por escória de ferro-ligas de Mn.
Figura 5.7: Curva de compactação dos traços solo-cal e solo-cal-resíduo
Nas tabelas 5.2 e 5.3 seguem os traços utilizados para a confecção dos corpos-de-prova solo-cal e solo-cal-resíduo bem como a umidade ótima de cada um.
Tabela 5.2: Traço dos corpos-de-prova de solo-cal
Solo (g) Cal (g) Água (mL) Umidade (%)
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Tabela 5.3: Traço dos corpos-de-prova de solo-cal-escória de ferro-ligas de manganês e de solo-cal-finos de pedra-sabão (%) Escória de ferro- ligas de Mn (g) Finos de pedra- sabão (g)
Solo (g) Cal (g) Água (mL) Umidade (%)
Tijolo solo-cal- Escória de ferro-ligas de Mn 25 6,50 - - - 260 19,50 60,06 21,0 50 13,00 13,00 58,63 20,5 75 19,50 6,50 57,34 20,0 Tijolo solo-cal- Finos de pedra- sabão 25 - - - 6,50 260 19,50 60,06 21,0 50 13,00 13,00 58,63 20,5 75 19,50 6,50 57,34 20,0
Para os corpos-de prova solo-cal-resíduos são: 21, 20,5 e 20% de umidade para as composições contendo 25, 50 e 75% de resíduos, respectivamente, ou seja, com o aumento da quantidade de resíduos diminuiu-se a umidade ótima e consequentemente a quantidade de água utilizada.
Para a confecção dos corpos-de-prova foi utilizada prensa hidráulica Nowak, modelo PM 15 TON, com poder de compactação de até 15 t.
Segundo Guimarães (1985) a moldagem dos tijolos solo-cal em prensa manual, deve ser com efeito de compactação maior possível, desejável da ordem de 1,5 MPa no mínimo, entretanto, de acordo com a norma NBR 8491/84 (Tijolo maciço de solo-cimento) esse efeito de compactação deve ser da ordem de 2,0 MPa. Para a confecção dos corpos-de- prova foi utilizada 2,5 MPa.
Na figura 5.8 está apresentado o fluxograma que descreve a confecção dos corpos-de- prova solo-cal e solo-cal-resíduo.
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Figura 5.8: Fluxograma da confecção dos corpos-de-prova solo-cal e solo-cal-resíduo
5.4 – Cura dos Corpos-de-Prova
A fim de promover a hidratação e consequentemente o ganho de resistência, os corpos- de-prova, após a confecção, foram submetidos à cura em câmara úmida saturada, da marca EQUILAM, modelo SS600UMe, com temperatura (23 ± 2 °C) e umidade relativa do ar (não inferior a 95%) controlada de acordo com a NBR 12024/92 (Moldagem e cura de corpos-de-prova cilíndricos). Os períodos de cura dos corpos-de-prova foram de 28 e 60 dias. A cura dos corpos-de-prova foi realizada no laboratório de Construção Civil EM/UFOP.
Solo passante em 4,8 mm NBR 6457
Confecção dos corpos - de - prova solo - cal e solo - cal - resíduo
Adição de cal+escória+H 2O
Adição de cal+H 2 O Adição de cal+finos de pedra - sabão+H
2O
Prensagem
Corpos - de - prova solo - cal
Corpos - de - prova solo - cal - escória
Corpos - de - prova solo - cal - finos de pedra - sabão
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5.5 – Ensaios para Avaliação dos Corpos-de-Prova Solo-Cal e Solo-Cal-Resíduo
5.5.1 – Ensaio de resistência à compressão
Com objetivo de avaliar a resistência dos corpos-de-prova após o período de cura, foi realizado o ensaio de compressão simples no Laboratório de Construção Civil EM/UFOP. Utilizou uma máquina de ensaio de compressão da marca TIME GROUP, modelo YAW – 2000D (figura 5.9). A velocidade de aplicação de carga nos corpos-de- prova é de 500N/s (5 MPa) estabelecida pela a NBR 8492/92 (Tijolo maciço de solo- cimento – Determinação da resistência à compressão e da absorção de água).
Figura 5.9: Rompimento de corpo-de-prova na máquina de ensaio de compressão TIME GROUP
Para o ensaio de resistência à compressão, todos os corpos-de-prova foram capeados com enxofre, para obtenção de ângulo reto de 90°. O capeador serve como gabarito estrutural do corpo-de-prova. A figura 5.10 mostra o capeamento dos corpos-de-prova.
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Figura 5.10: Capeamento do corpo-de-prova
5.5.2 – Ensaio de absorção de água
De acordo com a NBR 8492/92 (Tijolo maciço de solo-cimento – Determinação da resistência à compressão e da absorção de água), o ensaio de absorção de água consiste em secar 3 unidades de corpos-de-prova de cada mistura em estufa, em temperatura entre 105 e 110°C por 24h (M1) e em seguida, imergir os corpos-de-prova em um
tanque com água a temperatura ambiente por 24h (figura 5.11). Após retirá-los da água, os corpos-de-prova foram enxugados superficialmente, pesados novamente, anotando-se suas massas saturadas (M2). Os valores individuais de absorção de água, expresso em
porcentagem, é apresentada na equação 5.1.
A = M2 – M1 x 100 (5.1)
M1
Onde:
M1 = Massa do corpo-de-prova seco em estufa
M2 = Massa do corpo-de-prova saturado
A = Absorção de água, em porcentagem
Os ensaios de absorção de água foram realizados no Laboratório de Construção Civil EM/UFOP.
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Figura 5.11: Recipiente com água utilizado para o ensaio de absorção
5.5.3 – Ensaio de classificação de resíduos
A NBR 10.004/04 (Resíduos sólidos – Classificação) dispõe sobre a classificação dos resíduos sólidos quanto aos seus riscos potenciais ao meio ambiente e à saúde pública para que possam ser gerenciados adequadamente.
Como procedimento de obtenção de extratos para a classificação de resíduos seguiu-se o método ABNT NBR 10005/04 (Procedimento para obtenção de extrato lixiviado de resíduos sólidos) e NBR 10006/04 (Procedimento para obtenção de extrato solubilizado de resíduos sólidos).
5.5.3.1 – Procedimento para obtenção de extrato lixiviado de resíduos sólidos (NBR 10005/04)
Primeiramente, foram retiradas 5,0 g (≤ 9,5 mm) de cada amostra e colocadas em um béquer contendo 96,5 mL de água deionizada, agitando-se por 5,0 minutos em agitador magnético, mantendo- se o béquer coberto com um vidro de relógio. Após a agitação foi realizada a leitura de pH de cada amostra.
As amostras apresentaram pH > 5,0 e dessa forma estavam aptas a receber 3,5 mL de HCl 1N e aquecimento de 50°C durante 10 minutos. Foi realizada uma nova leitura de pH. Após nova avaliação de pH foi constatado que todas as amostras poderiam ser lixiviadas com a solução de extração n°2 devido pH > 5,0 (5,7 mL de ácido acético glacial). Como procedimento de extração seguiu-se o método descrito para lixiviação de
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não voláteis. Após a lixiviação as soluções foram caracterizadas quanto aos valores de pH.
Foram pesados 100g (base seca) de cada amostra com granulometria menor que 9,5mm e colocadas em um béquer de 2,5L. Adicionou-se água deionizada em uma proporção de 20:1, totalizando 2000mL em cada amostra. Os béqueres foram tampados e mantidos a uma agitação por 18 ± 2 h a temperatura de 25 °C. Após este período, foram filtrados no aparelho guarnecido com membrana de filtração lenta (0,6 a 0,8 µm de porosidade). O filtrado obtido foi denominado de extrato lixiviado.
As soluções solubilizadas foram transferidas para frascos de plástico e armazenadas em refrigerador a 4 ± 2 °C, até o momento da leitura realizada por plasma de acoplamento indutivo realizadas no laboratório de Geoquímica Ambiental DEGEO/UFOP.
5.5.3.2 – Procedimento para obtenção de extrato solubilizado de resíduos sólidos (NBR 10006/04)
Para realizar o ensaio, as amostras foram submetidas ao processo de classificação para garantir a granulometria abaixo de 9,5 mm, exigidas pela norma. As amostras foram levadas para secagem em estufa a 42 ºC por 24 h. Em seguida, retiraram-se 250 g de cada amostra e adicionaram-se 1000 mL de água deionizada, em frascos de PVC com capacidade de 1500 mL. Estes frascos foram agitados durante 5 min em baixa velocidade e após esta agitação, esses, foram cobertos com filme de PVC e deixados em repouso por sete dias, em temperatura ambiente.
Após os sete dias de repouso, as amostras foram filtradas no aparelho guarnecido com membrana de filtração lenta (0,45 µm de porosidade). O filtrado obtido foi denominado de extrato solubilizado. O pH foi determinado e foram retiradas alíquotas de 100 mL para a quantificação dos teores de metais em solução.
As soluções solubilizadas foram transferidas para frascos de plástico e armazenadas em refrigerador a 4 ± 2 °C, até o momento da leitura realizada por plasma de acoplamento indutivo realizadas no laboratório de Geoquímica Ambiental DEGEO/UFOP.
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