3.1
Considerações iniciais
O programa experimental deste trabalho consiste em duas etapas: na primeira, inicialmente foram definidas as porcentagens de cinza adotadas para as misturas com base em trabalhos realizados anteriormente, descritos na revisão bibliográfica. Posteriormente, foram realizados ensaios de caracterização física dos materiais (areia, argila, cinza volante, misturas destes com a cal), com o objetivo de conhecer a granulometria dos mesmos e obter os valores de densidade real dos grãos.
Para a areia e as misturas, também foram realizados ensaios com o objetivo de determinar os índices de vazios, com base na densidade relativa da areia correspondente a 50%, definida através da análise de trabalhos anteriores. A umidade ótima adotada nos ensaios de cisalhamento da areia e das misturas foi definida através da execução de ensaios de cisalhamento direto da areia a diferentes umidades, tendo sido escolhida aquela cujo comportamento apresentou- se melhor.
Na segunda etapa, foram realizados ensaios de caracterização mecânica (ensaios de compactação e ensaios de cisalhamento direto). Os ensaios de compactação foram realizados para todas as misturas com argila, a fim de se determinar a umidade ótima e o peso específico seco máximo para a moldagem de cada corpo de prova para o ensaio de cisalhamento direto.
Foi executada uma sequência de ensaios de cisalhamento direto para as misturas solo-cinza e solo-cinza-cal, tendo sido adotada a cura apenas para as misturas com areia e cal, por motivos de disponibilidade de tempo.
Na Tabela 3.1, encontra-se a descrição de todos os ensaios realizados.
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Tabela 3.1: Descrição dos ensaios.
Etapa Material Ensaio Quantidade*
Caracterização física
Areia
Densidade real dos
grãos 3 Análise granulométrica 1 Índice de vazios máximo e mínimo 3 Cinza volante
Densidade real dos
grãos 3
Análise
granulométrica 1
Misturas com areia e cinza
Densidade real dos
grãos 3
Análise
granulométrica 1
Índice de vazios
máximo e mínimo 3
Misturas com areia, cinza e cal
Densidade real dos
grãos 3
Misturas com argila e cinza
Densidade real dos
grãos 3
Análise
granulométrica 1
Misturas com argila, cinza e cal
Densidade real dos
grãos 3
Caracterização mecânica
Misturas com areia
e cinza Cisalhamento direto 3 Misturas com areia,
cinza e cal Cisalhamento direto 3 Misturas com argila
e cinza
Compactação 1
Cisalhamento direto 3 Misturas com argila,
cinza e cal
Compactação 1
Cisalhamento direto 3 *Quantidade de ensaios por material e/ou mistura.
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3.2 Materiais 3.2.1 Solo 3.2.1.1 Solo argiloso
O solo utilizado é um solo maduro, de origem coluvionar, argilo-arenoso, não saturado, proveniente do Campo Experimental II da PUC-Rio (Soares, 2005). O material foi retirado de uma profundidade de aproximadamente 2 metros a partir da superfície da encosta. A Figura 3.1 mostra a localização do Campo Experimental II, e a caracterização deste material está presente no Capítulo 4. Cabe ressaltar que a escolha deste material foi feita em função de o local de retirada ser de fácil acesso e de existir em muitos trabalhos anteriores sobre ele, como os de Sertã (1986), Lins (1991), Daylac (1994), Beneveli (2002), Ramírez (2012) e Quispe (2013).
Figura 3.1: Localização do Campo Experimental II da PUC-Rio (Soares, 2005).
De acordo com Sertã (1986), embora não existam afloramentos rochosos no Campo Experimental, o embasamento local é constituído por um gnaisse formado principalmente por minerais como quartzo, feldspato e biotita, e por
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minerais acessórios como a muscovita e a granada. Sua tonalidade é vermelha com trechos amarelados, devido à presença de óxidos de ferro e alumínio resultantes do processo de intemperismo dos minerais primários. A Figura 3.2 mostra o aspecto do solo em estudo.
Figura 3.2: Solo argiloso.
Baseando-se no perfil morfológico feito por Daylac (1994), mostrado na Figura 3.3, o solo utilizado encontra-se na camada superior do perfil, conformado por colúvio. No local da coleta, foi observada ainda a presença de alguns pedregulhos de quartzo e uma grande quantidade de raízes.
Daylac (1994) também sintetizou os resultados da análise mineralógica do solo do campo experimental, realizada por Sertã (1986). A Tabela 3.2 mostra a mineralogia do solo a 3 m de profundidade. A presença de minerais como a caulinita, a gibsita e a goetita, e o perfil morfológico apresentado revelam o elevado grau de intemperismo do solo em estudo.
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Figura 3.3: Perfil morfológico do Campo Experimental da PUC-Rio (Daylac, 1994). PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1212872/CA
Tabela 3.2: Mineralogia para a profundidade de 3m (Sertã, 1986).
Fração do solo Mineral Quantidade / observações Pedregulho Quartzo grãos arestados de coloração transparente a leitosos Granada alterada alguns fragmentos
Areia
Quartzo grãos arestados Granada muito alterada correspondem a aproximadamente 5% da amostra total Agregados Ferruginosos
Magnetita pequenos traços
Silte
Quartzo presença
Caulinita presença
Goetita presença
Argila
Caulinita presença marcante Goetita alguns traços
3.2.1.2 Areia
A areia foi coletada na Praia da Barra da Tijuca, localizada na zona oeste da cidade do Rio de Janeiro/RJ. Foi escolhida uma areia de praia no intuito de avaliar o comportamento mecânico de misturas com este material, analisando individualmente o papel das cinzas e da cal na resistência das misturas, tendo em vista que esta areia foi considerada material inerte.
O local da coleta foi escolhido em função da presença de uma areia de granulometria fina, sendo ela realizada entre os postos 5 e 6 (Figura 3.4). O material foi coletado a cerca de 40 cm de profundidade, evitando que eventuais impurezas também fossem coletadas, e posteriormente, armazenado em sacos
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plásticos. A Figura 3.5 ilustra este solo, e a sua caracterização é apresentada no Capítulo 4.
Figura 3.4: Localização do ponto de coleta de areia.
Figura 3.5: Areia.
3.2.2
Cinza volante
A cinza volante é originária do processo de queima do carvão mineral no Complexo Termelétrico Jorge Lacerda, situado no município Capivari de Baixo, no estado de Santa Catarina (Figura 3.6). Foi transportada para o Rio de Janeiro
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por meio da SATC – Associação Beneficente da Indústria Carbonífera de Santa Catarina, e foi disposta em tonéis no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio.
Figura 3.6: Localização do Complexo Termelétrico Jorge Lacerda (Leandro, 2005).
A caracterização da cinza volante está presente no Capítulo 4. Na Figura 3.7, podem ser observados com detalhe os aspectos desta cinza.
Figura 3.7: Cinza volante.
O Complexo Termelétrico Jorge Lacerda é considerado o maior complexo termelétrico movido a carvão mineral da América Latina. Pertence à Companhia
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Tractebel Energia, que integra o Grupo Franco-Belga GDF-Suez e engloba um conjunto de usinas termelétricas, como pode ser visto na Figura 3.8. A Figura 3.9 mostra a vista da área de depósito das cinzas desta termelétrica.
O complexo é composto pelas usinas termelétricas A, B e C com capacidade de produção instalada de 857 Megawatts. De acordo com Pozzobon (1999 apud Lopes, 2011), com base na classificação da Portaria 100/87 do Conselho Nacional do Petróleo, as três utilizam o carvão mineral do tipo CE 4500, com baixo teor calorífico, e um elevado teor de cinzas. A Tabela 3.3 apresenta as especificações do carvão mineral utilizado.
Dentre as principais atividades envolvidas na geração de energia termelétrica neste Complexo, destacam-se a mineração do carvão e seu transporte até as usinas onde ocorre a geração de energia elétrica, gerando um abastecimento das indústrias, residências e estabelecimentos comerciais em torno de 35%.
Dos resíduos produzidos da queima do carvão mineral, são produzidas cerca de 70% de cinzas volantes, alocadas em silos e vendidas para indústrias de cimento. Quanto à cinza de fundo, uma pequena parte está sendo utilizada em áreas degradadas pela mineração de carvão; enquanto a maior parte gerada é destinada às bacias de decantação (Ubaldo, 2005).
Figura 3.8: Usinas pertencentes à Companhia Tractebel (Tractebel Energia, 2010 apud Lopes, 2011). PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1212872/CA
Figura 3.9: Vista geral do Complexo Jorge Lacerda (Tractebel Energia, 2010 apud Lopes, 2011).
Tabela 3.3: Especificações dos carvões energéticos brasileiros (Portaria 100/1987-CNP apud Lopes, 2011).
Características CE6000 CE5900 CE5200 CE4700 CE4500 CE4200 CE3700 CE3300 CE3100
Poder calorífico superior mínimo base seca (kcal/kg) 5700 5900 5200 4700 4500 4200 3700 3150 2950 Granulometria (mm) 35X0 50X0 (*) 50X0 (*) 50X0 50X0 50X0 75X0 Umidade máxima total (%) 15 20 10 19 10 19 15 17 15 Conteúdo máximo de cinza (%) 25 22 35 35 43 40 47 54 57 Conteúdo máximo de enxofre (%) 6,5 1,5 2,5 1,5 3,5 1,5 1,5 1,5 1,0 Índice de fechamento (FSI) - - <2 - <2 - - - - 3.2.3 Cal
A cal utilizada nas misturas é a cal hidratada calcítica, conhecida comercialmente por “cal hidratada Itaú”. A Norma NBR 7175 (2003) - Cal hidratada para argamassas – apresenta as suas especificações físicas e químicas, expostas no Quadro 1. PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1212872/CA
Quadro 1: Exigências físicas e químicas para a cal (NBR 7175).
Exigências físicas
Compostos Limites
CH-I CH-II CH-III
Finura (% retida
acumulada) Peneira 0,600mm 0,5 0,5 0,5
Peneira 0,075mm 10 15 15
Retenção de água 75 75 70
Incorporação de areia 3,0 2,5 2,2
Estabilidade Ausência de cavidades ou protuberâncias
Plasticidade 110 110 110
Exigências químicas
Anidrido carbônico 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%
3.2.4
Misturas solo-cinza-cal
Para as misturas com areia, foram ensaiadas as porcentagens de 15%, 30% e 40% de cinza volante, a fim de determinar o “teor ótimo” deste material para a mistura, no que se refere à melhoria dos parâmetros de resistência do solo (coesão e ângulo de atrito interno). Para as misturas com solo argiloso, foram ensaiadas as porcentagens de 15% e 30% de cinza volante.
Vale ressaltar que estas porcentagens de cinza foram definidas com base na análise dos teores utilizados em pesquisas anteriores.
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O teor de cal utilizado foi arbitrado em 3%, em substituição ao peso seco das cinzas, também tendo sido escolhido com base em trabalhos anteriores.
A Tabela 3.4 apresenta os teores de cada material utilizado nas misturas, assim como as siglas que as descrevem. Durante o tempo de cura, os corpos de prova foram armazenados em câmara úmida, a temperatura (22°C) e umidade (10%) constantes, sendo que para uma melhor conservação dos mesmos, eles foram vedados em plásticos. Os tempos de cura empregados para cada mistura estão especificados na Tabela 3.5.
Tabela 3.4: Teores e símbolos utilizados para os materiais.
Material/Mistura Solo (%) Cinza volante (%) Cal (3%) Símbolo Areia 100 - - A Solo argiloso 100 - - S Cinza Volante - 100 - CV Mistura 1 60 37 3 A60/CV37/C3 Mistura 2 70 27 3 A70/CV27/C3 Mistura 3 85 12 3 A85/CV12/C3 Mistura 4 60 40 - A60/CV40 Mistura 5 70 30 - A70/CV30 Mistura 6 85 15 - A85/CV15 Mistura 7 70 27 3 S70/CV27/C3 Mistura 8 85 12 3 S85/CV12/C3 Mistura 9 70 30 - S70/CV30 Mistura 10 85 15 - S85/CV15 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1212872/CA
Tabela 3.5: Tempos de cura empregados para cada mistura.
Mistura Cura (dias)
A85/CV12/C3 0 30 A70/CV27/C3 0 30 100 125 140 A60/CV37/C3 0 30 100 125 140 3.3
Métodos e procedimentos de ensaio 3.3.1
Ensaios de caracterização física
Os ensaios de caracterização física das amostras de solo foram realizados no intuito de se determinar as suas propriedades-índice, e envolveram os ensaios de análise granulométrica, densidade específica dos grãos e limites de Atterberg. Todos estes ensaios foram realizados no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio, e seguiram as metodologias prescritas nas normas a seguir:
-NBR 6457 (1986) – Amostras de Solos – Preparação para ensaios de compactação e caracterização;
-NBR 7181 (1984) – Análise granulométrica;
-NBR 6508 (1984) – Determinação da densidade real dos grãos; -NBR 6459 (1984) – Solo – Determinação do limite de liquidez; -NBR 7180 (1984) – Solo – Determinação do limite de plasticidade. -NBR 12004 (1990) – Solo – Determinação do índice de vazios máximos de solos não coesivos;
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-NBR 12051 (1991) – Solo – Determinação do índice de vazios mínimos de solos não coesivos;
-NBR 7182 (1986) – Solo – Ensaio de compactação.
3.3.1.1
Limites de Atterberg
Os ensaios para a determinação dos limites de liquidez e plasticidade foram realizados conforme as normas NBR 6459 (1984) e NBR 7180 (1984), respectivamente.
Através dos resultados obtidos, é possível determinar o índice de plasticidade do solo, expresso pela equação eq. (3.1):
ܫܲሺ%ሻ = ܮܮሺ%ሻ − ܮܲሺ%ሻ eq. (3.1)
3.3.1.2
Densidade real dos grãos
A densidade real dos grãos dos materiais foi determinada de acordo com o especificado na norma NBR 6508 (1984).
Do material passante na peneira #40, utilizou-se cerca de 120 g para as misturas com areia e 100 g para as misturas com solo argiloso. Em seguida, foram colocados 30 g das misturas com areia e 25 g das misturas com solo argiloso em três picnômetros de 250 mL. Estes picnômetros foram, então, preenchidos com água destilada e, em seguida, procedeu-se ao processo de deaeração, utilizando uma bomba de vácuo.
3.3.1.3
Análise granulométrica
A análise granulométrica dos solos e das misturas com cinza foi determinada de acordo com a norma NBR 7181 (1984).
Peneiraram-se 1000 g de material arenoso e 600 g de material argiloso na peneira #40, sendo que o retido foi lavado e seco em estufa a 110°C. Após 24 horas, realizou-se o peneiramento grosso com estes materiais. Do material passante na peneira #40, utilizou-se 70 g para a sedimentação, que foi realizada
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com o auxílio do defloculante hexametafosfato de sódio. Depois desta etapa, todo o material foi lavado na peneira #200 para proceder com o peneiramento fino.
Vale ressaltar que, no caso da cinza volante, a análise granulométrica englobou apenas a sedimentação, por ela apresentar somente frações finas.
3.3.1.4
Índice de vazios máximo e mínimo
O índice de vazios máximo foi determinado para a areia e as misturas deste com a cinza volante, de acordo com a norma NBR 12004 (1990). Para fins práticos, estes ensaios não foram realizados para as misturas com cal. Para elas, foi empregado o resultado da mistura solo-cinza correspondente. Por exemplo, para a mistura A85/CV12/C3, foi utilizado o resultado obtido para a mistura A85/CV15.
Com o auxílio de um funil, o solo foi sendo colocado uniformemente em um cilindro, seguindo trajetórias da borda em direção ao centro do mesmo. Foram colocadas 3 camadas de solo, de modo que ficasse sobrando cerca de 2 cm de solo no topo do cilindro. Este excesso foi então retirado com o auxílio de uma régua de aço biselada. Este procedimento foi repetido 3 vezes, e em cada uma, foi pesado o conjunto cilindro+solo.
O índice de vazios mínimo foi determinado para os mesmos materiais e seguiu os procedimentos da norma NBR 12051 (1991). O solo é colocado da mesma forma; e a cada camada, ele é vibrado por cerca de 1 minuto. Em seguida, o conjunto é pesado, sendo este procedimento repetido 3 vezes, obtendo-se a média.
3.3.2
Ensaios de caracterização química e ambiental
Na medida em que a proposta deste trabalho é reutilizar a cinza volante para outras aplicações, foram feitos ensaios de caracterização química e ambiental no intuito de verificar a viabilidade do emprego deste resíduo, sem causar danos à saúde humana e ao meio ambiente.
Estes ensaios foram realizados no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio em conjunto com o Departamento de Química, e no
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laboratório TASQA Serviços Analíticos Ltda., de acordo com as metodologias das seguintes normas:
-NBR 10004 (2004) – Classificação de Resíduos Sólidos; -NBR 10005 (2004) – Lixiviação de Resíduos Sólidos; -NBR 10006 (2004) – Solubilização de Resíduos Sólidos;
-NBR 13600 (1996) – Determinação do teor de matéria orgânica por queima a 440°C.
3.3.2.1
Composição química
Os ensaios de composição química da cinza volante foram realizados por Lopes (2011), que utilizou em sua pesquisa o mesmo material. Portanto, apenas foi necessário realizar estes ensaios para as misturas.
Foi utilizada a técnica de espectrometria de fluorescência de raios-x por energia dispersiva (EDX), sendo o EDX um instrumento que determina qualitativa e semi-quantitativamente os elementos presentes em uma determinada amostra, através da aplicação de raios-x na superfície da amostra e da análise dos fluorescentes raios-x emitidos. Por ser uma técnica não destrutiva para todos os tipos de amostras (sólidos, líquidos ou pós), é considerada interessante para a caracterização dos materiais.
Foram armazenados 50 g de cada mistura em sacos plásticos para a execução dos ensaios químicos, contudo, foi introduzida no equipamento uma quantidade inferior, devido ao fato de o mesmo conseguir trabalhar com poucas quantidades de material.
3.3.2.2
Ensaios de solubilização e lixiviação
Estes ensaios também foram realizados por Lopes (2011), cujos resultados encontram-se no capítulo seguinte. Eles foram feitos pelo laboratório TASQA Serviços Analíticos Ltda., com o objetivo de classificar o resíduo em estudo.
As amostras foram enviadas em caixas plásticas herméticas, contendo cerca de 3 kg de material, para o Laboratório localizado em Paulínia, São Paulo.
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3.3.3
Ensaios de caracterização mecânica 3.3.3.1
Ensaio de compactação Proctor Standard
Os ensaios de compactação foram realizados para o solo puro e as misturas com os teores de 12%, 15%, 27% e 30% de cinza volante, com a finalidade de determinar a umidade ótima de compactação e o peso específico seco máximo dos materiais. Estes ensaios seguiram as metodologias da norma NBR 7182 (1986), utilizando-se a energia de compactação Proctor Normal e com reuso de material.
Depois de ser seco em estufa a 60 °C, o material foi destorroado e passado na peneira #4, como determina a norma NBR 6457 (1986). Em seguida, foi adicionada uma determinada quantidade de água ao material, de forma que ele ficasse com cerca de 5% de umidade abaixo da umidade ótima. O ensaio de limite de plasticidade permite estimar com maior precisão este valor, por apresentar um resultado que pode ser próximo da umidade ótima. Após a adição do volume de água às misturas do solo argiloso com as diversas porcentagens de cinza, homogeneizou-se bem o material.
Passada esta etapa, inseriu-se o material dentro do mole cilíndrico pequeno (cilindro Proctor), aplicando 26 golpes com um soquete pequeno para cada camada de solo introduzida, totalizando três. Para se conseguir uma boa aderência entre as camadas compactadas, escarificou-se bem cada uma delas antes de se compactar a camada sobrejacente. Devido ao emprego de um anel complementar, atinge-se uma altura de solo maior que a do molde, sendo este excesso removido com o auxílio de uma régua biselada.
Finalizada a compactação, pesa-se o cilindro juntamente com o solo, e são retiradas três amostras da região central do corpo de prova com o objetivo de se obter a sua umidade média após secagem em estufa, e o seu peso específico seco correspondente.
Após esta etapa, é preparado um novo corpo de prova, com uma quantidade maior de água, aumentando-se a umidade da mistura em aproximadamente 2%, prosseguindo-se uma nova compactação e obtendo-se um novo par de valores de umidade e peso específico seco.
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Todo este processo foi repetido cinco vezes para cada mistura, a fim de se obter cinco pares de valores (dois no ramo seco e dois no ramo úmido da curva de compactação). Com todos os pontos obtidos, plota-se a curva de compactação, de onde se extraem os valores de umidade ótima e peso específico seco máximo, correspondentes ao ponto máximo das curvas, e utilizados para a moldagem dos corpos de prova utilizados nos ensaios de cisalhamento direto.
3.3.3.2
Ensaio de cisalhamento direto
Os ensaios de cisalhamento foram realizados para os dois tipos de solo em estudo. Para as misturas com areia, utilizou-se 15%, 30% e 40% de cinza volante. Empregando-se 3% de cal, as porcentagens de cinza adotadas foram 12%, 27% e 37%, sendo as misturas submetidas a 0, 30, 100, 125 e 140 dias de cura. Para as misturas com solo argiloso, utilizou-se 15% e 30% de cinza volante. As misturas com cal contaram com a presença de 12% e 27% de cinza, contudo não foram submetidas ao processo de cura, devido à disponibilidade de tempo.
Estes ensaios foram realizados com o objetivo de determinar a resistência ao cisalhamento do solo através da obtenção dos parâmetros coesão e ângulo de atrito. Dessa forma, buscou-se analisar a influência do teor de cinza e do tempo de cura nestes parâmetros, verificando a viabilidade do emprego destes materiais para aplicações geotécnicas.
Os procedimentos para a execução dos ensaios estão descritos na norma ASTM D 3080 (2004). Devido às particularidades de cada solo em estudo, as técnicas de moldagem do corpo de prova deles foram diferentes, como é descrito a seguir.
- Preparação dos corpos de prova de areia
Para a confecção dos corpos de prova de areia e misturas desta com os teores de cinza determinados, a compactação do material foi realizada diretamente na caixa de cisalhamento, uma vez que a areia é um material não coesivo, não sendo possível moldá-lo fora do equipamento. Esta compactação foi realizada manualmente, de maneira uniforme, e de modo que a areia não ficasse muito
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densa. Com o auxílio de um gabarito, foi possível ajustar a altura do material na caixa de cisalhamento. A Figura 3.10 ilustra um esquema com essas etapas.
A fim de garantir que o material ficasse com todas as propriedades adequadas, calculou-se a quantidade de material seco a ser adicionado à caixa de cisalhamento, acrescido de certo teor de umidade, com o objetivo de auxiliar no processo de moldagem. A umidade ótima adotada para a areia e as misturas foi de