Dissertação de Mestrado
ESTUDO DE ESTABILIZAÇÃO
GRANULOMÉTRICA DE SOLOS
UTILIZANDO REJEITO DE MINERAÇÃO
AUTOR: KLAUS HENRIQUE DE PAULA
RODRIGUES
ORIENTADOR: Prof. Dr. Gilberto Fernandes (UFOP)
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM GEOTECNIA DA UFOP
iv
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus, em primeiro lugar, por me conceder a mais incrível de todas as experiências, a vida; por sempre me encantar com suas criações desde o imenso universo até a menor partícula visível.
Ao meu querido Jesus, por ter se entregado em meu lugar.
À minha esposa, por me impulsionar nos momentos mais difíceis e por não ter me deixado desistir.
Aos meus filhos, Beatriz e Kaleb, por encantar os meus dias aqui na Terra.
À minha mãe, Regiane, meu pai de coração, Daniel, e minha irmã, Karine, por sempre estarem presentes e atentos às minhas necessidades.
Ao meu pai, Neiber, por me incentivar.
Aos meus avós, Sérgio, Terezinha e Lourdes por sempre estarem ao meu lado.
Ao meu orientador, Gilberto Fernandes, pelos conhecimentos transferidos e sua disponibilidade em auxiliar em meu crescimento profissional.
À UFOP e ao NUGEO, por terem me proporcionado essa incrível experiência, e aos colegas que a realizaram comigo.
v
RESUMO
A execução de pavimentos necessita, cada vez mais, do aproveitamento dos materiais existentes ao longo da rodovia. Como nem sempre estes materiais disponíveis na natureza possuem propriedades técnicas que atendam às necessidades do pavimento, faz-se necessária a busca de produtos ou mecanismos que melhorem essas características e que tornem a utilização do solo ou material tratado viável técnica, ambiental e economicamente, em relação a outros materiais de locais distantes, considerando também seu transporte. Dentro desse contexto, se insere a estabilização dos solos, a qual pode ser realizada por meio de estabilizantes químicos, por compactação ou por meio de estabilização granulométrica. Essa última opção pode se tornar ainda mais atrativa caso esteja associada à possibilidade de aproveitamento de resíduos como matéria–prima a ser empregada no processo de correção física do solo original, visto que, neste caso, a perspectiva de viabilidade técnica do material resultante (solo estabilizado) pode estar atrelada à perspectiva de viabilidade ambiental (substituição parcial do solo por resíduos). Assim, justifica-se um programa experimental de ensaios destinado a avaliar a viabilidade técnico-ambiental relacionada ao aproveitamento de resíduos industriais, visando ao seu emprego em misturas com solos destinados à aplicação em obras rodoviárias regionais. Esse estudo apresenta uma alternativa para a utilização de rejeitos de espirais do processo de beneficiamento de minério de ferro para substituir parcialmente um solo que não era adequado para a utilização em rodovias, mas que em função dessa substituição esse solo pode ser utilizado. Para a realização do proposto no projeto, foram realizadas misturas de rejeito de espirais de mineração de uma grande mineradora do Quadrilátero Ferrífero, resultante do processo de beneficiamento de minério de ferro, com dois tipos de solos regionais. As misturas do tipo solo-rejeito investigadas no presente estudo foram constituídas por percentagens de 0%, 10%, 20% e 30% de rejeito, em termos de massa seca total da mistura. Foram realizados ensaios de caracterização e de resistência nos materiais e suas misturas, além da classificação segundo os sistemas SUCS, AASHTO e MCT. Os resultados mostraram um aumento da massa específica aparente seca máxima, do RCS, do índice CBR, do Módulo de Resiliência e do índice Mini-CBR do material com a gradual adição do rejeito, sobretudo para as adições de rejeito de 10% e 20%.
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ABSTRACT
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Lista de Figuras
Figura 1.1: Extensão (em porcentagem) da malha rodoviária nacional (DNIT, 2013). ... 1
Figura 1.2: Extensão (em porcentagem) da malha rodoviária não pavimentada nacional (DNIT, 2013). ... 2
Figura 2.1: Tipos de pavimentos rodoviários: (a) estrutura de pavimento rígido; (b) estrutura de pavimento flexível (Bernucci et al., 2008). ... 8
Figura 2.2: Exemplo de distribuição de tensões em uma estrutura de pavimento flexível (Haas e Hudson, 1978). ... 8
Figura 2.3: Faixa do Limite de Liquidez e Índice de Plasticidade de solos nos grupos A-2, A-4, A-5, A-6 e A-7 (Das, 2007). ... 15
Figura 2.4: Gráfico de plasticidade de Casagrande (Pinto, 2006). ... 19
Figura 2.5: Ábaco de classificação MCT (Nogami e Villibor, 1995). ... 22
Figura 2.6: Exemplo de equipamento de ensaio triaxial de carga repetida (BERNUCCI et al, 2008). ... 28
Figura 2.7: Tensões aplicadas e deslocamentos no ensaio de carga repetida (BERNUCCI et al, 2008). ... 29
Figura 3.1: Secagem ao ar dos solos. ... 30
Figura 3.2: Destorroamento dos solos. ... 31
Figura 3.3: Sedimentação dos solos. ... 31
Figura 3.4. Aplicação de vácuo no rejeito. ... 32
Figura 3.5: Ensaio de resistência à compressão simples. ... 33
Figura 3.6: Corpo de prova logo após a compactação sendo rasado. ... 34
Figura 4.1: Curvas granulométricas do solo vermelho. ... 36
Figura 4.2: Curvas granulométricas do solo amarelo. ... 37
Figura 4.3: Curvas granulométricas do rejeito. ... 38
Figura 4.4: Curva granulométrica AR 90/10. ... 39
Figura 4.5: Curva granulométrica AR 80/20. ... 39
Figura 4.6: Curva granulométrica AR 70/30. ... 40
Figura 4.7: Curva granulométrica VR 90/10. ... 41
Figura 4.8: Curva granulométrica VR 80/20 ... 41
Figura 4.9: Curva granulométrica VR 70/30. ... 42
Figura 4.10: Limite de liquidez solo amarelo. ... 44
viii Figura 4.12: Ábaco do sistema MCT indicando a classificação dos solos e rejeito
empregados na pesquisa. ... 46
Figura 4.13: Curvas de compactação do solo amarelo, rejeito e suas misturas na energia intermediária. ... 47
Figura 4.14: Curvas de compactação do solo vermelho, rejeito e suas misturas na energia Proctor intermediária. ... 48
Figura 4.15: Curvas de compactação do solo amarelo, rejeito e suas misturas na energia Proctor modificada. ... 49
Figura 4.16: Curvas de compactação para o solo vermelho, rejeito e suas misturas na energia Proctor modificada. ... 49
Figura 4.17: Massa específica aparente seca máxima do solo amarelo, rejeito e suas misturas. ... 50
Figura 4.18: Teor de umidade ótimo do solo amarelo, rejeito e suas misturas. ... 50
Figura 4.19: Massa específica aparente seca máxima do solo vermelho, rejeito e suas misturas. ... 51
Figura 4.20: Teor de umidade ótimo do solo vermelho, rejeito e suas misturas. ... 51
Figura 4.21: RCS do solo amarelo e suas misturas com rejeito. ... 52
Figura 4.22: RCS do solo vermelho e suas misturas com rejeito. ... 52
Figura 4.23: CBR do solo amarelo, rejeito e suas misturas. ... 53
Figura 4.24: Expansão do solo amarelo, rejeito e suas misturas. ... 54
Figura 4.25: Teor de umidade ótimo do solo amarelo, rejeito e suas misturas. ... 54
Figura 4.26: CBR do solo vermelho, rejeito e suas misturas. ... 55
Figura 4.27: Expansão do solo vermelho, rejeito e suas misturas. ... 56
Figura 4.28: Teor de umidade ótimo do solo vermelho, rejeito e suas misturas. ... 56
Figura 4.29: Correlação dos Módulos de Resiliência com os valores do índice de CBR. ... 57
Figura 4.30: Curva de compactação Mini-Proctor do rejeito. ... 58
Figura 4.31: Curva de compactação Mini-Proctor do solo amarelo. ... 59
Figura 4.32: Curva de compactação Mini-Proctor da mistura AR 90/10. ... 59
Figura 4.33: Curva de compactação Mini-Proctor da mistura AR 80/20. ... 60
Figura 4.34: Curva de compactação Mini-Proctor da mistura AR 70/30. ... 60
Figura 4.35: Curva de compactação Mini-Proctor do solo vermelho. ... 61
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Lista de Tabelas
Tabela 1.1: Malha rodoviária brasileira (DNIT, 2013). ... 1
Tabela 1.2: Malha rodoviária não-pavimentada brasileira (DNIT, 2013). ... 2
Tabela 2.1: Classificação de solos AASHTO (Senço, 2001). ... 13
Tabela 2.2: Terminologia do Sistema Unificado de Classificação dos Solos (Pinto, 2007). ... 16
Tabela 2.3. Sistema Unificado de Classificação dos Solos (Das, 2007). ... 18
Tabela 4.1: Porcentagens de tamanhos de grãos do solo vermelho. ... 36
Tabela 4.2: Porcentagens de tamanhos de grãos do solo amarelo. ... 37
Tabela 4.3: Porcentagens de tamanhos de grãos do rejeito. ... 38
Tabela 4.4: Parâmetros de granulometria das misturas do solo amarelo. ... 40
Tabela 4.5: Parâmetros de granulometria das misturas do solo vermelho. ... 42
Tabela 4.6: Composição química do rejeito. ... 43
Tabela 4.7: Massas específicas dos sólidos e unitária dos materiais individuais pesquisados. ... 43
Tabela 4.8: Limites de consistência dos materiais individuais pesquisados. ... 45
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Lista de Abreviaturas
AASHTO –American Association of State Highway and Transportation Officials
CBR –California Bearing Ratio
Cc – Coeficiente de curvatura
Cu – Coeficiente de uniformidade
DNER – Departamento Nacional de Estradas de Rodagem
DNIT – Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes
DNPM – Departamento Nacional de Produção Mineral
HRB –Highway Research Board
IBRAM – Instituto Brasileiro de Mineração
IP – Índice de Plasticidade
LL – Limite de Liquidez
LP – Limite de Plasticidade
LVDT – Linear Variable Differential Transducers
MCT – Miniatura, Compactado, Tropical
MR – Módulo de Resiliência
NUGEO – Núcleo de Geotecnia
SUCS – Sistema Unificado de Classificação dos Solos
UFOP – Universidade Federal de Ouro Preto
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SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ... 1
1.1. IDENTIFICAÇÃO DO OBJETO DE PESQUISA ... 1
1.2. OBJETIVOS ... 4
1.3. ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ... 5
2. REVISÃO DA LITERATURA ... 6
2.1. BREVE HISTÓRICO DA PAVIMENTAÇÃO ... 6
2.2. PAVIMENTO ... 7
2.3. SOLOS ... 9
2.3.1. ORIGEM DOS SOLOS ... 9
2.3.2. CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS ... 10
2.3.2.1. Sistema de Classificação da AASHTO ... 11
2.3.2.2. Sistema Unificado de Classificação dos Solos ... 15
2.3.2.3. Classificação de solos tropicais ... 19
2.4. REJEITOS DE MINERAÇÃO ... 22
2.5. ESTABILIZAÇÃO DE SOLOS ... 23
2.5.1. ESTABILIZAÇÃO QUÍMICA ... 24
2.5.2. ESTABILIZAÇÃO MECÂNICA OU COMPACTAÇÃO ... 25
2.5.3. ESTABILIZAÇÃO GRANULOMÉTRICA ... 26
2.6. MÓDULO DE RESILIÊNCIA ... 27
3. MATERIAIS E MÉTODOS ... 30
3.1. MATERIAIS ... 30
3.2. MÉTODOS ... 30
3.2.1. ANÁLISE GRANULOMÉTRICA ... 31
3.2.2. MASSA ESPECÍFICA DOS SÓLIDOS ... 31
3.2.3. MASSA ESPECÍFICA UNITÁRIA DO REJEITO ... 32
3.2.4. LIMITES DE ATTERBERG ... 32
3.2.5. ENSAIO QUÍMICO DO REJEITO ... 32
3.2.6. COMPACTAÇÃO ... 32
3.2.7. RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO SIMPLES ... 33
3.2.8. CBR ... 33
3.2.9. CORRELAÇÃO ENTRE MR E CBR ... 34
3.2.10. MINI-CBR ... 35
3.2.11. CLASSIFICAÇÃO MCT ... 35
xiii
4.1. ANÁLISE GRANULOMÉTRICA ... 36
4.2. ENSAIO QUÍMICO DO REJEITO ... 43
4.3. MASSA ESPECÍFICA DOS MATERIAIS ... 43
4.4. LIMITES DE ATTERBERG ... 44
4.5. MCT ... 45
4.6. CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS ... 46
4.7. COMPACTAÇÃO ... 47
4.8. RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO SIMPLES ... 52
4.9. CBR ... 53
4.10. CORRELAÇÕES ENTRE MÓDULO DE RESILIÊNCIA E CBR . 57 4.11. MINI-CBR ... 58
5. CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA PESQUISAS FUTURAS ... 67
REFERÊNCIAS ... 70
1
1.
INTRODUÇÃO
1.1. IDENTIFICAÇÃO DO OBJETO DE PESQUISA
Com uma rede rodoviária de aproximadamente 1,7 milhões de quilômetros, as estradas são as principais transportadoras de carga e de passageiros no tráfego brasileiro. Na Tabela 1-1 e na Figura 1-1, encontram-se, para o ano de 2013, os dados do Plano Nacional de Viação (DNIT, 2013) referentes às respectivas extensões da rede pavimentada, não-pavimentada e planejada no país. É possível constatar que, até o ano de 2013, apenas 12% da malha rodoviária nacional (202.988,10km) correspondiam a rodovias pavimentadas, evidenciando a grande extensão da malha rodoviária não-pavimentada ainda existente e, consequentemente, realçando a enorme demanda nacional por obras de pavimentação destinadas ao revestimento superficial dessas vias.
Tabela 1.1: Malha rodoviária brasileira (DNIT, 2013).
Superfície Extensão (km) Porcentagem
Pavimentada 202.988,10 12,00%
Não Pavimentada 1.358.913,70 80,40%
Planejada 129.262,00 7,60%
Total 1.691.163,80 100,00%
Figura 1.1: Extensão (em porcentagem) da malha rodoviária nacional (DNIT, 2013).
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Tabela 1.2: Malha rodoviária não-pavimentada brasileira (DNIT, 2013). Jurisdição Rede não-pavimentada (km) Porcentagem
Rodovias federais 12.661,70 0,93%
Rodovias estaduais 111.333,70 8,19%
Rodovias municipais 1.234.918,30 90,88%
Total 1.358.913,70 100%
Figura 1.2: Extensão (em porcentagem) da malha rodoviária não pavimentada nacional (DNIT, 2013).
Considerando-se exclusivamente a rede rodoviária não-pavimentada, verifica-se que ela responde por cerca de 80% de toda a malha rodoviária brasileira, sendo que 91% de sua extensão estão concentradas nos municípios, o que demonstra a importância socioeconômica da mesma no âmbito das municipalidades e, sobretudo, a necessidade de implementação da pavimentação de baixo custo visando, em bases técnico-econômicas aceitáveis, à garantia das boas condições de uso dessas rodovias por parte significativa da população que depende das mesmas para o exercício de suas atividades cotidianas. Assim, tornam-se necessários o desenvolvimento e a adoção de técnicas de baixo custo que resultem em vias pavimentadas que sejam capazes de proporcionar escoamento às atividades humanas, sem gerar prejuízos aos usuários e sem exigir custos significativos de manutenção.
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e resistência mecânica aos esforços e cargas a que serão submetidos durante a vida útil da estrada. (Azevedo et al., 1998).
Quando os solos encontrados nas jazidas de empréstimos que podem ser usadas nas camadas do pavimento não apresentam as características exigidas, duas opções devem ser avaliadas:
A substituição do solo existente por outro, cujo comportamento seja satisfatório;
A estabilização química ou granulométrica deste solo.
No primeiro caso, a completa remoção e substituição do solo de origem, por materiais com características geotécnicas satisfatórias pode significar, em muitas situações, o transporte de grandes volumes a grandes distâncias. Isso onera a construção, pois há um aumento do custo total da obra, além de uma dilatação do tempo de execução da mesma. Há que se considerar que atualmente o custo do transporte de materiais é um fator decisivo no custo final de uma obra geotécnica, podendo levar à inviabilidade do empreendimento.
A opção pela estabilização do solo, seja ela química ou granulométrica, possibilita, em algumas situações, a utilização dos solos encontrados no local da obra, reduzindo custo e tempo de execução da obra, pois há uma redução global no transporte da camada estabilizada.
Segundo Rodrigues e Pitanga (2014), no âmbito da construção civil, em geral, e da pavimentação asfáltica, em particular, o desenvolvimento de técnicas construtivas de baixo custo está obrigatoriamente vinculado ao emprego de materiais que apresentem, simultaneamente, desempenho técnico aceitável e menor custo comparativamente aos materiais convencionais. Adicionalmente, a utilização constante de recursos naturais na pavimentação asfáltica, demonstrada principalmente pela exploração de jazidas de agregados e pelo emprego de derivados do petróleo, traz para este setor a necessidade premente de combinação entre as soluções de engenharia e a preservação do meio ambiente, uma vez que, na pavimentação, são empregados grandes volumes de materiais oriundos destas fontes não-renováveis.
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quantitativa o meio ambiente. A quantidade de estéreis e rejeitos gerados em uma mineração está relacionada ao método de lavra empregado, seja a céu aberto ou subterrâneo, e ao teor do mineral de minério presente na rocha de interesse.
Segundo o IBRAM (2012), o Brasil é o segundo maior produtor de Minério de Ferro, conforme o U.S. Geological Survey e a UNCTAD (Conferência das Nações Unidas para o Comércio e o Desenvolvimento). De acordo com essas fontes, em 2011, os três maiores produtores foram a China, com 1,33 bilhão de toneladas, a Austrália, com 480 milhões de toneladas, e o Brasil, com 390 milhões de toneladas. No entanto, quando se leva em conta o teor médio do Minério de Ferro chinês, a produção daquele país pode ser considerada de 380 milhões de toneladas, comparativamente com o Minério de Ferro da Austrália e do Brasil.
De acordo com Rodrigues e Pitanga (2014), é fundamental a proposição de soluções técnicas que estejam vinculadas ao aproveitamento adequado de resíduos e subprodutos gerados por diversos tipos de indústrias. O aproveitamento destes resíduos torna-se vantajoso para as empresas que os geram, dada a possibilidade de agregar valor ao rejeito e de diminuir os gastos com a estocagem, o tratamento e a destinação final dos mesmos em aterros de contenção de resíduos. Para a construção civil, conforme previamente mencionado, a principal vantagem estaria relacionada à queda do preço do material granular, além da possibilidade de emprego de um material tecnicamente competitivo.
Neste presente trabalho foi utilizado um rejeito de mineração oriundo do processo de beneficiamento do minério de ferro de uma empresa do setor de exploração mineral. Este rejeito obtido do processo de espirais foi utilizado para estabilizar granulometricamente dois solos encontrados em pequenas profundidades no entorno da mineradora.
1.2. OBJETIVOS
O presente programa de pesquisa se enquadra no âmbito da Engenharia Geotécnica e teve como objetivo principal:
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Como objetivos secundários do programa de pesquisa, citam-se:
1. Comparar o comportamento mecânico por meio do ISC (Índice de Suporte Califórnia), ou índice CBR (California Bearing Ratio), das misturas solo-rejeito
propostas em relação aos solos sem adição de rejeito;
2. Verificar se os solos ou suas misturas com rejeito atendem às especificações de base e/ou sub-base estabilizadas granulometricamente segundo as normas DNIT 141/10-ES e DNIT 139/10-ES, respectivamente;
3. Determinar, para as proporções em massa pré-definidas na pesquisa, os teores de solo e rejeito que fornecem os melhores resultados em termos de resistência e estabilidade dimensional, quando há aumento do teor de umidade;
4. Determinar as propriedades mecânicas de bases e/ou sub-bases estabilizadas granulometricamente constituídas por solo e rejeito de mineração.
1.3. ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
Para o desenvolvimento desta pesquisa, foi elaborado um plano de trabalho, dividindo seu escopo em capítulos, conforme descrição a seguir:
Capítulo 1 – A presente introdução que contextualiza a pesquisa.
Capítulo 2 – Revisão bibliográfica que enfatiza os conceitos dos materiais e métodos utilizados nesta pesquisa.
Capítulo 3 – Materiais utilizados nesta pesquisa, mostrando características específicas e justificativas para a utilização dos materiais e os métodos empregados.
Capítulo 4 – Resultados dos ensaios realizados nesta pesquisa.
Capítulo 5 - Conclusões e sugestões para pesquisas futuras.
As referências podem ser visualizadas na parte final da presente pesquisa.
6
2.
REVISÃO DA LITERATURA
2.1. BREVE HISTÓRICO DA PAVIMENTAÇÃO
Segundo Senço (2007), o homem pré-histórico, na sua busca de alimentação e água, procurava deixar os caminhos entre sua caverna e os campos de caça ou poços de água em condições de permitir sua passagem com facilidade. Estava, assim, atendendo ao princípio fundamental do transporte: melhorar o caminho por onde devia passar, quando tinha a necessidade de se deslocar periodicamente entre pontos extremos ou intermediários.
Segundo esse autor, quando montou um animal, o homem deu um passo adiante nessa evolução, conseguindo maior rendimento das viagens à custa, obviamente de melhorias que teve que introduzir nos caminhos. Posteriormente, atrelou um rústico veículo a esse animal, melhorando ainda mais o rendimento das viagens, com a contrapartida de ter de melhorar ainda mais os caminhos. Essa passagem foi conseguida graças a uma das invenções mais importantes no ramo dos transportes: a roda, verdadeiro passo de gigante na evolução.
De acordo com Senço (2007), o passo seguinte seria o ataque à natureza. Até então, o homem era ainda inteiramente condicionado pelo meio ambiente, e pela topografia dos terrenos por onde circulava, via-se na contingência de contorná-las; ao encontrar um
curso d’água, via-se na contingência de procurar lugares mais rasos, que permitissem passagem. As maiores necessidades, criadas com os maiores volumes e as maiores cargas, a serem transportadas com maior frequência a distâncias cada vez maiores, obrigou o homem a procurar exercer controle sobre o meio, alterando os caminhos, cortando; e construindo obras de passagem sobre cursos d’água.
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condições nas secas e lama nas chuvas, pode-se tentar conseguir uma estabilização, misturando areias e argilas, em proporções tais que as argilas evitem o aparecimento de poeira nos terrenos arenosos, nas secas, e as areias evitem o aparecimento de lama nos terrenos argilosos, nas chuvas.
Segundo Balbo (2007), os romanos aperfeiçoaram as estradas, instalando pavimentos e drenagem, com o intuito de torná-las duradouras. Durante a fase áurea de Roma, mais de 80 mil km de estradas foram construídos, permitindo aos dominadores o transporte de legiões militares e o acesso a bens disponíveis nos longínquos territórios dominados. Os romanos também procuravam estabelecer rotas por terras mais racionais, para galgar montanhas e atingir os principais portos do Mediterrâneo, combinando meios de transporte da maneira mais eficiente que seus estrategistas poderiam conceber.
A partir de então apareceram novos materiais e técnicas para melhorar as condições das estradas e caminhos, como revestimento de pedras, misturas betuminosas, concreto de cimento, estabilização dos solos, entre outros.
2.2. PAVIMENTO
Segundo Bernucci et al. (2008), no âmbito da Engenharia rodoviária, o pavimento corresponde a uma estrutura de múltiplas camadas de espessuras finitas, construída sobre a superfície final de terraplenagem, destinada técnica e economicamente a resistir aos esforços oriundos do tráfego de veículos e do clima, além da função de propiciar, aos usuários, a melhoria nas condições de rolamento dos veículos, com conforto, economia e segurança.
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reforço do subleito e subleito. O revestimento asfáltico pode ser composto pela camada de rolamento, a qual está em contato direto com as rodas dos veículos, e por uma camada de ligação, subjacente à camada de rolamento, denominada binder.
(a) (b)
Figura 2.1: Tipos de pavimentos rodoviários: (a) estrutura de pavimento rígido; (b) estrutura de pavimento flexível (Bernucci et al., 2008).
A Figura 2.2 (Haas e Hudson, 1978) ilustra a distribuição das tensões verticais e horizontais, sob o centro de uma carga por roda, em uma estrutura de pavimento flexível. Verifica-se que a camada de revestimento, por ser constituída por uma mistura de agregados mais ligante asfáltico (mistura asfáltica compactada), oferece resistência tanto à tração, quanto à compressão.
Figura 2.2: Exemplo de distribuição de tensões em uma estrutura de pavimento flexível (Haas e Hudson, 1978).
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essencialmente à compressão, exceto quanto os materiais componentes dessas camadas forem tratados quimicamente o que confere aos mesmos capacidade de resistir a esforços de tração pela ação cimentante do aditivo químico.
2.3. SOLOS
A construção de um pavimento exige o conhecimento não só dos materiais constituintes de suas camadas, mas também dos materiais constituintes do subleito e daqueles que possam interferir na construção dos drenos, acostamentos, cortes e aterros (Senço, 2007). Entre estes materiais destaca-se o solo, que interfere em todos os estudos de um pavimento, pois mesmo não sendo eventualmente utilizado nas camadas previstas, será sempre o suporte da estrutura.
A definição de solo é complexa, dependendo de qual ramo o estuda. Para o ramo rodoviário pode-se dizer que solo é uma formação natural, de estrutura solta e removível e de espessura variável, resultante da transformação de uma rocha-mãe, que é passível de escavação por processos mecânicos simples, ou seja, sem utilização de explosivos.
Segundo Senço (2007), quando se pretende utilizar o solo como material componente, por exemplo, de uma camada de pavimento, este eleva-se à condição de material de construção e, assim, deve merecer estudos prévios de qualidade e controle rigorosos durante a aplicação. Os estudos para a localização de jazidas e os complementares de estabilização, quer utilizando aglutinantes, quer pela simples e conveniente correção da distribuição dos diâmetros dos grãos, representam hoje, em nosso meio, umas das mais importantes atividades dos engenheiros de pesquisas, dadas as inegáveis vantagens econômicas do uso crescente de materiais locais.
2.3.1. ORIGEM DOS SOLOS
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oxidação, lixiviação, troca de cátions, carbonatação, etc. O conjunto destes processos, que são muito mais atuantes em climas quentes do que em climas frios, leva à formação dos solos que, em consequência, são misturas de partículas pequenas que se diferenciam pelo tamanho e pela composição química. A maior ou menor concentração de cada tipo de partícula num solo depende da composição química da rocha que lhe deu origem.
2.3.2. CLASSIFICAÇÃO DOS SOLOS
Segundo Das (2007) solos diferentes com propriedades similares podem ser classificados em grupos e subgrupos de acordo com seu comportamento do ponto de vista da engenharia. Os sistemas de classificação fornecem uma linguagem comum para se expressar concisamente, sem descrições detalhadas, as características gerais dos solos, que são infinitamente variadas.
O objetivo da classificação dos solos, sob o ponto de vista da engenharia, é o de poder estimar o provável comportamento do solo ou, pelo menos, o de orientar o programa de investigação necessário para permitir a adequada análise de um problema (Pinto, 2006).
Ainda de acordo com Pinto (2006), é muito discutida a validade dos sistemas de classificação. De um lado, qualquer sistema cria grupos definidos por limites numéricos descontínuos, enquanto solos naturais apresentam características progressivamente variáveis. Pode ocorrer que solos com índices próximos aos limites se classifiquem em grupos distintos, embora possam ter comportamentos mais semelhantes do que solos de um mesmo grupo de classificação. A esta objeção, pode-se acrescentar que a classificação de um solo, baseada em parâmetros físicos por ele apresentados, jamais poderá ser uma informação mais completa do que os próprios parâmetros que o levaram a ser classificado. Entretanto, a classificação é necessária para a transmissão de conhecimento.
Segundo esse autor, mesmo aqueles que criticam os sistemas de classificação não têm outra maneira sucinta de relatar sua experiência, senão afirmando que, tendo aplicado um tipo de solução, obteve certo resultado, num determinado tipo de solo. Quando um tipo de solo é citado, é necessário que a designação seja entendida por todos, ou seja, é necessário que exista um sistema de classificação. Conforme apontado por Terzaghi, “um
sistema de classificação sem índices numéricos para identificar os grupos é totalmente
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descrever um solo, é importante que o significado de cada termo desta expressão possa ser entendido da mesma maneira por todos e, se possível, ter limites bem definidos.
Segundo Senço (2007), a maneira mais simples de classificar um solo, objetivando sua aplicação em trabalhos de pavimentação, é levar em conta a granulometria desse solo. Esse parâmetro, porém, não atende às finalidades decorrentes do uso do solo para pavimentação, pois não leva em conta, por exemplo, a plasticidade, fator de importância fundamental no estudo do uso dos solos, quer como material de fundação, quer como material a compor as camadas do pavimento. Mesmo a forma geral das curvas granulométricas nem sempre é levada em conta.
2.3.2.1. Sistema de Classificação da AASHTO
Segundo Das (2007), o sistema da AASHTO (American Association of State Highway
and Transportation Officials) de classificação do solo foi desenvolvido em 1929 como o
sistema da Administração de Estradas Públicas dos Estados Unidos da América (EUA). Ele foi submetido a várias revisões, com a presente versão proposta pelo Committee on
Classification of Materials for Subgrades and Granular Type Roads do Highway
Research Board (HRB) em 1945, hoje (TRB) Transportation Researchs Board.
De acordo com Pinto (2006), neste sistema, a classificação se inicia pela constatação da porcentagem de material que passa na peneira de abertura de malha de 0,075 mm (nº 200), sendo considerados solos de granulação grosseira os que possuem menos de 35% passando nesta peneira. Estes são os solos dos grupos A-1, A-2 e A-3. Os solos com mais de 35% passando na peneira de 0,075 mm (nº 200) formam os grupos 4, 5, 6 e A-7.
Esta classificação também se baseia além do ensaio de granulometria, nos ensaios de Limite de Liquidez e de Limite de Plasticidade.
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Alguns grupos podem ainda ser subdivididos em subgrupos, e neste caso tem-se, o grupo A-1 sendo subdividido entre A-1a e A-1b, o grupo A-2 em A-2-4, A-2-5, A-2-6 e A-2-7, e finalmente o grupo A-7 sendo subdividido em A-7-5 e A-7-6.
A classificação dos solos segundo o sistema AASHTO pode ser visualizada na Tabela 2.1.
De acordo com Das (2007), para se classificar um solo de acordo com a Tabela 2.1, devem-se aplicar os dados de ensaio da esquerda para a direita. Pelo processo de eliminação, o primeiro grupo da esquerda no qual os dados de ensaio se encaixam correspondem à classificação correta. A Figura 2.3 mostra um gráfico da faixa do limite de liquidez e índice de plasticidade para solos que se enquadram nos grupos 2, 4, A-5, A-6 e A-7.
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Tabela 2.1: Classificação de solos AASHTO (Senço, 2001).
Classificação (35% ou menos) passando na peneira #200 MATERIAIS GRANULARES SILTO-ARGILOSOSMATERIAIS
Classificação em grupos
A-1
A-3
A-2
A-4 A-5 A-6
A-7 A-7-5(a) A-7-6(b) A-1-A A-1-B A-2-4 A-2-5 A-2-6 A-2-7
Granulometria - % passando na peneira
# 10 50 max
# 40 30 max 50 max 51 max
# 200 15 max 25 max 10 max 35 max 35 max 35 max 35 max 36 min 36 min 36 min 36 min
Características da fração passando na peneira # 40
LL 40 max 41 min 40 max 41 min 40 max 41 min 40 max 41 min IP 6 max 6 max NP 10 max 10 max 11 min 11 min 10 max 10 max 11 min 11 min
IG 0 0 0 0 0 4 max 4 max 8 max 12 max 16 max 20 max
Materiais constituintes
Fragmentos de pedra,
pedregulho fino e areia Pedregulhos ou areias siltosas ou argilosas Solos siltosos Solos argilosos Comportamento
como subleito Excelente a bom Sofrível a mau
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𝐼𝐺 = (𝐹200− 35)[0,2 + 0,005(𝐿𝐿 − 40)] + 0,01(𝐹200− 15)(𝐼𝑃 − 10) 2.1
Sendo que F200 = é a porcentagem que passa na peneira Nº 200;
LL = Limite de Liquidez;
IP = Índice de Plasticidade.
O primeiro termo da equação é o índice parcial de grupo determinado a partir do Limite de Liquidez (LL). O segundo termo é o índice de grupo parcial determinado a partir do Índice de Plasticidade (IP).
O índice de grupo possui algumas regras, as quais são listadas na sequência:
Se a equação 2.1 fornecer um valor de IG negativo ele será considerado zero;
O IG é sempre arredondado para o número inteiro mais próximo;
O IG de solos que pertencem aos grupos A-1a, A-1b, A-2-4, A-2-5 e A-3 é sempre zero;
Ao se calcular o IG para solos que pertencem aos grupos A-2-6 e A-2-7 deve-se usar o índice de grupo parcial para IP, como pode ser observado pela equação 2.2.
𝐼𝐺 = 0,01(𝐹200− 15)(𝐼𝑃 − 10) 2.2
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Figura 2.3: Faixa do Limite de Liquidez e Índice de Plasticidade de solos nos grupos A-2, A-4, A-5, A-6 e A-7 (Das, 2007).
Pode-se perceber que, por esta classificação, os solos granulares são considerados como tendo um comportamento como material de subleito de bom a excelente, enquanto que os solos finos possuem comportamento ruim a sofrível como subleito. Esse comportamento dos solos finos pode ser bem distinto caso o solo seja formado em um ambiente de clima tropical, caso dos solos finos lateríticos que podem possuir um excelente comportamento como subleito quando compactados.
2.3.2.2. Sistema Unificado de Classificação dos Solos
De acordo com Das (2007), a forma original desse sistema foi proposta por Casagrande em 1942 para uso nos trabalhos de construção de aeroportos sob responsabilidade do
Army Corps of Engineers durante a Segunda Guerra Mundial. Esse sistema foi revisto em
1952 e é um sistema de classificação dos solos amplamente utilizado pelos engenheiros.
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Tabela 2.2: Terminologia do Sistema Unificado de Classificação dos Solos (Pinto, 2007).
G Pedregulho
S Areia
M Silte
C Argila
O Solo orgânico
W Bem graduado
P Mal graduado
H Alta compressibilidade L Baixa compressibilidade
Pt Turfas
Segundo Pinto (2006), para a classificação, por esse sistema, o primeiro aspecto a considerar é a porcentagem em massa de finos presente no solo, considerando-se finos o material que passa na peneira de 0,075 mm (Nº 200). Se essa porcentagem for inferior a 50%, o solo será considerado como solos de granulação grosseira, G ou S. Se for superior a 50%, o solo será considerado de granulação fina, M, C ou O. O símbolo Pt é utilizado para turfa, terra preta e outros solos altamente orgânicos (Das, 2007).
Para a classificação de acordo com esse sistema, deve-se ter conhecimento das seguintes informações dos solos.
Porcentagem de pedregulho, ou seja, a fração que passa pela peneira de 76,2 mm e é retida na peneira de 4,75 mm (Nº 4);
Porcentagem de areia, ou seja, a fração que passa na peneira de 4,75 mm (Nº 4) e é retida na peneira de 0,075 mm (Nº 200);
Porcentagem de finos (silte e argila), ou seja, a fração mais fina que a peneira de 0,075 mm (Nº 200);
Coeficiente de Não Uniformidade (Cu) e Coeficiente de Curvatura (Cc);
Limite de Liquidez e Índice de Plasticidade da fração do solo que passa na peneira Nº 40.
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𝐶𝑢 =𝐷60
𝐷60 2.3
𝐶𝑐 =𝐷 𝐷302
10× 𝐷60 2.4
Sendo: D10 = diâmetro abaixo do qual situam-se 10%, em peso, das partículas;
D30 = diâmetro abaixo do qual situam-se 30%, em peso, das partículas;
D60 = diâmetro abaixo do qual situam-se 60%, em peso, das partículas.
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Tabela 2.3. Sistema Unificado de Classificação dos Solos (Das, 2007).
Critérios para atribuição dos símbolos de grupo Símbolo de grupo
Solos grossos (mais de 50% de material retidos na peneira 200)
Pedregulhos (mais de 50% da fração grossa retidos na peneira 4)
Pedregulhos puros Cu>4, 1<Cc<3 (c) GW
Menos de 5% de grãos finos (a) Cu<4, Cc<1 ou Cc>3(c) GP
Pedregulhos com finos IP<4 ou abaixo da linha A GM
Mais de 12% de grãos finos (a,d) IP>7 ou acima da linha A GC
Areias (50% ou mais da fração grossa passam na peneira 4)
Areias puras Cu>6, 1<Cc<3 (c) SW
Menos de 5% de grãos finos (b) Cu<6, Cc<1 ou Cc>3(c) SP
Areias com finos IP<4 ou abaixo da linha A SM
Mais de 12% de grãos finos (b,d) IP>7 ou acima da linha A SC
Critérios para atribuição dos símbolos de grupo Símbolo de grupo
Solos finos (mais de 50% de material passam na peneira 200)
Siltes e argilas (limite de liquidez inferior a 50)
Inorgânico IP>7 ou acima da linha A (e) CL IP<4 ou abaixo da linha A (e) ML
Orgânico (LL seco em estufa/LL não seco )<0,75 (zona OL) OL
Siltes e argilas (limite de liquidez superior ou igual a 50)
Inorgânico IP acima da linha A CH IP abaixo da linha A MH
Orgânico (LL seco em estufa/LL não seco )<0,75 (zona OH) OH
Solos altamente orgânicos Matéria primariamente orgânica, de cor escura e odor orgânico Pt
(a): Pedregulhos com 5 a 12% de finos requerem os símbolos duplos: GW-GM, GW-GC, GP-GM, GP-GC (b): Areias com 5 a 12% de finos requerem os símbolos duplos: SW-SM, SW-SC, SP-SM, SP-SC (c): Cu=D60/D10; Cc=(D30)2/(D60*D10)
19
Para os solos finos, as propriedades índices mais importantes são os limites de consistência. Sendo assim, Casagrande criou o gráfico de plasticidade mostrado na Figura 2.4, montado a partir dos limites de consistência dos solos finos, usado para subdividir as argilas dos siltes, tanto na classificação dos solos finos quanto da fração fina dos solos grossos.
Figura 2.4: Gráfico de plasticidade de Casagrande (Pinto, 2006).
A linha vertical LL = 50% separa os solos de alta plasticidade (MH, CH) dos de baixa plasticidade (ML, CL), baseando-se em uma observação empírica de que a compressibilidade do solo cresce com o LL.
A linha A é uma fronteira arbitrária entre as argilas inorgânicas (CL e CH), que estão acima desta linha, e os siltes inorgânicos e argilas orgânicas (ML, MH, OL e OH).
Segundo Pinto (2006), na região hachurada, com LL < 50% e 4% < IP < 7%, há superposição nas propriedades dos solos argilosos e siltosos. Nessa região o solo deverá ter um símbolo duplo, CL-ML.
2.3.2.3. Classificação de solos tropicais
20
Nesta classificação, Nogami e Villibor (1981) propuseram dois grupos de solos que podem apresentar comportamento laterítico (L) ou comportamento não laterítico (N), subdivididos em sete grupos, conforme relacionado em Nogami e Villibor (1995):
Areias lateríticas (LA): Neste grupo, estão inclusas as areias com poucos finos de comportamento laterítico, típicas do horizonte B dos solos conhecidos pedologicamente como areias quartzosas e regosolos;
Solos arenosos lateríticos (LA’): Solos tipicamente arenosos, e constituintes do
horizonte B dos solos conhecidos pedologicamente no Brasil por latossolos arenosos e solos podzólicos ou podzolizados arenosos (textura média). Estes solos, além da presença dos matizes vermelho e amarelo, dão cortes firmes (pouco ou não erodíveis), nitidamente trincados, quando expostos às intempéries;
Solos argilosos lateríticos (LG’): Este grupo é formado por argilas e argilas
arenosas, que constituem o horizonte B dos solos conhecidos pedologicamente por latossolos, solos podzólicos e terras roxas estruturadas. Quando apresentam porcentagem de areia elevada, tem um comportamento semelhante aos solos do
grupo LA’;
Areias não lateríticas (NA): Os solos pertencentes a este grupo são as areias, siltes e misturas de areias e siltes, nos quais os grãos são constituídos essencialmente de quartzo e/ou mica. Praticamente, não possuem finos argilosos coesivos;
Solos arenosos não lateríticos (NA’): Compostos granulometricamente por misturas de areias quartzosas (ou de minerais de propriedades similares) com finos passando na peneira de 0,075 mm, de comportamento não laterítico. Geneticamente, os tipos mais representativos são solos saprolíticos originados de rochas ricas em quartzo, tais como os granitos, gnaisses, arenitos e quartzitos impuros;
Solos siltosos não lateríticos (NS’): Este grupo compreende os solos saprolíticos
21
Solos argilosos não lateríticos (NG’): Este grupo compreende os solos saprolíticos
argilosos, provenientes de rochas argilosas (folhelhos, argilitos, siltitos); ou cristalinas pobres em quartzo e ricas em anfibólios, piroxênios e feldspatos cálcicos. Classificam-se neste grupo os solos superficiais pedogenéticos não lateríticos, como os vertissolos, bem como muitos solos transportados.
De acordo com Nogami e Villibor (1995), a conscientização das peculiaridades dos solos tropicais, como material de construção rodoviária, ocorreu, no Brasil, no fim da década de 30, quando foi criada a Seção de Solos de Fundação no IPT/SP, que introduziu a Mecânica dos Solos como uma importante especialidade de Engenharia Civil. Ao longo dos anos, a experiência demonstrou que o estudo tradicional de solos, baseado na consideração de LL, IP e granulometria, não atribuía aos solos tropicais qualidades correspondentes ao seu desempenho real.
Através do ábaco de classificação, apresentado na Figura 2.5, observa-se a distribuição destes solos conforme os valores do coeficiente c’ e do índice e’.
O coeficiente c’, associado à argilosidade do solo, corresponde às abcissas do ábaco da
classificação MCT, e o índice e’, que reflete o caráter laterítico do solo, corresponde às
ordenadas.
Para a determinação do coeficiente c’ e do índice e’, são necessárias as execuções dos
ensaios de Mini-MCV, descrito na norma DNER-ME 258/94, e Perda de Massa por Imersão, descrito na norma DNER-ME 256/94.
O coeficiente c’ é a inclinação das curvas de abatimento do corpo de prova versus o número de golpes.
O índice e’ é calculado pela equação 2.5.
𝑒′= √ 𝑃𝑖
100 + 20
𝑑′ 3
2.5
Onde:
22
d’ = inclinação da parte mais inclinada do ramo seco da compactação referente a 12
golpes.
Figura 2.5: Ábaco de classificação MCT (Nogami e Villibor, 1995).
2.4. REJEITOS DE MINERAÇÃO
Rejeitos gerados pelos mais diversos tipos de atividade industrial-mineral têm sido estudados para serem utilizados como materiais de construção de sistemas estruturais viários (Gomes, 2003). Além da mitigação dos efeitos causados ao meio ambiente, busca-se nesbusca-ses estudos a construção de pavimentos de baixo custo utilizando solos da faixa de domínio da obra, com desempenho estrutural satisfatório.
Silva (1988, 1994), por exemplo, executou ensaios de laboratório com escória de aciaria e misturas de solo argiloso do tipo A-7-6, visando seu uso em obras de pavimentação. Verificou-se que o material atende às especificações granulométricas, possui elevado valor de CBR, baixo índice Los Angeles e pode ser usado nas diversas camadas do pavimento (reforço do subleito, sublastro, lastro, subbase, base e revestimento betuminoso).
No Rio Grande do Sul tem-se estudado uso da cinza volante em misturas com solos arenosos. Gonçalves et al. (1986) e Dias (1995) realizaram estudos em trechos experimentais com base composta de solo arenoso, cinza volante e cal. Fogaça & Ceratti (1995, 1996) executaram estudos considerando também a incorporação de cimento à mistura de solo e cinza. Em todos os estudos têm-se obtidos bons resultados.
23
material de construção, seja por meio de estabilização granulométrica ou pela modificação com cinza pesada e cal de carbureto.
Parreira & Oliveira (1995) realizaram estudo de desempenho em mistura de solo e fosfogesso com comportamento estrutural satisfatório. Bodi et al. (1995) estudaram o uso de entulho de construção civil na estabilização de solos.
Soares & Mendes (1999) analisaram a utilização de finos resultantes de britagem de rocha. Rezende (1999) e Vale (1999) executaram um trecho experimental de rodovia no Distrito Federal utilizando o expurgo de pedreira como material de construção.
Os resíduos de mineração são subprodutos gerados pela atividade mineradora, compreendendo os estéreis e os rejeitos. O estéril é o material (solo ou rocha) não mineralizado (material sem valor econômico direto) que ocorre associado ao minério propriamente dito e que deve, então, ser separado do mesmo para o processo de lavra e beneficiamento industrial.
Rejeitos são os resíduos remanescentes do processo de beneficiamento e concentração de minérios em instalações industriais, cuja característica granulométrica principal é função do tipo de minério bruto (ferro, bauxita, ouro, etc.) e do processo industrial de beneficiamento, podendo abranger uma ampla faixa de materiais, desde arenosos não plásticos até solos de granulometria muito fina (Gomes, 2002). Em face dos processos de beneficiamento, estes rejeitos podem ser ativos (contaminados) ou inertes (não contaminados).
2.5. ESTABILIZAÇÃO DE SOLOS
A estabilização de um solo consiste em dotá-lo de condições de resistir a deformações e ruptura durante o período em que estiver exercendo funções que exigem essas características, num pavimento ou outra obra qualquer (SENÇO, 2001).
24
material com propriedades de engenharia adequadas para ser usado como base de pavimentos.
Segundo Balbo (2007), as camadas com materiais que não empregam estabilização com ligante hidráulico ou asfáltico são camadas que recebem estabilização puramente mecânica por efeito de compressão e adensamento dos materiais constituintes; além disso, quando bem graduadas, dizemos que são estabilizadas granulometricamente. Camadas desse tipo, compostas por granulares (agregados), por solos ou, ainda, por mistura de ambos, ocorrem em bases, sub-bases e, eventualmente, em reforços de subleitos de pavimentos.
2.5.1. ESTABILIZAÇÃO QUÍMICA
A estabilização química tem como objetivo melhorar as propriedades de engenharia do solo mesmo em contato com a umidade melhorando as interações entre as partículas de solo e as moléculas de água de maneira que seu comportamento não seja afetado (BRAZETTI e DOMINGUES, 1998).
Caputo (1975) cita quatro tipos de estabilização: por adição de aglutinantes, como o solo-cimento, a estabilização betuminosa, estabilização por adição de deliquescentes, tais como CaCl2 e MgCl2, para evitar a formação de poeiras e manter a umidade e a estabilização com outros produtos.
O autor cita o uso de certos tipos de resinas orgânicas como agente químico, cujo principal objetivo é repelir a água quando misturados ao solo em pequenas porcentagens (0,5 a 2% do peso do solo seco).
Para os solos argilosos, o aumento da umidade torna-os instáveis, já os granulares, por outro lado, perdem sua estabilidade quando secos. Assim, torna-se viável estabilizar o solo com o objetivo de manter a sua umidade.
25
forma sólida ou líquida, podendo ser adicionados à água utilizada para alcançar a umidade ótima do material (TRRL, 1951).
Em estudo realizado por Eren e Filiz (2009), utilizaram-se métodos convencionais de estabilização, empregando cal e cimento em comparativo com uma mistura de aditivos químicos em um solo com aproximadamente 44% de silte e argila, e notou-se significante aumento do índice de suporte Califórnia e diminuição do índice de plasticidade, o que os caracteriza como material tanto para base ou sub-base de pavimento. Mas devido aos custos comparativos, o uso da cal se mostrou mais viável economicamente.
Kolay et al (2011) utilizaram cimento, cal e a combinação desses com cinza volante em um solo argiloso, obtendo significantes melhoras na resistência à compressão simples, onde a combinação desses estabilizantes se mostrou mais eficiente do que utilizados de forma isolada. O melhor resultado foi obtido com cimento, porém a mistura de cal e cinza volante atingiu quase 80% dos resultados obtidos com uma porcentagem alta de cimento.
Na estabilização betuminosa do solo, uma série de produtos como, por exemplo, betumes asfálticos e diluídos, óleos, alcatrão e emulsões são adicionados ao solo em pequenas quantidades para agirem como elemento a fim de aglutinar as partículas umas às outras (TRRL, 1951).
2.5.2. ESTABILIZAÇÃO MECÂNICA OU COMPACTAÇÃO
De acordo com Senço (2007), entende-se por compactação de um solo a operação de reduzir os vazios desse solo, comprimindo-o por meios mecânicos. A compactação, feita de maneira empírica e sem uma base técnica a orientar os meios e os resultados, ainda teve seu campo de aplicação no início de nosso século, quando as primeiras estradas para automóvel começaram a ser construídas em substituição aos velhos caminhos das diligências (carruagens).
26
de vazios é desejável não por si, mas porque diversas propriedades do solo melhoram com isto.
A compactação é empregada em diversas obras de engenharia, como em aterros, muros de arrimo, camadas de pavimentos, alteamento de barragens, enchimento de valas abertas nas municipalidades, entre outras aplicações.
Ralph R. Proctor, em 1933, na Califórnia, observou que a densidade atingida na operação de compactação dependia da umidade do solo (Senço, 2007). Quando se compacta com umidade baixa, o atrito entre as partículas é muito alto e não se consegue uma significativa redução dos vazios. Para umidades mais elevadas, a água provoca certo efeito de lubrificação entre as partículas, que deslizam entre si, acomodando-se num arranjo mais compacto (Pinto, 2006). Esse arranjo proporciona uma melhora significativa das propriedades de engenharia do solo, ou seja, maximização da resistência, massa específica aparente seca máxima e contato entre os grãos, além disso, proporciona uma minimização da permeabilidade, tornando o solo bastante compacto.
A partir de certo teor de umidade, o teor de umidade ótimo, o ar que antes se encontrava na forma de canalículos interconectados agora se encontra ocluso, envolvido por água. Essa forma em que se encontra o ar dificulta a compactação e a expulsão do mesmo,
condicionando o solo em um aspecto comumente denominado “borrachudo”.
A energia de compactação é um parâmetro importante para o procedimento de compactação, pois variando a energia, o teor de umidade ótimo e a massa específica aparente seca máxima também são alterados. Quanto maior a energia de compactação, maior será a massa específica aparente seca máxima e menor será o teor de umidade ótimo do solo.
2.5.3. ESTABILIZAÇÃO GRANULOMÉTRICA
27
De acordo com Senço (2001), nessa modalidade de estabilização, em linhas gerais, a distribuição das porções de tamanhos diferentes deve ser tal que os vazios dos grãos maiores sejam preenchidos pelos grãos de tamanhos intermediários, e os vazios desses, sejam preenchidos pelos grãos de pequeno tamanho. O conjunto resultante, de estrutura densa, deve representar um produto de massa específica aparente superior àquela que seria apresentada pelo material original não estabilizado, o que lhe confere maiores resistência e rigidez e menor permeabilidade, além de exigir, em caso do uso de algum aglomerante, como cimento, asfalto, cal e outros, o mínimo consumo desse aglomerante.
Ainda segundo Senço (2001), entre as características que um solo estabilizado deve apresentar, ressaltam-se a resistência ao cisalhamento e a resistência à deformação. A condição de resistência ao cisalhamento deve fazer com que o solo, quando sujeito às tensões oriundas da passagem dos veículos, resista, sem se romper, a deformações além de certos limites considerados ainda compatíveis com as necessidades do tráfego.
Quando se iniciou o estudo de estabilização de solos para estradas, considerava-se que o conhecimento dos critérios de granulometria e índices plásticos seriam suficientes devido a uma relação direta entre granulometria e estabilidade, e entre índices plásticos (LL e IP) e a permanência relativa desta estabilidade em função da perda e absorção de água. Portanto, nas especificações correntes, os valores máximos de LL e IP são fixados para uma determinada finalidade (VILLIBOR,1982).
A fixação de valores rígidos para LL e IP parece realmente pouco defensável, pois a influência desses valores sobre o comportamento dos solos depende da quantidade de material que passa na peneira 40 (0,42 mm) e também das condições climáticas que vão prevalecer, não compreendendo que sejam os mesmos valores de LL e IP a adotar tanto em uma região chuvosa como seca (VILLIBOR,1982).
2.6. MÓDULO DE RESILIÊNCIA
28
no processo de fadiga que sofriam os materiais, causado pela repetição excessiva de pequenas deformações elásticas.
Para a determinação do módulo de resiliência de materiais de pavimentação, têm-se utilizado equipamentos de carga repetida em laboratório. A Figura 2-14 mostra um exemplo de equipamento triaxial de cargas repetidas (BERNUCCI et al, 2008).
Figura 2.6: Exemplo de equipamento de ensaio triaxial de carga repetida (BERNUCCI et al, 2008).
A aplicação de carga é semi-senoidal por se aproximar da forma de carregamento correspondente à passagem de roda. O tempo de duração de aplicação total de carga é de 0,1 segundo e o repouso de 0,9 segundo. São utilizadas diferentes tensões de
confinamento σ3, dada por pressão de ar dentro da célula, e tensões solicitantes σ1,
aplicadas por célula de carga. A Figura 2-15(a) mostra de forma esquemática as tensões aplicadas ao corpo-de-prova no carregamento; no repouso, restam apenas as tensões de
confinamento, sendo retirada a tensão desvio σd, que é a diferença entre as tensões
principais maior e menor, respectivamente representadas por σ1e σ3.
29
Figura 2.7: Tensões aplicadas e deslocamentos no ensaio de carga repetida (BERNUCCI et al, 2008).
Módulo de resiliência (MR) em MPa é o módulo elástico obtido em ensaio triaxial de carga repetida cuja definição é dada pela equação 2-5:
𝑀𝑅 = 𝜎𝜀𝑑
𝑟
2.6
Onde:
MR: módulo de resiliência;
σd: Tensão desvio axial repetida;
εr: Deformação axial resiliente correspondente a um certo número de aplicações de σd.
Pesquisas que contemplam o estudo do comportamento dos solos sob condições de carregamento dinâmico indicam que o módulo de resiliência depende da condição de carregamento, do estado de tensão, da natureza e do estado físico do solo.
30
3.
MATERIAIS E MÉTODOS
O desenvolvimento de toda a parte experimental deste trabalho foi realizado no laboratório de Pavimentos do Núcleo de Geotecnia (NUGEO) da Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP) e no laboratório de Geotecnia e Estradas da UFSJ (Campus Alto
Paraopeba).
3.1. MATERIAIS
Este programa de pesquisa contemplou o emprego de dois solos provenientes da região de Rio Piracicaba, aqui designados de “solo amarelo” e de “solo vermelho”. Como material alternativo, foi empregado um rejeito seco de mineração, o qual foi fornecido por uma empresa do setor mineral de Minas Gerais. A escolha de solos nessa região visou o emprego dos mesmos com o menor custo de transporte do rejeito. Esses materiais foram misturados em proporções adequadas para proporcionar o melhor comportamento geotécnico possível referente à metodologia do CBR, além de um menor custo, pois foi utilizada a menor quantidade de rejeito possível.
3.2. MÉTODOS
Os solos foram devidamente preparados conforme a norma ABNT NBR 6457/86. A secagem ao ar foi realizada no laboratório de Triagem de solos do NUGEO como mostra a Figura 3.3. O destorroamento foi realizado com o auxílio de um almofariz e uma mão de gral como determinado pela norma anteriormente citada (Figura 3.4).
31
Figura 3.2: Destorroamento dos solos.
Após o processo de destorroamento do solo, o mesmo foi repartido para formar as amostras a serem utilizadas nos ensaios de caracterização de acordo com a norma ABNT NBR 6457/86.
3.2.1. ANÁLISE GRANULOMÉTRICA
Para a realização do ensaio de granulometria foi utilizada a norma ABNT NBR 7181/84. O solo preparado de acordo com a norma ABNT NBR 6457/86.
A Figura 3.6 a seguir mostra o procedimento de sedimentação dos solos vermelho e amarelo em execução.
Figura 3.3: Sedimentação dos solos.
3.2.2. MASSA ESPECÍFICA DOS SÓLIDOS
32
Figura 3.4. Aplicação de vácuo no rejeito.
3.2.3. MASSA ESPECÍFICA UNITÁRIA DO REJEITO
O ensaio de massa específica unitária do rejeito foi realizado segundo os processos descritos na norma ABNT NBR 45/06-NM.
3.2.4. LIMITES DE ATTERBERG
Os limites de Atterberg avaliados nesse estudo foram o limite de liquidez e o limite de plasticidade, os quais foram realizados respectivamente segundo as normas ABNT NBR 6459/84 e ABNT NBR 7180/84.
O limite de liquidez marca a transição do estado plástico ao estado líquido, enquanto que o limite de plasticidade marca a transição entre o estado semi-sólido e o estado plástico de um solo.
3.2.5. ENSAIO QUÍMICO DO REJEITO
O ensaio químico foi realizado para o rejeito pela companhia fornecedora do mesmo, sendo realizado o procedimento de separação magnética com a finalidade de obter a composição química do material. Ao todo, 6 amostras de diferentes locais da disposição em forma de empilhamento drenado foram coletadas e ensaiadas para esse fim.
3.2.6. COMPACTAÇÃO
33
equipamento miniatura na energia normal. A norma utilizada para a realização do ensaio de compactação Proctor foi a ABNT NBR 7182/86, enquanto que a norma utilizada para realização da compactação em equipamento miniatura foi a DNER 228/94-ME.
3.2.7. RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO SIMPLES
O ensaio de resistência à compressão simples foi realizado com todos os corpos de prova do ensaio de compactação Proctor nas energias intermediária e modificada, ou seja, foi possível obter curvas de resistência à compressão simples versus o teor de umidade, o qual também foi utilizado para formar as curvas de compactação, além disso como pressupõe a norma para esse ensaio foram obtidos os valores correspondentes ao teor de umidade ótimo de cada solo e de cada mistura de solo e rejeito, sendo estas últimas constituídas por 10%, 20% e 30% de rejeito em substituição ao solo, em relação à massa seca, como já fora mencionado anteriormente.
O ensaio de resistência à compressão simples seguiu a norma DNER 201/94-ME. A Figura 3.16 mostra o processo de ruptura de um corpo de prova submetido ao ensaio de compressão simples.
Figura 3.5: Ensaio de resistência à compressão simples.
3.2.8. CBR
34
compactação na energia modificada para a confecção dos corpos de prova do ensaio de CBR. Foram feitos dois corpos de prova de cada solo, rejeito e suas misturas para a realização do ensaio no teor de umidade ótimo.
A Figura 3.18 apresenta um corpo de prova logo após a compactação sendo submetido à retirada do excesso de solo, esse corpo de prova foi posteriormente encaminhado à imersão.
Figura 3.6: Corpo de prova logo após a compactação sendo rasado.
3.2.9. CORRELAÇÃO ENTRE MR E CBR
A equação 3.1 apresentada na sequência foi desenvolvida por Preussler (2007), destacando-se que o CBR é obtido em condições padronizadas de ensaio, diferentemente do módulo resiliente, para cuja determinação aplicam-se pressões confinantes e de desvio que se escolhem previamente.
𝑀𝑅(𝑀𝑃𝑎) = 32,6 + 6,7(𝐶𝐵𝑅) 3.1
Onde:
MR: Módulo de resiliência do solo argiloso compactado na umidade ótima e determinado à tensão-desvio de 0,2 MPa (2 kgf/cm2);
CB: Índice de Suporte Califórnia de amostras embebidas na água durante 4 dias (%).
35
𝑀𝑅(𝑝𝑠𝑖) = 1500(𝐶𝐵𝑅) 𝑜𝑢
𝑀𝑅(𝑀𝑃𝑎) = 10,34(𝐶𝐵𝑅)
3.2
Powell et al. (1984) sugeriram outra correlação entre o módulo de resiliência do subleito e CBR (Nazaal, 2003), mostrada pela equação 3.3:
𝑀𝑅(𝑝𝑠𝑖) = 2550(𝐶𝐵𝑅0,64)
𝑜𝑢
𝑀𝑅(𝑀𝑃𝑎) = 17,58(𝐶𝐵𝑅0,64) 3.3
3.2.10.MINI-CBR
O ensaio de Mini-CBR foi realizado com todos os corpos de prova confeccionados para o ensaio de compactação em equipamento miniatura fornecendo o teor de umidade ótimo em função do Mini-CBR. O ensaio foi realizado seguindo as diretrizes da norma DNER 254/97-ME.
3.2.11.CLASSIFICAÇÃO MCT
36
4.
APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS
4.1. ANÁLISE GRANULOMÉTRICA
Os solos e o rejeito ensaiados apresentaram curvas granulométricas como as mostradas a seguir nas Figuras 4.1 a 4.3.
A Figura 4.1 mostra as curvas granulométricas de duas amostras do solo vermelho.
Figura 4.1: Curvas granulométricas do solo vermelho.
Por meio das curvas granulométricas do solo vermelho pode-se extrair as porcentagens de argila, silte, areia e pedregulho como mostrado na Tabela 4.1.
Tabela 4.1: Porcentagens de tamanhos de grãos do solo vermelho.
ABNT AASHTO
% argila %<0,002 9,8 %<0,005 9,8 % silte 0,002<%<0,06 4,1 0,005<%<0,075 41,4 % areia 0,06<%<2,00 85,7 0,075<%<2,00 48,4 % pedregulho 2,00<%<60 0,4 2,00<%<60 0,4
A partir desses dados vê-se que os dois modelos de classificação de tamanhos de grãos apresentam resultados bastante distintos, apesar de os dois apontarem que o solo é arenoso. Essa diferença se dá pela queda brusca da porcentagem de partículas entre 0,075 mm e 0,060 mm, limites que diferenciam as classificações AASHTO e a ABNT, respectivamente.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0.001 0.01 0.1 1 10
% P
A
SS
A
NDO
DIÂMETRO DAS PARTÍCULAS (mm)
37
A Figura 4.2 mostra as curvas granulométricas do solo amarelo, das quais se extraem os dados apresentados na Tabela 4.2, a qual mostra que o solo tem um caráter fortemente arenoso.
Figura 4.2: Curvas granulométricas do solo amarelo.
Tabela 4.2: Porcentagens de tamanhos de grãos do solo amarelo.
ABNT AASHTO
% argila %<0,002 10 %<0,005 10 % silte 0,002<%<0,06 8 0,005<%<0,075 9,2 % areia 0,06<%<2,00 81,6 0,075<%<2,00 84,6 % pedregulho 2,00<%<60 0,4 2,00<%<60 0,4
Ainda por meio da Tabela 4.2, percebe-se que no caso desse solo, as classificações por tamanho segundo a ABNT e a AASHTO foram muito semelhantes.
Na Figura 4.3, podem ser visualizadas as duas curvas do ensaio de granulometria do rejeito.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0.001 0.01 0.1 1 10
% P
A
SS
A
NDO
DIÂMETRO DAS PARTÍCULAS (mm)
38
Figura 4.3: Curvas granulométricas do rejeito.
A Tabela 4.3 mostra as porcentagens dos tamanhos de grãos do rejeito. Por meio dessa Tabela pode-se perceber que o material é uma areia praticamente pura.
Tabela 4.3: Porcentagens de tamanhos de grãos do rejeito.
ABNT AASHTO
% argila %<0,002 4,6 %<0,005 4,6 % silte 0,002<%<0,06 0,4 0,005<%<0,075 8,2 % areia 0,06<%<2,00 95 0,075<%<2,00 87,2 % pedregulho 2,00<%<60 0 2,00<%<60 0
A seguir, nas Figuras 4.4, 4.5 e 4.6, são apresentadas as curvas granulométricas das misturas referentes ao solo amarelo; e de seus materiais originais.
Pode-se perceber que a curva granulométrica do solo amarelo e do rejeito são semelhantes principalmente na parte granular. A curva da mistura com 10% de rejeito (AR 90/10) é muito próxima da curva do solo amarelo originalmente, e a medida que se adiciona mais rejeito (AR 80/20 e AR 70/30), a curva da mistura se distancia da curva do solo original e se aproxima do rejeito.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0.001 0.01 0.1 1 10
% P
A
SS
A
NDO
DIÂMETRO DAS PARTÍCULAS (mm)
39
Figura 4.4: Curva granulométrica AR 90/10.
Figura 4.5: Curva granulométrica AR 80/20. 0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0.001 0.010 0.100 1.000 10.000 100.000
% P
A
SS
A
NDO
DIÂMETRO DAS PARTÍCULAS (mm)
Mistura AR 90/10 SA Rejeito
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0.001 0.010 0.100 1.000 10.000 100.000
% P
A
SS
A
NDO
DIÂMETRO DAS PARTÍCULAS (mm)
40
Figura 4.6: Curva granulométrica AR 70/30.
Através das curvas granulométricas das misturas pode-se calcular o Cc e o Cu de cada uma delas. Esses dados podem ser visualizados na Tabela 4.4.
Tabela 4.4: Parâmetros de granulometria das misturas do solo amarelo. AR 90/10 AR 80/20 AR 70/30
D10(mm) 0,003 0,004 0,005
D30(mm) 0,096 0,100 0,100
D60(mm) 0,195 0,200 0,200
Cc 15,754 12,500 10,000
Cu 65,000 50,000 40,000
Pode-se perceber através dos valores de Cc e Cu, que à medida que a porcentagem de rejeito aumenta na mistura os valores tanto do coeficiente de curvatura como o de uniformidade diminuem. Segundo Pinto (2006) diminuição do valor do Cu significa que o solo está se tornando mais uniforme, ou seja, que a amplitude de tamanhos de grãos está diminuindo, enquanto que a diminuição de Cc mostra que as curvas do solo estão se tornando mais bem graduadas. O valor de Cu acima de 4, para areias ou solos arenosos, significa que as misturas são bem graduadas.
As Figuras 4.7, 4.8 e 4.9 mostram as curvas granulométricas das misturas de solo vermelho com rejeito; e de seus materiais originais.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0.001 0.010 0.100 1.000 10.000 100.000
% P
A
SS
A
NDO
DIÂMETRO DAS PARTÍCULAS (mm)
41
Figura 4.7: Curva granulométrica VR 90/10.
Figura 4.8: Curva granulométrica VR 80/20 0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0.001 0.010 0.100 1.000 10.000
% P
A
SS
A
NDO
DIÂMETRO DAS PARTÍCULAS (mm)
Mistura VR 90/10 SV Rejeito
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0.001 0.010 0.100 1.000 10.000 100.000
% P
A
SS
A
NDO
DIÂMETRO DAS PARTÍCULAS (mm)
