EXERCÍTO BRASILEIRO
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
CURSO DE MESTRADO EM ENGENHARIA DE TRANSPORTES
VIRLENE LEITE SILVEIRA
ESTABILIZAÇÃO DE SOLOS COM CINZA DE CALDEIRA A COQUE
PARA CAMADAS DE PAVIMENTOS
Rio de Janeiro
2015
VIRLENE LEITE SILVEIRA
ESTABILIZAÇÃO DE SOLOS COM CINZA DE CALDEIRA A COQUE
PARA CAMADAS DE PAVIMENTOS
Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Engenharia de Transportes do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Ciências em Engenharia de Transportes.
Orientadores: Prof. Antônio Carlos Rodrigues Guimarães –D.Sc. Prof. Luiz Antônio Vieira Carneiro – D.Sc.
Rio de Janeiro 2015
2 c 2015
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA Praça General Tibúrcio, 80 – Praia Vermelha Rio de Janeiro – RJ CEP: 22.290-270
Este exemplar é de propriedade do Instituto Militar de Engenharia, que poderá incluí-lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar qualquer forma de arquivamento.
É permitida a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão entre bibliotecas deste trabalho, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que esteja ou venha a ser fixado, para pesquisa acadêmica, comentários e citações, desde que sem finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica completa.
Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do(s) autor(es) e do(s) orientador(es).
629.04 Silveira, Virlene Leite
C837m Estabilização de solos com cinza de caldeira a coque para camadas de pavimentos / Virlene Leite Silveira; orientado por Antonio Carlos Rodrigues Guimarães, e Luiz Antônio Vieira Carneiro. – Rio de Janeiro: Instituto Militar de Engenharia, 2015.
190 p.: il.
Dissertação (mestrado). – Instituto Militar de Engenharia. – Rio de Janeiro, 2015.
1. Engenharia de Transportes – teses, dissertações. I. Guimarães, Antonio Carlos Rodrigues. II. Carneiro, Luiz Antônio Vieira. III. Título. IV. Instituto Militar de Engenharia.
3
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA VIRLENE LEITE SILVEIRA
ESTABILIZAÇÃO DE SOLOS COM CINZA DE CALDEIRA A COQUE
PARA CAMADAS DE PAVIMENTOS
Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Engenharia de Transportes do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Ciências em Engenharia de Transportes.
Orientadores: Prof. Antônio Carlos Rodrigues Guimarães – D.Sc. Prof. Luiz Antônio Vieira Carneiro – D.Sc.
Aprovada em 19 de junho de 2015 pela seguinte Banca Examinadora:
Maj. Antônio Carlos Rodrigues Guimarães – D.Sc. do IME – Presidente
TC Luiz Antônio Vieira Carneiro – D.Sc. do IME
Prof. Francisco Thiago Sacramento Aragão, Ph.D., COPPE/UFRJ
Profª. Michéle Dal Toé Casagrande, D.Sc., PUC/RJ
Profª. Maria Esther Soares Marques, D.Sc., IME Rio de Janeiro
4
Dedico este trabalho primeiramente а Deus, por ser essencial em minha vida, meu guia e socorro sempre presente na hora da angústia, aos meus pais e minhas irmãs.
5
AGRADECIMENTOS
No decorrer deste trabalho foram muitas as pessoas que apoiaram, incentivaram e colaboraram na sua realização, ajudando a compor cada linha desta dissertação. Expresso aqui os meus mais sinceros agradecimentos.
Agradeço primeiramente a Deus, que não me deixou desistir, me deu forças quando veio o desânimo, me fez feliz quando a saudade e a angústia tomavam conta de mim, por me abençoar com a graça de poder conviver com pessoas tão maravilhosas. Obrigada meu Deus! O Senhor é fiel e sei que nada me faltará!
À minha família, aliás a melhor família do mundo! Obrigada aos meus pais pelo apoio imensurável, pelos conselhos, compreensão, pelo amor sem medidas que têm por mim e que com certeza é recíproco.
Às minhas irmãs que tanto amo, obrigada pelo apoio e pela admiração que eu nem sei se mereço... Sem esquecer da minha dindinha, sempre me apoiando e incentivando. Vocês foram muito importantes nessa jornada! Vocês são parte de mim e sem vocês eu não sou nada. Eu amo muito vocês!
À Kiss e à Clau, amigas desde o início do curso, com quem dividi meus problemas, alegrias, conquistas e derrotas. Obrigada pelas pizzas, pelas confidências, conversas noite adentro, pelos passeios no shopping, por TUDO! Sem vocês seria muito mais difícil.
Ao meu orientador, Major Guimarães, pelos conhecimentos transmitidos, pelo incentivo para completar o mestrado, pela orientação na realização deste trabalho, pelas brigas e discussões que me levaram a crescer pessoalmente e profissionalmente. E principalmente, pela compreensão quanto às minhas falhas, pela paciência e por não desistir de mim, mesmo quando eu não merecia mais sua confiança.
Ao meu co-orientador, TC Carneiro, por todas as vezes que precisei e ele sempre esteve a disposição, sempre atencioso e muito paciente.
Aos colegas do Programa de Pós Graduação em Engenharia de Transportes, com quem dividi as ansiedades, angústias e principalmente as alegrias que surgiram ao longo do mestrado e que transmitiram suas experiências, tornando o curso mais descontraído. Gostaria de destacar os meus colegas de classe: Babi, Carolaine, Tássia, Therezinha, Daniel Schmitz e Daniel Galhardo, os alunos militares, sempre atenciosos e dispostos a compartilhar seus conhecimentos: Cap Filipe, Cap Marcos Soares e Batista. Meu agradecimento especial a
6
minha amiga Flávia, por sua sinceridade, companheirismo, conselhos e ajuda nos momentos em que eu mais precisei. Vocês com certeza fizeram a diferença!
Aos alunos novos da PGT, Iran, Luana, Freddy, Rodrigo e Jefferson. Obrigada pelo apoio constante na reta final deste trabalho e por se tornarem amigos que eu sei que posso contar sempre.
À minha amiga Rossana por todas as noites de estudo no IME, pela ajuda constante, pelo companheirismo, pela força, pelas palavras amigas... Obrigada minha amiga!
Ao Major Aredes, pelos conselhos, por todas as vezes que eu enchi meu computador de vírus e ele sempre me salvava, pelo ar condicionado, por ser meu quase co-orientador! Você é the best!
Aos meus amigos distantes, principalmente a Vanessinha (bff), que sempre me apoia em tudo, mesmo quando estou totalmente errada.
Aos técnicos do laboratório de ligantes do IME, Felipe e Fátima, sempre sorridentes, atenciosos, prestativos e de prontidão para contribuir com a realização dos ensaios e no auxilio.
Aos funcionários do IME, em especial ao Joel, Raquel e Sargento Oazem, pelo apoio e compreensão.
Aos profissionais da COPPE, Beto, Washington e Mariluce por me auxiliarem em momentos delicados desta pesquisa.
Agradeço aos que, mesmo sem saber, me auxiliaram a superar os obstáculos e a amadurecer: intelectual e pessoalmente. Reitero o meu apreço e a minha eterna gratidão mesmo que sem citá-los. Ninguém vence sozinho... OBRIGADA A TODOS!
7
“Foi o tempo que dedicastes à tua rosa que a fez tão importante”. ANTOINE DE SAINT-EXUPÉRY
8 SUMÁRIO LISTA DE ILUSTRAÇOES ... 12 LISTA DE TABELAS ... 16 LISTA DE ABREVIATURAS ... 18 1 INTRODUÇÃO ... 21 1.1 Considerações Iniciais ... 21 1.2 Objetivo ... 23 1.3 Objetivos Específicos ... 23 1.4 Justificativa e Relevância ... 24 1.5 Estrutura do Trabalho ... 25 2 REVISÃO DA LITERATURA ... 27
2.1 Aproveitamento e utilização de resíduos industriais na pavimentação ... 27
2.2 Processo de origem e classificação das cinzas ... 30
2.2.1 Cinza leve ou cinza volante ... 33
2.2.1.1 Materiais Pozolânicos ... 35
2.2.2 Cinza pesada ... 38
2.2.3 Cinza grossa ou escória ... 39
2.3 Utilização das cinzas na pavimentação – Experiência nacional ... 40
2.4 Utilização das cinzas na pavimentação – Experiência Internacional ... 44
2.5 Estabilização de Solos ... 47
2.5.1 Estabilização Mecânica ... 49
2.5.1.1 Estabilização granulométrica e compactação ... 50
9
2.5.2.1 Solo-Cal ... 52
2.5.2.2 Solo - Cinza Volante - Cal ... 58
2.6 Cinza e o Meio Ambiente ... 61
2.7 Estrutura do Pavimento ... 65
3 PROGRAMA EXPERIMENTAL ... 68
3.1 Materiais ... 70
3.1.1 Cinza de Caldeira a Coque ... 70
3.1.2 Coque ... 71
3.1.3 Solo ... 73
3.1.4 Cal ... 74
3.2 Metodologia da Pesquisa ... 75
3.2.1 Caracterização dos materiais ... 76
3.2.1.1 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS) ... 76
3.2.1.2 Difração de Raio-X... 78
3.2.1.3 Densidade Real dos Grãos ... 79
3.2.1.4 Análise Granulométrica ... 80
3.2.1.5 Limites de Atterberg ... 81
3.2.1.6 MCT Expedito e tradicional ... 81
3.2.2 Determinação do teor solo-cinza e solo-cinza-cal ... 84
3.2.3 Ensaios Ambientais – Ensaio de Solubilização e Lixiviação ... 84
3.2.4 Ensaios mecânicos ... 86
3.2.4.1 Ensaio de Compactação ... 87
3.2.4.2 Módulo de Resiliência – Ensaio Triaxial de Cargas Repetidas ... 89
10 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 97 4.1 Caracterização do Solo ... 97 4.1.1 Análise granulométrica ... 97 4.1.2 Limites de Atterberg ... 98 4.1.3 Classificação MCT ... 100 4.1.4 Densidade Real ... 105 4.1.5 MEV e EDS ... 106 4.2 Caracterização da cinza ... 107 4.2.1 Granulometria ... 107 4.2.2 MEV E EDS ... 109
4.2.3 Classificação da cinza de caldeira a coque ... 111
4.2.4 Difração de raio-X ... 114
4.2.5 Densidade Real ... 115
4.2.6 Limites de Atterberg ... 115
4.3 Determinação do teor solo-cinza e solo-cinza-cal ... 116
4.4 Análise das interações ambientais ... 118
4.5 Avaliações do comportamento mecânico ... 124
4.5.1 Ensaio de compactação ... 125
4.5.2 Ensaio triaxial de cargas repetidas – determinação do módulo de resiliência ... 128
4.5.3 Avaliação do comportamento resiliente ... 130
4.5.4 Influência do tempo de cura ... 134
4.5.5 Influência do teor de cinza e de cal nas misturas ... 136
4.6 Dimensionamento do pavimento ... 140
5 CONCLUSÕES ... 148
11
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 151
7 ANEXOS ... 159
7.1 Anexo A ... 160
12
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
FIG. 2.1 Diagrama da sequência das principais reações físico-químicas que ocorrem na estabilização de um solo com cal (adaptado de Arman, 1988 apud Silva, 2010). 54
FIG. 2.2 Estrutura de um Pavimento flexível (REIS, 2009) ... 66
FIG. 3.1 Fluxograma das etapas do estudo experimental ... 69
FIG. 3.2 (a) Aspecto da cinza de caldeira a coque, (b) Apresentação do empacotamento e identificação das cinzas realizado no laboratório para evitar a ganho de umidade. ... 70
FIG. 3.3 Processo de Formação do coque verde de petróleo ... 72
FIG. 3.4 Aspecto do solo estudado acondicionado em tambores no laboratório de solos do IME ... 74
FIG. 3.5 Aspecto da jazida de solo utilizada neste estudo ... 74
FIG. 3.6 Equipamento JEOL 5800LV. Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) do Laboratório de Materiais do IME. ... 78
FIG. 3.7 Duas amostras de cinza de caldeira a coque, sendo a da esquerda mais clara e a da direita de coloração mais escura. ... 79
FIG. 3.8 Picnômetro com amostra de solo (a) e picnômetro com amostra e água potável durante a realização do ensaio. ... 80
FIG. 3.9 Aspecto das porções de solo analisadas com diferentes teores de umidade. ... 83
FIG. 3.10 Cápsulas imersas para a execução do ensaio. ... 83
FIG. 3.11 Classificação de Resíduos sólidos segundo a norma ABNT NBR 10004 (2004). 85 FIG. 3.12 Mistura solo-cinza sendo preparada para o ensaio de compactação (a) e extração do corpo de prova após compactação (b). ... 88
FIG. 3.13 Representação do equipamento triaxial de cargas repetidas (MEDINA e MOTTA, 2005) ... 90
FIG. 3.14 Processo de compactação dos corpos de prova utilizando o compactador mecânico ... 93
FIG. 3.15 Aspecto dos corpos de prova após moldagem e imediatamente antes da realização do ensaio de MR. ... 93
FIG. 3.16 Fluxograma de desenvolvimento do SisPav ... 96
FIG. 4.1 Gráfico do ensaio de granulometria por peneiramento e sedimentação ... 98
13
FIG. 4.3 Aspecto das pastilhas imediatamente após o seu molde (a) e Pastilhas submetidas à
pedra porosa para reabsorção de água. ... 101
FIG. 4.4 Apresentação das curvas para cada teor de umidade de compactação versus o número de golpes de referência ... 102
FIG. 4.5 Determinação do coeficiente de compactação d’ ... 103
FIG. 4.6 Corpos de prova imersos para saturação ... 103
FIG. 4.7 Determinação do índice de Perda de massa por imersão ... 104
FIG. 4.8 Resultado da classificação MCT para a amostra de solo. ... 105
FIG. 4.9 Micrografia da amostra de solo obtida pelo ensaio de MEV com aumento de 100x (a), 500x (b), 1000x (c), 5000x (d). ... 106
FIG. 4.10 Gráfico da análise granulométrica da cinza de caldeira a coque ... 108
FIG. 4.11 Cinza de caldeira a coque lavada na peneira 200 e seca em estufa e cinza in natura. ... 109
FIG. 4.12 Imagem da amostra de cinza de caldeira a coque obtida pelo ensaio de MEV com aumento de 100x (a), 500x (b), 1000x (c), 5000x (d). ... 110
FIG. 4.13 Curva de Compactação do solo estudado ... 125
FIG. 4.14 Curvas de Compactação das misturas solo-cinza ... 126
FIG. 4.15 Variação dos valores médios de MR das misturas solo-cinza e do solo puro vs. Tempo de cura ... 135
FIG. 4.16 Variação dos valores médios de MR das misturas solo-cinza-cal vs. Tempo de cura ... 135
FIG. 4.17 Variação do Módulo Resiliente vs. Tensão desviadora para as Misturas solo-cinza e para o solo puro com 24 horas de cura ... 137
FIG. 4.18 Variação do Módulo Resiliente vs. Tensão desviadora para as Misturas solo-cinza e para o solo puro com 75 dias de cura ... 138
FIG. 4.19 Variação do Módulo Resiliente vs. Tensão desvio para as Misturas solo-cinza-cal e para o solo puro com 0h de cura ... 139
FIG. 4.20 Variação do Módulo Resiliente vs. Tensão desvio para as Misturas solo-cinza-cal e para o solo puro com 75dias de cura ... 139
FIG. 4.21 Estrutura do Pavimento adotada. ... 141
FIG. B. 1 Gráfico 3D do Modelo Composto do Módulo Resiliente do Solo Puro com 24 horas de cura. ... 178
14
FIG. B. 2 Gráfico 3D do Modelo Composto do Módulo Resiliente do Solo Puro com 7dias de cura. ... 178 FIG. B. 3 Gráfico 3D do Modelo Composto do Módulo Resiliente do Solo Puro com 20 dias de cura. ... 179 FIG. B. 4 Gráfico 3D do Modelo Composto do Módulo Resiliente do Solo Puro com 75 dias de cura. ... 179 FIG. B. 5 Gráfico 3D do Modelo Composto do Módulo Resiliente de misturas solo-cinza (10%) com 24 horas de cura. ... 180 FIG. B. 6 Gráfico 3D do Modelo Composto do Módulo Resiliente de misturas solo-cinza (10%) com 7dias de cura. ... 180 FIG. B. 7 Gráfico 3D do Modelo Composto do Módulo Resiliente de misturas solo-cinza (10%) com 20 dias de cura. ... 181 FIG. B. 8 Gráfico 3D do Modelo Composto do Módulo Resiliente de misturas solo-cinza (10%) com 75 dias de cura. ... 181 FIG. B. 9 Gráfico 3D do Modelo Composto do Módulo Resiliente de misturas solo-cinza (15%) com 24 horas de cura. ... 182 FIG. B. 10 Gráfico 3D do Modelo Composto do Módulo Resiliente de misturas solo-cinza (15%) com 7dias de cura. ... 182 FIG. B. 11 Gráfico 3D do Modelo Composto do Módulo Resiliente de misturas solo-cinza (15%) com 20 dias de cura. ... 183 FIG. B. 12 Gráfico 3D do Modelo Composto do Módulo Resiliente de misturas solo-cinza (15%) com 75 dias de cura. ... 183 FIG. B. 13 Gráfico 3D do Modelo Composto do Módulo Resiliente de misturas solo-cinza (20%) com 24 horas e 0 hora de cura. ... 184 FIG. B. 14 Gráfico 3D do Modelo Composto do Módulo Resiliente de misturas solo-cinza (20%) com 7dias 12 dias de cura. ... 184 FIG. B. 15 Gráfico 3D do Modelo Composto do Módulo Resiliente de misturas solo-cinza (20%) com 20 dias de cura. ... 185 FIG. B. 16 Gráfico 3D do Modelo Composto do Módulo Resiliente de misturas solo-cinza (20%) com 75 dias de cura. ... 185 FIG. B. 17 Gráfico 3D do Modelo Composto do Módulo Resiliente de misturas
15
FIG. B. 18 Gráfico 3D do Modelo Composto do Módulo Resiliente de misturas solo-cinza-cal (08% cinza e 02% cal) com 12 dias de cura. ... 186 FIG. B. 19 Gráfico 3D do Modelo Composto do Módulo Resiliente de misturas solo-cinza-cal (08% cinza e 02% cal) com 75 dias de cura. ... 187 FIG. B. 20 Gráfico 3D do Modelo Composto do Módulo Resiliente de misturas solo-cinza-cal (13% cinza e 02% cal) com 0hora de cura. ... 187 FIG. B. 21 Gráfico 3D do Modelo Composto do Módulo Resiliente de misturas solo-cinza-cal (13% cinza e 02% cal) com 12 dias de cura. ... 188 FIG. B. 22 Gráfico 3D do Modelo Composto do Módulo Resiliente de misturas solo-cinza-cal (13% cinza e 02% cal) com 75 dias de cura. ... 188 FIG. B. 23 Gráfico 3D do Modelo Composto do Módulo Resiliente de misturas solo-cinza-cal (18% cinza e 02% cal) com 0hora de cura. ... 189 FIG. B. 24 Gráfico 3D do Modelo Composto do Módulo Resiliente de misturas solo-cinza-cal (18% cinza e 02% cal) com 12dias de cura. ... 189 FIG. B. 25 Gráfico 3D do Modelo Composto do Módulo Resiliente de misturas solo-cinza-cal (18% cinza e 02% cal) com 75dias de cura. ... 190
16
LISTA DE TABELAS
TAB. 2.1 Características da cinza volante e pesada, utilização e vantagens. ... 33
TAB. 2.2 Requisitos químicos para classificação da cinza volante. ... 36
TAB. 2.3 Exigências Físicas dos materiais pozolânicos. ... 37
TAB. 2.4 Locais onde foram aplicadas cinzas na pavimentação (FARIAS, 2005) ... 46
TAB. 3.1 Características físico-químicas do calcário utilizado para controle do processo. .. 71
TAB. 3.2 Características físico-químicas do Coque. ... 73
TAB. 3.3 Propriedades Físico-Químicas da cal ... 75
TAB. 3.4 Relação dos ensaios realizados com a cinza volante e o solo. ... 76
TAB. 3.5 Níveis de tensões aplicadas para o condicionamento do corpo de prova no ensaio de Módulo de Resiliência ... 91
TAB. 3.6 Níveis de tensões aplicados no ensaio de MR ... 92
TAB. 4.1 Terminologia do SUCS. ... 99
TAB. 4.2 Resultados do ensaio MCT pelo método das pastilhas ... 101
TAB. 4.3 Resultado do ensaio de EDS. ... 107
TAB. 4.4 Composição química da cinza volante por meio do EDS. ... 111
TAB. 4.5 Requisitos químicos para classificação da cinza volante. ... 113
TAB. 4.6 Valores de densidade real dos grãos de cinzas volantes dispostos na literatura. . 115
TAB. 4.7 Análise do Comportamento das misturas solo-cinza de caldeira a coque. ... 116
TAB. 4.8 Classificação das misturas solo-cinza-cal. ... 117
TAB. 4.9 Resultados da inflamabilidade, corrosividade, reatividade e da cinza ... 119
TAB. 4.10 Resultados dos ensaios de lixiviação – Análise dos compostos orgânicos voláteis (Continua). ... 119
TAB. 4.11 Resultados dos ensaios de lixiviação – Análise de trihalometanos e metais pesados. ... 120
TAB. 4.12 Resultados dos ensaios de lixiviação – Análise de Herbicidas. ... 120
TAB. 4.13 Resultados dos ensaios de lixiviação – Análise de Pesticidas Organoclorados. . 121
TAB. 4.14 Resultados dos ensaios de lixiviação – Outros parâmetros orgânicos compostos semi-voláteis (Continua). ... 121
TAB. 4.15 Resultados dos ensaios de Solubilização – Análise de Herbicidas (Continua). .. 122
17
TAB. 4.17 Resultados dos ensaios de Solubilização – Análise de Pesticidas Organoclorados
(Continua). ... 123
TAB. 4.18 Resultados dos Ensaios de Compactação dos materiais deste estudo ... 126
TAB. 4.19 Composição e Teores das Misturas estudadas nesta pesquisa. ... 128
TAB. 4.20 Datas e tempos de cura dos corpos-de-prova dos ensaios (Continua). ... 129
TAB. 4.21 Valores dos coeficientes do Modelo Composto pelo programa STATISTICA para os módulos de resiliência do solo puro ... 131
TAB. 4.22 Valores dos coeficientes do Modelo Composto pelo programa STATISTICA para os módulos de resiliência das misturas solo-cinza (Continua). ... 131
TAB. 4.23 Valores dos coeficientes do Modelo Composto pelo programa STATISTICA para os módulos de resiliência das misturas solo-cinza-cal. ... 133
TAB. 4.24 Espessura mínima de Revestimento Betuminoso ... 141
TAB. 4.25 Coeficientes do Modelo Composto utilizados no SisPav para representar os materiais do presente estudo. ... 142
TAB. 4.26 Vida útil do pavimento em função do tráfego ... 144
TAB. 4.27 Espessura da camada de base em função do período de projeto para o solo e as misturas estudadas ... 145
TAB. 4.28 Espessura da camada de base em função do período de projeto para as misturas solo-cinza-cal estudadas. ... 146
18
LISTA DE ABREVIATURAS
DAER - Departamento autônomo de Estradas e Rodagem do Rio Grande do Sul RCD - Resíduo de Construção e Demolição
CCR - Concreto Compactado com rolo MEV - Microscopia Eletrônica de Varredura MCT - Miniatura Compactada Tropical EDS - Espectrospia de Energia Dispersiva
DNER - Departamento Nacional de Estradas e Rodagem
DNIT - Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas
ASTM - American Society for Testing and Materials CSH - Silicato Hidratado de Cálcio
CAH - Aluminato Hidratado de Cálcio ISC - Índice de Suporte Califórnia RSU - Resíduos Sólidos Urbanos
IPR - Instituto de Pesquisas Rodoviárias LVDT - Linear variable differential transformer HRB - Highway Research Board
19
RESUMO
No presente trabalho são apresentados resultados de estudos para avaliação do comportamento físico e mecânico de misturas de solo e cinza de caldeira a coque, com e sem adição de cal, através de ensaios geotécnicos para caracterização e de ensaios para avaliação de bases e sub-bases de pavimentos, em especial o ensaio de módulo resiliente. A ideia principal é a possibilidade de utilização da cinza de caldeira a coque – um resíduo da indústria siderúrgica de Níquel da região de Niquelândia/GO – como estabilizante de um solo argiloso laterítico bastante comum naquela região do país. Para realização dos ensaios, foram preparados corpos de prova contendo teores 10%, 15% e 20% de cinza em substituição ao peso seco do solo, de forma a avaliar a ação pozolânica da cinza de caldeira a coque. Outros corpos de prova foram preparados com adição de cal. Sendo a composição destes formada por 8%, 13% e 18% de cinza de caldeira a coque e todos com 2% de cal. No total, foram ensaiados 14 corpos de prova, sendo 2 para cada mistura analisada e 2 para o solo utilizado neste estudo. São apresentados resultados de caracterização física e mecânica dos materiais estudados e das misturas preparadas. Apresenta-se uma discussão a respeito da classificação da cinza utilizada, do processo de sua obtenção e do teor ideal da cal e da cinza a ser adicionada nas misturas. Com base nos resultados apresentados, constata-se que a adição de cinza ao solo ocasiona uma melhora no comportamento mecânico do material, no entanto foi possível observar que com a adição da cal essa ação é potencializada, confirmando que a adição deste produto é importante para intensificar o desenvolvimento de reações pozolânicas, tais que aumentem a rigidez da mistura. Por fim, apresenta-se uma simulação numérica do comportamento estrutural de um pavimento hipotético, utilizando o programa SisPav, de forma a se verificar variadas situações do possível emprego das misturas elaboradas como camadas de base de um pavimento. Conclui-se que a cinza volante é um resíduo que tem elevado potencial para uso em pavimentação asfáltica na condição de estabilização de solos em todos os teores. No entanto, dentre os teores do resíduo estudado, o que apresentou melhor comportamento mecânico juntamente com o solo estudado, foi o de 18% de cinza de caldeira a coque em substituição ao peso seco do solo e 2% em substituição ao peso seco da cinza.
20 ABSTRACT
In the present work are presented results of studies to evaluate the physical and mechanical behavior of soil mixtures and Coke boiler ash, with and without addition of lime, through geotechnical for characterization and evaluation of test bases and sub-bases, particularly resilient module test. The main idea is the possibility of using coke boiler ash-a residue of nickel steel industry in the region of Niquelândia/GO-as a stabilizer of a laterite clay soil common in that region of the country. For carrying out the tests, specimens were prepared containing 10% levels, 15% and 20% gray to replace the dry weight of the soil, in order to assess the action pozolanica Coke boiler ash. Other specimens were prepared with addition of lime being the composition of these formed by 8%, 13% and 18% gray of Coke boiler and all with 2% lime. In total, 14 specimens were tested, and 2 for each mixture analysed, and 2 to the soil used in this study. Results are presented of physical and mechanical characterization of the materials studied and prepared mixtures. A discussion about the classification of gray used, the process of obtaining and ideal content of lime and ash to be added in the mixtures. Based on the results presented, noted that the addition of ash to the ground brings about an improvement in the mechanical behavior of material, however it was possible to observe that with the addition of cal this action is increased, confirming that the addition of this product it is important to intensify the development of pozolânicas reactions, such that increase the rigidity of the mixture. Finally, a numerical simulation of structural behavior of a hypothetical floor, using the SisPav program, in order to check various situations possible employment of mixtures designed as base layers of a pavement. It is concluded that the grey wheel is a residue that has high potential for use in asphalt pavement on condition of soil stabilization on all levels. However, among the residue levels studied, which presented better mechanical behavior along with the soil studied, was 18% gray of Coke boiler in substitution to the dry weight of the soil and 2% replacing the dry weight of the ash.
21 1 INTRODUÇÃO
1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS
Com o forte crescimento industrial das últimas décadas e consequentemente maior preocupação com a preservação ambiental, o governo e a sociedade vêm impondo medidas no sentido de compatibilizar o crescimento industrial e o meio ambiente. Nestas circunstâncias, além da criação de legislações mais rigorosas, maior fiscalização, surgimento de organizações em prol do meio ambiente, inclui-se também como uma alternativa economicamente viável e sustentável, o aproveitamento do rejeito de uma indústria como o insumo para outra.
Segundo FARIAS (2005), a demanda por materiais de infraestrutura viária é enorme e se restringe muitas vezes às jazidas de materiais primários, trazendo a preocupação com a possibilidade do esgotamento dos recursos naturais e com os efeitos que a extração desses materiais pode causar ao meio ambiente. Sendo assim, pode-se dizer que a oferta de materiais de infraestrutura associados à demanda de jazidas de materiais primários, gera modificações nas avaliações de viabilidade econômica de materiais ditos “residuais” ou “alternativos”.
Sabe-se que a maioria das obras em engenharia é sustentada por solo, e este muitas vezes não apresenta os requisitos necessários para tal. Os solos em seu estado natural podem não apresentar resistência para suportar os carregamentos impostos, porém esta propriedade pode ser melhorada com adição de um agente cimentante como a cal e o cimento Portland, que já são consagrados na construção civil, bem como os diversos tipos de cinza que vêm despontando interesse no meio acadêmico por suas propriedades e apresentando resultados satisfatórios, devido à sua ação pozolânica.
Em se tratando de cinzas, estas se encontram no grupo de rejeitos industriais gerados em grande volume anualmente e são muitas vezes descartadas de forma inadequada no meio ambiente, sem nenhum critério técnico. Outras vezes, demandam de custos elevados relativos à estocagem e à destinação final, fato que para uma indústria é um problema, pois passa a ter que se preocupar com a adoção de práticas de disposição em áreas adequadas e medidas de proteção necessárias.
A reutilização de diversos tipos de cinzas já desperta grande interesse em alguns ramos da indústria e diversas pesquisas direcionadas ao seu aproveitamento tornaram possível seu
22
emprego na construção civil, sobretudo da cinza leve na fabricação do cimento Portland pozolânico. Esse episódio iniciou-se em meados dos anos 30, quando as cinzas começaram a estar disponíveis em quantidades significativas, ocupando um grande espaço em indústrias e demandando de infraestrutura especializada em restrição às legislações ambientais (LEANDRO e FABBRI, 2001; NETTO, 2006).
O uso das cinzas na construção civil já tem apresentado avanços significativos principalmente se tratando de pavimentação. Pesquisas realizadas desde a década de 70, conduzidas no Brasil, primeiramente por PINTO (1971), NARDI (1975) e MARCON (1977) apresentaram avanços significativos e boas perspectivas no emprego de cinzas em pavimentação na estabilização de solos.
Cabe ressaltar que também no exterior estudos comprovaram que o solo estabilizado com cinzas é normalmente mais resistente e fornecem uma plataforma de trabalho estável para suporte estrutural e mobilização de equipamentos e materiais (BIN-SHAFIQUE et al., (2004)
apud EDIL (2005)).
A cinza de caldeira a coque, objeto deste estudo e também tratada como cinza volante, é oriunda do processo de geração de vapor em caldeira por uma indústria siderúrgica de beneficiamento de níquel, localizada no Estado de Goiás. De forma a se alinhar às estratégias de sustentabilidade quanto à geração e disposição de resíduos, este estudo visa contribuir para a possibilidade do reprocessamento deste resíduo, que atualmente é disposto em depósitos, para aplicação na pavimentação, especificamente em estabilização de camadas de base e sub-base.
Em linhas gerais, foi avaliado o comportamento mecânico e ambiental do solo, da cinza de caldeira a coque e de misturas solo-cinza, com e sem adição de cal, de modo a introduzir este resíduo como estabilizante de solo em camadas de base e sub-base de pavimentos. Além da possível melhora no comportamento mecânico dos solos para emprego em pavimentação, como já foi comprovado em diversos estudos que serão citados neste trabalho, soluciona-se o descarte do resíduo, uma vez que este demanda de infraestrutura e custos para empresa geradora, dando uma finalidade para grande quantidade do mesmo, além de poupar a exploração de mais recursos minerais.
Dessa forma, como uma alternativa de gestão de resíduos, este estudo objetivou avaliar a possível utilização da cinza de caldeira a coque como elemento fundamental na estabilização de solos em camadas de pavimentos, especificamente para base e sub-base. Buscando contribuir para diminuir os grandes volumes ocupados em pátios de resíduos, como uma
23
maneira de se mitigar o passivo ambiental e contribuir para o estudo de material alternativo na pavimentação.
1.2 OBJETIVO
O objetivo principal desse trabalho foi investigar a possibilidade do aproveitamento da cinza de caldeira a coque em misturas com um solo típico da região de Niquelândia (GO), mesma região onde o resíduo é gerado, através de experiências dispostas na literatura e de ensaios laboratoriais, visando sua aplicação na construção de bases e sub-bases de pavimento.
As misturas de solo-cinza foram testadas sem e com a adição de cal hidratada em diferentes teores e tempos de cura para a verificação do teor de cinza mais aplicável e da influência do tempo de cura no comportamento das misturas, por se tratar de um material pozolânico.
1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Dentre os objetivos específicos estão:
Realizar ensaios de caracterização física e química do solo e da cinza de caldeira a coque, por meio de ensaios laboratoriais normatizados;
Realizar ensaios de lixiviação e solubilização, buscando verificar a periculosidade do resíduo, fator determinante para o uso de resíduos em camadas de pavimentos;
Avaliar o comportamento mecânico do solo e das misturas estudadas através do ensaio de módulo resiliente;
Analisar a influência do teor de cinzas, da cal e tempo de cura, no comportamento do solo e das misturas estudadas;
Realizar a simulação numérica do comportamento estrutural (SisPav) de um pavimento tipo adequado à região de Niquelândia – GO;
Pela análise dos resultados obtidos, avaliar se há viabilidade técnica e ambiental de uma ou mais misturas estudadas, que possam ser aproveitadas na construção de base ou sub-base de pavimentos.
24 1.4 JUSTIFICATIVA E RELEVÂNCIA
O tema proposto para este trabalho foi motivado pela busca de práticas sustentáveis, na redução de impactos ambientais e utilização de novos materiais para pavimentação e com objetivo de estabelecer um fim mais nobre a materiais antes descartados.
No Brasil, a geração de cinzas é bastante elevada, cujo o peso estima-se em quatro milhões de toneladas por ano, e a tendência é que esse valor aumente devido ao desenvolvimento do setor industrial (SIQUEIRA, 2011). Atualmente grande parte desses resíduos é descartada em bacias de sedimentação e pátios de resíduos a céu aberto, demandando grandes áreas e infraestrutura para não ocasionar ou agravar diversos problemas de cunho ambiental.
Os custos e riscos relacionados ao correto condicionamento de qualquer espécie de resíduo industrial são bastante elevados, além de não ser a melhor alternativa, visto que os resíduos sólidos industriais são impostos a diversas restrições ambientais. Além disso, a fixação de critérios de controle por parte das agências ambientais é crescente o que contribui para a implantação de conceitos e atitudes sustentáveis e do incentivo do reaproveitamento destes resíduos para outras finalidades.
Segundo LOPES (2011), o reaproveitamento dos resíduos torna possível a diminuição do consumo de recursos naturais e da necessidade da disposição no meio ambiente, consequentemente obtendo benefícios econômicos e ambientais. E outros inúmeros benefícios citados por SIQUEIRA (2011), como diminuição significativa da necessidade de áreas destinadas a aterros, conservação de recursos naturais, segurança e limpeza do meio ambiente, impulsão ao desenvolvimento econômico e redução de custos.
A cinza de cinza de caldeira a coque, assim denominada devido ao processo da sua geração ser realizado a partir da geração de vapor em caldeira através de uma mistura predominante de coque de petróleo, é derivada do beneficiamento do níquel, e centenas de toneladas da mesma, são simplesmente descartadas anualmente.
Diante desse cenário, é responsabilidade de todos os atores envolvidos na atividade do beneficiamento do níquel programar ações que vão ao encontro das proposições dispostas nas legislações ambientais e ao que se refere sobre o desenvolvimento sustentável. Enfim, a utilização da cinza de caldeira a coque, caracterizada como um subproduto ou rejeito industrial, como matéria prima em camadas de base e sub-base de pavimento em substituição
25
a aos materiais virgens, pode representar não uma só viabilidade ambiental, como também econômica.
1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO
Esta dissertação está estruturada em 5 capítulos e 2 anexos, assim distribuídos: Capítulo 1 – Apresentação
São descritos os aspectos gerais que nortearam os estudos, a justificativa, os objetivos geral e específico da pesquisa e como a pesquisa é apresentada e organizada.
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
É apresentada uma revisão da literatura sobre os assuntos abordados no decorrer do trabalho como os tipos de cinzas, os seus usos na pavimentação considerando as experiências internacionais e nacionais, as interações entre o resíduo em estudo e o meio ambiente e os principais processos de estabilização de solos.
Capítulo 3 – Programa Experimental
É feita a apresentação do procedimento experimental adotado na pesquisa, além do detalhamento e descrição dos materiais utilizados, métodos e ensaios adotados em acordo com as normas vigentes.
Capítulo 5 – Resultados Obtidos
São mostrados os resultados laboratoriais dos ensaios realizados, divididos em quatro aspectos:
a) Caracterização dos materiais
b) Análise das interações ambientais da cinza de caldeira a coque
c) Análise do comportamento mecânico dos materiais e das misturas estudadas d) Dimensionamento de um pavimento típico
Capítulo 6 – Conclusões e Recomendações
Faz-se uma síntese dos resultados obtidos em relação ao objetivo da pesquisa. Destacam-se os aspectos negativos e positivos da utilização de misturas solo/cinza de caldeira a coque na pavimentação.
São sugeridas, considerando os resultados dos ensaios de laboratório realizados, as condições em que a utilização das misturas solo-cinza de caldeira a coque podem apresentar melhor resultado e quais os aspectos que ainda podem ser mais estudados visando a sua utilização.
26
Por fim, estão incluídas as Referencias Bibliográficas e os seguintes Anexos:
ANEXO A – Relatórios dos ensaios de lixiviação e solubilização da cinza de caldeira a coque.
ANEXO B – Gráficos de superfície tridimensional do Modelo Composto do Módulo Resiliente dos materiais estudados.
27 2 REVISÃO DA LITERATURA
Atualmente uma preocupação constante do setor industrial em todo mundo se concentra no problema dos altos índices de geração de resíduos. A reciclagem ou o reuso dos rejeitos industriais tem se tornado um grande diferencial das grandes indústrias que estão cada vez mais empenhadas na busca de desenvolvimento de novas técnicas de aproveitamento desses materiais.
Neste cenário, o capítulo visa apresentar uma abordagem dos aspectos característicos do subproduto industrial originado da queima de carvão ou do coque: as cinzas. Além de suas principais aplicações no Brasil e no mundo como matéria-prima para a construção civil, principalmente na pavimentação, abrangendo os seguintes tópicos:
Utilização de resíduos industriais em camadas de pavimentos;
Origem e classificação das cinzas e seu enquadramento nas normas vigentes;
Uso das cinzas em vários setores da construção civil, principalmente em pavimentação, no Brasil e no mundo;
Conceitos sobre estabilização de solos em suas diversas maneiras e sua atuação na construção de pavimentos rodoviários;
Breve descrição sobre as camadas de pavimento;
Dimensionamento de pavimentos com enfoque mecanístico, através da simulação numérica do seu comportamento estrutural através do programa SisPav (FRANCO, 2007).
2.1 APROVEITAMENTO E UTILIZAÇÃO DE RESÍDUOS INDUSTRIAIS NA PAVIMENTAÇÃO
O forte desenvolvimento da indústria tem acarretado em uma geração de resíduos cada vez maior. Para o setor industrial a questão dos resíduos representa um grande problema, pois estes demandam de infraestrutura quanto à estocagem e destinação final, além da necessidade de cumprimento das legislações ambientais pertinentes, que são cada vez mais rigorosas.
A resolução 357 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA, 2002) deixa claro:
28
“Estabeleceu-se que os geradores são os responsáveis pelo resíduo produzido e que o objetivo prioritário deve ser a não geração e, caso isto não seja possível, deve-se considerar a redução, reutilização, reciclagem e disposição final (nesta ordem). No caso da disposição final, os
materiais devem ser encaminhados para locais
denominados aterros de resíduos da construção civil ou áreas de destinação de resíduos, e serem depositados de modo que seja possível sua utilização ou reciclagem futura”
Sendo assim, tem se tornado cada vez mais comum o estudo e reaproveitamento dos diferentes tipos de resíduos industriais ou agregados reciclados, como uma alternativa de gestão dos resíduos e de redução de custos e consumo de recursos naturais não renováveis, principalmente na pavimentação de vias de baixo volume de tráfego (HOOD, 2006; HORTEGAL, FERREIRA e SANT’ANA; 2009; BAGATINI, 2011; entre outros).
Neste âmbito, é notório que o setor da indústria e da construção civil é ao mesmo tempo uma dos maiores geradores de resíduo, como também um dos maiores usuários de subprodutos. Na construção civil, entre as possíveis desejáveis soluções para a questão do resíduo, encontra-se ampla possibilidade de sua valorização como matéria-prima em vários processos produtivos (SIQUEIRA, 2011; SUNDSTRON, 2012).
Por outro lado, LOPES (2011) destaca os dados oficiais do governo que apontam o sistema logístico brasileiro de escoamento de produção, assim como a circulação de pessoas é fortemente dependente do modal rodoviário e mesmo sendo a principal, a malha rodoviária pavimentada ainda é pequena em relação à extensão do país. Estes fatos destacam a importância dos estudos dos materiais e das técnicas de pavimentação como forma de auxiliar a busca pela viabilidade da utilização de novos materiais e tecnologias.
No entanto, há um crescente aumento dos critérios de controle por parte das agências ambientais com relação à exploração de novas jazidas e busca por matéria-prima, tornando a utilização de materiais residuais cada vez mais difundida em todo o mundo. De maneira geral, associa-se o fato da escassez de jazidas de materiais convencionais e a disponibilidade de grandes quantidades de resíduos ao redor do mundo e, tendo em vista as experiências internacionais atuais sobre a utilização de rejeitos na pavimentação, há a geração de grandes forças motivadoras dos estudos visando à utilização desses materiais (FARIAS, 2005; LOPES, 2011; BALBO, 2007).
Para VIZCARRA (2010) e PEREIRA (2012), o emprego de resíduos na construção de pavimentos é uma técnica interessante, uma vez que obras de pavimentação consomem
29
grandes quantidades de material, porém o reaproveitamento dos materiais neste tipo de obra deve ser feito de forma que o desempenho esperado do pavimento não seja comprometido, visto que resíduos e subprodutos diferem substancialmente nos seus tipos e propriedades e, consequentemente, em suas aplicações em pavimentação.
Da mesma maneira, UBALDO et al. (2010), afirmam que o pavimento não deve ser usado somente como local de descarte de resíduos, resolvendo apenas questões ambientais. Faz-se necessário mostrar quais as vantagens de se usar o resíduo sob o ponto de vista da melhoria da pavimentação e não somente a sua contribuição para a natureza. Uma vez que, assim como afirma VIZCARRA (2010), a experiência e conhecimento sobre a utilização dos resíduos variam de material para material, assim como de local para local. Logo, para recuperar esses materiais para uso potencial, engenheiros, pesquisadores, geradores e órgãos ambientais e de pavimentação têm que estar conscientes das propriedades do material a ser utilizado e às limitações associadas à sua aplicação.
Segundo OLIVEIRA (2011), o aproveitamento de resíduos em pavimentação pode ser benéfico, tanto para a indústria geradora quanto para a indústria de construção civil, pois este aproveitamento também está associado às diversas motivações, tais como a redução dos custos com a extração e o transporte de agregados convencionais, impacto ambiental causado pela construção das bacias de disposição de resíduos e a preservação de jazidas de materiais naturais. Entre outras maneiras de reaproveitamento dos resíduos, a autora ressalta a aplicação em pavimentos como na fabricação do cimento Portland pozolânico, em bases estabilizadas e solos modificados para rodovias, pistas e edificações e ainda como fíler em misturas betuminosas. UBALDO et al. (2010) citam em seu trabalho alguns dos resíduos já empregados ou estudados em camadas de pavimentos:
Resíduo de construção e demolição (RCD); Escória de aciaria;
Borracha de pneu inservível;
Cinzas de carvão mineral oriundas de termelétricas; Cinzas de cascas de arroz;
Resíduo de rochas ornamentais; e
Resíduos de exploração e produção de petróleo (cascalho de perfuração, escória de cobre, borra oleosa, dentre outros).
Dentre outros resíduos comumente estudados na engenharia de pavimentos destacam-se a escória de alto-forno e de aciaria (ROHDE, 2002; CASTELO BRANCO, 2004;
30
RAPOSO, 2005 e PENA, 2007), cinza de fundo e volante (PINTO, 1971; NARDY, 1975; MARCON, 1977; FARIAS, 2005; LEANDRO, 2005; LOPES, 2011; CEZAR, 2011), de lodo de esgoto (PEREIRA, 2012; KELM, 2014) e de incineração de RSU (FERNANDES, 2004; MOTTA, 2005; HOOD, 2006 e LEITE, 2007; HORTEGAL, FERREIRA e SANT’ANA, 2009; VIZCARRA, 2010), resíduos de mineração (SUNDSTRON, 2012).
NUNES et al. (1996 apud FARIAS, 2005) avaliaram o emprego de resíduos em pavimentação. E, através de seus estudos, indicaram os principais benefícios da utilização desses materiais na pavimentação, que são listados a seguir:
Redução da demanda de materiais primários;
Redução dos custos energéticos relacionados com a extração e o transporte de agregados convencionais;
Redução dos custos ambientais associados com a recuperação dos passivos ambientais gerados pela exploração de jazidas de materiais convencionais;
Redução dos problemas ambientais e econômicos associados com a estocagem e disposição final dos resíduos; e
Prováveis benefícios comerciais advindos do uso de resíduos, visto que são financiados pelos processos que os geram, não são vendidos até o momento, pois os geradores têm custos associados à estocagem e a disposição final.
De forma complementar, SIQUEIRA (2010) destaca a conservação de recursos naturais, um ambiente mais limpo e seguro, além da impulsão no desenvolvimento econômico e redução de custos.
2.2 PROCESSO DE ORIGEM E CLASSIFICAÇÃO DAS CINZAS
No caso das cinzas de carvão, o processo de formação das cinzas se dá pela combustão direta do carvão, matéria-prima sólida, constituída por duas frações intimamente misturadas: uma orgânica (material volátil mais carbono fixo) e uma mineral (argilas, quartzo, piritas, carbonatos, etc.). A ação do calor faz com que a fração orgânica gere voláteis e coque, enquanto a mineral se transforma em cinza com mineralogia modificada, tendo em vista a perda de água das argilas, a decomposição dos carbonatos, a oxidação dos sulfetos, etc. (ROHDE et al., 2006).
31
De maneira geral, NARDI (1975) afirma que as cinzas são constituídas de componentes não combustíveis do carvão e partículas não queimadas devido à combustão incompleta do carvão pulverizado.
A combustão do carvão pulverizado, segundo SILVA et al. (1999), se dá em altas temperaturas, entre 1200ºC e 1600ºC, em um ambiente gasoso oxidante, sendo o tempo de permanência das partículas em chama oxidante em média de 2 segundos, condição suficiente para a fusão total ou parcial da matéria mineral. As diferentes zonas de temperaturas no interior das caldeiras fazem com que as partículas de carvão pulverizado apresentem, após a queima, características diferentes, resultando em frações de cinzas com características físicas, químicas, mineralógicas e microestruturais distintas, sendo possível classificar as cinzas em dois tipos distintos: leves ou volantes (secas) e pesadas (úmidas) (NARDI, 1975).
As propriedades físico-químicas das cinzas de carvão são influenciadas por diversos fatores, tais como: composição do carvão; grau de beneficiamento e moagem do carvão; tipo, projeto e operação da caldeira; sistema de extração e manuseio das cinzas e transformações que ocorrem conforme a temperatura de queima (LOPES, 2011; MALLMANN, 1996; LEANDRO, 2005). Conforme GOETHE (1990 apud Lopes, 2011), devido fatores apresentados, as cinzas vão mostrar variação na sua composição e propriedades físico-químicas, não só de usina para usina, mas de caldeira para caldeira na mesma usina e até numa mesma caldeira em tempos diferentes.
BLISSETT & ROWSON (2012) explicam que as cinzas são geradas a partir de vários constituintes orgânicos e inorgânicos provenientes da alimentação de carvão. Devido à escala de uma variedade de componentes, elas constituem um dos materiais antropogênicos mais complexos que podem ser caracterizados. Segundo os mesmos, cerca de 316 minerais individuais e 188 grupos de minerais têm sido identificados em diferentes cinzas analisadas.
Para simplificar um pouco o estudo deste resíduo, ele é dividido em grupos. De acordo com NARDI (1975) e NARDI (1998), o resíduo finamente divido resultante da combustão e arrastado pelos gases de exaustão é denominado cinza volante ou de “fly ash” pelos norte-americanos ou “Pulverized Fuel Ash” pelos ingleses e representa 80% do material não queimado. Segundo VASCONCELLOS et al. (2004) e SILVA et al. (1999), esse material é leve o bastante para ser arrastado com os gases de combustão e é coletado por equipamentos de retenção como precipitadores eletrostáticos.
Os 20% restantes são cinzas pesadas, podendo também serem chamadas de cinza de fundo ou “bottom ash”, material que se aglomera, caindo no fundo da câmara de combustão
32
por ser denso o suficiente para não ser emitido para atmosfera e posteriormente submergido em água onde é resfriado, umedecido e posteriormente submetido ao arraste hidráulico (NARDI, 1975; VASCONCELLOS et al., 2004; SILVA et al., 1999).
SIQUEIRA (2010) explica que a separação entre a cinza leve e a cinza pesada ocorre em função das características de queima, que levam a maior parte das cinzas produzidas acompanharem os gases de combustão. Em função disso são chamadas de cinzas leves, enquanto as cinzas pesadas ou de fundo permanecem na caldeira sendo recolhidas periodicamente através de processos secos (levam à formação da cinza pesada) ou úmidos (levam à formação da escória ou cinza grossa).
De forma complementar ROHDE et al. (2006) e SIQUEIRA (2010) classificam as cinzas conforme o processo de gaseificação ou queima do carvão, em três tipos sucintamente apresentados a seguir:
Cinza Leve ou Cinza Volante (fly ash): São constituídas de partículas extremamente finas (100% menor que 0,15mm), leves e que são arrastadas pelos gases de combustão de fornalhas ou gases gerados em gaseificadores industriais. Grande parcela dessas partículas é retida por sistema de captação – filtros de tecido, ciclones, precipitadores eletrostáticos, etc. As grandes unidades produtoras deste tipo de cinzas são as usinas termelétricas e centrais de vapor.
Cinza de Fundo ou Cinza Pesada ou Cinza Úmida (bottom ash): São as cinzas originadas nos processos de combustão do carvão em forma pulverizada e da queima ou gaseificação do carvão em leito fluidizado, contendo geralmente teores de carbono não queimado de 5 a 10%. São mais pesadas e de granulometria mais grossa, que caem para o fundo das fornalhas e gaseificadores, de onde são retiradas por fluxo de água, principalmente nas grandes caldeiras de usinas térmicas e centrais de vapor; Escória ou Cinza Grossa (slag ou boiler slag): São as cinzas originadas no processo de
combustão ou gaseificação do carvão em grelhas fixas e móveis. Apresentam-se, frequentemente, com granulometria grosseira e blocos sinterizados, com consideráveis teores de carbono não queimado (10-20%). São retiradas pelo fundo das fornalhas, após resfriamento com água;
Muitos autores não distinguem a cinza pesada ou de fundo da cinza grossa ou escória, considerando no processo de combustão a geração apenas da cinza leve e pesada, onde nesta ultima incluem-se também as cinzas grossas ou escórias.
33
Cabe ressaltar que o Brasil não possui uma legislação específica para a classificação das cinzas. Portanto, estas são classificadas somente como resíduos sólidos e sua utilização requer a adequação das normas pertinentes e aprovação dos órgãos ambientais.
Quanto à composição das cinzas, os elementos que se encontram com maior abundância e que se denominam “componentes maiores” são: sílica (SiO2), alumina (Al2O3), óxido de ferro
(Fe2O3), óxido de cálcio (CaO) e carbono (C) Porém, existem outros elementos denominados
de “elementos-traços”, como por exemplo, zinco, cobre, cromo, chumbo, mercúrio, fósforo, etc., que são responsáveis pelo potencial tóxico da cinza (MALLMANN, 1996).
POZZOBON (1999) apud LOPES (2011) apresenta de forma resumida as principais características, utilização e vantagens da cinza leve e cinza pesada (ver TAB. 2.1). As diversas utilizações das cinzas serão apresentadas de maneira mais completa mais à frente, ainda neste capítulo.
TAB. 2.1 – Características da cinza volante e pesada, utilização e vantagens.
RESÍDUO CARACTERÍSTICAS UTILIZAÇÃO VANTAGENS
Cinza de Fundo
Subproduto da
combustão do carvão: partículas com tamanho de 0,09 mm a 20 mm; forma angular; muito porosa Cimento Agregado leve Sub-base Economia de energia Aumento da capacidade de produção para gasto de capital relativamente mais baixo Cinza Volante Subproduto da combustão do carvão, partículas menores carregadas pelos gases de combustão para chaminés. Cimento Concreto Agregado leve Sub-base Fíler de asfalto Tijolo Economia de energia Aumento da capacidade de produção para gasto de capital relativamente mais baixo Textura fina
Baixa massa específica
Facilidade de combinação com a cal livre (propriedade pozolânica)
Fonte: POZZOBON (1999) apud LOPES (2011)
2.2.1 CINZA LEVE OU CINZA VOLANTE
A cinza leve ou cinza volante (fly ash) representa um material de granulometria fina (100% menor que 0,15mm), não plástico e com propriedades pozolânicas, resultantes da
34
combustão do carvão pulverizado ou moído, que são arrastadas pelos gases de combustão e coletadas através do fluxo de gases provenientes da combustão de carvão nas caldeiras pelos equipamentos de retenção de material particulado (NARDI, 1975; LEANDRO, 2005). Apresentam-se em pequena quantidade, como esferas ocas, denominadas cenosferas, quando estão vazias e plerosferas, quando preenchidas com muitas esferas pequenas. Grande parcela dessas partículas é retida por sistema de captação – filtros de tecido, ciclones, precipitadores eletrostáticos, etc (ROHDE et al., 2006; CESAR, 2011).
De acordo com AHMARUZZAMAN (2010) e LEANDRO (2005), esse tipo de cinza se apresenta geralmente na cor cinza, abrasiva, principalmente alcalina e refratária na natureza e são materiais que se encontram na categoria de materiais pozolânicos e/ou cimentícios. Segundo ROHDE et al. (2006) e SIQUEIRA (2010), os principais constituintes das cinzas são os cristais de sílica SiO2, alumina Al2O3, óxido de ferro Fe2O3, cal CaO, além de outros
componentes em menores quantidades menores como MgO, Na2O, K2O, SO3, MnO e TiO2,
bem como partículas de carbono não consumidas durante a combustão
Quanto à natureza das cinzas volantes, DIAS (2011) afirma que estas são constituídas de fração ativa (fase vítrea), podendo ser de natureza silicosa ou sílico-aluminosa e de fração inerte que são de natureza cristalina, representada por cristais de mulita, quartzo, hematita, magnetita, ilita, entre outras.
Quanto à utilização desse material, LEANDRO (2005) afirma que o seu uso mais comum no Brasil é na fabricação de cimentos Portland pozolânicos e na confecção de concretos, porém, a cinza volante, por ser um material finamente dividido e apresentar boa atividade pozolânica, é empregada em vários ramos da construção civil em todo mundo, como em construção de barragens e aterros rodoviários, estabilização de solos, fabricação de tijolos, telhas, artefatos de cimento (blocos estruturais, blocos de vedação e blocos para pavimentação), como em aditivo em concretos, além de também poder ser utilizada como fertilizante.
Segundo CHERIAF et al. (1999) apud MARGON (2002), a utilização potencial da cinza volante é principalmente controlada pela sua composição química, embora a pequena ggranulometria das partículas também seja uma importante consideração.
BIN-SHAFIQUE (2005) afirma que as cinzas volantes possuem características de cimentação que permitem sua utilização para a estabilização de solos, sem utilização de ativadores para melhorar suas propriedades mecânicas, como em solos moles para aplicação em bases e sub-bases, contribuindo para se ter uma plataforma de trabalho estável favorável
35
para construção de rodovias. As cinzas volantes são capazes de desenvolver reações pozolânicas e possuem características para estabilização de solos, pois apresentam em sua composição os principais elementos responsáveis pela atividade pozolânica como Si2O,
Al2O3, Fe2O, CaO, MgO, SO3, Na2O e K2O (ROHDE et al., 2006)
AHMARUZZAMAN (2010), em seu trabalho, destacou que além das propriedades pozolânicas e cimentíceas das cinzas que a torna útil para a fabricação de cimento, materiais de construção de concreto, a mesma também contém diversos outros elementos essenciais, incluindo ambos os macronutrientes P, K, Ca, Mg e micronutrientes Zn, Fe, Cu, Mn, B e Mo para o crescimento das plantas, podendo ser utilizada com condicionante ou fertilizante de solo. Devido as cinzas volantes apresentares composição química elevada de sílica (60- 65%), alumina (25-30%), a magnetita, Fe2O3 (6-15%), sua utilização pode ser feira para a síntese de
zeólitas, alumínio e sílica precipitada.
Outra possibilidade interessante para as cinzas volantes é sua utilização como um adsorvente de baixo custo para gás e tratamento de água, devido às suas características físico-químicas, tais como a densidade, o tamanho das partículas, porosidade, capacidade de retenção de água, e a área de superfície, torna-a adequada para tal. Várias investigações são relatadas na literatura sobre a utilização de cinzas volantes para a adsorção dos poluentes e os resultados são encorajadores para a remoção de metais pesados e de compostos orgânicos a partir de águas residuais industriais (AHMARUZZAMAN, 2010; SIQUEIRA, 2010).
2.2.1.1 MATERIAIS POZOLÂNICOS
A cinza volante se enquadra segundo a ABNT NBR 12653 (1992) e ASTM C618 (2003) entre os materiais denominados pozolânicos. A ABNT NBR 12653 (1992) fixa as condições exigíveis para materiais pozolânicos para uso como adição onde são desejadas ações aglomerantes, além de outras propriedades normalmente atribuídas às adições minerais finamente divididas.
A norma da American Society for Testing Materials (ASTM) através da ASTM C618 (2003), classifica as cinzas volantes de acordo com sua composição para sua utilização em concreto ou cimento, onde sua ação pozolânica também é desejada.
A ABNT NBR 12653 (1992) define os materiais pozolânicos da seguinte maneira: “Materiais silicosos ou silicoaluminosos que, por si sós, possuem pouca ou nenhuma atividade aglomerante, mas que, quando finamente divididos e na presença da água, reagem
36
com o hidróxido de cálcio à temperatura ambiente, para formar compostos com propriedades aglomerantes”.
Segundo a mesma norma as pozolanas podem ser naturais ou artificiais, onde:
Pozolanas naturais – Materiais de origem vulcânica, geralmente de caráter petrográfico ácido (65% de SiO2) ou de origem sedimentar com atividade
pozolânica;
Pozolanas artificiais – Materiais resultantes dos processos industriais ou proveniente de tratamento térmico com atividade pozolânica, dividindo-se:
Argilas calcinadas – Materiais provenientes de calcinação de certas argilas submetidas a temperaturas, em geral, entre 500°C e 900°C, de modo a garantir a sua reatividade com hidróxido de cálcio.
Cinzas volantes – Materiais finamente divididos que resultam da combustão de carvão mineral pulverizado ou granulado com atividade pozolânica, e
Outros materiais – Materiais não tradicionais, tais como: escórias siderúrgicas ácidas, cinzas de materiais vegetais, rejeitos de carvão mineral.
A principal propriedade de uma pozolana é a sua capacidade de reagir e se combinar com o hidróxido de cálcio, formando compostos estáveis de poder aglomerante, tais como silicatos e aluminatos de cálcio hidratados (SILVA, 2011).
Em se tratando de normatização, tanto a ASTM C618 (2003) quanto a ABNT NBR 12653 (1992), classificam o material pozolânico de acordo com alguns requisitos químicos e físicos. Estes requisitos se assemelham nas duas normas, estas que por sua vez se diferem somente na nomenclatura das classes de materiais pozolânicos, uma vez que a ASTM C618 (2003) classifica o material em classe N, F e C, enquanto a ABNT NBR 12653 (1992) classifica em classe N, C e E, como mostrado nas TAB. 2.2 e 2.3.
TAB. 2.2 – Requisitos químicos para classificação da cinza volante.
Propriedades
Classe de material pozolânico
ASTM C618 (2003) e ABNT NBR 12653 (1992) N/N F/C C/E SiO2 + Al2O3 + Fe2O3, % min 70 70 50,0 SO3, % máx. 4,0 5,0 5,0 Teor de Umidade, % máx. 3,0 3,0 3,0 Perda ao fogo, % máx. 10 6,0 6,0 Álcalis disponíveis em NA2O, % máx. 1,5 1,5 1,5
37
TAB. 2.3 – Exigências Físicas dos materiais pozolânicos. Propriedades
Classes de material pozolânico
F/C N/N C/E
Material retido na peneira 45 µm, % máx. 34 34 34
Índice de atividade pozolânica:
Com cimento aos 28 dias, em relação
ao controle, % mín. 3 4 5
Com cal aos 7 dias, em MPa. 6 6 6
Água requerida, % máx. 115 110 110
As cinzas volantes, de acordo com ambas as classificações, contendo mais de 70% em peso de SiO2, Al2O3 e Fe2O3 e pobres em cálcio, são definidas como de classe F de acordo
com a norma ASTM C618 e C quanto a NBR 12653. Enquanto àquelas com índices de SiO2,
Al2O3, Fe2O3 entre 50 e 70% em peso e ricas em calcário são definidas como classe C na
classificação ASTM e E na NBR. E a classe N, para ambas as classificações, representa o material cujos requisitos não se enquadram nas classes anteriores.
AHMARUZZAMAN (2010), SIQUEIRA (2010), CESAR (2011) e PEREIRA (2012) explicam que o teor de cálcio presente nas cinzas está normalmente associado ao tipo de carvão a ser queimado. Ou seja, o alto teor de cálcio da classe C de cinzas é devido à sua produção ser a partir da queima do lignito ou carvão sub-betuminoso, que leva a cinzas volantes de classe C além de terem propriedades pozolânicas e também propriedades cimentícias, ou seja, o teor de cal livre presente produz reação cimentícia em presença de água.
Por outro lado, o baixo teor de cálcio das cinzas classe F de cinzas volantes é devido sua produção ser a partir da queima do carvão do tipo betuminoso ou antracito, sendo classificada como um material pozolânico, ou seja, materiais com presença de silicatos e aluminatos, que sozinhos não possuem grande poder cimentício, mas quando na forma de pó junto com água à temperatura normal reagem com o hidróxido de cálcio, assim formando compostos com propriedades cimentícias (PEREIRA, 2012; SIQUEIRA, 2010).
Em suma, a principal diferença entre as cinzas classe F e as classe C, está na quantidade de cálcio, sílica, alumina e o teor de ferro nas cinzas. Na classe F de cinzas volantes, a quantidade de cálcio total varia tipicamente de 1 a 12%, principalmente sob a forma de hidróxido de cálcio, sulfato de cálcio e componentes vítreos, em combinação com a sílica e
38
alumina. Em contraste, a classe C de cinzas volantes pode ter valores de óxido de cálcio em sua composição tão elevadas como 30-40%. Outra diferença entre a classe F e da classe C é que a quantidade de alcalinos (sódio e potássio combinados) e sulfatos (SO4), são geralmente
mais elevadas em cinzas volantes de classe C do que na classe F cinzas (AHMARUZZAMAN, 2010).
2.2.2 CINZA PESADA
A cinza pesada é um material granular, poroso, com distribuição granulométrica variada, porém com na maioria dos casos com características granulares e com grande parte dos grãos na fração areia e silte e baixos teores de argila, constituindo um material não plástico e não coesivo. Em se tratando de sua morfologia, as cinzas pesadas podem se constituir em quatro tipos principais: partículas transparentes arredondadas e irregulares, partículas opacas angulosas a subangulosas e, finalmente, de forma esférica (ROHDE et al., 2006; LEANDRO & FABBRI, 2001)
Assim como a cinza volante, a cinza de fundo também resulta da queima do carvão mineral pulverizado no interior das caldeiras de combustão das usinas termelétricas, porém estas contêm geralmente teores de carbono não queimado em torno de 5 a 10% (ROHDE et
al., 2006) . Ela é gerada a partir da aglomeração dos grãos semifundidos que se depositam em
um recipiente preenchido com água, posicionado embaixo da câmara de combustão e são transportados por arraste hidráulico até as bacias de decantação para a diminuição da elevada umidade (NARDI, 1998; LEANDRO e FABBRI, 2001; LEANDRO, 2005).
Para ROHDE et al. (2006) e FARIAS (2005) a composição química da cinza pesada, de forma semelhante às cinzas volantes, é controlada pela fonte de carvão mineral, sendo composta principalmente por sílica (SiO2) e alumina (Al2O3), que correspondem cerca de
50% e 30%, respectivamente, na composição em massa do material. Sendo assim, LEANDRO (2005) afirma que as cinzas derivadas de lignito ou de carvão sub-betuminoso possuem maior porcentagem de cálcio em sua composição do que as cinzas derivadas de antracito ou carvão betuminoso.
O poder cimentante da cinza pesada está relacionado com o tipo e a quantidade de carbonatos presentes, sendo que em virtude dos baixos porcentuais de óxido de cálcio podem-se esperar limitações no depodem-senvolvimento de reações auto-cimentantes (DAWSON et al., 1991 apud FARIAS, 2005).
