Aplicabilidade de Cinzas de Resíduo Sólido Urbano para
Base de Pavimentos
Dissertação de Mestrado
Dissertação apresentada como requisito parcial
para obtenção do titulo de Mestre pelo Programa
de Pós.Graduação em Engenharia Civil do
Departamento de Engenharia Civil da PUC.Rio.
Orientadora: Michéle Dal Toé Casagrande
Co.orientadora: Laura Maria Goretti da Motta
Rio de Janeiro,
Março de 2010
Aplicabilidade de Cinzas de Resíduo Sólido Urbano para
Base de Pavimentos
Dissertação apresentada como requisito parcial
para obtenção do titulo de Mestre pelo Programa
de Pós.Graduação em Engenharia Civil do
Departamento de Engenharia Civil da PUC.Rio.
Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo
assinada.
Michéle Dal Toé Casagrande
Orientadora
Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, PUC.Rio
Laura Maria Goretti da Motta
Co.orientadora
Universidade Federal do Rio de Janeiro, UFRJ/COPPE
Ben.Hur de Albuquerque e Silva
Instituto Militar de Engenharia, IME/RJ
Tácio Mauro Pereira de Campos
Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, PUC.Rio
José Eugênio Leal
Coordenador Setorial do Centro Técnico Científico . PUC.Rio
Gino Omar Calderón Vizcarra
Graduou.se em Engenharia Civil pela Universidade
Nacional Jorge Basadre Grohmann (Tacna – Perú) em
2000. Trabalhou em projetos e obras no Perú pelo
período 2001 – 2007. Ingressou no mestrado na
Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro em
2008, desenvolvendo Dissertação na linha de
pesquisa de Geotecnia Experimental aplicada a
pavimentos.
Ficha Catalográfica
Vizcarra, Gino Omar Calderón
Aplicabilidade de Cinzas de Resíduo Sólido Urbano para Base de Pavimentos / Gino Omar Calderón Vizcarra; orientadora: Michéle Dal Toé Casagrande – 2010
120 f. il; 30,0 cm.
Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – Pontifícia Universidade Católica de Rio de Janeiro, 2010 natureza da ficha catalográfica
Incluí referências bibliográficas.
1. Engenharia Civil – Teses. 2. Cinzas de Incineração de Resíduo Sólido Urbano (RSU) 3. Cinza Volante 4. Cinza de Fundo 5. Base de Pavimentos 6. Mistura Solo.Cinza 7. Dimensionamento de Pavimentos I. Michele Dal Toé Casagrande II. Pontifícia Universidade Católica do rio de Janeiro. III. Departamento de Engenharia Civil. IV. Aplicabilidade de Cinzas de Resíduo Sólido Urbano para Base de Pavimentos.
Dedico esta Dissertação a minha avó
Carmen Luisa Vizcarra Galindo
e a minha prima
Diva Daleska Duran Vizcarra
Tal vez esta seja a página mais difícil de ser escrita, pelo simples fato que
são tantos para agradecer, tantos para serem apenas lembrados e outros
tantos que merecem muito mais que um simples nome citado nestas
paginas. Então peço desculpas pelos que por ventura venha esquecer.
À minha avó Carmen Vizcarra, pelo exemplo de vida.
Aos meus pais Rosendo e Rosa, pelo amor e carinho.
A minha família no Perú, em especial a minha tia Elizabeth pela sua
eterna preocupação.
À Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro – PUC.Rio, e ao
Programa de Pós. Graduação em Engenharia Civil, pela oportunidade de
estudar nesta prestigiosa instituição.
À minha orientadora, Professora Michéle dal Toé Casagrande, com quem
sempre me senti a vontade. Obrigado por ter acreditado em mim, e
sempre me apoiado, motivado, incentivado, compreendido, inspirado e
todo o demais tão necessário para poder fazer qualquer empreendimento
na vida. Obrigado, além pelos ensinamentos e pelo tudo que consegui
aprender.
À Professora Laura Maria Goretti da Motta, por ter me permitido ser mais
um dos seus orientados, está por demais falar do grande profissionalismo
da senhora, é para mim um grande privilegio.
À Banca Examinadora pelas sugerências ao presente trabalho.
A todos os colegas do Laboratório de Geotecnia da COPPE/UFRJ, em
especial à Mariluce Ubaldo pelo apoio e acompanhamento da parte
moldagens e preparação das amostras. Ao Carlinhos, Serginho, Maria da
Gloria, Rosângela, Sandra e Vera por ter me considerado como parte da
família COPPE.
Aos professores da PUC.Rio, pelas aulas ministradas, e pelos quines
guardo grande respeito, apreço e admiração.
A todos os colegas das turmas 2007.2, 2008.1, 2008.2 e 2009.1 com
quines compartilhei as aulas.
Ao Gerson Alves Bastos, pela sua amizade, e por ter compartilhado as
muitas horas de estudo na sala 607.C.
Ao Carlos Aguilar pela sua generosa acolhida na minha imprevista
chegada ao Rio de Janeiro.
Ao Luis Paullo, Iván Aguilar e Julio Bizarreta pelo simples e aventureiro
convívio no Alto Gávea.
À Alejandra Cruz, Bruno Carvalho, Iván Benites, Rocío Pérez, Juliana e
Nilthson pela sua amizade.
À Lucianna Szeliga, pelo acompanhamento e realização de parte dos
ensaios de caracterização.
À Usina Verde S.A. na pessoa do Eng. Jorge Nascimento, pelo
fornecimento das cinzas utilizadas neste estudo.
À Rita de Cassia, pelo constante apoio e preocupação.
Maria Goretti. Aplicabilidade de Cinzas de Resíduo Sólido Urbano para
Base de Pavimentos. Rio de Janeiro, 2010. 120 p. Dissertação de
Mestrado . Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
Este estudo apresenta a caracterização de cinzas obtidas da incineração de Resíduo Sólido Urbano (RSU) em usina geradora de energia elétrica, tendo como objetivo avaliar sua aplicabilidade em camadas de base de pavimentos rodoviários, através da mistura destas cinzas a um solo argiloso não.laterítico regional. Foram realizados ensaios de caracterização química, física e mecânica, para o solo puro e para o mesmo com a adição de diferentes teores de cinzas (20 e 40%), bem como o dimensionamento mecanístico.empírico para uma estrutura típica de pavimento. As misturas com inserção de cinzas apresentaram um comportamento mecânico compatível com as exigências de um pavimento de baixo volume de tráfego. A cinza volante diminuiu a expansibilidade do material, apresentando um aumento substancial no valor de CBR. Os resultados obtidos demonstram que o módulo resiliente do solo em estudo é dependente da tensão desviadora e que a inserção de cinza volante e cura prévia da mistura dobram o valor do módulo resiliente, o que resulta em diminuição da espessura da camada de base em comparação ao solo puro, para um mesmo nível de carregamento e mesmos critérios de dimensionamento. Os resultados obtidos foram satisfatórios, sendo dependentes do teor e do tipo de cinza utilizado, ressaltando o emprego positivo da cinza volante de RSU para aplicação em camadas de base de pavimentos rodoviários, minimizando problemas atuais de disposição de resíduos em lixões e aterros sanitários, dando um fim mais nobre a este material. Ressalta.se que estudos sobre a utilização deste tipo de resíduos em pavimentação são raros no país e esta pesquisa agrega um conhecimento exploratório do potencial de sua aplicabilidade.
Palavras.chave
Engenharia civil; cinzas de incineração de resíduo sólido urbano (RSU); cinza volante; cinza de fundo; base de pavimentos; misturas solo.cinza; estabilização de solos.
Vizcarra, Gino Omar Calderón; Casagrande, Michéle Dal Toé (Advisor); Motta, Laura Maria Goretti (Co.advisor). Applicability of Municipal Solid
Waste Ash for Pavements Base. Rio de Janeiro, 2010. 120 p. MSc.
Dissertation – Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
This study presents the characteristics of Municipal Solid Waste (MSW) incineration ash obtained from electric energy generation place, to evaluate the MSW ash applicability road base as a pavement layer through the ash mixture with a non.lateritic regional clay soil. Chemical, physical, mechanical tests and the mechanistic.empirical design for a typical pavement structure were carried out on the pure soil and also in the soil mixture with the addition of different ash content (20 and 40%). The addition of MSW ash had a consistent mechanical behavior to be used on low traffic volume road pavements. Fly ash reduced the expansion of the material, showing a substantial increase in the CBR value. The results show that the resilient modulus of soil is dependent on the deviator stress and the fly ash addition with a mixture cure increase the value of resilient modulus, which is revealed by the decrease in thickness of the base layer, compared to pure soil for the same level of loading and the same design requirements. The results were satisfactory, being dependent on the content and type of ash used, highlighting the positive work of MSW fly ash for use in base road pavement layers, minimizing the current problems of waste disposal in landfills, giving a noble use for this material. It is noteworthy that studies on the use of such waste in pavements are rare and this research adds to an exploratory knowledge of its potential applicability.
Keywords
Civil engineering; municipal solid waste (MSW) incineration ash; fly ash; bottom ash; pavements base; soil.ash mixtures; soil stabilization.
1 Introdução
1.1 Relevância e justificativa da pesquisa 1.2 Objetivos 1.3 Organização da Dissertação 2 Revisão Bibliográfica 2.1 Estabilização de Solos 2.1.1 Estabilização Mecânica 2.1.2 Estabilização Física 2.1.3 Estabilização Química 2.1.3.1 Solo.cimento 2.1.3.2 Solo.cal 2.2 Solo.cinza de carvão
2.2.1 Aplicações do Solo.cinza de carvão
2.2.2 Utilização de cinzas de carvão na Pavimentação 2.3 Solo.cinza de RSU
2.4 Utilização de resíduos em Pavimentação. 2.5 Dimensionamento de pavimentos asfálticos 2.5.1 Módulo de Resiliência
2.5.2 Sistema computacional SisPav 2.6 Solos expansivos
2.7 Considerações sobre a revisão bibliográfica
3 Programa Experimental
3.1 Materiais 3.1.1 Solo
3.1.2 Cinza Volante e Cinza de Fundo 3.1.2.1 Produção das cinzas de RSU 3.1.2.2 Processo de incineração 3.1.3 Misturas Solo/Cinza
3.2 Métodos e Procedimentos de Ensaio 3.2.1 Ensaios de caracterização física 3.2.1.1 Massa Especifica Real dos Grãos 3.2.1.2 Limites de Atterberg 3.2.1.3 Análise granulométrica 3.2.1.4 Ensaio de MCT 19 19 20 21 22 22 23 24 25 26 28 30 31 33 34 37 40 41 43 44 45 46 46 46 47 48 48 53 54 55 55 55 56 56
3.2.2.2 Teor de Matéria Orgânica 3.2.2.3 Solubilização e Lixiviação
3.2.3 Ensaios de Caracterização Mecânica 3.2.3.1 Ensaio de Compactação
3.2.3.2 Ensaio de Modulo de Resiliência 3.2.3.3 Ensaio de CBR
3.2.4 Dimensionamento de pavimento típico
3.3 Considerações sobre o Programa Experimental
4 Apresentação e Discussão dos Resultados
4.1 Ensaios de caracterização física 4.1.1 Densidade Real dos Grãos 4.1.2 Limites de Atterberg 4.1.3 Análise granulométrica 4.1.4 Classificação SUCS 4.1.5 Classificação AASHTO 4.1.6 Classificação MCT 4.2 Ensaios químicos 4.2.1 Composição Química 4.2.2 Teor de Matéria Orgânica 4.2.2 Ensaio de Lixiviação 4.2.2 Ensaio de Solubilização
4.3 Ensaios de Caracterização Mecânica 4.3.1 Ensaio de Compactação
4.3.2 Ensaio de Modulo de Resiliência
4.3.2.1 Influência do tempo de cura e atraso na compactação no modulo resiliente 4.3.2.2 Influência do número de ciclos de carregamento N no modulo resiliente 4.3.3 Ensaio de CBR
4.4 Dimensionamento de pavimento típico
4.5 Considerações sobre a apresentação e discussão dos resultados
5 Considerações Finais
5.1 Conclusões
5.2 Sugestões para pesquisas futuras
Bibliografia 63 64 65 65 66 72 74 76 77 77 77 79 83 85 85 86 87 87 90 92 93 95 95 99 103 106 106 107 110 111 111 112 114
Figura 2.1. Efeito do tempo sobre solo estabilizado com CVRSU, cal e
cimento 36
Figura 2.2. Tensões numa estrutura de pavimento 40
Figura 3.1. Solo não.laterítico estudado 47
Figura 3.2. Cinza Volante de RSU. 47
Figura 3.3. Cinza de Fundo de RSU. 47
Figura 3.4. Composição do RSU da Usina Verde (FONTES, 2008) 48 Figura 3.5. Segregação de materiais para reciclagem 50 Figura 3.6. Processo de geração de energia elétrica na Usina Verde 51 Figura 3.7. Etapas do processo de incineração de RSU na Usina Verde S/A 52 Figura 3.8. Compactador MCT da COPPE/UFRJ usado nesta pesquisa. 58 Figura 3.9. Cápsulas imersas para o ensaio de perda por imersão
imediatamente após imersão. 60
Figura 3.10. Perda por imersão do solo deste estudo após 24 horas de
imersão. 60
Figura 3.11 Equipamento de EDX do LABEST da COPPE/UFRJ usado
nesta pesquisa. 63
Figura 3.12. Equipamento mecânico para compactação de corpos de
prova. 68
Figura 3.13. Molde tripartido 10 x 20 cm, para compactação de corpos de
prova. 68
Figura 3.14. Esquema Ilustrativo do Equipamento de Ensaios Triaxiais de
Carga Repetida. 70
Figura 3.15. Equipamento de Ensaios Triaxiais de Carga Repetida da
COPPE/UFRJ usado nesta pesquisa. 71
Figura 3.16. Tomada de leitura de deformação no ensaio CBR na amostra
desta pesquisa. 73
Figura 3.17. Fotografia do Equipamento utilizado para obtenção do CBR
nesta pesquisa. 74
Figura 3.18. Estrutura do pavimento típico adotada para a análise
mecanística.empírica. 75
Figura 3.19. Fluxograma do método integrado de análise e
dimensionamento de pavimentos asfálticos do SisPav. 75 Figura 4.1. Variação da densidade real dos grãos com o teor de cinza 78
fundo neste estudo. 78 Figura 4.3. Variação dos Limites de Atterberg com o teor de cinza volante
neste estudo. 79
Figura 4.4. Variação do Índice de Plasticidade com o teor de cinza volante
neste estudo. 80
Figura 4.5. Variação dos Limites de Atterberg com o teor de cinza de fundo
deste estudo. 80
Figura 4.6. Variação do Índice de Plasticidade com o teor de cinza de fundo
deste estudo. 81
Figura 4.7. Efeito da estabilização com cinza volante sobre a plasticidade
de solos estabilizados. 82
Figura 4.8. Efeito da cinza volante sobre o índice de plasticidade e limite de contração linear de solos de Degirmenlik e Tuzla, estabilizados com cinza
volante. 82
Figura 4.9. Curvas Granulométricas do solo, cinza de fundo e cinza volante
deste estudo. 83
Figura 4.10. Curvas Granulométricas do solo, cinza volante e misturas do
solo com 20% e 40% de cinza volante deste estudo. 83
Figura 4.11. Granulometria do solo, cinza de fundo e misturas do solo com
20% e 40% de cinza de fundo deste estudo. 84
Figura 4.12. Classificação MCT para o solo puro. 86
Figura 4.13. Curvas de compactação de solo e misturas com 20% e 40%
de cinza volante deste estudo. 95
Figura 4.14. Variação da Massa específica aparente seca com o teor de
cinza volante. 96
Figura 4.15. Variação do teor de umidade ótimo com o teor de cinza
volante deste estudo. 97
Figura 4.16. Curvas de compactação de solo e misturas com 20% e 40%
de cinza de fundo deste estudo. 97
Figura 4.17. Variação da Massa específica aparente seca com o teor de
cinza de fundo deste estudo. 98
Figura 4.18. Variação do teor de umidade ótimo com o teor de cinza de
fundo deste estudo. 98
Figura 4.21. Gráfico 3D do modelo composto do Módulo Resiliente da
mistura S80/CV20 deste estudo. 101
Figura 4.22. Gráfico 3D do modelo composto do Módulo Resiliente da
mistura S60/CV40 deste estudo. 101
Figura 4.23. Gráfico 3D do modelo composto do Módulo Resiliente da
mistura S80/CF20 deste estudo. 102
Figura 4.24. Gráfico 3D do modelo composto do Módulo Resiliente da
mistura S60/CF40 deste estudo. 102
Figura 4.25. Variação do Módulo Resiliente vs. tensão desviadora da
mistura S60/CV40 com o tempo de atraso e o tempo de cura deste estudo. 104 Figura 4.26. Variação do Módulo Resiliente vs. tensão confinante da
mistura S60/CV40 com o tempo de atraso e o tempo de cura deste estudo. 105 Figura 4.27. Variação do Módulo Resiliente vs. tensão desviadora da
mistura S60/CV40 com o teor de umidade deste estudo. 105 Figura 4.28. Variação do Módulo Resiliente vs. tensão confinante da
mistura S60/CV40 com o teor de umidade deste estudo. 106
Figura 4.29. Estrutura do pavimento adotada. 108
Figura 4.30. Dados do clima utilizado para o programa SisPav. 108 Figura 4.31. Variação das espessuras de camada em função do período de
Tabela 2.1 – Combinações de Material/Aplicação em pavimentação. 35
Tabela 2.2 – Tensões numa estrutura de pavimento 39
Tabela 2.3 – Modelos de comportamento tensão.deformação de solos
observados no Brasil. 43
Tabela 3.1 - Símbolos referentes a cada material. 53
Tabela 3.2 - Valores típicos de c’ para diferentes granulometrias de solos. 58 Tabela 3.3 - Valores típicos de d’ para diferentes granulometrias de solos 59 Tabela 3.4 - Níveis de tensões aplicados na fase de condicionamento 70 Tabela 3.5 – Níveis de Tensões utilizados durante o Ensaio Triaxial
Dinâmico especificado pela COPPE 71
Tabela 4.1 – Resultados do ensaio de densidade real dos grãos para o
solo, cinza volante e misturas. 77
Tabela 4.2 – Resultados do ensaio de densidade real dos grãos para o
solo, cinza de fundo e misturas. 77
Tabela 4.3 – Resultados dos ensaios de Limites de Atterberg para o solo e
misturas com cinza volante. 79
Tabela 4.4 – Resultados dos ensaios de Limites de Atterberg para o solo e
misturas com cinza de fundo neste estudo. 80
Tabela 4.5 – Resultados das análises granulométricas. 84
Tabela 4.6 – Índices para classificação SUCS. 85
Tabela 4.7 – Índices para classificação AASHTO. 85
Tabela 4.8 – Composição química do solo deste estudo realizado em duas
amostras do mesmo 87
Tabela 4.9 – Composição química de três argilas de comportamento
não.lateritico. 88
Tabela 4.10 -. Análise química semiquantitativa de óxidos para três solos
residuais e rocha alterada. 88
Tabela 4.11 - Composição química da Cinza Volante de RSU, mistura
(S60/CV40) e Cinza Volante de Carvão 89
Tabela 4.12 - Composição química da Cinza de Fundo de RSU mistura
(S60/CV40) e Cinza de Fundo de Carvão. 90
Tabela 4.13 - Teor de matéria orgânica do solo, da cinza de fundo e da
cinza volante deste estudo. 91
Tabela 4.16 – Resultados analíticos: Lixiviado - Parâmetros Orgânicos 92 Tabela 4.17 – Resultados analíticos: Solubilizado - Parâmetros Inorgânicos 93 Tabela 4.18 – Resultados analíticos: Solubilizado - Parâmetros Orgânicos 94 Tabela 4.19 - Valores de umidade ótima e massa específica aparente seca
máxima. 96
Tabela 4.20 - Valores dos coeficientes do modelo composto para cada
material ou mistura desta pesquisa. 100
Tabela 4.21 - Variação dos coeficientes do modelo composto com o atraso
na compactação e o tempo de cura para a mistura S60/CV40 deste estudo. 104 Tabela 4.22 - Valores de expansão aos 4 dias de imersão, sem tempo de
cura e três dias de atraso na compactação após hidratação. 107
Tabela 4.23 - Valores de CBR 107
Tabela 4.24 - Dados do tráfego. 108
Tabela 4.25 - Espessura de camada em função do período de projeto para
ABNT = Associação Brasileira de Normas Técnicas CAP = Cimento Asfáltico de petróleo
CBR = California Bearing Ratio
CH = Argila Inorgânica de Alta Plasticidade CF = Cinza de Fundo
CV = Cinza Volante CPs = Corpos de Prova IP = Índice de Plasticidade ISC = Índice de Suporte Califórnia MCT = Miniatura Compactado Tropical MR = Módulo de Resiliência
NG’ = Não.Laterítico Argiloso LL = Limite de Liquidez, LP = Limite de Plasticidade LABEST = Laboratório de Estruturas
LVDT = Linear Variable Differential Transformer” SisPAV = Sistema de Pavimentos
TNO = Organização Holandesa para Pesquisa Cientifica Aplicada RSU = Resíduos Sólidos Urbanos
wótm = umidade ótima de compactação
γdmáx = peso específico seco aparente máximo γd = massa específica seca
w = umidade
MR = módulo resiliente σd = tensõe desviadora σ3 = tensão confinante E = expansão
h = altura final do corpo de prova. hi = altura inicial do corpo de prova. Nf = vida de fadiga
εt = deformação específica de tração Gs = massa específica real dos grãos c’ = coeficiente do ensaio MCT
d’ = coeficiente angular do ramo seco da curva de compactação referente a energia de 12 golpes no ensaio Mini.MCV
e’ = coeficiente do ensaio MCT
Pi = perda de massa por imersão no ensaio MCT k1, k2 , k3 = coeficientes do modelo Composto
e = espessura
ν = coeficiente de Poisson SiO2 = Sílica
Al2O3 = Alumina Fe2O3 = Hematita
SO3 = anidrido sulfúrico CaO = óxido de cálcio Cl = cloro
TiO2 = Dióxido de titânio K2O = Óxido de potássio P2O5 = Pentóxido de fósforo ZnO = Óxido de zinco Cr2O3 = Óxido de crômio (III) MnO = Óxido de manganês (II) SrO = Óxido de estrôncio
PbO = Óxido de chumbo (II) AC = Actínio
Br = Bromo
Rb2O = Óxido de Rubídio Y2O3 = Óxido de ítrio (III) MgO = Óxido de magnésio Ni = Níquel
V2O5 = Pentóxido de vanádio NbO = Monóxido de nióbio BaO = Óxido de bário
1.1.
Relevância e justificativa da Pesquisa
O solo natural é um material complexo e variável, sendo comum que este não preencha total ou parcialmente as exigências de projeto geotécnico. Uma alternativa disponível ao engenheiro geotécnico para viabilizar técnica e economicamente a realização de obras de pavimentação rodoviária sobre solos ruins é remover o material existente no local e substituí-lo por outro com características adequadas ou modificar e melhorar as propriedades do solo existente, de modo a criar um novo material com características de resistência e deformabilidade adequadas para ser utilizado em obras de pavimentação rodoviária.
O aumento da produção anual de resíduos sólidos urbanos (RSU), as preocupações ambientais com os métodos de deposição tradicionais e a falta de espaço para a instalação de aterros sanitários, têm levado a que sejam incentivadas formas alternativas de gestão dos resíduos, tais como a incineração.
A incineração, além de ser freqüentemente associada à recuperação de energia como uma componente na gestão dos RSU, é uma alternativa capaz de conseguir significativa redução do seu volume, da ordem de 70-90%. Novas tecnologias vêm sendo desenvolvidas com a finalidade de mitigar os impactos ambientais destas usinas incineradoras.
As cinzas, subproduto da incineração de resíduo solido urbano (RSU), são rejeitos que já vem sendo utilizados de várias formas em outros países desenvolvidos, como por exemplo, a Suécia, Dinamarca, França, Estados Unidos, dentre outros.
No Brasil, país em franco desenvolvimento, a produção de energia mediante incineração de RSU está na sua etapa inicial, como por exemplo, com a implantação da chamada Usina Verde no campus da UFRJ, com a conseqüente produção de subprodutos, como as cinzas, que atualmente são dispostas no Aterro Metropolitano Jardim Gramacho, no Município de Rio de Janeiro.
Diante da escassez de recursos financeiros para aplicação nos mais diversos setores econômicos e da necessidade de proteção ambiental, torna-se viável o uso de técnicas e materiais alternativos para pavimentação que consome volumes consideráveis de material. O aproveitamento de cinzas é vantajoso para a indústria que gera este rejeito, e pode ser vantajoso para sua utilização pela indústria de construção civil como alternativa ao uso de estabilizantes convencionais para solos, tais como cal, cimento ou outros. Para a primeira pode agregar-se valor ao rejeito e diminuir os gastos com a ocupação de áreas de deposição e tratamentos impostos pelas regras de proteção ambiental. Para a construção, o preço do material para pavimentação pode cair, especialmente se as cinzas forem tecnicamente competitivas.
A utilização das cinzas de RSU em camadas de pavimentos já vem sendo realizada há vários anos em diversos países, como Suécia, Dinamarca, França e Estados Unidos (FHWA, 2008). No Brasil não foram detectados relatórios sobre a utilização deste tipo de resíduos na pavimentação rodoviária, durante esta pesquisa. Para que sejam concebidos novos materiais é relevante que se conheçam as propriedades mecânicas, físicas e químicas dos materiais de constituição, bem como suas possíveis combinações. O conhecimento do mecanismo de estabilização é de grande importância no entendimento da resposta da mistura no que tange ao seu comportamento mecânico. Este mecanismo depende de vários fatores relacionados com o solo e as cinzas, como granulometria, teor de umidade, densidade e composição química.
Dentro deste contexto, o presente trabalho busca contribuir para melhor interpretação e compreensão do comportamento do solo misturado com as cinzas de RSU, podendo potencializar a sua utilização em obras de pavimentação rodoviária, dando um fim mais nobre a este material.
1.2. Objetivos
O objetivo principal desta pesquisa é avaliar o potencial de utilização das cinzas de RSU, provenientes da Usina Verde S.A., como aditivo em uma amostra de solo da região, para aplicação em bases de pavimentos rodoviários.
Este objetivo será alcançado através da avaliação do comportamento físico, químico e mecânico de algumas misturas, estabelecendo padrões de comportamento que possam medir a influência da adição de cinzas, relacionando-a com os parâmetros de deformabilidade do solo.
A partir do objetivo geral, os seguintes objetivos específicos foram estabelecidos:
• Realizar caracterização física, química e geotécnica, do solo quanto das cinzas de RSU e misturas solo-cinza, através de ensaios laboratoriais normatizados;
• Avaliar o comportamento mecânico do solo e das misturas através de ensaios experimentais;
• Analisar e comparar os parâmetros químicos, mecânicos e de deformabilidade do solo e das misturas estudadas para aplicação em base de pavimentos;
• Realizar o dimensionamento de base de pavimentos, com o objetivo de comparar os materiais estudados mediante análises mecanístico-empíricas;
• Através da análise dos resultados obtidos, concluir se há viabilidade técnica e ambiental de uma mistura que possa ser aproveitada na construção de base de pavimentos.
1.3.
Organização da Dissertação
Este trabalho está dividido em cinco capítulos, de acordo com as etapas de pesquisa realizadas, iniciando com este capítulo introdutório (Capítulo 1), seguido do Capítulo 2, onde é apresentada uma revisão da literatura existente, compreendendo os tópicos referentes aos principais assuntos abordados nesta pesquisa.
No Capítulo 3 é descrito detalhadamente o programa experimental, bem como é apresentada uma descrição dos materiais utilizados, dos equipamentos e dos métodos de ensaios, e também as variáveis investigadas em cada fase do trabalho.
No Capítulo 4 são apresentados os resultados dos ensaios de caracterização física, química e mecânica realizados, da classificação geotécnica do solo e das misturas solo-cinza e do dimensionamento da base de uma estrutura típica de pavimento. Estes resultados são analisados e discutidos em comparação com outras pesquisas realizadas nacional e internacionalmente.
As principais conclusões que representam a síntese do conhecimento adquirido durante a realização deste trabalho estão apresentadas no Capítulo 5, onde se encontram também as sugestões para continuidade da pesquisa.
A revisão bibliográfica desta dissertação abrange os seguintes tópicos: • Conceitos fundamentais sobre estabilização de solos e características
principais dos tipos de estabilização mais utilizados na construção de pavimentos rodoviários, ressaltando a estabilização química de solos; • O estudo do solo-cinza, as características das cinzas e uma resenha
das principais pesquisas com cinzas em base de pavimentos realizadas até o momento;
• Breve descrição sobre utilização de diversos resíduos em camadas de base de pavimentos;
• Dimensionamento de pavimentos com o enfoque mecanístico, através do módulo de resiliência e do programa SisPAV.
2.1.
Estabilização de solos
O solo pode ser considerado como o material de construção civil mais comum e de maior abundância na crosta terrestre. Do ponto de vista da terraplenagem e pavimentação, faz parte do subleito, sub-base, por vezes da base e até do revestimento primário. Quando as características dos solos locais não apresentam, total ou parcialmente, os requisitos exigidos, o engenheiro terá que adotar uma das seguintes atitudes (MEDINA, 1987):
• Evitar ou contornar o terreno ruim;
• Remover o solo ruim e substituí-lo por outro de qualidade superior; • Projetar a obra para situação de terreno ruim de fundação (conviver
com a situação difícil); • Estabilizar o solo existente.
VOGT (1971) define a estabilização como todo método que visa aumentar, de maneira durável, durante todas as estações do ano, a resistência de um material aos esforços desenvolvidos pelo tráfego e aos efeitos destruidores exercidos pelas intempéries.
A estabilização de um solo pode ser definida como sendo a alteração de qualquer uma de suas propriedades, de forma a melhorar seu comportamento sob o ponto de vista da engenharia. Consiste em um tratamento artificial, por um
processo físico, químico ou físico-químico, tornando o solo estável para os limites de sua utilização, e ainda fazendo com que a estabilização permaneça sob a ação de cargas exteriores e também sob ações climáticas variáveis.
As propriedades de engenharia que se visa modificar na estabilização de um solo, segundo MEDINA e MOTTA (2004), são:
• Resistência ao cisalhamento, tornando-a menos sensível às mudanças ambientais, principalmente à umidade, além de torná-la compatível com as cargas que a estrutura vai absorver;
• Permeabilidade, aumentando-a ou diminuindo-a; • Compressibilidade, reduzindo-a.
Podem-se destacar três métodos de estabilização de solos: mecânico, físico e químico, podendo ser adaptados e combinados para a solução de um problema.
Com relação ao solo, as seguintes propriedades devem ser consideradas, de modo a escolher o melhor método de estabilização (KÉZDI, 1979):
• Propriedades do solo na condição natural; • Propriedades esperadas do solo estabilizado; • Efeitos no solo estabilizado após a estabilização.
Devido à grande variabilidade de solos, nenhum método se aplica genericamente a todos os solos, cada método pode ser aplicado (ou não) para um determinado tipo de solo. Não obstante, a estabilização não só deveria ser pensada em termos de tratamento corretivo, mas também como uma medida preventiva ou de segurança contra condições adversas que se desenvolvem no curso da construção ou ao longo da vida da estrutura (INGLES e METCALF,1973).
2.1.1.
Estabilização Mecânica
SOLIZ (2007) relata que “Considera-se a estabilização mecânica uma simples compactação dos solos até a estabilização granulométrica dos mesmos.
A estabilização mecânica por compactação refere-se ao processo de tratamento de um solo com a finalidade de minimizar sua porosidade pela aplicação de sucessivas cargas, pressupondo que a redução de volume de vazios é relacionada ao ganho de resistência mecânica. (SANTOS et al, 1995).
Esta densificação é utilizada em todas as camadas do pavimento, sejam estas estabilizadas por outro processo ou não, e é realizada por meio de equipamento mecânico, geralmente um rolo compactador, embora, em alguns casos, como em pequenas valetas, até soquetes manuais possam ser empregados (PINTO E PREUSSLER, 2002).
Por outro lado, a estabilização mecânica por correção granulométrica engloba as melhorias induzidas em um solo pela mistura deste com outro ou outros solos que possibilitem a obtenção de um novo produto com propriedades adequadas para determinados fins de engenharia (SANTOS et al., 1995).
Na estabilização granulométrica procura-se obter um material bem graduado e de percentagem limitado de partículas finas, com a mistura íntima homogeneizada de dois ou mais solos e sua posterior compactação.
2.1.2.
Estabilização física
SOLIZ relata que “A estabilização física mais comumente empregada em pavimentação é a descrita no item anterior, como parte da estabilização mecânica, que consiste na modificação das propriedades do solo atuando na textura, ou seja, misturando solos com diferentes frações granulométricas. Outras técnicas envolvem tratamentos térmicos de secagem ou congelamento, tratamento elétrico e eletro-osmose, que melhoram as características estruturais e de drenagem dos solos (OLIVEIRA apud MACÊDO, 2004).
O tratamento térmico de secagem é citado por INGLES e METCALF (1973) em estradas de terra na Índia; onde se precedeu à queima do solo no local.
Atualmente o emprego da calcinação de argila para gerar agregados para uso em locais onde não se tem agregados naturais, como na Amazônia, por exemplo, pode ser considerada uma forma de estabilização física, onde o uso de calor intenso por queima controlada também provoca intensa alteração nos minerais argílicos presentes no solo (NASCIMENTO, 2005; CABRAL, 2005).
Cabe mencionar que as argilas plintíticas quando escavadas em blocos e secas ao ar constituem blocos que podem ser usados em construção civil, o que foi observado na Índia por BUCHANNAN no século 19, que o fez criar o termo “laterita” – de later – tijolo em latim.
CRISTELO (2001) comenta o tratamento por aquecimento, que consiste em introduzir no solo, a través dum tubo perfurado, uma mistura comprimida de ar muito quente e combustível. O aquecimento pode ser obtido por queima de combustíveis ou por processos elétricos. Outro processo térmico, por resfriamento provoca a estabilização por congelamento artificial da água intersticial originando um material rígido com elevada resistência. Nenhum destes processos no entanto tem tido aplicação na pavimentação.
O processo de eletro-osmose foi estudado por CASTELLO BRANCO (1978), e consiste em colocar dois eletrodos numa massa de solo e fazer passar uma corrente elétrica entre eles, isto promove a migração da água presente no solo do eletrodo positivo para o negativo diminuindo assim a quantidade de água no solo e permitindo a sua consolidação. Também não tem sido aplicado em pavimentação, mas hoje mostra-se como uma alternativa viável para processo de remediação de solo contaminado.”
2.1.3.
Estabilização Química
SOLIZ (2007) relata que “A estabilização química consiste na adição de uma determinada substância química ao solo, de modo a provocar mudanças que influenciam as propriedades de resistência mecânica, permeabilidade e deformabilidade deste, atingindo-se, então o objetivo de estabilizá-lo (SANTOS et al, 1995).
Na estabilização química, como o nome indica, há uma reação química do aditivo com os minerais do solo (fração coloidal) ou com a constituição de recheio dos poros pelo produto de reação química do aditivo com a água. No solo-cimento e solo–cal existe, inicialmente, uma reação que se caracteriza melhor como físico-química: os cátions Ca++ liberados pela hidratação do cimento reagem com a superfície dos argilo-minerais e modificam o pH da solução eletrolítica. Os produtos cimentantes que se formam posteriormente (diz-se reação pozolânica) acrescem a rigidez da mistura (MEDINA,1987).
Segundo o mesmo autor, quando se forma a mistura solo-estabilizador pode ocorrer que o estabilizador forme ou não uma matriz contínua com o solo. Na matriz contínua o agente estabilizador preenche todos os poros e as partículas de solo ficam nela mergulhadas como se fossem um inerte de enchimento. Neste caso as propriedades do sistema são essencialmente as da matriz e as propriedades mecânicas do estabilizador predominam. Tem-se várias reações resultantes da mistura solo-estabilizador: reações físicas - variação de temperatura, hidratação, evaporação e adsorção e reações químicas - troca catiônica, precipitação, polimerização, oxidação, solução e carbonatação.
Na matriz descontínua o estabilizador não preenche todos os poros e então podem ocorrer três modos de ação:
• Modificação das características das superfícies das partículas; • Vedação inerte dos poros;
• Interconexão entre as partículas de solo (solda por pontos).
Algumas características sobre os tipos de estabilização química são descritas nos sub-itens a seguir:
2.1.3.1.
Solo-Cimento
SANDRONI E CONSOLI (2010) relatam que diversos tipos de cimentos podem ser utilizados para estabilizar praticamente todos os tipos de solos, com algumas dificuldades particulares para argilas altamente plásticas e orgânicas (contendo mais que 1-2% de matéria orgânica), os quais normalmente exigem altas porcentagens de cimento para a obtenção de significativas mudanças nas propriedades mecânicas das mesmas.
Cimentos Portland são cimentos hidráulicos (ganham resistência através de reações para com a água – hidratação). Os quatro componentes principais do cimento Portland são:
Silicato Tricálcico (3CaO . SiO2) C3S Silicato Dicálcico (2CaO . SiO2) C2S
Aluminato Tricálcico (3CaO . Al2O3) C3A
Aluminoferrito Tetracálcico (4CaO . Al2O3 . Fe2O) C4AF
As reações primárias que ocorrem quando a água é adicionada ao cimento Portland podem ser sumarizadas a seguir:
2 (3CaO . SiO2) + 6H2O 3CaO . 2 SiO2 . 3H2O + 3Ca(OH)2 2 (3CaO . SiO2) + 4H2O 3CaO . 2 SiO2 . 3H2O + Ca(OH)2
3CaO . Al2O3 + 12H2O + Ca(OH)2 3CaO . Al2O3 . Ca(OH)2 . 12H2O 4CaO . Al2O3 . Fe2O + 10H2O + 2Ca(OH)2 6CaO . Al2O3 . Fe2O3 . 12H2O C3S enrijece rapidamente e é o responsável primário pela resistência inicial. C2S enrijece lentamente e contribui para aumento de resistência para idades alem de 1 semana. C3A libera grande quantidade de calor durante os primeiros dias de enrijecimento e contribui pouco para o desenvolvimento da resistência inicial. Em solos finos, a fase argila também pode contribuir para a estabilização através de sua solução em um meio com pH alto e reações com a cal livre do cimento para formar CSH adicional (reações pozolânicas).
De forma geral, a quantidade de cimento necessária para estabilizar um solo aumenta com o aumento da fração de solos finos, com exceção de areias uniformes que requisitam mais cimento que solos arenosos contendo algum tipo de silte e argila.
Pode-se dividir a estabilização por cimento nas seguintes categorias (MEDINA, 1987):
• Solo-cimento: é um material endurecido pela cura de uma mistura íntima compactada mecanicamente com solo pulverizado, cimento portland e água, sendo esse endurecimento avaliado por critérios de durabilidade e resistência à compressão simples de corpos de prova. Normalmente é utilizado como base ou sub-base;
• Solo modificado ou melhorado: é um material não endurecido ou semi-endurecido que é julgado pela alteração dos índices físicos e/ou capacidade de suporte do solo. Utiliza-se um teor baixo de cimento que não deve ser maior que 5%. Pode ser utilizado como base, sub-base ou subleito;
• Solo-cimento plástico: difere do solo cimento definido anteriormente, por ser utilizada uma quantidade maior de água durante a mistura, de forma a produzir uma consistência de argamassa na ocasião da colocação. É utilizado para revestimento de valas, canais e taludes.
Existem dois métodos de dosagem para solo-cimento: O primeiro, estabelecido pela ABNT, e o segundo, chamado método físico-químico, desenvolvido na COPPE pelo Prof. Casanova. Ambos os métodos encontram-se descritos em MACÊDO (2004).
2.1.3.2. Solo-Cal
SANDRONI E CONSOLI (2010) relatam que a quantidade de cal necessária para o tratamento de solos depende das características do solo e o uso e características mecânicas desejadas da mistura. O tratamento de solos com cal pode ser dividido em duas classes gerais: (a) modificação do solo com cal, a qual reduz a plasticidade do solo, melhora a trabalhabilidade, aumenta a resistência de defloculação e erosão; (b) estabilização do solo com cal, a qual fornece aumento permanente da resistência e rigidez do solo devido a ocorrência de reações pozolânicas.
O tratamento de solos com cal não é eficiente em solos com baixo teor de argila, uma vez que o melhoramento das propriedades mecânicas é produzido pelas reações entre a cal e os minerais argílicos. Todos os minerais argílicos reagem com a cal, com a resistência das reações geralmente aumentando na proporção da quantidade de sílica disponível.
Quatro tipos básicos de reações que ocorrem em solos coesivos são tratados com cal: (a) carbonatação, (b) troca catiônica, (c) floculação-aglomeração, e (d) reações pozolânicas.
A carbonatação ocorre quando o dióxido de carbono existente no ar ou em água estagnada entra em contato com a matriz solo-cal e converte a cal novamente em carbonato de cálcio. O carbonato de cálcio é uma cimentação fraca e solubiliza na água acida. A carbonatação é indesejável uma vez que reduz a quantidade de cal disponível para produzir as reações pozolânicas (cimenticias).
Cal misturada com água resulta em cátions de cálcio livres, os quais podem substituir outros cátions dentro dos complexos de troca catiônica que ocorrem no solo. A troca catiônica é ao menos parcialmente responsável pela floculação e aglomeração de partículas de argila que ocorre em solos tratados com cal. O resultado prático da floculação-aglomeração é a mudança na textura do solo uma vez que as partículas de argila unem-se e formam partículas de dimensões maiores.
As reações pozolânicas são similares aquelas que ocorrem em solos tratados com cimento. É sabido que a cal e a água reagem com sílica e alumina existentes no solo para formar vários componentes cimentícios. Origens típicas de sílica e alumina em solos incluem minerais argílicos, quartzo, feldspato, micas e outros silicatos ou alumino-silicatos similares, com estrutura cristalina ou amorfa. A adição de cal também aumenta o pH do solo, aumentando a solubilidade da sílica e da alumina presentes no solo. Se uma quantidade significativa de cal é adicionada ao solo, o pH pode alcançar 12,4, que é o pH da água saturada com cal. A seguir são apresentadas as reações que ocorrem no solo tratado com cal:
Ca(OH)2 Ca+2 + 2(OH)-
Ca+2 + 2(OH)- + SiO2 (sílica da argila) CSH (silicato hidratado de cálcio) Ca+2 + 2(OH)- + Al2O3 (alumina da argila) CAH (aluminato hidratado de cálcio)
Onde C = CaO, S = SiO2, A = Al2O3 e H = H2O
Tais reações somente ocorrem na presença de quantidades de água capazes de trazer Ca+2 e (OH)- para a superfície das partículas de argila.
Conseqüentemente, as reações não ocorrerão em solos secos e cessarão em um solo úmido que vier a secar.
O efeito da cal nas propriedades do solo pode ser visto sob vários aspectos:
• Distribuição granulométrica: há uma modificação da granulometria do solo, devido à ocorrência de floculação-aglomeração e que quanto maior a quantidade de cal maior a floculação;
• Plasticidade: o limite de plasticidade (LP) cresce com o uso da cal e o limite de liquidez (LL) tende a diminuir. O aumento do teor de cal acarreta valores de IP cada vez menores. O índice de plasticidade (IP) varia com o tempo de reação;
• Variação de volume: o tratamento de um solo expansivo com cal reduz as variações de volume do solo quando este absorve água;
• Compactação: a densidade diminui e o teor de umidade ótima aumenta quando se trata um solo com cal;
• Resistência: CONSOLI ET AL (1997) verificaram que o teor de cal e o tempo de cura são fatores que influem no aumento da resistência a compressão simples num solo estabilizado com cal.
Quanto maior o teor de cal maior a troca catiônica e a formação de produtos cimentantes, mas não existe um teor ótimo de cal a ser adotado para todos os solos, sendo a experiência de campo e laboratório, decisiva para a escolha do teor de cal.
2.2.
Solo-Cinza de carvão
Durante o processo de incineração de carvão, a depender do tipo do incinerador, várias cinzas podem ser geradas em diversos pontos de queima do carvão. As duas cinzas principais são a cinza de fundo (bottom ash) e cinza volante (fly ash).
Segundo ACAA (2003) e WINTERKORN (1990), a Cinza Volante é um subproduto de usinas elétricas alimentadas por carvão. É recuperada de gases de combustão. Tipicamente, o carvão é pulverizado e fundido com ar na câmara
da caldeira de combustão, onde imediatamente inflama, gerando calor e produzindo resíduo de mineral fundido para endurecer e formar as cinzas.
Partículas grossas de cinza, referidas como cinzas de fundo ou escórias, caem para o fundo da câmara de combustão, enquanto que as partículas finas de cinza mais leves, denominadas cinzas volantes, permanecem em suspensão nos gases de combustão. Antes de se esgotar os gases de combustão, a cinza volante é removida por dispositivos de controle das emissões de partículas.
A cinza volante é um agente efetivo para estabilização química e / ou mecânica dos solos, modificando a densidade do solo, teor de umidade, plasticidade, e resistência dos solos. As aplicações típicas incluem: estabilização de solos para aumentar a sua resistência, dessecamento do solo e controle da contração-expansão (ACAA, 2003).
2.2.1.
Aplicações do Solo-Cinza de Carvão
A seguir são listadas algumas aplicações e conseqüências do uso de cinzas no solo (ACAA, 2003):
a) Melhoramento da Resistência do Solo:
A cinza volante tem sido utilizada satisfatoriamente em muitos projetos para melhorar as características de resistência dos solos. Ela pode ser usada para estabilizar bases ou sub-bases e aterros, para reduzir o empuxo lateral de terras e para estabilizar taludes.
O principal motivo para utilizar as cinzas volantes em aplicações de estabilização do solo é o de melhorar a resistência à compressão e cisalhamento dos solos.
A resistência à compressão dos solos tratados com cinzas volantes é dependente de:
- Teor de umidade: o teor de umidade da mistura solo-cinza volante afeta a resistência;
- Teor de cinza volante: o teor de cinza volante depende da natureza do solo, das características da cinza volante e da
resistência desejada. o teor deverá ser determinado por ensaios de laboratório para projeto da mistura;
- Propriedades do solo: a plasticidade dos solos tratados com cinza volante é influenciada pelos argilominerais presentes no solo e a água adsorvida. Solos que contenham mais do que 10 % de sulfatos são propensos à expansão excessiva em algumas aplicações. Alem disso, solos orgânicos são difíceis para estabilizar utilizando cinza volante.
b) Controle da contração e expansão:
Muitos solos argilosos (solos plásticos) são submetidos a grandes mudanças volumétricas quando sujeito a flutuações de umidade. Estas mudanças volumétricas quando não são controladas conduzem a deslocamentos em estruturas e impõem carregamentos que podem causar rupturas prematuras.
Cinzas volantes reduzem o potencial de um solo plástico submetido à expansão volumétrica por um mecanismo físico de cimentação, que não pode ser avaliado pelo índice de plasticidade. As cinzas volantes controlam a contração-expansão por cimentação dos grãos do solo em conjunto, muito parecido a como o Cimento Portland une os agregados para fazer o concreto. Através da ligação dos grãos do solo em conjunto, os movimentos das partículas do solo são restritos.
c) Diminuição da umidade:
Solos devem ser compactados na sua máxima densidade prática para fornecer uma base para as estruturas sobrejacentes. Para solos a serem compactados, o teor de umidade deve ser controlado por causa de relação entre densidade do solo e o teor de umidade. Se o solo a ser compactado está úmido ou seco, o teor de umidade deve ser ajustado até perto do ótimo para alcançar a densidade máxima. Se o solo está muito seco, umidade é simplesmente aumentada. Se o solo está muito úmido, o teor de umidade deve ser diminuído. Cinzas
volantes têm sido descobertas como agentes de secagem muito efetivos, capazes de reduzir o teor de umidade do solo em 30% ou mais. As cinzas volantes secam o solo por dois mecanismos básicos, reações químicas que consomem umidade no solo e por diluição simples (ACAA, 2003).
2.2.2.
Utilização de Cinzas de Carvão na Pavimentação
A principal utilização das cinzas oriundas da queima do carvão mineral no Brasil acontece na substituição de parte do clínquer portland por cinza volante (fly ash) na fabricação do cimento portland pozolânico (FARIAS, 2005).
Além de aplicações em matrizes de concreto, também foram desenvolvidos no Brasil estudos analisando a utilização das cinzas resultantes da queima do carvão mineral em estruturas semi-rígidas e flexíveis de pavimentos, sendo que diversos autores já comprovaram a viabilidade de sua utilização na pavimentação, no que se refere ao desempenho mecânico da utilização de cinzas.
Os estudos desenvolvidos por NARDI (1975) e posteriormente complementados pelas pesquisas realizadas por MARCON (1977), comprovaram a viabilidade da estabilização de areia com cinza volante e cal. Os trabalhos desenvolvidos por NARDI (1975), resultaram na implantação de um trecho experimental localizado às margens da BR-101, no município de Imbituba/SC, onde, sobre o subleito de areia, foi construída uma sub-base de areia estabilizada com cal e cinza volante. Nesse trecho foram instaladas seções de instrumentação e os resultados monitorados foram bastante satisfatórios e aprovaram o desempenho do material.
Com a finalidade de complementar os estudos realizados por NARDI (1975), MARCON (1977) desenvolveu ensaios de durabilidade e módulo de elasticidade em misturas de [areia, cinza volante] e [cal e areia, brita, cinza volante, cal e cimento]. Nos resultados de suas pesquisas os materiais resultantes se mostraram com aptidão para serem empregadas em bases e sub-bases de pavimentos, desde que observadas as condições de cura, as solicitações de tráfego e devendo ser avaliada a rigidez da camada da base, de modo a promover a redução das tensões verticais transmitidas ao subleito e retardando os efeitos de fadiga. Com esse aspecto, um bom processo de cura
torna-se importante à medida que, com aumento da resistência do material com o passar do tempo, também é retardado o desenvolvimento de fissuras no material.
Estudos mais recentes foram desenvolvidos por DIAS (2004), LEANDRO (2005), FARIAS (2005) e ROSA (2009), onde se faz uma análise do desempenho de solo estabilizado com cinzas de carvão e aditivos no laboratório.
2.3.
Solo-Cinza de RSU
A estabilização de solos com cinzas de RSU tem sido menos utilizada e estudada que com as cinzas de carvão, visto que o numero de usinas termoelétricas de RSU é menor que as que utilizam carvão. Mas o comportamento relatado sobre os seus efeitos e mecanismos de estabilização é comparável aos das cinzas de carvão, desde que o RSU seja principalmente composto por matéria orgânica.
FERREIRA et al. (2003) relatam que a Cinza Volante de RSU pode ser aplicável a rodovias como material substituto de areia e/ou cimento para bases e sub-bases estabilizadas com cimento. Questões ambientais relativas a esta aplicação são a contaminação de solo subjacente e águas subterrâneas por substâncias lixiviadas da camada de base. Estudos de viabilidade de substituição de areia por cinza volante em camadas de base de areia/cimento foram conduzidos por MULDER (1996) na TNO (Organização Holandesa para Pesquisa Cientifica Aplicada); nestes estudos, a cinza volante de RSU foi submetida à lavagem com solução de acido nítrico e posterior filtração obtendo-se uma redução na concentração de metais como apreobtendo-sentado na Tabela 2.1. O produto obtido após uma lavagem da cinza volante seguido por cimentação satisfaz as normas holandesas para materiais de construção, ressaltando que o custo desta lavagem mais aplicação numa base de pavimento é menos caro que dispor a cinza volante como material perigoso.
Tabela 2.1 - Resultados da lavagem da cinza volante. Elemento Concentração original (mg/kg) Concentração após lavagem (mg/kg) * Decréscimo em concentração (%) ** Cd 220 32 90 Cu 660 920 3 Mo 17 23 5 Pb 6000 7 800 9 Zn 14 000 6 900 66 Cl- 53 000 5 800 92 SO42- 64 000 79 000 14
* Medido na massa solida após lavagem e secagem.
** Após correção para redução da massa de aproximadamente 30*.
Outro uso potencial da Cinza Volante de RSU é em estabilização de solos, como substituto de cal ou cimento, tomando as vantagens das características pozolânicas da Cinza Volante de RSU. A densidade da Cinza Volante de RSU é menor que outros materiais de aterro utilizados em construção de aterros: valores típicos para Cinza Volante de RSU estão entre 1,7 – 2,4 quando para areias é tipicamente 2,65. Em solos moles compressíveis é uma vantagem a substituição de materiais convencionais de aterro por a Cinza Volante, e assim diminuir os carregamentos impostos nas fundações, resultando em menores recalques.
GOH e TAY (1993) pesquisaram a possibilidade de utilizar Cinza Volante de RSU como material de aterro em aplicações geotécnicas. Eles relataram que a Cinza Volante apresenta os pré-requisitos para este tipo de aplicação com alta resistência e permeabilidade, típica de material granular, e densidades quando compactadas menores que os aterros convencionais. Eles também avaliaram a possibilidade de utilização de Cinza Volante em estabilização do solo (em vez de cal ou cimento) achando que as misturas solo-cinza volante apresentaram melhoramento da resistência ao cisalhamento e menor compressibilidade que outros solos não-tratados.
A Figura 2.1 apresenta a mudança na resistência ao cisalhamento não drenado de amostras obtidas de ensaios de compressão não confinada. A resistência ao cisalhamento não drenado incrementou-se com a idade e com o
incremento do teor de cinza volante de RSU para os solos estabilizados. A taxa de endurecimento da mistura com maior teor de cinza volante foi também a mais rápida. Após 80 dias de tempo de cura, a resistência ao cisalhamento não drenado do solo tratado acrescentou-se acima de 1,9, 2,5 e 3 vezes para as misturas com 10%, 20% e 30% de cinza volante, respectivamente.
Maiores ganhos em resistência foram observados para o solo estabilizado com cimento como mostrado na Figura 2.1. Após 80 dias, a mistura com 5% de cinza volante de RSU mais 5% de cimento apresentou uma resistência 4% maior que a resistência do solo estabilizado somente com cimento. Dos resultados dos ensaios, GOH e TAY (1993) sugerem que (1) a cinza volante poderia ser usada para estabilizar solos argilosos com um aumento de duas a três vezes a resistência do solo natural; e (2) a cinza volante poderia ser utilizada em combinação com cimento ou cal, se maiores ganhos de resistência são requeridos.
Figura 2.1. Efeito do tempo sobre solo estabilizado com CVRSU, cal e cimento (adaptado de GOH e TAY, 1993).
GOH E TAY (1993) compararam o lixiviado de Cinza Volante com lixiviado de Cinza Volante estabilizado com cal ou cimento. Eles relataram que o lixiviado da Cinza Volante não estabilizada não atendeu as normas de qualidade de água potável e que a Cinza Volante estabilizada com cal ou cimento apresentou valores menores de crômio e cádmio, não se detectando concentrações toxicas. Contudo, eles limitaram seu estudo a lixiviado de Cinza Volante, e não avaliaram o sistema solo/cinza volante, o que poderia dar melhor percepção do comportamento do lixiviado de aterros construídos com esses materiais. Pré-lavagem da cinza poderia ser uma possível solução para o problema da lixiviação de metais pesados.
A Cinza de Fundo de RSU tem sido utilizada muito mais que a Cinza Volante de RSU. Sua utilização nos Estados Unidos está limitada a alguns trechos de teste, mas na Europa, é utilizada como material para base de rodovias ou aterros há duas décadas. Na Dinamarca, Alemanha e Holanda mais do que 50% da Cinza de Fundo de RSU produzida é utilizada como material de base para rodovias e aterros (FHWA, 2008).
FORTEZA et al. (2004), IZQUIERDO et al (2001), REIS-BARROS (2006) estudaram o comportamento em laboratório da Cinza de Fundo de RSU puro para aplicação em base de pavimentos, obtendo resultados bons quanto ao comportamento mecânico.
ALMEIDA et al (2009) avaliaram o comportamento em trechos rodoviários em Portugal, onde se utilizou escória de RSU em substituição de agregados naturais; ele conclui que a utilização de escória de RSU obedece as especificações ambientais e que sua utilização é possível em aterros e leitos de pavimento e em camadas de sub-base de pavimentos de baixo tráfego.
2.4.
Utilização de resíduos em Pavimentação
Resíduos são materiais oriundos de diversas origens: indústrias, agricultura, lares e mineração. Leis têm sido elaboradas por várias nações para incentivar o uso de alguns resíduos ou para examinar a viabilidade de seu uso, devido a que seus volumes e custos de eliminação continuam aumentando.
O emprego de resíduos na construção de pavimentos pode ser interessante, principalmente porque obras de pavimentação consomem grandes quantidades de material. Com isto surgiram alguns pontos de interesses específicos de avaliação:
• Aos engenheiros interessa o efeito sobre as propriedades de Engenharia (por exemplo, resistência e durabilidade), impacto sobre a produção e a possibilidade de futura reciclagem de tais materiais;
• Interesses ambientais tais como emissões, fumaças, odores, lixiviação, manutenção e processos de produção;
• Interesses econômicos como custos e carência de incentivos monetários.
Na Tabela 2.2 estão apresentadas combinações material/aplicação em pavimentação para alguns resíduos segundo FHWA (2008).
Na perspectiva da engenharia de pavimentos, o reaproveitamento de materiais deve ser utilizado de tal forma que o desempenho esperado do pavimento não seja comprometido. Resíduos e subprodutos, no entanto, diferem substancialmente nos seus tipos e propriedades e, em conseqüência, nas suas aplicações em pavimentação. Experiência e conhecimento sobre a utilização desses materiais variam de material a material, como também de local a local. Para recuperar esses materiais para uso potencial, engenheiros, pesquisadores, geradores, e os órgãos reguladores ambientais ou de pavimentação têm de estarem conscientes das propriedades dos materiais, como podem ser usados, e quais as limitações podem ser associados à sua utilização.
ROHDE (2002), CASTELO BRANCO (2004), RAPOSO (2005), OLIVEIRA (2006), FREITAS (2007), PENA (2007), estudaram a aplicação de escória de aciaria para camadas de pavimentos e misturas asfálticas no Brasil.
PINTO (1971), NARDI (1975), MARCON (1977), LEANDRO (2005) e FARIAS (2005) estudaram a aplicação de cinzas de carvão para camadas de pavimentos.
FERNANDES (2004), MOTTA (2005) e LEITE (2007) estudaram a aplicação de Resíduo sólido da construção civil para pavimentação.
Tabela 2.2 – Combinações de Material/Aplicação em pavimentação (FHWA, 2008). Material Aplicação Concreto asfaltico Concreto Cimento Portland Base Granular Aterro Base estabilizada Aterro hidraulico Pó de asfalto (Baghouse fines) x
Escória de alto forno
(Blast furnace slag) x x x x
Cinza de fundo/escória de carvão
(Coal bottom ash/boiler slag)
x x x x
Cinza volante de carvão
(Coal fly ash) x x x x x
Desulfuradores de gases de combustão (FGD scrubber material) x x Areia de fundição (Foundry sand) x x x x Fuligem (Kiln dusts) x x Residuos de mineração
(Mineral processing wastes) x x x
Cinza de incineração de RSU (MSW combustor ash)
x x
Escórias não ferrosas
(Nonferrous slags) x x x Sub-produtos de pedreira (Quarry byproducts) x Revestimento asfáltico reciclado (Reclaimed asphalt pavement) X (quente e frio) x x Concreto reciclado (Reclaimed concrete material) x x Telhas de cobertura
(Roofing shingle scrap) x
Borracha de pneus (Scrap tires)
x
(úmido e seco) x
Cinza de lodo de esgoto
(Sewage sludge ash) x
Escoria de aciaría (Steel slag) x x Residuos de sulfatos (Sulfate wastes) x Residuos de vidro (Waste glass) x x
2.5.
Dimensionamento de pavimentos asfálticos
Segundo FRANCO (2007), é imprescindível no processo de dimensionamento de estruturas de pavimentos asfálticos o conhecimento de variáveis como as características dos materiais a serem utilizados, o comportamento desses materiais em relação à aplicação de cargas e o tipo de carregamento e resposta da estrutura para suportar as cargas sob condições climáticas variáveis, entre outras. A dificuldade de prever e modelar essas variáveis determina o grande desafio de diversas instituições que atualmente pesquisam e tentam desenvolver métodos modernos e analíticos de dimensionamento.
A teoria da elasticidade é largamente utilizada como ferramenta para cálculo das tensões, deformações e deslocamentos. Modelos de comportamento tensão/deformação distintos são comumente utilizados pelos métodos de cálculo: comportamento elástico-linear e elástico não linear. Na Figura 2.2 é ilustrada a forma mais comum de representar um pavimento sob carregamento de roda e as deformações e deslocamento principais que atuam no interior da estrutura em camadas.
Figura 2.2. Tensões numa estrutura de pavimento (MEDINA e MOTTA, 2005)
É possível estimar a resposta do pavimento por meio do cálculo das tensões, deformações e deslocamento gerados na sua estrutura, a partir da definição das espessuras das camadas, dos módulos de resiliência e coeficientes de Poisson dos diversos materiais a serem utilizados e da composição do tráfego atuante.
A possibilidade de aplicar a teoria da elasticidade à pavimentação, permitindo o cálculo de estruturas de pavimento com várias camadas, é atribuída a Burmister que apresentou em 1943 um método para determinar tensões e deformações em sistemas de duas e três camadas. Esse método se baseia na teoria formulada em 1885 por Boussinesq, que apresentou um conjunto de equações para o cálculo de tensões e deformações em um meio semi-infinito, linear, elástico, homogêneo e isotrópico sob carregamento puntual e distribuído (FRANCO, 2007).
GUIMARÃES (2009) diz: “O fator essencial no projeto de dimensionamento é o conceito de ruptura do pavimento asfáltico e dois tipos de avaliação são possíveis: a estrutural e a funcional. Por ruptura estrutural depreende-se o colapso da estrutura ou de um dos seus componentes, tornando o pavimento incapaz de sustentar carregamentos na sua superfície. A ruptura funcional, que pode ser constatada em casos de ruptura estrutural ou não, é uma condição caracterizada pelo desconforto e insegurança ao rolamento dos veículos. O dimensionamento da estrutura do pavimento visa assegurar que o mesmo não sofra ruptura estrutural dentro de um período de projeto.”
Segundo FRANCO (2007), o procedimento para o dimensionamento mecanístico-empírico consiste basicamente em:
• reunir os dados referentes aos materiais de pavimentação, ao tráfego e às condições ambientais;
• correlacionar os dados de resistência dos materiais e tráfego em função das épocas sazonais e o comportamento dos materiais em função do tipo de carregamento;
• escolher as espessuras das camadas e calcular as tensões e deformações considerando as diversas correlações obtidas;
• relacionar os valores críticos de tensões e deformações com os danos que a repetição das cargas podem causar ao pavimento por meio de modelos de previsão; e
• verificar se as espessuras escolhidas satisfazem as condições impostas no dimensionamento.
2.5.1.
Módulo de Resiliência
Em 1955, Francis Hveem realizou o primeiro estudo sistemático para determinar a deformabilidade de pavimentos, estabelecendo valores máximos
