Análise do Comportamento de Solos Estabilizados com Cinzas de RSU para Aplicação em Obras Geotécnicas
Aluna: Daniela Silva de Araújo Orientadora: Michéle Dal Toé Casagrande
Co-Orientadora: Lucianna Szeliga
Introdução
Atualmente uns dos maiores problemas da sociedade são a gestão e a disposição final de resíduos sólidos urbanos (RSU). Estima-se que anualmente sejam produzidas de 2 a 3 bilhões de toneladas de lixo urbano em todo o mundo (IPT/CEMPRE, 2010), com destaque para países em desenvolvimento, locais onde o uso de lixões e aterros sanitários se apresenta como prática comum para destinação dos resíduos. Tais fatos são agravados por diversas problemáticas como: falta de áreas apropriadas para a destinação desses resíduos, conflitos de uso de solo e contaminação de recursos naturais como a água e solo, sendo esta consequência da prática indevida de aterros sanitários e lixões.
A fim de se obter uma solução alternativa ecologicamente correta para estes problemas, o reuso e a reciclagem de materiais vêm sendo amplamente utilizados. Esta pesquisa propõe o uso de cinzas de resíduos sólidos urbanos como potencial material alternativo para uso em obras geotécnicas, sendo que estas cinzas são subprodutos de resíduos oriundos de aterros sanitários obtidos através da incineração em usinas geradoras de energia elétrica. Tal prática contribui para a redução do volume e do tratamento térmico do lixo.
A utilização de materiais alternativos em obras geotécnicas contribui para a redução dos custos e do uso de recursos naturais. No caso de solos que não atendem totalmente às necessidades e exigências de um projeto geotécnico, estes materiais os modificam melhorando suas propriedades e assim, obtém-se um novo material com resistência e deformabilidade adequadas para os fins desejados em obras. Cinzas volantes e cinzas de fundo de RSU têm capacidade de agir como estabilizantes de solos, sendo utilizados em obras como camadas de aterros sanitários, aterros sobre solos moles e na estabilização de taludes, por exemplo. Sendo assim, a presente pesquisa visa oferecer uma melhor forma de interpretar e compreender o comportamento de um tipo de solo arenoso em misturas de cinzas de RSU, trazendo um melhor fim para o lixo urbano e contribuindo com o meio ambiente.
Objetivos
Esta pesquisa tem como principal objetivo determinar a viabilidade do uso de cinzas de RSU, oriundas da Usina Verde S.A., como possível agente estabilizante a ser aplicado em um solo arenoso.
À partir de análises dos comportamentos físico, químico e mecânico do solo puro e de misturas com duas porcentagens de cinza de fundo e cinza volante (30% e 40%), almeja-se alcançar a melhoria dos parâmetros de resistência dos materiais. Além disso, deseja-se realizar estudos de misturas solo arenoso-cinza volante-cal para tempos de cura de 0, 60 e 90 dias.
O material estudado é composto de um solo arenoso sem fração fina que geralmente não apresenta grande aumento em sua resistência quando apenas a cal é adicionada. Sendo assim, a adição de cinza volante juntamente com a cal é uma possível forma de tornar viáveis reações pozolânicas e estabilizar o solo estudado.
À partir do objetivo geral buscou-se atingir os seguintes objetivos específicos: realização de ensaios normatizados de caracterização física e química do solo, das cinzas de RSU e das misturas cinza-solo; a avaliação do comportamento mecânico do solo puro, do solo misturado a diversos teores de cinza volante e de fundo e do solo misturado com cinza volante e cal, sendo esta avaliação realizada através de ensaios triaxiais consolidados isotropicamente drenados (CID) que fornecem parâmetros de resistência ao cisalhamento dos materiais; a análise da influência exercida pelos tipos e teores de cinzas acrescidas ao solo; a análise da influência exercida pela adição de cal e pelo tempo de cura nas misturas areia-cinza volante-cal e, por fim, através dos resultados, definir se existe viabilidade técnica e ambiental para o uso das misturas utilizadas na pesquisa, obtendo-se um novo material a ser aplicado em obras geotécnicas.
Metodologia
Foram realizados ensaios com misturas areia-cinza e areia-cinza-cal sendo estas compostas por solo arenoso proveniente da praia da Barra da Tijuca, cinza volante, cinza de fundo e cal. As porcentagens de cinzas foram variadas e adotou-se 3% de cal nas misturas nas quais esta foi aplicada. As misturas com cal foram analisadas a fim de se estabelecer o tipo de influência que o tempo de cura exercia sobre as propriedades dos materiais, logo, para solo-cinza-cal foram adotados tempos de cura de 0, 60 e 90 dias.
Primeiro foram feitos ensaios de caracterização física do solo puro e das misturas tendo como objetivo obter os índices físicos de todos os materiais estudados na pesquisa e tornar evidente os parâmetros que podem ser correlacionados com o desempenho mecânico dos mesmos. Posteriormente, à partir dos resultados dos ensaios de caracterização mecânica foi analisado o comportamento dos materiais, sendo que estes ensaios consistiram em ensaios triaxiais consolidados isotropicamente drenados (CID).
1 - Materiais Utilizados
Quatro materiais distintos foram utilizados: solo arenoso (A), cinza volante (CV), cinza de fundo (CF) e cal. Estes materiais foram trabalhados puros e em misturas obtidas com diferentes teores de cinzas e um teor de cal determinado de 3 %.
O solo arenoso (Figura 1.1) é proveniente da praia da Barra da Tijuca, cuja localização se encontra na zona oeste da cidade do Rio de Janeiro (RJ). O material foi coletado entre os postos 5 e 6, em frente ao condomínio Beton, à partir da escavação de um buraco com aproximadamente 40 cm de profundidade. Isso foi feito com o intuito de evitar que possíveis impurezas fossem coletadas juntamente com o solo, sendo que o mesmo foi devidamente armazenado em sacos plásticos.
Figura 1.1 - Solo arenoso utilizado no estudo
A cinza volante e a cinza de fundo (Figuras 1.2 e 1.3, respectivamente) foram obtidas através da incineração do Resíduo Sólido Urbano (RSU) realizada no mês de abril de 2013 na Usina Verde, que se encontra na Cidade Universitária da UFRJ, Ilha do Fundão, Rio de Janeiro (RJ). Nas cinzas de fundo existia a presença de um tipo de material mais grosseiro, além de restos de resíduos como fios de ferro, pilhas, azulejo, entre outros. Sendo assim, a cinza de fundo foi destorroada e passada na peneira #4 (4,74 mm) antes que todos os ensaios fossem feitos. Além disso, tanto a cinza de fundo quanto a cinza volante foram recebidas úmidas e armazenadas em sacolas plásticas.
Figura 1.3 - Cinza de Fundo de RSU
A Usina Verde é uma empresa brasileira de capital privado que traz soluções ambientais para a destinação final de resíduos sólidos urbanos e industriais. O RSU utilizado é coletado pela Companhia Municipal de Limpeza Urbana do Rio de Janeiro (COMLURB) em bairros próximos à Ilha do Fundão. Após a coleta, o mesmo lixo é levado para uma usina de triagem que se encontra no bairro do Caju (RJ), na qual ocorre a separação do material que passará pela incineração. Ao chegar na Usina Verde, o lixo passa por uma segunda triagem na qual segregam-se possíveis materiais recicláveis que não tenham sido separados na primeira fase de triagem. Cerca de 5% dos resíduos são reciclados ao longo deste processo e o restante é destinado à incineração.
As misturas utilizadas na pesquisa continham uma cal hidratada calcítica do tipo CH-III, comercialmente conhecida como "Cal Hidratada Itaú", da Votorantim Cimentos. É composta por um pó fino na forma de hidróxido de cálcio e magnésio, produzida de acordo com a NBR 7175/2003 - Cal Hidratada para Argamassas. Na Tabela 1.1 se encontram os dados técnicos fornecidos pelo fabricante, segundo as exigências da norma. Tendo como base o princípio de que o lote comercial atende às exigências da norma, não foi realizado nenhum ensaio de caracterização particular da cal, sendo a amostra de cal obtida em Abril de 2013 em um saco de 20 kg. Tal amostra foi utilizada ao longo de toda a pesquisa.
Tabela 1.1 - Exigências Físicas e Químicas da Cal (Fonte: Sandroni & Consoli, 2010)
Tipo da Cal CH I CH II CH III
Exigência Físicas Finura (% Retido Acumulado) Peneira 0,6mm (máx) 0,50% 0,50% 0,50% Peneira 0,075mm (máx) 10% 15% 15% Retenção de Água (mín) 75% 75% 70% Incorporação de Areia (mín) 3,00% 2,50% 2,20%
Estabilidade ausência de cavidades ou
protuberâncias
Na produção das misturas a serem usadas nos ensaios triaxiais foi utilizada água proveniente da rede pública de abastecimento da cidade do Rio de Janeiro. Porém, nos ensaios de caracterização física, usou-se água destilada a fim de atender às especificações da norma.
1.1 - Misturas Solo- Cinza
O solo e as cinzas usados na pesquisa foram secados em estufa a 60° C e, logo em seguida, armazenados em sacos plásticos vedados e guardados em uma câmara úmida. A preparação das misturas solo-cinza ocorreu da seguinte forma: primeiro calculou-se a quantidade de cada material individualmente em relação ao peso seco total que seria usado. Depois da realização da mistura a seco, tais materiais passaram por ensaios de caracterização física, química e mecânica que serão descritos mais à frente. Nos ensaios mecânicos foi adicionada uma quantidade de água suficiente para a obtenção da umidade determinada a ser utilizada no ensaio, e depois o mesmo material foi colocado em sacos plásticos com a finalidade de se preservar a umidade. Foram utilizadas as porcentagens de 30% e 40% de cinza volante e de cinza de fundo.
A determinação das porcentagens de cinzas foi baseada em pesquisas feitas por Vizcarra (2010), que analisou de que forma as cinzas de RSU influenciam em mistura com um solo regional submetido a um carregamento dinâmico e encontrou melhores resultados ao usar 40 % de cinza volante. A determinação também foi baseada em pesquisas feitas por Quispe (2013), que analisou a influência das cinzas misturadas a um solo argiloso submetido a um carregamento estático e que encontrou melhores resultados para a porcentagem de 40 % de cinza volante e de 30 % de cinza de fundo.
Com a realização de ensaios de cisalhamento direto no solo arenoso puro apresentando 5, 10, 15 e 20 % de umidade, determinou-se a umidade a ser utilizada nos ensaios. A melhor resistência do material foi obtida quando o mesmo possuía 10 % de umidade e, com isso, esta porcentagem passou a ser utilizada em todas as misturas e no solo puro.
1.2 - Misturas Solo- Cinza- Cal
Foi arbitrado o teor de cal de 3% em substituição ao peso seco das cinzas e a realização dos ensaios e da preparação das misturas ocorreu de forma igual às misturas solos-cinza. Seguem na Tabela 1.2 as siglas dos materiais usados no estudo:
Exigências Químicas Anidrido
Carbônico (CO2)
Fábrica (máx) 5% 5% 13%
Depósito (máx) 7% 7% 15%
Óxidos de Cálcio e Magnésio não hidratado calculado (CaO +MgO) (máx)
10% 15% 15%
Óxidos totais na base de não
Tabela 1.2 – Símbolos utilizados para os solos e misturas Material/Mistura % Solo % Cinza Volante (CV) % Cinza de Fundo (CF) Cal Símbolo Solo Arenoso 100 - - - A100 Mistura 1 70 30 - - CV30A70 Mistura 2 60 40 - - CV40A60 Mistura 3 70 - 30 - CF30A70 Mistura 4 60 - 40 - CF40A60 Mistura 5 70 27 - 3 CV27Cal3A70 Mistura 6 70 27 - 3 CV27Cal3A70_PM
Para misturas com tempo de cura de 0, 60 e 90 dias adicionou-se as siglas T0, T60 e T90, respectivamente. Já para as misturas pré-moldadas, foi adicionada a sigla PM ao seu respectivo símbolo.
2 - Métodos e Procedimentos de Ensaio
A seguir são apresentados os ensaios laboratoriais realizados ao longo da pesquisa com o intuito de se obter uma caracterização física, química e mecânica do solo e das misturas solo-cinza e solo-cinza-cal. Através de ensaios Triaxiais Consolidados Isotropicamente Drenados parâmetros de resistência foram obtidos visando a avaliação da aplicabilidade das cinzas volante e de fundo como estabilizantes do solo estudado.
a) Propriedades físicas e de classificação dos materiais: - Densidade Real dos Grãos;
- Índice de vazios máximo e mínimo do solo; - Análise granulométrica.
b) Propriedades mecânicas:
- Ensaio Triaxial Consolidado Isotropicamente Drenado.
2.1 - Ensaios de Caracterização Física
A amostra de solo arenoso e as misturas estudadas passaram por ensaios de
caracterização física, realizados no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio, com o fim de se determinar suas propriedades índice. Estes ensaios foram feitos de acordo com os procedimentos normatizados pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), seguindo os métodos determinados pelas seguintes normas:
NBR 6457/1986 – Amostras de Solos – Preparação para Ensaios de Compactação e Caracterização;
NBR 7181/1984 – Solo – Análise Granulométrica;
NBR 6508/1984 - Solo - Determinação da densidade real dos grãos;
NBR 12004/1990 – Solo – Determinação do índice de vazios máximo de solos não coesivos;
NBR 12051/1991 – Solo – Determinação do índice de vazios mínimos de solos não coesivos.
2.1.1 - Densidade Real dos Grãos:
Os grãos do solo e das misturas solo-cinza e solo-cinza-cal tiveram suas densidades reais determinadas através dos procedimentos descritos pela norma NBR 6508 (ABNT, 1984), nos quais foi utilizado o material passante na peneira #40 (0,425 mm). Deste material passante na peneira #40 e seco em estufa a 105° C, foram usadas aproximadamente 100 gramas. Depois, foram colocadas 30 gramas da amostra de material em três picnômetros de 250 ml e acrescentou-se água nos mesmos a fim de fazer com que todo o solo ficasse submerso. Com o auxílio de uma válvula a vácuo, foi realizado o processo de deaeração da mistura, de modo a retirar todo o ar que estivesse presente nos vazios do solo. Logo após, preencheu-se lentamente o restante do volume com água destilada, tomando o devido cuidado para que não ocorresse entrada de ar. Devido a aplicação de vácuo a temperatura dos picnômetros sofreu uma baixa e, com isso, os picnômetros foram deixados imersos em banho-maria a fim de que a temperatura dos mesmos se equilibrasse. Posteriormente, pesou-se cada conjunto (picnômetro+solo+água) e após a obtenção deste valor, houve um descarte do material seguido do preenchimento do picnômetro com água destilada. Pesou-se então o novo conjunto (picnômetro+água). Para a determinação da temperatura da água foi utilizado um termômetro, atentando-se para garantir que a temperatura do primeiro conjunto fosse igual a temperatura do segundo conjunto quando os mesmo estavam dispostos em banho-maria.
2.1.2 - Análise Granulométrica:
A curva granulométrica do solo, das cinzas puras e das misturas feitas foi determinada de acordo com a norma NBR 7181 (ABNT, 1984). Assim, peneirou-se 1000 gramas do material na peneira #40 (0,425 mm). Depois, o material retido nesta peneira foi lavado e secado por 24 horas em estufa a 105° C, sendo este período de secagem sucedido por um processo de peneiramento grosso.
Para a sedimentação utilizou-se 70 gramas do material passante na peneira #40. Misturou-se este material com 125 ml de uma solução de hexametafosfato de sódio e deixou-se o mesmo em repouso por cerca de 12 horas. Depois, submeteu-se o material à dispersão mecânica sendo que, em seguida, transferiu-se o mesmo para uma proveta de 1000 ml no qual o restante do volume foi preenchido com água destilada. Com isso, foram realizadas as devidas leituras.
Após a sedimentação lavou-se todo o material na peneira #200. Deste material, a parte que ficou retida foi levada à estufa a fim de passar pelo processo de secagem e, posteriormente, ser submetido ao peneiramento fino.
O solo arenoso utilizado na pesquisa só precisou passar pelo processo de peneiramento grosso. Como as cinzas são compostas por fração grossa e fina o ensaio foi realizado através da granulometria conjunta, que engloba as etapas de peneiramento e sedimentação das mesmas e das misturas solo-cinza.
2.1.3 - Índices de Vazios Máximos e Mínimos:
Tanto o solo puro quanto as misturas tiveram seus índices de vazios máximos e mínimos determinados com o auxílio de um funil, de um cilindro metálico e de uma mesa vibratória. Primeiro, obteve-se as dimensões do cilindro metálico e com esses dados o volume do mesmo foi calculado. Também obteve-se o valor de seu peso.
O índice de vazios máximo foi determinado de acordo com a norma NBR 12004/1990. Primeiro, a amostra de material foi homogeneizada e, em seguida, despejada no cilindro metálico com o auxílio do funil, atentando-se para que a altura da
queda do material fosse constante e que o material ficasse no estado mais fofo possível. Ao longo do procedimento, com movimentos circulares, o funil foi movido de forma constante da borda para o centro do molde, de modo que as camadas tivessem espessuras uniformes. O molde foi então preenchido até 1 a 2 cm acima do topo, retirando-se o excesso de material com uma régua biselada. Depois, pesou-se o conjunto.
O índice de vazios mínimo foi obtido de acordo com a norma NBR 12051/1991. O processo de homogeneização e o modo como o funil foi utilizado para o despejo do material ocorreram da mesma forma que a descrita para a obtenção do índice máximo. Primeiro, 1/3 do volume do cilindro foi preenchido com o funil. Depois, colocou-se um disco-base e um peso no seu interior com o objetivo de aplicar uma sobrecarga no material. Fixou-se o cilindro à uma mesa vibratória por cerca de 1 minuto. Repetiu-se este processo por 3 camadas, até que o cilindro estivesse preenchido até 1 a 2 cm acima do topo. Logo após, o excesso de material foi retirado e o conjunto foi então pesado.
O processo foi repetido 3 vezes para a obtenção dos dois índices de modo a se conseguir um resultado mais preciso. Os dois tiveram seus valores finais definidos através de uma média das 3 repetições.
2.2 - Ensaios de Caracterização Química
Ensaios de “Espectometria de fluorescência de Raios-X por Energia Dispersiva
(EDX)”, “Ensaio para determinação de matéria orgânica” e “Ensaio de Solubilização e Lixiviação” foram realizados nas cinzas de fundo e cinza volante com o objetivo de
se determinar os componentes químicos presentes, além de classificar e detectar a possível existência de periculosidade destas cinzas resultantes de queima de RSU. Tais ensaios são fundamentais pois é necessário saber se estes resíduos são perigosos e inertes, informações que definem qual a melhor forma de disposição final dos resíduos estudados.
Com os ensaios de Espectrometria de fluorescência de Raio-X por Energia
Dispersiva (EDX)” realizados nas cinzas puras e na mistura cinza-solo-cal, as
concentrações de seus elementos químicos foram analisadas e assim a composição química total das amostras foi determinada. Tais elementos foram determinados qualitativamente e semi-quantitativamente com o uso do espectrômetro de fluorescência de raios-X. O equipamento utilizado nesse ensaio pertence ao Laboratório de Química da PUC-Rio e consiste em um equipamento do modelo EDX-700.
2.3 - Ensaios de Caracterização Mecânica
Um solo pode ter sua resistência ao cisalhamento definida como a tensão máxima que o mesmo pode suportar sem que ocorra ruptura, ou como sendo a tensão cisalhante que atua no plano em que ocorre a ruptura. Esta tensão pode ser obtida através da análise do pico das curvas tensão versus deformação traçadas em função da diferença de tensões principais (σ1-σ3) ou da relação σ1/σ3 , o que depende do objetivo do ensaio.
O ensaio de compressão triaxial pode ser utilizado para determinar-se os parâmetros de resistência ao cisalhamento por ser um dos ensaios mais confiáveis. Com a finalidade de se realizar uma verificação das propriedades mecânicas dos materiais e das misturas, foram feitos ensaios triaxiais do tipo consolidado isotropicamente drenado (CID).
Nos ensaios foi utilizada uma prensa da marca Wykeham-Ferrance com velocidade de deslocamento controlada e com capacidade de 10 toneladas. As velocidades de deslocamento do pistão foram ajustadas com a seleção adequada de pares de engrenagens e respectiva marcha. Já a câmara triaxial utilizada é própria para corpos de prova com 1,5" de diâmetro, além de possuir um corpo de acrílico capaz de suportar uma pressão confinante máxima de 1000 kPa (Ramírez, 2012).
O fabricante da célula de carga é a ELE International Ltda, sendo que a mesma possui capacidade máxima de 5000 kN e exatidão de 0,1 kN. Os deslocamentos foram determinados através do uso de LVTD's da marca Wykwham-Farrance, com cursos de 25 mm e resolução de precisão de 0,01 mm. A medida das pressões na câmara, no medidor de variação de volume e das propressões foi feita com um transdutor da marca
Schaevitz, que possui variações de de ± 2,0 kPa e capacidade máxima de 1700 kPa
(Ramírez, 2012). Os medidores de variação volumétrica foram fabricados na PUC-Rio de acordo com o modelo do Imperial College. Já para a gravação dos dados fornecidos pelos transdutores um sistema de aquisição de dados composto pelo hardware QuantumX de oito canais da empresa alemã HBM e pelo software CatmanEasy foi utilizado. Através deste sistema ocorre um monitoramento contínuo dos dados e do comportamento dos corpos de prova ao longo de todo o ensaio.
2.3.2 - Corpos de Prova: a) Misturas sem cura
Do solo arenoso puro e das misturas com diferentes teores e tipos de cinza, foram confeccionados corpos de prova por meio da compactação dos mesmos em um molde cilíndrico tripartido (Figura 2.1). Tal compactação foi feita de modo manual em aproximadamente 6 camadas. Os valores de umidade e densidade relativa utilizados foram de 10% e 50%, respectivamente, sendo eles usados tanto para a areia pura quanto para as misturas.
Figura 2.1 - Molde Tripartido
Para a moldagem dos corpos de prova foi necessário fazer o cálculo da quantidade de material necessária para que o molde cilíndrico tripartido fosse preenchido de modo que os parâmetros de compactação fossem seguidos.
Como citado anteriormente, a cinza de fundo possuía um material mais grosseiro e, por isso, a mesma foi passada na peneira #20 (0,84mm). O material que ficou retido na peneira foi então descartado enquanto que o material passante foi usado nos ensaios triaxiais.
Para a moldagem dos corpos de provas foram realizados os seguintes procedimentos: primeiramente coloca-se a membrana na base do equipamento e
insere-se o'rings para vedação da membrana com um bipartido. Depois, fixa-insere-se o molde tripartido na mesma base com uma abraçadeira metálica. Vedam-se as juntas com uma fita adesiva e dois dos três furos de acesso ao interior do molde. Colocam-se então dois o'rings na parte superior do molde tripartido e ajusta-se a membrana por cima do mesmo. Para possibilitar a inserção do material e a moldagem dos corpos de prova se conecta uma bomba a vácuo ao tripartido, aplicando-se uma sucção na membrana. Com a membrana succionada coloca-se o papel filtro sobre a pedra porosa e se inicia a moldagem do corpo de prova por meio de compactação das 6 camadas. Com o corpo de prova moldado, coloca-se o papel filtro, a pedra porosa e o cap na marte superior dele, fixando-a com o auxílio dos o'rings. Desmontam-se os acessórios que contribuem na moldagem do corpo. Depois, a câmara triaxial é colocada no equipamento, vedada e preenchida com água.
b) Misturas com cura
Apenas uma mistura passou por ensaios com cura, sendo esta mistura a que continha teor de cinza volante de 27%, 3% de cal e 70% de solo (CV27Cal3A70),
variando-se o tempo de 0 a 90 dias. A fim de se avaliar a influência do tempo de cura na resistência do material foram utilizados dois métodos diferentes (M1 e M2). Para estes ensaios a mistura solo-cinza-cal foi realizada conforme descrito nos itens 1.1 e 1.2, acrescentando-se a quantidade de água necessária para a obtenção do teor de umidade definido. O material foi colocado em sacos plásticos vedados e levados à câmara úmida, sendo mantidos no local até que atingissem o tempo de cura almejado para a realização do ensaio. Depois, os corpos de prova foram moldados conforme as descrições citadas no item 2.3.2.a).
Após o material atingir o primeiro tempo de cura (60 dias), a formação de grumos na massa total do material foi observada. Tal fato era um indicativo de uma maior adesão entre as partículas, porém, para ser utilizado no método de preparação do corpo de prova para ensaios triaxiais com areia, esse material teve que ser destorroado, o que pode ter alterado a resistência do mesmo. Por isso, um segundo método foi pensado para a realização dos ensaios com cura para a areia. Para o segundo método (M2), a mistura foi guardada em sacos plásticos que foram deixados em uma câmara úmida por um dia, com o objetivo de se obter uma maior homogeneização da umidade. Depois, a pré-moldagem dos corpos de prova foi realizada fora do equipamento triaxial para que assim os corpos fossem curados já prontos, sendo ensaiados após o tempo determinado.
A moldagem do corpo de prova para este método foi realizada da seguinte forma: moldes bipartidos foram feitos de tubo PVC com as mesmas dimensões do molde tripartido. Também fez-se uma base para moldagem do corpo de prova. Depois a membrana foi fixada à base e inseriu-se o bipartido de PVC ao conjunto. Vedou-se as juntas com uma fita adesiva e a membrana foi então acomodada na parte superior do tubo. Logo após, uma bomba a vácuo foi conectada ao bipartido e uma sucção foi aplicada na membrana. Com a membrana succionada foi iniciado o preenchimento do molde por meio da compactação de camadas até que todo o seu volume estivesse preenchido com a quantidade de material calculada anteriormente. Finalizada a montagem, o corpo de prova foi vedado no molde com papel insulfilme a fim de evitar a perda de umidade e preservar o corpo. Sete corpos de prova foram moldados, vedados e armazenado em uma caixa na câmara úmida para que, após o tempo de cura determinado, fossem ensaiados.
A seguir estão os procedimentos realizados para a transferência do corpo de prova para o equipamento triaxial: utilizando um bipartido, os o'rings de vedação foram transferidos para a base mais grossa do equipamento. Posicionou-se a pedra porosa da
base e o papel filtro na base do corpo de prova. Tirou-se a vedação do corpo de prova pré-moldado, apoiou-se uma de suas faces na base, encaixou-se a membrana na base do equipamento e transferiram-se os o'rings de vedação da base para a membrana. As fitas que estavam sendo usadas para vedar e unir o bipartido de PVC foram descoladas, desconectando-o do corpo de prova. O tripartido foi fixado ao redor do corpo de prova com a finalidade de protegê-lo e tornar possível a colocação do papel filtro, da pedra porosa e o cap do topo. Com o tripartido foi realizada a transferência dos o'rings para o
cap para vedação superior e, depois, retirou-se o tripartido do corpo de prova.
Colocou-se a câmara triaxial no equipamento e, em Colocou-seguida, a mesma foi vedada e preenchida com água para que o ensaio fosse realizado.
2.3.3 - Saturação dos Corpos de Prova:
Nos corpos de prova do solo puro e das misturas foi realizada a técnica de saturação por percolação de água através das amostras, e saturação por contrapressão. Por meio da percolação, o gradiente de pressão entre a base e o topo do corpo de prova foi de 5kPa, com a percolação ocorrendo da base para o topo. Já através da contrapressão, a pressão confinante aplicada no corpo de prova excedia a contrapressão em 10 kPa, no qual o fluxo de água era permitido pelo topo e base.
Com o intuito de se verificar o grau de saturação as pressões foram monitoradas e o parâmetro B de Skempton foi calculado à partir da seguinte equação:
(Equação 1)
sendo:
Δu: excesso de poropressão gerado,
Δσc: acréscimo de tensão confinante aplicada.
Para a areia pura e para as misturas, os corpos de prova possuíam valores de parâmetro B aceitáveis entre 0,83 e 0,87. Porém, caso os valores obtidos fossem iguais ou maiores que 0,9 ocorreria um processo de saturação com duração de pelo menos quatro dias. Além da medição do parâmetro B, foi realizado o monitoramento da quantidade de água que percolava através da amostra, considerando-se que a mesma estava saturada quando era atingido um volume percolado de duas vezes o volume de vazios do corpo de prova.
Depois que o corpo de prova foi saturado, iniciou-se a fase de adensamento isotrópico e conforme ocorria o adensamento, dados da variação de volume eram coletados. Com os dados obtidos traçou-se o gráfico da variação volumétrica (ml)
versus a raiz do tempo (min0,5 ). De acordo com Head (1986), para se calcular a velocidade de cisalhamento deve-se obter o valor de t100 (min). Fazendo-se o
prolongamento do trecho retilíneo inicial até encontrar a prolongação horizontal do trecho final (correspondente à estabilização das variações de volume), obtém-se um ponto de interseção destas linhas, o que fornece a raiz de t100 (min0,5) no eixo das
abscissas.
Devido ao fato de os ensaios triaxiais terem sido drenados, utilizou-se a seguinte expressão:
( Equação 2)
sendo:
ν: velocidade máxima de cisalhamento em mm/min, L: altura do corpo de prova em mm,
εf: deformação axial estimada na ruptura em %,
tf: tempo mínimo de ruptura em minutos.
Para um ensaio triaxial do tipo CID o valor de tf é obtido multiplicando-se por 8,5
vezes o valor de t100. Mas se o valor de tf for menor que 120 min, Head (1986) sugere
que seja utilizado o valor mínimo de 120 min. Para os corpos de prova de solo puro e de misturas foram obtidos valores de tf menores que 120 minutos, logo, foi adotado tf igual
a 120 minutos. Assim, foi determinado que a ruptura ocorreria a uma deformação axial de 5% e com isso foi calculada uma velocidade máxima (ν) de 0,030 mm/min que era a mesma para todos os ensaios. À partir da definição da velocidade de cisalhamento, o par de engrenagens a ser colocado na prensa foi selecionado. Esta prensa forneceria a velocidade desejada. Foi adotado como deformação máxima o valor de 18%
Para os ensaios triaxiais, as variantes de tensão q (tensão de desvio) e p’ (tensão efetiva média normal) foram calculadas com as formulações de Lambe.
As análises e os resultados do ensaios realizados ao longo da pesquisa são apresentados à seguir:
O solo arenoso estudado é composto de uma areia média, limpa e de granulometria uniforme. Não foi detectada presença de matéria orgânica em sua composição. Seus índices físicos são: densidade real dos grãos (Gs) de 2,65; coeficiente
de uniformidade (Cu) de 1,76; coeficiente de curvatura (Cc) de 1,1; diâmetro efetivo
(D10) de 0,33 mm; diâmetro médio (D50) de 0,55 mm; índice de vazios mínimo (emín) de
0,51 e índice de vazios máximo (emáx) de 0,74.
Através do ensaio de análise granulométrica foram obtidas as frações que constituem o solo estudado e, à partir destas frações, o mesmo foi classificado de acordo com o Sistema Unificado de Classificação dos Solos (SUCS) como SP, sendo então o solo uma areia mal graduada.
O peso específico real dos grãos é a relação entre a massa e o volume dos grãos. Através de ensaio ocorre a determinação do volume de material sólido de massa conhecida, de modo que o volume de vazios seja excluído. Os materiais puros e as misturas passaram por este ensaio, sendo os resultados do mesmo apresentados nas tabelas 3.1 e 3.2.
Tabela 3.1 – Resultados do ensaio de densidade real dos grãos para o solo, cinza volante e misturas. Amostra Teor de Cinza (%) Teor de Cal (%) Densidade real dos Grãos (Gs) A 0 - 2,654 CV30A70 30 - 2,637 CV40A60 40 - 2,628 CV27Cal3A70 27 3 2,730 CV 100 - 2,596
Tabela 3.2– Resultados do ensaio de densidade real dos grãos para o solo, cinza de fundo e misturas. Amostra Teor de Cinza (%) Densidade real dos Grãos (Gs)
A 0 2,654 CF30A70 30 2,649
CF40A60 40 2,642
CF 100 2,638
Como a densidade real dos grãos das cinzas puras é menor do que o do solo puro, e as misturas possuem valores entre os dos materiais puros, temos um indicativo de que ao se adicionar cinza volante ou de fundo ao solo, um material mais leve poderá ser obtido, enquanto que a mistura com cal é mais densa.
A figura 3.1 mostra as curvas granulométricas do solo, da cinza volante e da cinza de fundo. A figura 3.2 mostra as curvas granulométricas do solo, da cinza volante e das misturas do solo com 30% e 40% de cinza volante. Através da visualização dos gráficos é possível ver a influência provocada pela adição das cinzas de RSU na composição granulométrica do material.
Figura 3.2 – Curvas granulométricas do solo, cinza volante e misturas do solo com 30% e 40% de cinza volante.
A cinza volante de RSU possui alta fração de material fino, correspondendo então à granulometria silte, possuindo também uma fração correspondente a uma areia média. Com as misturas o material obtém uma granulometria intermediária aos materiais puros, porém sendo mais bem graduado que a areia pura e mais uniforme que a cinza volante. Ao adicionar-se 40% de cinza volante , a mistura adquire uma maior quantidade de finos e uma menor quantidade de areia média, quando comparado com a mistura de 30%.
Na figura 3.3 está apresentada a comparação entre as curvas granulométricas do solo, da cinza de fundo e da mistura do solo com 30% e 40% de cinza de fundo.
Figura 3.3 – Curvas granulométricas do solo, cinza de fundo e misturas do solo com 30% e 40% de cinza de fundo.
Com a adição desta cinza ao solo é obtido um material semelhante à areia e à cinza pura, contendo em maior parte uma fração areia e uma pequena quantidade de finos por causa da inserção de finos. Para as misturas obtidas com a adição de ambas as cinzas é de se esperar uma estabilização física do solo, já que a textura e a granulometria inicial foram alteradas, tornando o material mais bem graduado que o solo puro.
Seguem na tabela 3.1 os índices dos materiais de acordo com o Sistema Unificado de Classificação dos Solos (SUCS):
Tabela 3.1 – Classificação SUCS dos materiais.
Amostra Índice Nome
Areia SP areia mal graduada
Cinza Volante ML silte com areia CV30A70 SM areia siltosa CV40A60 SM areia siltosa Cinza de Fundo SM areia siltosa
CF30A70 SP areia mal graduada CF40A60 SP areia mal graduada
Quanto à composição química, os principais elementos encontrados nas duas cinzas são: Si, Ca, Fe, Al, Cl, Na, K, S, Zn. Através da técnica de oxidação com dicromato de potássio em meio sulfúrico realizado no Laboratório de Geotecnia/Química de Solos da COPPE/UFRJ por Vizcarra (2010), determinou-se a matéria orgânica da cinza de fundo e da cinza volante, conforme mostrado na tabela 3.2:
Tabela 3.2 – Teor de matéria orgânica da cinza de fundo e volante (Vizcarra, 2010).
Amostra Carbono Orgânico
Matéria Orgânica
(g/kg) (%) (g/kg) (%)
Cinza Volante 4,52 0,452 7,80 0,780 Cinza de Fundo 78,40 7,840 135,00 13,500
Ambas as cinzas foram classificadas como Não Perigosos (Resíduo Classe II), de acordo com os limites máximos permitidos estabelecidos no anexo F da Norma ABNT/NBR 10004:2004. Já através do ensaio de solubilização e de acordo com o anexo G, a cinza volante foi classificada como sendo uma amostra de Resíduo Classe
IIA – Não Inerte e a cinza de fundo uma amostra de Resíduo Classe IIA – Não Inerte.
Como resultados dos ensaios de caracterização mecânica foram obtidas trajetórias, envoltórias de resistência e parâmetros de resistência ao cisalhamento, além de uma análise da influência do tipo de cinza, dos teores e do tempo de cura no comportamento das amostras durante o cisalhamento. Curvas de tensão desviadora versus deformação axial foram obtidas em ensaios triaxiais para o solo e para as misturas. Como exemplo, a figura 3.4 mostra a curva obtida para a mistura CV27Cal3A70_T60_PM, cujo ensaio foi
realizado com o corpo de prova pré moldado (Método 2) no tempo de cura de 60 dias, em compressão axial nas tensões confinantes de 50, 150 e 250 kPa.
Figura 3.4 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a mistura CV27Cal3A70_T60_PM em ensaios triaxiais.
Pode-se visualizar um exemplo das envoltórias e parâmetros de resistência ao cisalhamento obtidos na figura 3.5 . As envoltórias estão plotadas no espaço p':q.
Figura 3.5 – Comparação entre as envoltórias de resistência do Solo Puro (A100) e
misturas CV30A70 e CF30A70.
Como resumo e comparação geral dos valores de coesão e ângulos de atrito para o solo arenoso e para todas as misturas estudadas, sendo elas com tempo de cura ou não, segue a tabela 3.3.
Tabela 3.3 – Resumo dos valores de coesão e ângulo de atrito para o solo puro e misturas solo-cinza e solo-cinza-cal estudadas no presente trabalho.
Parâmetros de Resistência – Deformação axial de 17%
Misturas Parâmetros de Lambe Parâmetros de Mohr
a (kPa) α (°) c (kPa) ф (°) A 0 29,1 0 33,82 CV30A70 7,91 28,07 9,35 32,23 CV40A60 0 27,96 0 32,06 CF30A70 11,42 28,73 13,65 33,24 CF40A60 6,96 28,9 11,37 33,50 CV27Cal3A70_T0 2,31 26,37 2,66 29,72 CV27Cal3A70_T60 1,57 29,73 1,91 34,82 CV27Cal3A70_T90 0 27,42 0 31,25 CV27Cal3A70_T60_PM 0 30,52 0 36,12
À partir dos resultados obtidos observou-se que as misturas demonstraram ter um comportamento parecido com o do solo puro, levando em consideração deformações axiais mais elevadas, quando ganhos de resistência das misturas ainda têm tendência a crescer ou se tornam constantes com valores superiores ou iguais aos do solo puro. Por isso pode-se dizer que tanto a cinza volante quanto a de fundo pode ser inserida, já que
os parâmetros de resistência não passam por consideráveis alterações ou sofrem melhorias. No que diz respeito à cinza volante, as misturas com 30 e 40% mostraram ter praticamente o mesmo ângulo de atrito, havendo apenas uma diferença de décimos entre os seus valores. Com relação ao solo puro, a diferença foi de cerca de menos 1,6°. A mistura com 30% teve um ganho de coesão de 9,35 kPa. Com isso, a porcentagem ótima considerada é de 40% por esta utilizar um maior volume de resíduo.
Dentre as misturas com cinza de fundo, as porcentagens de 30 e 40% mostraram ter quase o mesmo ângulo de atrito, diferindo-se do solo puro em apenas alguns décimos. As misturas CF30A70 e CF40A60 também possuíam um aumento no valor de
coesão de 13,65 kPa e 11,37 kPa, respectivamente. Assim, a porcentagem ótima de cinza de fundo a ser considerada é de 40% .
A diferença entre os ângulos de atrito da cinza volante e da cinza de fundo foi de aproximadamente 1 a 1,5°. As misturas com cinza de fundo tiveram maiores valores de coesão do que as misturas com cinza volante. Por isso, dentre as misturas sem cal, a que apresentou um comportamento mais semelhante ao solo foi a CF40A60. Das misturas
com cal e cura a que teve uma piora significativa foi a CV27Cal3A70, obtendo uma queda
de 4° no ângulo de atrito mas com pequeno aumento de coesão no material. A mistura CV27Cal3A70_T90 demonstrou ter tido uma queda de 2,6° no ângulo de atrito ao ser
comparado ao solo puro, porém sem acréscimo da coesão. A mistura CV27Cal3A70_T60
foi a que apresentou melhores resultados, com 60 dias de cura, obtendo valores de ângulo de atrito e de coesão maiores que os do solo puro.
Durante a comparação dos métodos de moldagem do corpo de prova, a mistura com pré-moldagem CV27Cal3A70_T60_PM demonstrou ter tido um ganho significativo
no ângulo de atrito, com o acréscimo de 2,3° quando comparado ao do solo, sendo que não apresentou coesão.
Ao se misturar a cinza volante com água e cal, a mesma reage com a sílica e a alumina presentes na composição da cinza, formando componentes cimentícios. O solo granular obtém uma estabilização química fornecida pela mistura cinza-cal, adquirindo melhorias na resistências através da adição de pequenas quantidades de ligantes nos pontos de contatos dos grãos.
Anteriormente, em 2013, Quispe avaliou o comportamento de um solo argiloso estabilizado com cinzas de RSU oriundas da Usina Verde. Esta avaliação foi realizada com ensaios de caracterização física, química e mecânica. Com ensaios triaxiais estáticos foi analisada a influência nos parâmetros de resistência do material provocada pelos dois tipos de cinzas, com o teor usado (20, 30 e 40%) e com tempo de cura (0,30 e 60 dias). O resultados desta pesquisa mostraram que todas as misturas solo-cinza tiveram uma melhoria nos parâmetros de resistência em comparação ao solo puro. Porém, as misturas solo- cinza volante tiveram melhores resultados. Conforme mostra o autor, as misturas com 40% de cinza volante e 30% de cinza de fundo demonstraram ter as melhores características de resistência e poderiam ser usadas com estabilizantes. A mistura com 60 dias de cura mostrou ter parâmetro muito parecidos com a mesma mistura sem cura.
Como o solo argiloso possui coesão maior que o solo arenoso e ângulo de atrito menor, tanto a adição de cinza volante quanto a adição de cinza de fundo tornam os seus ângulos de atrito parecidos com os do solo arenoso puro e misturas deste com as cinzas. Isso deve ocorrer devido ao fato de ambas as cinzas possuírem granulometria arenosa, tornando o solo argilo-arenoso mais semelhante a uma areia. Além disso, quando cinzas volantes são adicionadas com cal a um solo arenoso, as mesmas promovem reações pozolânicas, porém, um solo argiloso geralmente já possui componentes necessários para tais reações. Assim, realizando comparações entre as misturas com os dois tipos de
solos, a mistura que possui maior ângulo de atrito é a CV27Cal3A70_T60, sendo
semelhante à mistura SP60CV40 feita com o solo argiloso. Logo, a inserção das cinzas
em ambos os solos se mostra viável no intuito de estabilizá-los.
Conclusão
Com base nos resultados obtidos ao longo da pesquisa conclui-se que, tanto a cinza volante quanto a cinza de fundo de RSU quando adicionadas ao solo arenoso fornecem um novo tipo de material que, quando comparado ao solo puro, apresenta características semelhantes a ele, ou seja, ocorre pouca alteração nos parâmetros de resistência do material puro ou pouca melhoria destes mesmos parâmetros.
Como principais conclusões a respeito da adição de cinzas de RSU ao solo estudado pode-se apresentar:
Com base no sistema de classificação SUCS o solo foi classificado como sendo do tipo SP (areia mal graduada), a cinza de fundo como sendo SM (areia siltosa) e a cinza volante como ML (silte com areia). As misturas com 30 e 40% de cinza volante e as misturas com 30 e 40% de cinza de fundo foram classificadas como SM (areia siltosa) e SP (areia mal graduada), respectivamente;
A análise da composição química da cinza volante mostrou que a mesma possui teores médios de SiO2, Al2O3 e Fe2O3 e elevado teor de CaO, além de
baixos teores de matéria orgânica. Esses elementos, quando estão em conjunto, viabilizam a ocorrência de reações pozolânicas que fazem parte do processo de estabilização química do solo, influenciando nos resultados das misturas solo-cinza-cal. Já a cinza de fundo possui maiores teores de SiO2,
Al2O3 e Fe2O3 e de matéria orgânica em comparação com a cinza volante
pura;
A cinza volante foi classificada como Resíduo Classe II A – Não inerte por apresentar como parâmetros Alumínio, Cloretos, Cromo Total, Sulfato (expresso como SO4) e Fenóis Totais com valores de concentrações maiores
que os valores máximos permitidos no ensaio de solubilização. Quanto a cinza de fundo, a mesma foi classificada como Resíduo Classe II A – Não
Inerte, por ter como parâmetros Cloretos, Sódio, Sulfato (expresso como
SO4) e Fenóis Totais com valores acima dos permitidos por norma;
A mistura com 40% de cinza de fundo (CF40A60 ) obteve resultados melhores nos parâmetros de resistência, porém, sendo praticamente igual ao solo puro e demonstrando ter um ganho de 11,37 kPa de coesão. Além disso, todas as outras misturas se mostraram viáveis por terem parâmetros de resistência bem parecidos com os do solo puro;
Tanto as misturas com cinza volante como cinza de fundo apresentam 40% como sendo a melhor porcentagem, já que os parâmetros de resistência dessas misturas se mostraram praticamente iguais aos do solo puro e um maior volume de resíduo é utilizado;
Como acredita-se que o aumento do tempo de cura torna viáveis as reações químicas que ocorrem entre os materiais, ele contribui para que exista uma maior cimentação do material, aumentando assim a sua resistência. Porém, ao longo da pesquisa observou-se que a 0 dias de cura o material apresentou uma piora, sendo aos 60 dias de cura superior ao solo puro, e perdendo resistência com 90 dias de cura. Logo, a mistura CV27Cal3A70_T60 foi a que apresentou
melhor resultado, com maiores valores de coesão e de ângulo de atrito do que o solo puro;
O maior ganho de resistência ocorreu na mistura com tempo de cura de 60 dias;
Com base nos resultados dos ensaios triaxiais CID, conclui-se que todas as misturas se tornam iguais ao solo quando submetida a baixas tensões confinantes (50 kPa) sendo que, a mistura solo-cinza quando submetida a essa tensão, tem um crescimento de resistência até aproximadamente 2 a 3% de deformação axial, mantendo-se constante depois deste ponto, fato que também foi observado com o solo puro;
Para tensões confinantes de 150 e 250 kPa, misturas solo-cinza têm resistência menor que o solo puro para baixas a médias deformações axiais, podendo se tornar igual ou superior ao mesmo em relação ao seu valor. Assim, foi feita a análise dos parâmetros de resistência de todos os materiais à deformação axial de 17%;
À partir da análise da variação volumétrica dos materiais durante o cisalhamento, nenhuma mistura apresentou um padrão de comportamento. Com os resultados obtidos concluiu-se que a adição das duas cinzas ao solo arenoso estudado é viável, já que os parâmetros de resistência e de deformabilidade dele melhoraram ou não causaram significativas alterações.
Referências
[1] ABRELPE. Panorama dos resíduos sólidos no Brasil. Associação Brasileira de Empresas de Limpeza Pública e Resíduos Especiais, São Paulo, 2012
BAPTISTA, C. F. N. Pavimentação. Editora Globo, Tomo II, 2ª ed, Porto Alegre: Globo, 1976.
[2] DAS, BRAJA M. Principios de Ingenieria de Cimentaciones. PWS, 4ª ed., Thomsom Learning, Mexico, p. 764-813, 2001.
[3] FUNDAÇÃO NACIONAL DA SAÚDE. Manual de Saneamento. 3ª Ed. rev. – Brasília: Ministério da Saúde/FUNASA, 2007.
[4] LAMBE, T. W. & WITHMAN, R. V. Soil Mechanics. John Wiley & Sons, Inc. Editorial, New York, 582 p. 1969.
[5] LAM, C. H. K., ALVIN, W. M., BARFORD, J. P., McKAY, G. Use of incineration MSW ash: A review. Journal of Sustainability, 2, 1943-1968; doi:10.3390, 2010.
[6] PINTO, C. S. Curso básico de mecânica dos solos. Editora Oficina de Textos, 264 p, 2006.
[7] QUISPE, C. Q. Comportamento de um solo argiloso estabilizado com cinzas de resíduo sólido urbano (RSU) sob carregamento estático. Dissertação de mestrado, PUC-Rio, Rio de Janeiro-RJ, 2013.
[8] RAMIREZ, G.G.D., Estudo experimental de solos reforçados com borracha moída de pneus inservíveis. Dissertação de Mestrado, PUC-RJ, Rio de Janeiro-RJ, 2012. [9] VIZCARRA, G.O.C. Aplicabilidade de Cinzas de Resíduo Sólido Urbano para Base de Pavimentos. Dissertação de Mestrado, PUC-Rio, Rio de Janeiro-RJ, 2010.
