Análise do Comportamento Mecânico e Ambiental de Misturas Solo-Cinzas de Carvão Mineral para Camadas de Base de Pavimentos

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Louise dos Santos Erasmi Lopes

Análise do Comportamento Mecânico e Ambiental de

Misturas Solo-Cinzas de Carvão Mineral para Camadas de

Base de Pavimentos

Dissertação de Mestrado

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil da PUC-Rio como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil.

Orientadora: Michéle Dal Toé Casagrande Co-orientadora:Laura Maria Goretti da Motta

Rio de Janeiro Maiode 2011 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0913419-CA

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Louise dos Santos Erasmi Lopes

Análise do Comportamento Mecânico e Ambiental de

Misturas Solo-Cinzas de Carvão Mineral para Camadas de

Base de Pavimentos

Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada.

Profª. Michéle Dal Toé Casagrande

Orientadora Departamento de Engenharia Civil – PUC-Rio

Profª. Laura Maria Goretti da Motta

Co-orientadora COPPE/UFRJ

Dr. Antônio Carlos Rodrigues Guimarães

IME/RJ

Prof. Eurípedes do Amaral Vargas Jr

Departamento de Engenharia Civil – PUC-Rio

Prof. José Eugenio Leal

Coordenador Setorial do Centro Técnico Científico – PUC-Rio

Rio de Janeiro, 27 de Maio de 2011

PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0913419-CA

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Louise dos Santos Erasmi Lopes

Graduou-se em Engenharia Civil com ênfase em ambiental pela PUC-Rio (Pontifícia Universidade do Rio de Janeiro) em dezembro de 2008. Ingressou no mestrado na PUC-Rio em março de 2009, desenvolvendo dissertação na linha de pesquisa de reutilização de resíduos para Pavimentação.

Ficha Catalográfica

CDD: 658

Lopes, Louise dos Santos Erasmi

Análise do comportamento mecânico e ambiental de misturas solo-cinzas de carvão mineral para camadas de base de pavimentos / Louise dos Santos Erasmi Lopes ; orientadora: Michéle Dal Toé Casagrande ; co-orientadora: Laura Maria Goretti da Motta. – 2011.

208 f. : il. (color.) ; 30 cm

Dissertação (mestrado)–Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Civil, 2011.

Inclui bibliografia

1. Engenharia civil – Teses. 2. Cinzas de carvão mineral. 3. Cinza volante. 4. Cinzas de fundo. 5. Cal. 6. Estabilização de solos. 7. Base de pavimentos. 8. Materiais alternativos. I. Casagrande, Michelé Dal Toé. II. Motta, Laura Maria Goretti da. III. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Civil. IV. Título.

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Aos meus pais, Helcio e Paula, aos meus irmãos, Edgard e Hellen, e ao meu amor, Diego, pelo amor, compreensão e incentivo. PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0913419-CA

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Agradecimentos

A Deus, por tudo.

Aos meus pais, Helcio e Paula, que dedicaram suas vidas a mim e meus irmãos, nos dando muito mais que amor e carinho. Sem vocês nada disso seria possível. Faltam-me palavras para descrever o amor que sinto por nossa família.

Ao Edgard, meu irmão, pela amizade incontestável, pelos abraços, colos e sábios conselhos nos momentos em que mais precisei. A Hellen, minha irmã, por toda compressão, companhia e sinceridade acima de tudo. Vocês são essenciais em minha vida, amo vocês.

Ao Diego, por tudo que já vivemos juntos. Por ser muito mais que namorado, meu maior incentivador, meu amigo, por sempre acreditar em mim e me fazer persistir em busca dos meus sonhos. Amo você. Obrigada por estar sempre ao meu lado, por vibrar comigo, me consolar nos momentos difíceis, por todo o carinho e amor. A minha avó Dyla, por todo carinho, por ser “minha fã número 1”, como ela mesma diz. A minha avó Wilma, que mesmo não estando mais aqui, se faz presente, por todos os seus inesquecíveis abraços e “cartinhas”.

A professora e amiga Michéle Casagrande pela orientação do meu trabalho, por todo o conhecimento transmitido, que muitas vezes saíam do campo técnico da Engenharia Civil, levarei comigo ao longo de toda minha vida. Sobretudo a toda dedicação e paciência em me atender nos momentos de dúvidas e questionamentos, sem a sua compreensão e apoio o caminho teria sido muito mais árduo.

A minha co-orientadora, professora Laura Motta, pela incontestável competência e seriedade no exercício de sua profissão. Sobretudo por todo o apoio em permitir

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a utilização dos laboratórios da COPPE/UFRJ, permitindo a realização da presente pesquisa.

Um agradecimento especial a Mariluce Ubaldo, pelos conselhos e ajuda na elaboração deste trabalho. Aos técnicos de laboratório da COPPE/UFRJ, Washington, Thiago, Allan, Leandro, Carlinhos, Luizão e Beto que sempre estiveram prontos a me ajudar.

A todos os meus amigos por compreenderem os momentos de ausência. E por estarem sempre ao meu lado. A Mariana e a Priscila, “desde sempre e para sempre”, que este continue sendo o nosso “lema” até ficarmos bem velhinhas. Aos amigos da PUC-Rio, em especial para a turma da salinha 614L, Rick, Paulinha, Thiaguinho, Carnavale e Eric, pelas risadas nos momentos de descontração e todo o apoio nos momentos de estudo. À Fernanda e à Paloma, pelo companheirismo e incentivo durante toda faculdade e mestrado.

A Luciana Szeliga e Priscila Vargas, alunas de iniciação científica que tanto me ajudaram na realização dos ensaios.

Ao Professor Alberto Sayão, que acreditou em mim, me apoiando na decisão de fazer o Mestrado.

A Luciana Garavaglia e Mirleni Amboni, da SATC, que gentilmente forneceu as cinzas que foram utilizadas no estudo.

A todos os professores da engenharia civil da PUC-Rio com os quais tive o prazer de conviver e aprender durante a graduação e o mestrado.

Aos funcionários do departamento, pela colaboração ao longo dos anos na PUC-Rio e pelo convívio prazeroso.

A CNPq pela concessão das bolsas de estudo.

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Resumo

Lopes, Louise dos Santos Erasmi; Casagrande, Michéle Dal Toé (Orientadora); Motta, Laura Maria Goretti (Co-orientadora). Análise

do Comportamento Mecânico e Ambiental de Misturas Solo-Cinzas de Carvão Mineral para Camadas de Base de Pavimentos. Rio de Janeiro, 2011. 208 p. Dissertação de Mestrado.

Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.

Este estudo apresenta a caracterização de dois tipos de cinzas (de fundo e volante) obtidas da queima de carvão mineral em usinas termelétricas, tendo como objetivo avaliar sua aplicabilidade em camadas de base de pavimentos rodoviários, através da mistura destas cinzas a um solo areno-siltoso não-laterítico característico do estado do Rio de Janeiro. Foram realizados ensaios de caracterização física (granulometria e limites de Atterberg), química (fluorescência de raio-X por energia dispersiva), mecânica (compactação, módulo de resiliência e deformação permanente) e, por se tratar da utilização de resíduos industriais, ensaios ambientais de solubilização e lixiviação. Tais ensaios foram realizados para o solo puro e para as misturas de solo-cinza de fundo (30 e 40% de cinzas de fundo) e solo-cinza volante (10 e 20% de cinza volante), sendo estes teores relacionados ao peso do solo seco. Também foram ensaiados corpos de provas com a adição de 3% cal. Baseando-se nos dados resultantes dos ensaios mecânicos foi realizado 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. Os resultados obtidos demonstram que o solo em estudo é dependente da tensão confinante e que a inserção de cinza volante e a cura prévia aumentam consideravelmente o valor do módulo de resiliência, o que resulta na diminuição da espessura da camada de base em comparação ao solo puro, para um mesmo nível

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de carregamento e mesmos critérios de dimensionamento. Os resultados com as cinzas de fundo também apresentaram resultados satisfatórios, aumentando o valor do módulo de resiliência, apesar de em menores taxas do que as cinzas volantes, no caso das misturas com a presença de cal e, contudo, nas misturas sem a adição de cal, obtendo melhores resultados ao serem comparados com as misturas com a presença das cinzas volantes. Os resultados obtidos foram satisfatórios, sendo dependentes do teor e do tipo de cinza utilizado, da presença da cal, além do tempo de cura. Tais fatos, juntamente com os resultados dos ensaios ambientais ressaltam o emprego positivo de ambos os tipos de cinzas (de fundo e volante) de carvão mineral 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.

Palavras-chave

Cinzas de Carvão Mineral; Cinza Volante; Cinzas de Fundo; Cal; Estabilização de Solos; Base de pavimentos; materiais alternativos.

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Abstract

Lopes, Louise dos Santos Erasmi; Casagrande, Michéle Dal Toé (Advisor); Motta, Laura Maria Goretti (Co-Advisor). Analysis of

Mechanical and Environmental Behavior of Ash-Soil Mixtures of Coal Base Layers for Pavements. Rio de Janeiro, 2011. 208 p.

MSc. Report – Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.

The research consists in examining the applicability of two kinds of ash (fly and bottom) of coal combustion residue from thermal power, on the layers of pavements base road by mixing these ashes with a non-lateritic sandy-silty soil, characteristic of the Rio de Janeiro state, with and without lime addiction. This study presents the results of physical characterization (granulometry and Atterberg limits), chemistry (fluorescence X-ray energy dispersive), and mechanics (compression, resilient modulus and permanent deformation), and considering that ashes are industrial waste, environmental testing solubilization and leaching. These tests were conducted on the pure soil, on the ashes and on soil with bottom ash (30 and 40% of bottom ash) and fly ash (10 and 20% of fly ashes) mixtures, these levels of ashes are related to the weight of dry soil, with and without lime addiction. The composite model for resilient modulus were obtained, which represents the mechanical behavior, using the finite element program (SisPAV) for the pavement design. The mixtures with the addiction of ashes showed a mechanical behavior consistent with the requirements for low traffic roads. The results show that the soil is dependent on confining pressure and the inclusion of fly ash and the mixture cure dramatically increase the value of resilient modulus, which is revealed by thinner base layer in comparison to the pure soil, for the same load level and the same design criteria. The results of bottom

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ashes also were aceptable, increasing the value of resilient modulus in lower taxes than the fly ashes with the addiction of lime, but showing better results in the mixtures without addiction of lime, when comparing wiht the mixtures with fly ashes. The results were satisfactory, and dependents of the levels and kind of ashes, of addiction of lime, and the cure, highlighting the use of both ashes of mineral coal in pavement base roads, eliminating the current problems of waste disposal in dumps and landfills, putting a best end for this material.

Keywords

Coal ash; fly ash; bottom ash; lime; soil stabilization; pavement base; alternative materials. PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0913419-CA

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Sumário

1. Introdução... 24 1.1 Relevância da Pesquisa... 26 1.2 Objetivos... 26 1.3 Organização do Trabalho... 27 2. Revisão Bibliográfica... 29 2.1 Considerações Iniciais... 29

2.2 Carvão Mineral e Sua Importância na Matriz Energética Brasileira... 30

2.3 Origem e Classificação das Cinzas... 32

2.3.1 Cinza Volante... 35

2.3.2 Cinza de Fundo... 36

2.4 Aproveitamento das Cinzas de Carvão Mineral... 38

2.4.1 Aproveitamento das Cinzas de Carvão Mineral na Pavimentação . 40 2.5 Cinza e o Meio Ambiente... 42

2.6 Cal... 43

2.7 Estabilização de Solos... 44

2.7.1 Solo-Cal... 47

2.7.2 Solo-Cinza Volante... 54

2.7.3 Solo-Cinza de Fundo... 56

2.7.4 Solo-Cinzas de Resíduos Sólidos Urbanos... 57

2.8 Ensaios Dinâmicos... 58

2.8.1 Ensaio Triaxial de Cargas Repetidas – Módulo de Resiliência... 61

3. Programa Experimental... 65 3.1 Considerações Iniciais... 65 3.2 Materiais... 67 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0913419-CA

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3.2.1 Solo... 67

3.2.2 Cinzas Volante e de Fundo... 26

3.2.2.1 Complexo Termelétrico Jorge Lacerda... 72

3.2.3 Cal... 74

3.2.4 Água... 75

3.2.5 Misturas Solo-Cinza-Cal... 75

3.3 Métodos... 76

3.3.1 Coleta e Preparação das Amostras... 78

3.3.2 Ensaios de Caracterização Física... 78

3.3.2.1 Limites de Atterberg... 79

3.3.2.2 Massa Específica dos Grãos... 79

3.3.2.3 Análise Granulométrica... 80

3.3.3 Ensaios de Caracterização Química e Ambiental... 81

3.3.3.1 Composição Química... 81

3.3.3.2 Teor de Matéria Orgânica... 81

3.3.3.3 Ensaios de Solubilização e Lixiviação... 82

3.3.4 Ensaios de Caracterização Mecânica... 83

3.3.4.1 Ensaio de Compactação... 83

3.3.4.2 Ensaio de Módulo de Resiliência ou Resiliente... 84

3.3.4.3 Ensaio de Deformação Permanente... 92

3.3.5 Dimensionamento do Pavimento Típico... 94

4. Apresentação dos Resultados... 97

4.1 Considerações Iniciais... 97

4.2 Ensaios de Caracterização Física... 97

4.2.1 Limites de Atterberg... 97

4.2.2 Massa Específica dos Grãos... 97

4.2.3 Análise Granulométrica... 99 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0913419-CA

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4.2.3.1 Classificação SUCS... 101

4.2.3.2 Classificação HRB... 101

4.3 Ensaios de Caracterização Química e Ambiental... 103

4.3.1 Composição Química... 103

4.3.2 Teor de Matéria Orgânica... 106

4.3.3 Ensaios de Solubilização e Lixiviação... 107

4.4 Ensaios de Caracterização Mecânica... 110

4.4.1 Ensaio de Compactação... 110

4.4.2 Ensaio de Módulo de Resiliência ou Resiliente... 118

4.4.2.1 Influência do Tempo de Cura... 122

4.4.2.2 Influência do Teor e do Tipo de Cinzas... 128

4.4.2.3 Influência da Cal nas Misturas com Cinzas de Fundo e Volante... 135 4.4.3 Ensaio de Deformação Permanente... 140

4.4.3.1 Influência do Tempo de Cura... 142

4.4.3.2 Influência do Teor e do Tipo de Cinzas... 145

4.5 Dimensionamento do Pavimento Típico... 148

5. Conclusão... 154

5.1 Conclusões... 154

5.2 Sugestões para Pesquisas Futuras... 158

Referências Bibliográficas... 160 Anexo A... 167 Anexo B... 189 Anexo C... 204 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0913419-CA

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Lista de figuras

Figura 1.1 : Bacia de sedimentação de Cinzas do Complexo Termelétrico de Jorge Lacerda (Fonte: LEANDRO, 2005)... 26 Figura 2.1 : Gráfico representativo da Oferta Interna de Energia no Brasil com dados de 2009 (Fonte: EPE, 2010)... 30 Figura 2.2 : Comparação das Diferentes Fontes de Energia, no Brasil, em 2008 e 2009 (Fonte: EPE, 2010)... 31 Figura 2.3: Processo de Queima do Carvão Mineral em Usinas Termelétricas (Fonte: Farias, 2005)... 32 Figura 2.4: Moldagem de Peças de Concreto para Pavimentação com uso de cinza... 41 Figura 2.5: Mecanismos de Estabilização Solo-Cal (Fonte: Inglês & Metcalf, 1972 apud Rosa, 2009)... 50 Figura 2.6 : Efeito do teor de cal sobre a resistência a compressão simples para alguns solos tratados com cal e curados por 7 dias (Fonte: Rosa, 2009)... 53 Figura 2.7: Efeito do tempo de cura sobre a resistência à compressão simples para alguns tipos de solos estabilizados com cal (Fonte: Rosa, 2009)... 54 Figura 2.8 : Equipamento do Ensaio Triaxial de Cargas Repetidas do Laboratório de Geotecnia e Pavimentos da COPPE/UFRJ usado no presente estudo... 60 Figura 3.1 : Destaque ao Mapa Pedológico do Estado do Rio de Janeiro na área de estudo (Fonte: DRM-RJ)... 69 Figura 3.2: Imagem Aérea da Localização da Jazida em Campo Grande (Fonte: Google Maps, 2010)... 69 Figura 3.3: Aspectos da jazida utilizada para obter o solo deste estudo ressaltando sua heterogeneidade... 70 Figura 3.4: Detalhe da amostra do Solo utilizado neste estudo após secagem e destorroamento... 70 Figura 3.5: Localização do Complexo Termelétrico Jorge Lacerda (Fonte: Leandro, 2005)... 71 Figura 3.6 : Aspecto da Cinza de Fundo utilizada no presente estudo... ₇₁ Figura 3.7 : Aspecto da Cinza Volante utilizada no presente estudo... ₇₂ Figura 3.8: Vista Geral do Complexo Termelétrico Jorge Lacerda (Fonte: site da Tractebel Energia, www2.tractebelenergia.com.br/, consultado no dia 14/09/2010) 73 Figura 3.9: Capacidade instalada TRACTEBEL ENERGIA, set 2010 (Fonte: site da Tractebel Energia, www2.tractebelenergia.com.br/, consultado no dia 14/09/2010)... 74 Figura 3.10: Etapa referente à Caracterização dos Materiais... ₇₇

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Figura 3.11: Etapa referente à caracterização mecânica e ambiental... ₇₇ Figura 3.12: Compactador Mecânico da COPPE/UFRJ e o molde tripartido utilizado... 86 Figura 3.13: Esquema Ilustrativo do Equipamento de Ensaios Triaxiais de Carga Repetida (Fonte: Medina & Motta, 2005)... 87 Figura 3.14: Molde tripartido 10 X 20cm, para compactação dos corpos-de-prova 87 Figura 3.15: Montagem do Equipamento do Ensaio Triaxial de Cargas Repetidas da COPPE/UFRJ... 88 Figura 3.16: Exemplo de Preparação dos corpos-de-prova após ensaio para Cura em Câmara Úmida desta pesquisa... 93 Figura 3.1: Fluxograma de Desenvolvimento do SisPav (Fonte: Franco,2007).... 95 Figura 3.28: Estrutura do Pavimento Típico adotada para a análise mecanística-empírica (Fonte: Vizcarra,2010)... 97 Figura 4.3.a: Variação da Massa Específica dos Grãos com o teor de cinza de Fundo... 98 Figura 4.1.b: Variação da Massa Específica dos Grãos com o teor de cinza Volante... 99 Figura 4.4: Curvas Granulométricas dos materiais estudados... 100 Figura 4.5: Curvas de Compactação do Solo, Cinza Pesada e Misturas com Cinzas de Fundo deste estudo... 111 Figura 4.4: Curvas de Compactação típicas de Cinzas de Fundo (Fonte: Lovell et al., 1991)... 112 Figura 4.56: Curva de Compactação da Cinza de Fundo do Complexo Termelétrico de Jorge Lacerda (Fonte: Ubaldo, 2005)... 113 Figura 4.7: Curvas de Compactação de Solos típicos do Brasil (Fonte: Pinto, 2002)... 113 Figura 4.7: Curvas de Compactação do Solo, Cinza Volante e Misturas com Cinza Volante do presente estudo... 114 Figura 4.8: Curva de Compactação da Cinza Volante do Complexo Termelétrico de Jorge Lacerda (Fonte: Ubaldo, 2005)... 115 Figura 4.8: Curvas de Compactação de Misturas Solo-Cinza Volante-Cal por Nardi (Fonte: Nardi,1975)... 115 Figura 4.10: Variação da Massa Esp. Aparente Seca Máxima com o teor de Cinza de Fundo do presente estudo... 118 Figura 4.11: Variação da Massa Esp. Aparente Seca Máxima com o teor de Cinza Volante do presente estudo... 118 Figura 4.12: Variação da Umidade Ótima com o teor de Cinza de Fundo... 119

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Figura 4.13: Variação da Úmida Ótima com o teor de Cinza Volante... 119 Figura 4.149: Variação do Módulo de resiliência vs. Tensão Confinante para Mistura S70/CF27/C3 para os diferentes tempos de cura... 125 Figura 4.10: Variação do Módulo de resiliência vs. Tensão Confinante para Mistura S60/CF37/C3 para os diferentes tempos de cura... 126 Figura 4.11: Variação do Módulo de resiliência vs. Tensão Confinante para Mistura S90/CV7/C3 para os diferentes tempos de cura... 126 Figura 4.17: Variação do Módulo de resiliência VS. Tensão Confinante para Mistura S80/CV27/C3 para os diferentes tempos de cura... 127 Figura 4.12: Variação do Módulo de resiliência vs. Tensão Confinante para Mistura S70/CF30 para os diferentes tempos de cura... 128 Figura 4.19: Variação do Módulo de resiliência vs. Tensão Confinante para Mistura S60/CF40 para os diferentes tempos de cura... 129 Figura 4.20: Variação do Módulo de resiliência vs. Tensão Confinante para Mistura S90/CV10 para os diferentes tempos de cura... 129 Figura 4.21: Variação do Módulo de resiliência vs. Tensão Confinante para Mistura S80/CV20 para os diferentes tempos de cura... 129 Figura 4.22: Influência do Teor de Cinza de Fundo nas Misturas S70/CF27/C3 e S60/CF37/C3 no tempo de cura de 0 dias... 131 Figura 4.23: Influência do Teor de Cinza de Fundo nas Misturas S70/CF27/C3 e S60/CF37/C3 no tempo de cura de 28 dias... 131 Figura 4.24: Influência do Teor de Cinza de Fundo nas Misturas S70/CF27/C3 e S60/CF37/C3 no tempo de cura de 90 dias... 132 Figura 4.13: Influência do Teor de Cinza Volante nas Misturas S90/CV7/C3 e S80/CV17/C3 no tempo de cura de 0 dias... 132 Figura 4.26: Influência do Teor de Cinza Volante nas Misturas S90/CV7/C3 e S80/CV17/C3 no tempo de cura de 7 dias... 133 Figura 4.27: Influência do Teor de Cinza Volante nas Misturas S90/CV7/C3 e S80/CV17/C3 no tempo de cura de 28 dias... 133 Figura 4.28: Influência do Teor de Cinza Volante nas Misturas S90/CV7/C3 e S80/CV17/C3 no tempo de cura de 90 dias... 133 Figura 4.29: Influência do Teor de Cinza de Fundo nas Misturas S70/CF30 e S60/CF40 no tempo de cura de 0 dias... 134 Figura 4.30: Influência do Teor de Cinza de Fundo nas Misturas S70/CF30 e S60/CF40 no tempo de cura de 90 dias... 135 Figura 4.31: Influência do Teor de Cinza Volante nas Misturas S90/CV10 e S80/CV20 no tempo de cura de 0 dias... 135 Figura 4.32: Influência do Teor de Cinza Volante nas Misturas S90/CV10 e S80/CV20 no tempo de cura de 35 dias... 136

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Figura 4.33: Influência do Teor de Cinza Volante nas Misturas S90/CV10 e S80/CV20 no tempo de cura de 90 dias... 136 Figura 4.34: Influência da Cal nas Misturas S70/CF27/C3 e S70/CF30 com 0 dias de cura... 138 Figura 4.14: Influência da Cal nas Misturas S70/CF27/C3 e S70/CF30 com 28 e 35 dias de cura, respectivamente... 138 Figura 4.36: Influência da Cal nas Misturas S70/CF27/C3 e S70/CF30 com 90 dias de cura... 138 Figura 4.37: Influência da Cal nas Misturas S60/CF37/C3 e S60/CF40 com 0 dias de cura... 139 Figura 4.38: Influência da Cal nas Misturas S60/CF37/C3 e S60/CF40 com 28 e 35 dias de cura, respectivamente... 139 Figura 4.39: Influência da Cal nas Misturas S60/CF37/C3 e S60/CF40 com 90 dias de cura... 139 Figura 4.40: Influência da Cal nas Misturas S90/CV7/C3 e S90/CV10 com 0 dias de cura... 140 Figura 4.41: Influência da Cal nas Misturas S90/CV7/C3 e S90/CV10 com 28 e 35 dias de cura, respectivamente... 140 Figura 4.42 - Influência da Cal nas Misturas S90/CV7/C3 e S90/CV10 com 90 dias de cura... 141 Figura 4.43: Influência da Cal nas Misturas S80/CV17/C3 e S80/CV20 com 0 dias de cura... 141 Figura 4.44: Influência da Cal nas Misturas S80/CV17/C3 e S80/CV20 com 28 e 35 dias de cura, respectivamente... 141 Figura 4.45: Influência da Cal nas Misturas S80/CV17/C3 e S80/CV20 com 90 dias de cura... 142 Figura 4.46: Efeito de Tempo de Cura na Deformação Permanente da Mistura S70/CF27/C3... 144 Figura 4.47: Efeito do Tempo de Cura na Deformação Permanente da Mistura S60/CF37/C3... 145 Figura 4.48: Efeito do Tempo de Cura na Deformação Permanente da Mistura S90/CV7/C3... 146 Figura 4.49: Efeito do Tempo de Cura na Deformação Permanente na Mistura S80/CV17/C3... 146 Figura 4.50: Influência do Teor de Cinza de Fundo nas Misturas S70/CF27/C3 e S60/CF37/C3 na Deformação Permanente com cura de 7 dias... 147 Figura 4.51: Influência do Teor de Cinza de Fundo nas Misturas S70/CF27/C3 e S60/CF37/C3 na Deformação Permanente com cura de 28 dias... 147 Figura 4.52: Influência do Teor de Cinza de Fundo nas Misturas S70/CF27/C3 e S60/CF37/C3 na Deformação Permanente com cura de 90 dias... 148

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Figura 4.53: Influência do Teor de Cinza Volante nas Misturas S90/CV7/C3 e S80/CV17/C3 na Deformação Permanente com cura de 7 dias... 148 Figura 4.54: Influência do Teor de Cinza Volante nas Misturas S90/CV7/C3 e S80/CV17/C3 na Deformação Permanente com cura de 28 dias... 149 Figura 4.15: Influência do Teor de Cinza Volante nas Misturas S90/CV7/C3 e S80/CV17/C3 na Deformação Permanente com cura de 90 dias... 149 Figura 4.16 - Estrutura do Pavimento adotada no SisPav (Fonte: Vizcarra, 2010).. ₁₅₁ Figura 4.17: Características do Tráfego adotado no SisPav para um dos períodos de projeto (Fonte: Vizcarra, 2010) ... 151 Figura 4.18: Características do Clima adotadas no SisPav neste estudo... ₁₅₂ Figura 4.19 - Variação das espessuras da camada de base em função do período de projeto... 153 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0913419-CA

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Lista de tabelas

Tabela 3.1 : Descrição e Quantidades dos Ensaios... 66

Tabela 3.2: Composição e Teores das Misturas estudadas nesta pesquisa... 76

Tabela 3.3a: Datas e tempos de cura dos corpos-de-prova do Ensaio de MR... 90

Tabela 3.1b: Datas e tempos de cura dos corpos-de-prova do Ensaio de MR... 91

Tabela 3.2: Datas e tempos de cura dos corpos-de-prova dos Ensaios de Deformação Permanente... 93

Tabela 4.1: Resultados da Massa Específica dos Grãos... 100

Tabela 4.2: Resultados das Análises Granulométricas dos materiais deste estudo... 102

Tabela 4.3: Classificação SUCS dos materiais desta pesquisa... 103

Tabela 4.4: Classificação HRB dos materiais estudados nesta pesquisa... 105

Tabela 4.5: Elementos Químicos presentes nas Cinzas e Misturas deste estudo... 106

Tabela 4.6: Componentes Químicos das Misturas deste estudo... 109

Tabela 4.7: Resultados Analíticos do Ensaio de Lixiviação – Parâmetros Inorgânicos (TASQA, 2010)... 110

Tabela 4.8: Resultados Analíticos do Ensaio de Lixiviação – Parâmetros Orgânicos (TASQA, 2010)... 111

Tabela 4.9: Resultados Analíticos do Ensaio de Solubilização – Parâmetros Inorgânicos (TASQA, 2010)... 111

Tabela 4.10: Resultados Analíticos do Ensaio de Solubilização – Parâmetros Orgânicos (TASQA, 2010)... 111

Tabela 4.11: Resultados dos Ensaios de Compactação dos materiais deste estudo. 111 Tabela 4.12a: Coeficientes do Modelo Composto pelo Programa STATISTICA para os módulos de resiliência dos matérias deste estudo... 121

Tabela 4.16b: Coeficientes do Modelo Composto pelo Programa STATISTICA para os módulos de resiliência dos materiais deste estudo... 122

Tabela 4.13: Resultados dos Ensaios de Deformação Permanente de alguns materiais deste estudo... 143

Tabela 4.14: Coeficientes do Modelo Composto utilizados no SisPav para representar os materiais do presente estudo... 152

Tabela 4.15: Espessura da Camada de Base em função da Vida Útil do Projeto para o solo ou mistura estudados... 153

(20)

Lista de quadros

Quadro 2.1: Classificação das Pozolanas segundo NBR 12653/1999 e

características gerais das cinzas brasileiras (Fonte: Rohde et al., 2006)... 34 Quadro 2.2: Características da cinza volante e pesada, produtos, vantagens

(Fonte:Pozzobon,1999)... 40 Quadro 2.3: Composição Média das Cales Brasileiras (Fonte: Guimarães, 2002)... 44 Quadro 2.4: Previsão da quantidade de cal em função dos diferentes tipos de solo (Fonte: Ingles & Metcalf, 1972 apud Sandroni & Consoli, 2010)... 48 Quadro 2.5: Aplicações de Misturas com Cinzas de Fundo em Projetos de Pavimentação (Fonte: Schroeder, 1994 apud Farias, 2005)... 57 Quadro 3.1: Especificações dos Carvões Energéticos Brasileiros. (Fonte: Portaria 100/1987 – CNP)... 73 Quadro 3.2: Exigências Físicas e Químicas da Cal (Fonte: Sandroni & Consoli, 2010)... 75 Quadro 3.3: Níveis de tensões utilizados durante o Ensaio Triaxial de Cargas Repetidas (Fonte: Medina & Motta, 2005)... 89 Quadro 4.1: Componentes Químicos das Cinzas de Fundo e Volante determinados por Mendonça (2004) (Fonte: Ubaldo, 2005)... 107 Quadro 4.2: Concentração dos principais constituintes das cinzas de fundo e volante de diferentes procedências (Fonte: Chies (2003, apud Ubaldo, 2005))... 108

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Lista de abreviaturas

RCD Resíduo de Construção e Demolição

DNER Departamento Nacional de Estradas e Rodagem DNIT Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas

EPE Empresa Pesquisa Energética

ASTM American Society for Testing and Materials CELUSA Centrais Hidrelétricas de Urubupunga S.A

CSH Silicato Hidratado de Cálcio

CAH Aluminato Hidratado de Cálcio

ISC ou CBR Índice de Suporte Califórnia

RSU Resíduos Sólidos Urbanos

FHWA Federal Highway Administration

AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials IPR Instituto de Pesquisas Rodoviárias

DRM Departamento de Recursos Minerais

SATC Associação Beneficiente da Indústria Carbonífera de Santa Catarina

CNP Conselho Nacional do Petróleo

CE Carvão Energético

EDX Espectrômetro de fluorescência de Raios-X por Energia Dispersiva LVDT Linear variable differential transformer

HRB Highway Research Board

MEAS Massa Específica Aparente Seca

(22)

Lista de símbolos

MR Módulo de resiliência

d

σ

Tensão desviadora

r

ε

Deformação Vertical Resiliente

σ₃ Tensão confinante S Solo CF Cinza de Fundo CV Cinza Volante LL Limite de Liquidez LP Limite de Plasticidade IP Índice de Plasticidade t

D Densidade Real dos Grãos a Temperatura t

24

k

razão entre a densidade relativa da água a temperatura t e a 20°C, tabelada

na norma.

s

G

Massa Específica Real do s Grãos

MO Teor de Matéria Orgânica

A massa da amostra seca em estufa, à temperatura de 105 a 110°C (g) B massa da amostra queimada em mufla, à temperatura de 440°C (g)

ot

w

Umidade ótima

dmáx

ρ

Massa Específica Aparente Máxima Seca

3 2 1,

k

,

k

Coeficientes de Regressão f N Vida de Fadiga

fcl Fator Campo Laboratório

t

ε

Deformação Específica de tração

(23)

“Só existem dois dias no ano em que nada pode ser feito. Um se chama ontem e outro se chama amanhã, portanto, hoje é o dia certo para amar, acreditar, fazer e principalmente viver.” Dalai Lama “Sábio é aquele que conhece os limites da própria ignorância.” Sócrates PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0913419-CA

(24)

Um dos principais indicadores do desenvolvimento econômico de uma comunidade e/ou país consiste nas condições que seus habitantes têm de se locomover de um ponto ao outro, seja para deslocamento próprio, ou integração das áreas de produção e consumo no mercado interno e externo, dentre outras inúmeras atividades. Por este motivo, a disponibilidade de infra-estrutura com logística adequada dos diversos tipos de modais de transporte é extremamente relevante para a economia mundial.

De acordo com dados oficiais do governo (CNT, SEST, SENAT, 2009) o sistema logístico brasileiro de escoamento de produção, assim como a circulação de pessoas é fortemente dependente do modal rodoviário. Os principais motivos para a concentração excessiva da matriz de transportes nas rodovias podem ser apontados como a falta de investimentos na manutenção, conservação e ampliação das outras malhas dos modais (ferroviário, aquaviário e aeroportuário).Além disso, a malha rodoviária pavimentada, mesmo sendo a principal, ainda é pequena em relação à extensão do país.

Estes fatos destacam a importância dos estudos dos materiais e das técnicas de pavimentação como forma de auxiliar a diminuição do custo dos transportes. O pavimento é uma estrutura de engenharia imprescindível ao desenvolvimento sócio-econômico, e consequentemente há necessidade de pesquisas que busquem a viabilidade da utilização de novos materiais e tecnologias.

Por outro lado, o desenvolvimento industrial mundial é responsável por gerar grande quantidade e diversidade de resíduos, que requerem locais adequados para o descarte ou ainda inovadoras propostas de reutilização.

Atualmente a sociedade deixou de exigir somente um bom desempenho dos materiais importando-se também com as interações com o meio ambiente, optando por produtos e materiais que tenham “selo verde”, que, em outras palavras, impliquem em menores impactos ambientais e gastos de energia.

Pozzobon (1999) destaca que este posicionamento já foi colocado desde 1986 por Mehta, quando enfatizou que a escolha dos materiais de construção no

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futuro deveria atender ao quádruplo enfoque iniciado pela letra E: engenharia, economia, energia e ecologia.

A construção civil deve ser citada como um dos principais setores que apresentam condições de aproveitamento de resíduos industriais, Pozzobon (1999) fundamenta esta afirmativa na necessidade de redução de custos da construção, no volume de recursos naturais consumidos e na grande diversidade de insumos usados na produção. Ao mesmo tempo, a própria construção civil ainda é grande geradora de resíduos que também podem e devem ser reutilizados (Fernandes, 2004).

Dentro da construção civil, a construção de rodovias é particularmente propícia a esta finalidade, de local de destinação de resíduos, tendo em vista a particularidade de permitir certo encapsulamento e mesmo a contenção dos produtos por combinação com outros materiais usuais de construção das camadas do pavimento. Citam-se como resíduos já empregados ou estudados em camadas de pavimentos os seguintes, entre outros (Ubaldo et al., 2010):

resíduo de construção e demolição (RCD); escória de aciaria;

borracha de pneu inservível;

cinzas de carvão mineral oriundas de termelétricas; cinzas de cascas de arroz;

resíduo de rochas ornamentais, e

resíduos de exploração e produção de petróleo (cascalho de perfuração, escória de cobre, borra oleosa, dentre outros).

No entanto, como diz Ubaldo et al. (2010) para que o pavimento não seja usado somente como local de descarte de resíduos, resolvendo apenas questões ambientais, é preciso mostrar quais as vantagens de se usar o resíduo sob o ponto de vista da melhoria da pavimentação, e não somente a sua contribuição para a natureza.

As cinzas de carvão mineral encontram-se no grupo de rejeitos industriais, gerados em grande volume anualmente e que possuem diversas indicações de reutilização, sendo uma delas como agentes estabilizantes de solos tal como conhecido há bastante tempo (Pinto, 1971; Nardi, 1977, dentre outros). As cinzas são adicionadas ao solo quando estes não possuem parâmetros de resistência adequados para sua utilização na Engenharia Geotécnica ou mesmo quando se pretende melhoria radical dos mesmos acrescentando outro produto cimentante tal como cal ou cimento. Este tipo de resíduo será objeto da presente pesquisa. PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0913419-CA

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1.1. Relevância da Pesquisa

O tema escolhido para este trabalho é a análise da utilização de cinzas de carvão, volante e pesada, provenientes de termelétricas em misturas com solo e cal para aplicação em base e sub-base de pavimentos. Foi motivado pela busca de práticas sustentáveis, na redução de impactos ambientais, na utilização de novos materiais para pavimentação e estabelecendo um fim mais nobre a materiais antes descartados na natureza.

As cinzas estudadas são derivadas do Complexo Termelétrico Jorge Lacerda, localizado no município de Capivari de Baixo, no estado do Rio Grande do Sul, região do território brasileiro que concentra a exploração de carvão mineral e uso do mesmo para geração de energia por usinas termelétricas.

Atualmente grande parte desses resíduos, principalmente as cinzas de findo, é descartada em grandes bacias de sedimentação, a céu aberto, como mostrado na Figura 1.1 podendo ocasionar diversos problemas de cunho ambiental. A partir do seu reaproveitamento torna-se possível a diminuição do consumo de recursos naturais e da necessidade de aumento de lagoas de decantação, consequentemente obtendo benefícios econômicos e ambientais.

Figura 1.1 - Bacia de sedimentação de Cinzas do Complexo Termelétrico de Jorge Lacerda (Fonte: LEANDRO, 2005)

1.2. Objetivos

O objetivo principal desta pesquisa é: verificar a viabilidade do aproveitamento das cinzas de carvão mineral, volante e pesada, em misturas

(27)

com um solo regional do município do Rio de Janeiro, originalmente pouco adequado para fins de pavimentação. As misturas de solo-cinza serão testadas sem e com a adição de cal hidratada, para utilização em base e sub-base de pavimentos, por comparação entre resultados de ensaios laboratoriais, para períodos de cura distintos.

O estudo foi desenvolvido com base nas normas do Departamento Nacional de Estradas e Rodagem (DNER) atual Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes (DNIT) e da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) e na análise do comportamento físico, químico e mecânico conforme procedimentos correntes na Geotecnia e na Mecânica dos Pavimentos.

De acordo com o objetivo principal descrito, destacam-se os seguintes objetivos específicos:

Realizar ensaios de caracterização física e química, do solo, das cinzas e das misturas, por meio de ensaios laboratoriais normatizados;

Avaliar o comportamento mecânico do solo e das misturas estudadas através de ensaios de carga repetida;

Analisar e comparar os parâmetros químicos e mecânicos e de deformabilidade do solo e das misturas para aplicação em base ou sub-bases de pavimentos;

Analisar a influência do teor e tipo de cinzas, tempo de cura, e da cal no solo e nas misturas estudadas, com base nos resultados dos Ensaios de Módulo de Resiliência e de Deformação Permanente; Realizar o dimensionamento de base de pavimentos, com o objetivo de comparar os materiais estudados mediante análises mecanístico - empíricas;

Pela análise dos resultados obtidos, concluir se há viabilidade técnica e ambiental de uma ou mais misturas estudadas que possam ser aproveitadas na construção de base ou sub-base de pavimentos.

1.3. Organização do Trabalho

Esta dissertação está dividida em cinco capítulos, de acordo com as etapas realizadas na pesquisa, iniciando-se com este Capítulo 1, introdutório, seguido, pelo Capítulo 2, onde é feita a revisão bibliográfica dos principais

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tópicos apresentados no trabalho e necessários para o entendimento dos resultados.

No Capítulo 3, é feita a apresentação do procedimento experimental adotado na pesquisa, além do detalhamento e descrição dos materiais, métodos e ensaios utilizados em acordo com as normas vigentes.

No Capítulo 4, os resultados encontrados nos ensaios de caracterização física, química e mecânica dos materiais e misturas, solo-cinza-cal e solo-cinza, são apresentados.

Finalmente, no Capítulo 5 são apresentadas as conclusões e recomendações para futuras pesquisas.

(29)

2.1.Considerações Iniciais

Segundo Pinto (1971) e Nardi (1975) as cinzas vulcânicas como aditivo às argamassas vem sendo usadas desde 2.000 anos, antes da era cristã, pelos romanos, que as coletavam no sopé do vulcão Vesúvio, localizado em Pozzouli, na Itália, explicando, desta forma, a denominação, pozolana. Já a cal é citada como um dos primeiros materiais de construção, utilizada pelos chineses junto com argila, para construir a Muralha da China, por exemplo.

Na pavimentação, existem registros da utilização das cinzas vulcânicas, localizadas perto de Nápoles e Roma, em 312 a.C., misturadas à cal viva (CaO), formando a denominada argamassa hidráulica, utilizada como elemento cimentante entre as pedras, constituindo o concreto pozolânico utilizado na construção da Via Appia, na Itália. As primeiras citações da utilização deste concreto foram feitas pelo arquiteto Pollio Vitruvius, entre 10 a.C a 54 d.C., que fez citação a respeito das cinzas como elemento que misturado com cal e cascalho, contribuam não só para a solidez de edifícios comuns, mas também dos molhes sob a água. Os molhes referidos ainda hoje podem ser vistos segundo Nardi (1975).

O “concreto romano”, concreto de cinza vulcânica, mais leve e resistente, foi facilmente aceito como substituto às técnicas até então usadas, mais dispendiosas. Segundo Nardi (1975), em 80 d.C., as cinzas vulcânicas foram utilizadas na construção do Coliseu romano e em 120 d.C. no Pantheon.

O desenvolvimento industrial do século XX e o crescimento das termelétricas aumentaram muito a quantidade de cinzas provenientes da queima do carvão. Surgiram inúmeras pesquisas com objetivo de empregá-las com fins comerciais, resolvendo o problema de descarte deste grande volume de resíduo com reaproveitamento que poupa a exploração de mais recursos naturais.

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2.2.Carvão Mineral e sua importância na Matriz Energética Brasileira

O carvão mineral já foi considerado o recurso energético não renovável mais abundante do país, com reservas nacionais atingindo 32,4 bilhões de toneladas. Foi apontado como a alternativa para o petróleo, uma vez que possibilitava resultados positivos em curto prazo considerando o domínio da tecnologia de seu aproveitamento como combustível desde o inicio da sociedade industrial. (Goethe, 1990)

Em todo o mundo, mais de 4 bilhões de toneladas de carvão são consumidas anualmente como combustível em usinas termelétricas (Rohde et al., 2006). No panorama mundial de geração de energia elétrica, a oferta mundial de energia apresentava, segundo dados de 2003, a seguinte distribuição: carvão fóssil, 39%; gás natural, 19%; energia nuclear, 17%; hídrica, 16%, petróleo, 7% e outras fontes, 2%.

Na Figura 2.1 é mostrada a participação do carvão mineral na oferta interna de energia no Brasil, de acordo com os dados do Balanço Energético Nacional de 2010, com base nos dados de 2009. Atualmente, apesar da maior parte da oferta de energia, no Brasil, ser derivada de fontes não renováveis, na Figura 2.2 se vê o crescimento da participação das fontes renováveis de energia.

Oferta de Energia Interna - BEN, 2009

37,8% 8,7% 4,8% 1,4% 18,1% 15,3% 10,1% 3,8% Petróleo e Derivados Gás Natural

Carvão Mineral e Derivados Urânio e Derivados

Produtos da Cana-de-Açucar Energia Hidraúlica e Eletricidade

Lenha e Carvão Vegetal Outras Renováveis

Figura 2.1 – Gráfico representativo da Oferta Interna de Energia no Brasil com dados de 2009 (Fonte: EPE, 2010) PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0913419-CA

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0% 10% 20% 30% 40% 50% P et ró le o e D er iv ad os G ás N at ur al C ar vã o M in er al e D er iv ad os U râ ni o e D er iv ad os P ro du to s da C an a-de -A çu ca r E ne rg ia H id ra úl ic a e E le tr ic id ad e Le nh a e C ar vã o V eg et al O ut ra s R en ov áv ei s 2008 2009

Energia Não Renovável Energia Renovável

0% 10% 20% 30% 40% 50% P et ró le o e D er iv ad os G ás N at ur al C ar vã o M in er al e D er iv ad os U râ ni o e D er iv ad os P ro du to s da C an a-de -A çu ca r E ne rg ia H id ra úl ic a e E le tr ic id ad e Le nh a e C ar vã o V eg et al O ut ra s R en ov áv ei s 2008 2009

Energia Não Renovável Energia Renovável

Figura 2.2 – Comparação das Diferentes Fontes de Energia, no Brasil, em 2008 e 2009. (Fonte: EPE, 2010)

O carvão mineral é utilizado como combustível para geração de energia térmica. No Brasil, devido a aspectos geográficos e dimensão do território, as termelétricas, que empregam carvão mineral como combustível estão situadas geograficamente próximas aos principais jazimentos carboníferos do país, nos estados do Rio Grande do Sul, Santa Catarina e Paraná. (Viegas, 1977; Rohde et al., 1996 apud Pozzobon,1999)

É importante citar que as usinas termelétricas podem utilizar outro tipo de combustíveis, e por este motivo, são classificadas quanto ao tipo segundo (Viegas, 1977; Rohde et al., 1996 apud Pozzobon,1999)

Usinas convencionais: utilizam derivados de petróleo, gás, energia nuclear e carvão mineral;

Usinas não convencionais: usam biomassa, resíduos orgânicos e outros;

Pesquisas da ELETROBRAS mostram que em 1997, aproximadamente metade da energia térmica gerada nas usinas convencionais, era gerada pela queima do carvão mineral.

O carvão mineral sofre forte influência da sua origem geológica que pode variar suas características físico-químicas e grau de carbonificação. Tais fatores também influenciam no tipo de cinzas produzido na queima do carvão. O carvão brasileiro tem relevante presença de teor de matéria orgânica em sua composição, responsável pela formação de resíduos, diferentemente das cinzas oriundas de carvão com menores teores de matéria orgânica de outros locais.

(32)

2.3.Origem e Classificação das Cinzas

De acordo com Rohde et al. (2006) a formação das cinzas se dá pela combustão direta do carvão, matéria-prima sólida, constituída por duas frações intimamente misturadas: uma orgânica (material volátil mais carbono fixo) e uma mineral (argilas, quartzo, piritas, carbonatos, etc.). Pela ação do calor a fração orgânica gera voláteis e coque, enquanto a mineral se transforma em cinza com mineralogia modificada, tendo em vista: a perda de água das argilas, a decomposição dos carbonatos, a oxidação dos sulfetos, etc.

Nardi (1975) afirma que as cinzas consistem de componentes não combustíveis de carvão, além de partículas não queimadas devido à combustão incompleta do carvão pulverizado.

Na geração de energia termelétrica pela queima do carvão mineral são gerados resíduos: 40% em peso destes correspondem à fração cinzas, sendo destes, 60% cinzas volantes e, 40% cinza de fundo, segundo esquema indicado na Figura 2.3.

Figura 2.3 – Processo de Queima do Carvão Mineral em Usinas Termelétricas (Fonte: Farias, 2005)

Segundo Rohde et al. (2006), as cinzas apresentam-se de diferentes formas conforme o processo de gaseificação ou queima do carvão e podem ser classificadas como:

Escória/Cinza Grossa (slag ou boiler slag): originada nos processo de combustão ou gaseificação do carvão em grelhas fixas e móveis. Apresentam-se, frequentemente, com granulometria grosseira e blocos sinterizados, com consideráveis teores de carbono

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não queimado (10-20%). São retiradas pelo fundo das fornalhas, após resfriamento com água;

Cinza de Fundo/Cinza Pesada/Cinza Úmida (bottom ash): originadas nos processos de combustão do carvão em forma pulverizada e da queima ou gaseificação do carvão em leito fluidizado, contém geralmente teores de carbono não queimado de 5 a 10%. São mais pesadas e de granulometria mais grossa, que caem para o fundo das fornalhas e gaseificadores, de onde são retiradas por fluxo de água, principalmente nas grandes caldeiras de usinas térmicas e centrais de vapor;

Cinza Leve/ Cinza Volante (fly ash): constituídas de partículas extremamente finas (100% menor que 0,15mm), leves e que são arrastadas pelos gases de combustão de fornalhas ou gases gerados em gaseificadores industriais. Grande parcela dessas partículas é retida por sistema de captação – filtros de tecido, ciclones, precipitadores eletrostáticos, etc. As grandes unidades produtoras deste tipo de cinzas são as usinas termelétricas e centrais de vapor.

As propriedades físico-químicas das cinzas oriundas da combustão do carvão mineral em usinas termelétricas são influenciadas por diversos fatores, tais como: composição do carvão; grau de beneficiamento e moagem do carvão; tipo, projeto e operação da caldeira; sistema de extração e manuseio das cinzas. Goethe (1990) comenta: “Devido a estes fatores, as cinzas vão mostrar variação na sua composição e propriedades físico-químicas, não só de usina para usina, mas de caldeira para caldeira na mesma usina e até numa mesma caldeira em tempos diferentes”.

Existem ainda outros sistemas de classificação das cinzas de carvão, entre os quais pode-se dar destaque a: sistema de graduação, fundamentado na finura, perda ao fogo, e estado físico e sistemas triangulares, onde diferentes classes podem ser definidas com base no conteúdo de material cálcico e férrico. A ASTM, na norma ASTM C618 – “Standard Specification for Coal Fly Ash

and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete” – apresenta sistema

de classificação das cinzas volantes ou pozolanas naturais para uso em concreto, onde são desejadas propriedades cimentícias ou atividades pozolânicas.

De acordo com Rohde et al (2006), a NBR 12653:1999 (ABNT,1999) – “Materiais Pozolânicos – Especificação”, visa enquadrar as cinzas volantes

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brasileiras no sistema de classificação estabelecido para os materiais pozolânicos. É importante ressaltar que nesta norma não há menção sobre cinzas de fundo ou escórias de carvão. No Quadro 2.1 são apresentados os requisitos que constam na NBR 12653:1999 quanto à classificação das cinzas volantes e características gerais das cinzas típicas do Brasil.

Quadro 2.1– Classificação das Pozolanas segundo NBR 12653/1999 e características gerais das cinzas brasileiras. (Fonte: Rohde et al., 2006)

Propriedades

Classes de Materiais

Pozolânicos Cinzas Brasileiras N C E Volantes Fundo

Exigências Químicas

SiO2 + Al2O3 + Fe2O3

(%mín) 70 70 50 >90 >90 SO3 (%máx) 4,0 5,0 5,0 <1,0 <1,0 Teor de Umidade (%máx) 3,0 3,0 3,0 <1,0 >3,0(1) Perda ao Fogo (%máx) 10,0 6,0 6,0 <1,0 <3,5 Álcalis disponíveis em Na2O (%máx) 1,5 1,5 1,5 <1,5 <1,5 Exigências Físicas Material Retido na Peneira 45µm (%máx) 34 34 34 <34 <34 (2) Índice de atividade pozolânica: - com cimento (%mín)

- com cal (MPa) 6,0 75 6,0 75 6,0 75 >6,0 >75 <6,0 <75 Água Requerida (%máx) 115 110 110 <110 <110

(1) A umidade pode ser atingida por secagem sem prejuízos para a qualidade das cinzas, dependendo da utilização altas umidades podem ser benéficas.

(2) Pode ser atendida por moagem e britagem. Nem sempre maior finura vai significar maior qualidade. Vai depender do tipo de aproveitamento.

Na verdade, no Brasil, ainda não existe legislação específica para as cinzas derivadas de carvão mineral, que, em termos práticos são classificadas como resíduos sólidos, e para sua utilização é necessária aprovação específica, em cada caso, além de monitoramento ambiental prolongado.

Segundo Rhode et al. (2006), a produção de cinzas da combustão de carvão, das termelétricas da região sul do país e outras unidades industriais, atingia, à época citada, aproximadamente 4.000.000 toneladas por ano das quais somente em torno de 50% eram aproveitadas.

Os custos e riscos inerentes ao correto condicionamento das cinzas, anteriormente a alternativa mais recomendada, são muito elevados, com redução da atratividade do carvão mineral como fonte de energia. Desta forma, a grande importância do desenvolvimento de produtos e técnicas que busquem o

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aproveitamento destes resíduos está intimamente ligada à difusão do emprego do carvão como combustível.

2.3.1.Cinza Volante

Pinto (1971) define a cinza volante (fly ash), como sendo uma pozolana artificial, produzida nas usinas termelétricas que queimam carvão em pó. Na norma americana, ASTM C618, a definição dada a pozolana é: material silicoso ou sílico-aluminoso, que por si só possui pouca ou nenhuma capacidade de cimentação, porém em forma finamente dividida e na presença de umidade, reage quimicamente com hidróxidos alcalinos e alcalinos terrosos, à temperatura ambiente para formar ou ajudar na formação de compostos com propriedades cimentícias.

A cinza volante pode ser definida como resíduo de granulometria fina, resultante da combustão do carvão mineral ou matéria orgânica, transportada pelo fluxo de gases.

Rohde et al. (2006) definem as cinzas volantes como materiais particulados sílico - aluminosos, de textura siltosa, remanescentes da matéria mineral calcinada nos processos de combustão de carvão pulverizado, em ambiente oxidante e de alta temperatura, extraídos por meios eletrostáticos dos gases de combustão.

Em geral, no processo de queima do carvão, as cinzas volantes, devido a baixa densidade, flutuam até as chaminés, onde são coletadas mecanicamente por precipitadores eletrostáticos ou outro tipo de mecanismo, onde sofrem resfriamento e, com o auxilio de equipamentos pneumáticos, são transportados até os silos de armazenagem. Como grande parte das cinzas volantes no Brasil já é destinada à reutilização de diversas formas, parte das cinzas são separadas para análise de parâmetros físicos e químicos, determinando a variação de tais propriedades e conferindo o enquadramento aos requisitos aplicáveis.

As propriedades das cinzas volantes podem ser influenciadas por alguns fatores, como descrito na ASTM C618, tais como: as fontes de carvão (composição química do carvão), que interferem diretamente nos componentes químicos presentes nas cinzas, os tipos de caldeira utilizados e os métodos de controle das emissões (temperatura da combustão e método de retirada da cinza), que intervém na presença de componentes cristalinos nas cinzas. Nardi (1975) inclui, ainda, a temperatura de combustão como um dos fatores influentes. A estrutura cristalina, formada com o resfriamento lento das cinzas,

(36)

fornece características cimentantes e o grau de cristalinidade determina as características de hidratação.

As cinzas volantes são capazes de desenvolver reações pozolânicas, e quando misturadas à cal possuem características para estabilização de solos como observado por Rosa (2009) e diversos estudos anteriores. Segundo Rohde et al. (2006) os elementos responsáveis pela atividade pozolânica nas cinzas volantes são: SiO₂, Al₂O₃,Fe₂O₃,CaO,MgO,SO₃,Na₂O,eK₂O, entretanto o

grau de reação é ainda dependente de outras variáveis como a distribuição do tamanho das partículas e mineralogia dos solos.

O crescente aproveitamento e desenvolvimento de novas técnicas para a utilização das cinzas volantes com diferentes finalidades fez com que na década de 1960, aumentassem os estudos e normas que regulamentassem seu uso em diversos países, tais como: Alemanha, Austrália, Canadá, Dinamarca, Espanha, França, Inglaterra, Holanda, Japão e Estados Unidos, entre outros.

Quanto às características químicas das cinzas volantes oriundas das termelétricas da região sul do país, pode-se dizer que mais de 90% consistem em sílica, alumina e óxido de ferro, além de óxido de cálcio, magnésio, sódio, potássio, titânio e outros em menores teores. É importante lembrar que a composição química das cinzas volantes está profundamente relacionada com as características dos carvões dos quais são originadas. Já quanto às características físicas, normalmente as cinzas volantes são caracterizadas por granulometria de tamanho de silte, às vezes de areia, são não plásticos e não coesivos, com a massa específica dos grãos variando entre 2050kg/m³ e 2200kg/m³. Nas características mineralógicas, de forma geral, as cinzas volantes constituem-se, predominantemente, de material vítreo de natureza sílico - aluminosa e em menor proporção de compostos cristalizados. A morfologia das partículas varia com as condições de queima, e cinzas volantes provenientes da combustão de carvão pulverizado contém predominantemente partículas esféricas e de partículas irregulares (Rohde et al., 2006).

2.3.2. Cinza de Fundo

Como já descrito, as cinzas de fundo são resíduos sólidos gerados a partir da combustão de carvão pulverizado, de granulometria maior que as cinzas volantes. Rohde et al. (2006), definem cinzas de fundo como mescla de materiais agregados e particulados, silico - aluminosos, de textura areno -

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siltosa, remanescentes da matéria mineral calcinada, nos processos de combustão de carvão pulverizado, em ambiente oxidante e de alta temperatura.

No processo de queima do carvão mineral, as cinzas de fundo (resíduos sólidos), são coletadas em recipiente preenchido com água, posicionado embaixo da câmara de combustão. Quando atingida quantidade suficiente de cinza pesada no recipiente, com auxílio de jato de água de alta pressão, é retirada e conduzida por canal de limpeza para tanques de disposição ou bacias de decantação para a diminuição da elevada umidade (Nardi,1998 apud Farias, 2005)

As propriedades físico-químicas da cinza de fundo também variam com a composição do carvão, do grau de moagem do beneficiamento na pré-queima e, do sistema de extração e transporte da cinza após a queima (Goethe, 1990).

As cinzas de fundo não possuem vasta reutilização como as volantes, talvez por este motivo, ainda não sejam conhecidas normas e regulamentos que forneçam diretrizes para seu uso em diversos fins. Segundo Rohde et al. (2006), estas cinzas podem ser definidas como material pozolânico, embora ainda não reconhecida pela NBR 12653:1999, ou pela ASTM C618. Os autores citados baseiam seu argumento nas recentes pesquisas que comprovam o comportamento pozolânico das cinzas de fundo. Nessas pesquisas, em temperatura ambiente, mesmo que em menor grau que as cinzas volantes, as cinzas de fundo apresentam a capacidade de reação com a cal, em presença de água, para formar compostos com propriedades cimentantes.

Quanto à composição química das cinzas de fundo, normalmente mais de 90% são compostos químicos e vidros formados por SiO₂,Al₂O₃ eFe₂O₃.

Pode-se concluir que são constituídas predominantemente de silicatos e aluminatos amorfos, com valores de sílica superiores a 60%. Outros elementos como o

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2,MnOePO

TiO , aparecem em quantidade mínima, por exemplo: na análise

feita por Nardi (1988, apud Leandro, 2005), totalizaram 1,19% em peso e por Rocha et al. (1999, apud Leandro, 2005), 1,59%. Dado que a composição química depende diretamente da fonte de carvão do qual a cinza foi gerada, o Federal Highway Administration (FHA, 1998) relata que as cinzas derivadas de linhitas ou carvões sub-betuminosos têm percentagem maior de cálcio do que as cinzas derivadas de antracito ou carvão betuminoso.

A variação da granulometria das cinzas de fundo é grande, entretanto, na maioria dos casos, tem características granulares, com grande parte dos grãos na fração areia e silte e baixos teores de argila, são não plásticos e não

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coesivos. Do ponto de vista mineralógico, constituída por fase vítrea silico - aluminosa associada a carbono na fase amorfa. Quanto às características morfológicas são quatro tipos principais: partículas transparentes arredondadas e irregulares, partículas opacas angulosas a subangulosas e, finalmente, de forma esférica (Rohde et al., 2006).

2.4. Aproveitamento das Cinzas de Carvão Mineral

A utilização de cinza vulcânica como material de construção, como visto, é muito antiga; civilizações aproveitavam-se das propriedades cimentantes destas cinzas. Entretanto, segundo Nardi (1975) com aumento da instalação de termelétricas como usinas geradoras de energia, veio a primeira utilização das cinzas volantes de carvão mineral como agente cimentante no concreto em 1936, em alguns quilômetros da parede de contenção ao redor do lago de Michigan.

O uso das cinzas volantes em concreto foi a reutilização deste resíduo mais bem difundida, inicialmente, em todo o mundo. Rohde et al. (2006) relatam que em 1942, nos reparos do túnel vertedouro da barragem Hoover aconteceu o primeiro grande uso de cinza volante em concreto massa e a utilização mais conhecida refere-se à restauração da barragem Backer, no Colorado, em 1947.

O histórico do uso das cinzas de carvão em estabilização de solos com mistura com cal também é citado por diversos estudiosos. Rohde et al. (2006) relatam que as primeiras experiências em larga escala com o emprego de solo-cinza-cal, foram realizadas nas décadas de 1920 e 1930 nos Estados Unidos e em alguns países da Europa.

Já no Brasil, o primeiro registro do emprego da cinza volante como pozolana, é datado de 1964, quando foi incorporada ao concreto, na construção da hidrelétrica de Jupiá, pela então CELUSA – Centrais Hidrelétricas de Urubupunga S.A., com a finalidade de diminuir a temperatura de hidratação do concreto, substituindo parcialmente o cimento (Abreu, 1993).

A escassez de jazidas de materiais de construção convencionais, a grande e crescente quantidade de resíduos gerados, em conjunto com custos e riscos ambientais associados à disposição dos mesmos podem ser consideradas motivações de estudos visando o aproveitamento de resíduos.

Segundo Rohde et al. (2006) as cinzas podem ser consideradas importante recurso mineral, tendo em vista suas propriedades físico-químicas e mineralógicas, pouco encontradas em outros materiais, caracterizadas por alta

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capacidade de reação com aglomerantes do tipo cal; e há imobilização de seus elementos potencialmente perigosos ou tóxicos quando empregadas na forma estabilizada com cal. Na prática das construções são apreciados os aspectos: grande quantidade do material disponível; pronta disponibilidade para uso após sua formação não necessitando processos de beneficiamento a não ser eventuais secagens em presença de excesso de umidade.

Construção, fabricação e estabilização de resíduos podem ser citadas como as principais categorias de reutilização do subproduto da queima do carvão mineral, como retratado por Silva et al. (1998); Zwonok et al. (1996); Jablonski & Tyson (1988 apud Pozzobon, 1999)

A construção é o maior usuário dos subprodutos do carvão mineral, e aplicações tecnológicas existem tanto para a cinza volante como para a pesada. Dentre diversas pode-se destacar: concretos e argamassa; fabricação do cimento Portland pozolânico; processos de estabilização sob pressão; aterros estruturais ou sem função estrutural (como material de enchimento em obra); bases estabilizadas e solos modificados para rodovias, pistas e edificações e ainda como fíler em misturas betuminosas. (Rohde et al., 2006)

Na categoria referente à fabricação, as aplicações para as cinzas oriundas da queima do carvão mineral citadas por diversos pesquisadores são: artefatos de concreto celular autoclavado; artefatos de cinza-cal (sílico – calcários) autoclavados; artefatos cerâmicos: de cinza e de cinza com argila; artefatos sinterizados; artefatos de cinza-cal curados em meio ambiente; agregados leves, concreto leve e fíler plástico.

Na categoria de estabilização de resíduos, Marciano Jr. et al. (1996, apud Pozzobon, 1999) comentam alternativas bem sucedidas de incorporação ou imobilização de rejeitos com cimento e em peças de concreto são pesquisadas e empregadas na Europa e na América do Norte. Estudo realizado por Weng & Huang (1994) comprovou que a cinza volante originada na empresa de energia de Delmarva, estado de Newark, mostrou ser um potencial absorvente de metais pesados no tratamento de efluentes industriais contaminados. Parsa et al. (1996) apresentam método, simples e de baixo custo, para a estabilização/solidificação de resíduos perigosos, usando cinza volante classe C (segundo classificação da ASTM C618): o processo, que envolve a mistura e compactação do resíduo e da cinza volante em um bloco monolítico, obteve resultados satisfatórios.

Pozzobon (1999) apresenta no Quadro 2.2 as principais características e produtos feitos com cinza de carvão.

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É importante ressaltar que no Brasil, a principal utilização das cinzas originadas da combustão do carvão mineral ocorre na substituição de parte do clínquer por cinza volante na fabricação do Cimento Portland Pozolânico. Atualmente, 100% das cinzas volantes provenientes do Complexo Termelétrico de Jorge Lacerda – origem das cinzas do presente estudo – é consumido pela indústria do cimento.

Quadro 2.2 - Características da cinza volante e pesada, produtos, vantagens (Fonte: Pozzobon, 1999)

Resíduo Características Produto

Elaborado Vantagens C in za d e F un do Subproduto da combustão do carvão; partículas com tamanho de 0,08 a 20mm; forma angular; muito porosa

Cimento Agregado Leve Sub-base Economia de energia Aumento da Capacidade de

produção para gasto de capital relativamente mais baixo. C in za V ol an

te Subproduto da combustão _{do carvão, partículas} menores carregadas pelos gases da combustão para chaminés. Cimento Concreto Agregado Leve Sub-base Fíler de asfalto Tijolo Economia de energia Aumento da capacidade de

produção para gasto de capital relativamente mais baixo.

Textura fina.

Baixa Massa Específica Facilidade de

combinação com a cal livre (propriedade pozolânica)

2.4.1. Aproveitamento das Cinzas do Carvão Mineral na Pavimentação

Segundo Nardi (1975), o primeiro registro da utilização de cinzas volantes na pavimentação ocorreu em 1938, nos Estados Unidos, quando o Distrito Sanitário de Chicago usou 20 a 50% de cinzas volantes como substituto do cimento em pavimento numa extensão de meia milha numa rodovia local. O autor relata a construção das pistas de pouso do aeroporto de Newark, também nos Estados Unidos, onde se usou cerca de 730 mil toneladas de cinzas,