Análise do Comportamento de Misturas de Solos com Cinza Volante de Carvão Mineral e Cal

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Amanda Maria Chrispim Meliande

Análise do Comportamento de Misturas de Solos com

Cinza Volante de Carvão Mineral e Cal

Dissertação de Mestrado

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

Orientadora: Profª Michéle Dal Toé Casagrande

Rio de Janeiro Junho de 2014 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1212872/CA

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Amanda Maria Chrispim Meliande

Análise do Comportamento de Misturas de Solos com

Cinza Volante de Carvão Mineral e Cal

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

Profª. Michéle Dal Toé Casagrande

Orientadora Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio

Prof. Flávio de Andrade Silva

Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio

Prof. Ben-Hur de Albuquerque e Silva

Instituto Militar de Engenharia

Prof. José Eugenio Leal

Coordenador Setorial do Centro Técnico Científico – PUC-Rio

Rio de Janeiro, 16 de junho de 2014

PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1212872/CA

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autora e da orientadora.

Amanda Maria Chrispim Meliande

Graduou-se em Engenharia Ambiental pela Universidade Federal Fluminense em 2011. Ingressou no Mestrado na Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro em 2012, desenvolvendo Dissertação na linha de pesquisa de Geotecnia Experimental.

Ficha Catalográfica Meliande, Amanda Maria Chrispim

Análise do comportamento de misturas de solos com cinza volante de carvão mineral e cal/ Amanda Maria Chrispim Meliande; orientadora: Michéle Dal Toé Casagrande. – Rio de Janeiro, PUC, Departamento de Engenharia Civil, 2014.

v., 149 f,; il. ; 29,7 cm

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

Inclui referências bibliográficas.

1. Engenharia civil – Teses. 2. Cinza volante de carvão. 3. Cal. 4. Misturas solo-cinza. 5. Ensaio de cisalhamento direto. I. Casagrande, Michéle Dal Toé. II. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Civil. III. Título.

CDD: 624 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1212872/CA

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À minha mãe, in memoriam, pelo amor, incentivo e apoio. PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1212872/CA

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Agradeço, sobretudo, a Deus, pela minha vida, minhas conquistas e lutas.

À minha mãe, em especial, que embora não mais presente fisicamente, segue nos meus pensamentos como fonte de inspiração, por todo o amor e carinho dedicados ao longo da minha vida.

Ao meu pai, por me escutar e me apoiar nas horas difíceis.

À minha tia-avó, pelo acolhimento e transmissão de alegria, vivacidade e fé. Ao Fernando, pela presença tão querida, pelo apoio incondicional, carinho e palavras de aconchego.

À Rhaissa, amiga-irmã, pelo convívio de longos anos e pelo apoio constante, sempre irradiando felicidade.

Às amigas Sandra, Giobana, Lucianna e Ivania, pelas horas boas, horas de risada, e pelas grandes amigas que foram ao longo deste percurso. Obrigada por cada palavra de carinho, cada gesto, que me fizeram ter forças para seguir em frente e jamais desistir.

Aos amigos Daniel, Orlando, Gary e Perlita, pela companhia e longas conversas na “favelinha”, e a todos aqueles que de alguma forma contribuíram para este trabalho e pela convivência tão amiga ao longo do curso.

À Professora Michéle, pela orientação do meu trabalho e por todo o conhecimento transmitido. Por ser tão presente nos momentos de dúvidas, pelas conversas e pela amizade gerada.

Ao Professor Tacio, pela compreensão e apoio fornecidos.

À Monica Moncada, por ter me guiado na graduação e me incentivado a ingressar no Mestrado. Pelos conhecimentos transmitidos e pelo apoio fornecido.

Aos técnicos do laboratório Amaury e Josué pelo apoio para realizar os ensaios. À Capes, pelo apoio financeiro prestado para a realização deste trabalho.

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Meliande, Amanda Maria Chrispim; Casagrande, Michéle Dal Toé.

Análise do comportamento de misturas de solos com cinza volante de

carvão mineral e cal. Rio de Janeiro, 2014. 149 p. Dissertação de

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

Este estudo apresenta o comportamento de misturas de areia e solo argiloso com teores variados de cinza volante, proveniente do processo de queima de carvão mineral no Complexo Termelétrico Jorge Lacerda, localizado no município Capivari de Baixo, no estado de Santa Catarina. O objetivo da presente pesquisa consiste em avaliar a aplicabilidade do uso de misturas cinza e solo-cinza-cal em obras geotécnicas, como camadas de aterros sanitários, solos de fundação e estabilização de taludes. Foram realizados ensaios de caracterização física, química e mecânica (ensaio de compactação e ensaio de cisalhamento direto). Os ensaios de cisalhamento direto foram realizados em amostras de solo argiloso compactadas na umidade ótima e no peso específico seco máximo correspondente, com teores de cinza volante de 15% e 30% em relação ao peso seco do solo. Já os ensaios em amostras de areia foram realizados para uma densidade relativa de 50% e umidade ótima de 10%, com teores de cinza volante de 15, 30 e 40% em relação ao peso seco do solo. Para as misturas solo-cinza-cal, adicionou-se 3% de cal em substituição ao peso seco da cinza. Foi analisada a influência do tipo de solo, teor de cinza, adição de cal e tempo de cura (0, 30, 100, 125 e 140 dias) para as misturas, sendo a cura adotada somente para as misturas com areia. Os resultados mostraram-se mais satisfatórios para as misturas com solo argiloso, sendo a adição de cal mais eficiente para a mistura com menor teor de cinza. Na ausência de cal, o melhor comportamento obtido foi para a mistura com 15% de cinza. Quanto às misturas com areia e sem cal, os resultados foram inferiores à areia; já no caso das misturas areia-cinza-cal, não foi possível definir um padrão do comportamento com relação ao tempo de cura, pois ainda que tenha havido um aumento da coesão a determinados dias, este ganho veio acompanhado de uma redução no ângulo de atrito, fazendo com que a areia mantivesse um comportamento melhor. Contudo, o teor de 27% de cinza, sob 140 dias de cura,

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teor ótimo a ser utilizado. Dessa forma, ainda que o emprego da cinza volante em misturas com o solo argiloso tenha se mostrado mais satisfatório, este material também pode ser utilizado em misturas com areia, desde que submetido a elevados períodos de cura e que contenham uma porcentagem de cinza em torno do teor ótimo encontrado, o que viabiliza o emprego positivo deste material em aplicações geotécnicas, possibilitando uma destinação ambientalmente correta deste resíduo e dando um fim mais nobre a este material.

Palavras-chave

Cinza volante de carvão; cal; misturas solo-cinza; ensaio de cisalhamento direto. PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1212872/CA

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Meliande, Amanda Maria Chrispim; Casagrande, Michéle Dal Toé (Advisor). Analysis of the behavior of soils mixtures with mineral coal

fly ash and lime. Rio de Janeiro, 2014. 149 p. MSc. Dissertation -

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

This study presents the behavior of sand and clay soil mixtures with different contents of fly ash, which comes from the coal burning process in Thermoelectric Complex Jorge Lacerda, located in the city of Capivari de Baixo, in Santa Catarina. The aim of this research is to assess the applicability of using soil-ash and soil-ash-lime mixtures in geotechnical works, like landfill layers, foundation soils and slope stabilization. Physical, chemical and mechanical (compaction test and direct shear test) were performed. Direct shear tests were performed on clay soil samples compacted at the optimum moisture content and the corresponding maximum dry specific gravity, with fly ash contents of 15 and 30 %, related to the dry weight of soil. Tests on sandy soil samples were performed at the relative density of 50 % and optimum humidity of 10 %, with fly ash contents of 15, 30 and 40 % related to the dry weight of soil. For soil-ash-lime mixtures, it was added 3 % of lime to replace the dry weight of ash. It was studied the influence of different parameters: soil type, ash content, lime addition and curing time (0, 30, 100, 125 and 140 days) for the mixtures. Curing process was adopted only for sandy soil mixtures. Results were more suitable for clay soil mixtures, and lime addition was more efficient for the mixture with the lowest ash content, related to 12 %. In the absence of lime, the best performance was obtained for the mixture with 15 % of ash. For sandy soil mixtures and without lime, the results were inferior to sand; and in the case of soil-ash-lime mixtures, it was not possible to define a pattern of behavior to the curing time, because although there has been an increase in cohesion certain days, this gain was followed by a reduction in friction angle, which has maintained the best performance of sand. However, the ash content of 27 %, at 140 days of curing, caused an increase of both parameters, what means that this ash content is the optimum content to be used. Thus, although the use of fly ash in mixtures with

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with sandy soil, since it contains an ash content around the optimum content found, and since it has been submitted to elevated curing periods, what enables the positive employment of this material in geotechnical applications, providing an environmentally correct disposal of this waste and giving it a noblest destination.

Keywords

Coal fly ash; lime; soil-ash mixtures; direct shear test.

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1. Introdução 24 1.1. Relevância e justificativa da pesquisa 24

1.2. Objetivos 25

1.3. Organização da dissertação 26

2. Revisão bibliográfica 27

2.1. Importância do carvão mineral na matriz energética brasileira 27

2.2. Origem e classificação das cinzas 29

2.2.1. Cinza volante 31

2.3. Aproveitamento das cinzas volantes de carvão mineral 32

2.4. Cinzas e meio ambiente 33

2.5. Cal 33

2.6. Estabilização de solos 35

2.6.1. Solo-cal 37

2.6.1.1. Reações solo-cal 39

2.6.1.2. Dosagem da cal 42

2.6.1.3. Variáveis determinantes do comportamento de mistura solo-cal

43

2.6.1.4. Comportamento mecânico do solo-cal 45

2.6.2. Solo-cinza volante de carvão 47

2.6.3. Solo-cinza de RSU 51

2.7. Resistência ao cisalhamento 53

2.7.1. Ensaio de resistência ao cisalhamento 54

2.8. Considerações finais 56 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1212872/CA

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3.1. Considerações iniciais 57 3.2. Materiais 59 3.2.1. Solo 59 3.2.1.1. Solo argiloso 59 3.2.1.2. Areia 62 3.2.2. Cinza volante 63 3.2.3. Cal 66 3.2.4. Misturas solo-cinza-cal 67

3.3. Métodos e procedimentos de ensaio 69

3.3.1. Ensaios de caracterização física 69

3.3.1.1. Limites de Atterberg 70

3.3.1.2. Densidade real dos grãos 70

3.3.1.3. Análise granulométrica 70

3.3.1.4. Índice de vazios máximo e mínimo 71 3.3.2. Ensaios de caracterização química e ambiental 71

3.3.2.1. Composição química 72

3.3.2.2. Ensaios de solubilização e lixiviação 72 3.3.3. Ensaios de caracterização mecânica 73 3.3.3.1. Ensaios de compactação Proctor Standard 73

3.3.3.2. Ensaio de cisalhamento direto 74

4. Apresentação e discussão dos resultados 79

4.1. Ensaios de Caracterização Física 79

4.1.1. Solo Argiloso 79

4.1.1.1. Densidade Relativa dos Grãos 79

4.1.1.2. Análise Granulométrica 79 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1212872/CA

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4.1.2. Areia 81

4.1.2.1. Índices físicos 81

4.1.2.2. Análise granulométrica 81

4.1.3. Cinza volante e misturas 82

4.1.3.1. Densidade Relativa dos Grãos 82

4.1.3.2. Análise Granulométrica 84

4.1.3.3. Limites de Atterberg 87

4.1.3.4. Classificação SUCS 88

4.2. Ensaios de caracterização química e ambiental 88

4.2.1. Composição química 88

4.2.2. Teor de matéria orgânica 92

4.2.3. Ensaio de lixiviação 93

4.2.4. Ensaio de solubilização 94

4.3. Ensaios de caracterização mecânica 96

4.3.1. Solo argiloso 96

4.3.1.1. Ensaio de compactação 96

4.3.1.2.1. Comportamento tensão cisalhante vs deslocamento horizontal

102

4.3.1.2.2. Influência do teor de cinza 105

4.3.1.2.3. Influência da adição de cal 111

4.3.2. Areia 113

4.3.2.1.1. Comportamento tensão cisalhante vs deslocamento horizontal

114

4.3.2.1.2. Influência do teor de cinza 122

(13)

4.3.2.1.4. Influência do tempo de cura 131

4.4. Considerações sobre os resultados 137

5. Considerações finais 140

5.1. Conclusões 140

5.2. Sugestões para pesquisas futuras 142

6. Referências bibliográficas 145 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1212872/CA

(14)

Figura 2.1 - Oferta interna de energia no Brasil com base nos dados de 2012 (EPE, 2013).

28

Figura 2.2: Oferta interna de energia no Brasil com base nos dados de 2011 (EPE, 2013).

29

Figura 2.3: Participação de renováveis na matriz energética brasileira (EPE, 2013).

29

Figura 2.4: Processo de queima do carvão mineral em usinas termelétricas (Farias, 2005).

30

Figura 2.5: Mecanismo de troca catiônica (Prusinski e Bhattacharja, 1999, apud Junior, 2011).

40

Figura 2.6: Ingles e Metcalf (1972) apud Lopes (2011). 41 Figura 2.7: Efeito do tempo de cura sobre a resistência à compressão simples para alguns solos estabilizados com cal (Ingles & Metcalf, 1972).

44

Figura 2.8: Efeito da quantidade de cal sobre a resistência à compressão simples para alguns solos tratados com cal e curados por 7 dias (Ingles e Metcalf, 1972).

46

Figura 2.9: Representação gráfica do critério de ruptura de Mohr-Coulomb.

55

Figura 2.10: Esquema do equipamento do ensaio de cisalhamento direto com deformação controlada (Gerscovich, 2010 apud Benedetti, 2011).

55

Figura 3.1: Localização do Campo Experimental II da PUC-Rio (Soares, 2005).

59

Figura 3.2: Solo argiloso. 60

Figura 3.3: Perfil morfológico do Campo Experimental da PUC-Rio (Daylac, 1994).

61

Figura 3.4: Localização do ponto de coleta de areia. 63

Figura 3.5: Areia 63 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1212872/CA

(15)

(Leandro, 2005).

Figura 3.7: Cinza volante. 64

Figura 3.8: Usinas pertencentes à Companhia Tractebel (Tractebel Energia, 2010 apud Lopes, 2011).

65

Figura 3.9: Vista geral do Complexo Jorge Lacerda (Tractebel Energia, 2010 apud Lopes, 2011).

66

Figura 3.10: Processo de moldagem do corpo de prova arenoso. 75 Figura 3.11: Processo de moldagem do corpo de prova argiloso. 77 Figura 3.12: Prensa utilizada para os ensaios de cisalhamento

direto.

78

Figura 4.1: Curva granulométrica do solo argiloso. 80 Figura 4.2: Curva granulométrica da areia. 82 Figura 4.3: Variação da densidade real dos grãos com o teor de cinza de volante para a areia.

83

Figura 4.4: Variação da densidade real dos grãos com o teor de cinza de volante para o solo argiloso.

83

Figura 4.5: Curvas granulométricas da areia e da cinza volante. 84 Figura 4.6: Curvas granulométricas da areia, da cinza volante e das suas misturas.

85

Figura 4.7: Curvas granulométricas do solo argiloso e da cinza volante.

85

Figura 4.8: Curvas granulométricas do solo argiloso, da cinza volante e das suas misturas.

86

Figura 4.9: Curvas de compactação do solo puro e das misturas sem a adição de cal.

97

Figura 4.10: Curvas de compactação do solo puro e das misturas com a adição de cal.

98

Figura 4.11: Variação da massa específica aparente seca com o teor de cinza volante.

99

Figura 4.12: Variação da umidade ótima com o teor de cinza volante. 99 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1212872/CA

(16)

2011).

Figura 4.14: Curva de compactação da cinza volante do Complexo Jorge Lacerda (Ubaldo, 2005).

100

Figura 4.15: Curva de compactação Proctor normal obtida por Beneveli (2002).

101

Figura 4.16: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para o solo puro (Szeliga, 2011).

103

Figura 4.17: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a mistura S85/CV15.

103

Figura 4.18: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a mistura S70/CV30.

104

Figura 4.19: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a mistura S85/CV12/C3.

104

Figura 4.20: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a mistura S70/CV27/C3.

105

Figura 4.21: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal do solo argiloso e misturas S70/CV30 e S85/CV15.

107

Figura 4.22: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal das amostras S e misturas S85/CV12/C3 e S70/CV27/C3.

108

Figura 4.23: Envoltórias de ruptura do solo puro e das misturas S85/CV15 e S70/CV30.

110

Figura 4.24: Envoltórias de ruptura do solo puro e das misturas S85/CV12/C3 e S70/CV27/C3.

110

Figura 4.25: Influência da cal nas misturas S85/CV12/C3 e S85/CV15.

112

Figura 4.26: Influência da cal nas misturas S70/CV27/C3 e S70/CV30.

112

Figura 4.27: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a areia.

115

Figura 4.28: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a mistura A85/CV15.

115

Figura 4.29: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal 116

(17)

Figura 4.30: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a mistura A60/CV40.

116

Figura 4.31: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a mistura A85/CV12/C3 a 0 dias de cura.

117

118

119

120

121

122

Figura 4.43: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal da areia e das misturas com cinza.

123

Figura 4.44: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal da areia e misturas A85/CV12/C3, A70/CV27/C3 e A60/CV37/C3 a 0 dias.

124

Figura 4.45: Influência do teor de cinza volante nas misturas 126

(18)

0 dias.

Figura 4.46: Influência do teor de cinza volante nas misturas A85/CV12/C3, A70/CV27/C3 e A60/CV37/C3 no tempo de cura de 30 dias.

126

Figura 4.47: Influência do teor de cinza volante nas misturas A70/CV27/C3 e A60/CV37/C3 no tempo de cura de 100 dias.

127

128

Figura 4.50: Influência do teor de cinza volante nas misturas A85/CV15, A70/CV30 e A60/CV40.

129

Figura 4.51: Influência da cal nas misturas A85/CV12/C3 e A85/CV15 a 0 dias de cura.

130

131

Figura 4.54: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal da mistura A85/CV12/C3 a diferentes períodos de cura.

132

133

134

Figura 4.57: Variação da tensão cisalhante vs tensão normal para a mistura A85/CV12/C3 para os diferentes tempos de cura.

135

136 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1212872/CA

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Tabela 2.1: Consumo de carvão e produção de cinzas nas usinas termelétricas do sul do Brasil (Abreu, 1990 apud Mallman, 1996).

28

Tabela 2.2: Composição média das cales no mercado brasileiro (Guimarães, 2002).

35

Tabela 2.3: Previsão da quantidade de cal em função do tipo de solo (Ingles & Metcalf, 1972 apud Sandroni & Consoli, 2010).

39

Tabela 3.1: Descrição dos ensaios. 58

Tabela 3.2: Mineralogia para a profundidade de 3m (Sertã, 1986). 62 Tabela 3.3: Especificações dos carvões energéticos brasileiros

(Portaria 100/1987-CNP apud Lopes, 2011).

66

Tabela 3.4: Teores e símbolos utilizados para os materiais. 68 Tabela 3.5: Tempos de cura empregados para cada mistura. 69 Tabela 4.1: Pesquisas realizadas com o solo do Campo

Experimental da PUC-Rio.

80

Tabela 4.2: Índices físicos da areia. 81

Tabela 4.3: Densidade real dos grãos para as misturas. 82 Tabela 4.4: Resultados em percentual da análise granulométrica

dos materiais.

87

Tabela 4.5: Dados da distribuição granulométrica da cinza volante obtidos em estudos anteriores.

87

Tabela 4.6: Análises químicas de capacidade de troca catiônica (CTC) e de ataque sulfúrico do solo argiloso (Duarte, 2004 apud Soares, 2005).

89

Tabela 4.7: Análise química total do solo argiloso, expressa em porcentagem (Sertã, 1986).

89

Tabela 4.8: Elementos químicos presentes na cinza volante (Lopes, 2011) e nas misturas com areia.

90

Tabela 4.9: Elementos químicos presentes nas misturas com solo argiloso.

90

Tabela 4.10: Composição química das cinzas volante e de fundo (Mendonça, 2004 apud Ubaldo, 2005).

91 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1212872/CA

(20)

Tabela 4.11: Composição química da cinza volante de diversas usinas termelétricas (Chies et al, 2003 apud Ubaldo, 2005).

92

Tabela 4.12: Resultados analíticos dos ensaios de lixiviação – parâmetros inorgânicos (TASQA, 2010 apud Lopes, 2011).

93

Tabela 4.13: Tabela: Resultados analíticos dos ensaios de lixiviação – parâmetros orgânicos (TASQA, 2010 apud Lopes, 2011).

94

Tabela 4.14: Resultados analíticos dos ensaios de solubilização – parâmetros inorgânicos (TASQA, 2010 apud Lopes, 2011).

95

Tabela 4.15: Resultados analíticos dos ensaios de solubilização – parâmetros orgânicos (TASQA, 2010 apud Lopes, 2011).

95

Tabela 4.16: Resultados dos ensaios de compactação para as misturas com solo argiloso.

97

Tabela 4.17: Dados específicos dos ensaios de cisalhamento direto para misturas com solo argiloso.

102

Tabela 4.18: Dados de tensão normal e cisalhante no deslocamento de 12 mm para as misturas e o solo puro.

109

Tabela 4.19: Parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo argiloso e das misturas.

113

Tabela 4.20: Dados específicos dos ensaios de cisalhamento direto para misturas com areia.

114

Tabela 4.21: Dados de tensão normal e cisalhante no deslocamento de 12 mm para as misturas, e no deslocamento de 14 mm para o solo puro.

125

Tabela 4.22: Parâmetros de resistência ao cisalhamento da areia e das misturas. 137 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1212872/CA

(21)

Quadro 1: Exigências físicas e químicas para a cal (NBR 7175). 67 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1212872/CA

(22)

A Areia

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente CH Argila arenosa de média plasticidade CV Cinza volante

EDX Espectrometria de fluorescência de raios-X IP Índice de Plasticidade

LL Limite de Liquidez LP Limite de Plasticidade

LVDT Linear Variable Differential Transformer ML Silte de baixa plasticidade

NBR Norma brasileira

PUC Pontifícia Universidade Católica RSU Resíduos sólidos urbanos S Solo argiloso

SM Areia siltosa

SUCS Sistema Unificado de Classificação dos Solos

(23)

Gs Densidade real dos grãos e Índice de vazios

emáx Índice de vazios máximo emín Índice de vazios mínimo Cu Coeficiente de uniformidade Cc Coeficiente de curvatura D10 Diâmetro efetivo

D50 Diâmetro médio

pH Medida de acidez ou basicidade °C Graus centígrados Kg Quilograma mL Mililitro mm Milímetro cm Centímetro m Metro t Tonelada

t/ano Tonelada por ano mm/min Milímetro por minuto min Minuto

g/cm³ Grama por centímetro cúbico kPa Quilopascal

KN Quilonewton Ppm Partes por milhão

߬ Tensão cisalhante efetiva ωotm Umidade ótima

γd máx Peso específico seco máximo γd Peso específico seco

ρ Massa específica do solo c´ Coesão

Ø’ Ângulo de atrito

ߪ´ Tensão normal efetiva

(24)

Introdução

1.1

Relevância e justificativa da pesquisa

No âmbito da engenharia geotécnica, pode-se dizer que o solo, o principal material utilizado, nem sempre atende às necessidades da obra a ser realizada, sendo assim, uma das alternativas para esta questão consiste na adição de outros materiais que confiram a ele as características pretendidas, seja atribuindo-lhe parâmetros de resistência adequados ou melhorando-os através da adição de outros produtos estabilizantes ou materiais de reforço.

Diante da crescente busca por soluções em prol da preservação dos recursos naturais, o aproveitamento e a aplicação de resíduos em obras geotécnicas vêm se destacando, evitando a sua disposição inadequada e reduzindo a geração de impactos ambientais.

Neste contexto, o emprego de resíduos em processos de estabilização de solos tem sido foco de muitas pesquisas, que estudam a substituição de parte dos materiais com alto custo por materiais com custo reduzido, que consistem nos resíduos, como é o caso da utilização da cinza volante em misturas com solo e cal, foco da presente pesquisa.

A cinza volante, proveniente do processo de queima de carvão mineral em usinas termelétricas, por ser produzida em grande quantidade e ser um material dotado de propriedades pozolânicas, tem sido um dos rejeitos industriais mais utilizados em vários países, com ampla gama de aplicações. Atualmente, a cinza volante é considerada um produto, sendo comercializada e beneficiada, e a sua principal forma de aproveitamento no Brasil tem sido na fabricação do cimento pozolânico.

A cal consiste no estabilizante mais econômico e mais utilizado na estabilização de solos, com aplicação em camadas de pavimentos e aterros, e em fundações superficiais, por exemplo. Utilizada desde a antiguidade, muitos estudos têm comprovado sua eficiência no aumento da capacidade de suporte do solo e na redução de recalques (Rosa, 2009).

Vale ressaltar que, para que sejam concebidos novos materiais, é importante estudar as propriedades físicas, químicas e mecânicas dos materiais de

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constituição, bem como suas possíveis combinações. O conhecimento do mecanismo de estabilização (química ou granulométrica) é de grande importância no entendimento da resposta da mistura, no que diz respeito ao seu comportamento mecânico. Este mecanismo é regido por vários fatores relacionados com o solo e as cinzas, como granulometria, teor de umidade, densidade e composição química.

Dentro deste contexto, o presente trabalho busca contribuir para um melhor entendimento do comportamento do solo, quando misturado com a cinza volante de carvão mineral e cal, avaliando a viabilidade do emprego destes materiais em aplicações geotécnicas, como por exemplo, camadas de aterros sanitários, solos de fundação, taludes, dentre outros.

1.2 Objetivos

O principal objetivo desta pesquisa foi analisar, através de ensaios laboratoriais, os efeitos da cinza volante, quando incorporada em misturas com dois tipos de solo, arenoso e argiloso. A cinza estudada é proveniente do Complexo Termelétrico Jorge Lacerda, no município Capivari de Baixo, no estado de Santa Catarina. Tendo em vista que este resíduo é depositado em bacias de sedimentação, dispostas a céu aberto, podendo gerar impactos ambientais, o reaproveitamento deste resíduo para diversos fins, como o deste trabalho, tem sido de grande importância.

As misturas solo-cinza foram testadas sem e com a adição de cal hidratada, sob períodos de cura distintos, com a finalidade de analisar a viabilidade de sua aplicação em obras geotécnicas.

Dentre os objetivos específicos da pesquisa, podem-se citar:

- 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 compactação e de cisalhamento direto;

- Analisar a influência do tipo de solo, adição de cal, período de cura e dos teores de cinza empregados nas misturas com base nos ensaios realizados, discutindo sobre sua aplicação em obras geotécnicas.

(26)

1.3

Organização da dissertação

Este trabalho encontra-se dividido em cinco capítulos, segundo as etapas de pesquisa realizadas, iniciando com este capítulo introdutório (Capítulo 1), seguido do Capítulo 2, onde é apresentada a revisão bibliográfica dos principais tópicos apresentados na pesquisa e necessários para o entendimento dos resultados.

No Capítulo 3, é descrito de forma detalhada o programa experimental, bem como é apresentada a descrição dos materiais utilizados, dos equipamentos e dos métodos de ensaios utilizados conforme as normas vigentes.

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

O Capítulo 5 apresenta as conclusões deste trabalho e as sugestões para futuras pesquisas. PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1212872/CA

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Revisão bibliográfica

A revisão bibliográfica abrange os seguintes temas: -O papel do carvão mineral na matriz energética brasileira;

-A origem e classificação das cinzas de carvão mineral, com enfoque na cinza volante;

-As formas de aproveitamento das cinzas volantes de carvão; -A relação das cinzas com o meio ambiente;

-Os tipos de cal;

-Os processos de estabilização de solos, bem como as reações solo-cal e o comportamento mecânico deste conjunto;

-Pesquisas realizadas com solo e cinzas de carvão mineral;

-Pesquisas realizadas com solo e cinzas de resíduos sólidos urbanos; -Conceitos sobre o ensaio de resistência ao cisalhamento direto.

2.1

Importância do carvão mineral na matriz energética brasileira

O carvão mineral é um recurso natural não renovável, utilizado como combustível para geração de energia térmica. De acordo com Pinto (1971), as principais usinas termelétricas que utilizam o carvão mineral para tal finalidade estão situadas no sul do Brasil, onde se encontram as principais jazidas carboníferas do país. Dentre elas, podem-se citar a Termelétrica de Figueira no Norte do Paraná, a Sociedade Termelétrica de Capivari, em Santa Catarina, e as Termelétricas de Charqueada e Candiota, situadas no Rio Grande do Sul. Na Tabela 2.1, são apresentados o consumo de carvão e a produção de cinzas nestas usinas termelétricas. PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1212872/CA

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Tabela 2.1: Consumo de carvão e produção de cinzas nas usinas termelétricas do sul do Brasil (Abreu, 1990 apud Mallman, 1996).

Centrais termoelétricas Consumo de carvão (anual) (ton) Produção de cinza (anual) Pesada (ton) Volante (ton) Candiota (RS) 1.334.795 139.859 559.435 Charqueadas (RS) 321.682 95.873 113.765 São Jerônimo (RS) 157.696 63.072* - Jorge Lacerda 1.266.696 152.000 354.675 Total (ton) 3.080.869 450.804 1.027.875

* A cinza pesada de São Jerônimo é do tipo escória.

A Figura 2.1 mostra a participação do carvão mineral na oferta interna de energia no Brasil, de acordo com os dados do Balanço Energético Nacional de 2013, com base nos dados de 2012. Comparando com os dados de 2011 (Figura 2.2), pode-se observar uma pequena redução na participação das fontes de energia renováveis, devido à menor oferta de energia hidráulica e de etanol. Esta redução está quantificada na Figura 2.3.

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Figura 2.3: Participação de renováveis na matriz energética brasileira (EPE, 2013).

2.2

Origem e classificação das cinzas

As cinzas são formadas a partir do processo de combustão do carvão mineral. Convém dizer que as características físico-químicas do carvão mineral, bem como o tipo de cinza produzido na sua queima, dependem de sua origem

(30)

geológica. Por exemplo, o carvão brasileiro apresenta elevado teor de matéria orgânica em sua composição, responsável pela formação de resíduos; o que o diferencia do carvão proveniente de outras regiões.

Após o processo de queima do carvão, cerca de 80% do material não queimado, ou seja, obtido de uma combustão incompleta, é recuperado em tubulações de exaustão de gás. Este material não queimado denomina-se cinza volante ou cinza leve, que é constituída por partículas extremamente finas - 100% menor que 0,15 mm.

Os 20% restantes correspondem à cinza pesada ou cinza de fundo, que possui uma granulometria mais grossa e é coletada em um recipiente com água, localizado abaixo da câmara de combustão. Quando uma dada quantidade de cinza pesada se acumular no recipiente, ele é então removido através de um jato de água de alta pressão e conduzido por um canal de limpeza para tanques de disposição ou bacias de decantação (Farias, 2005). Este processo pode ser observado na Figura 2.4.

Figura 2.4: Processo de queima do carvão mineral em usinas termelétricas (Farias, 2005).

Além dessas duas classificações, Rohde et al (2006) ainda cita um outro tipo de cinzas que são as escórias/cinza grossa, originada no processo de combustão do carvão em grelhas fixas e móveis, apresentando-se com granulometria grosseira e altos teores de carbono.

(31)

2.2.1

Cinza volante

A cinza volante ou fly ash é uma mistura heterogênea com propriedades pozolânicas, cujas características físicas e químicas variam com a composição química do carvão, a temperatura da combustão e o método de retirada, sendo estes dois últimos responsáveis pela estrutura cristalina da cinza, que atribui a ela suas características cimentantes. A norma NBR 12653 (1992) dita as especificações dos mateeriais pozolânicos, definidos como sendo um material silicoso ou sílico-aluminoso, que embora dotado de pouca ou nenhuma capacidade de cimentação, na presença de umidade desenvolve reações químicas com hidróxidos alcalinos e alcalinos terrosos à temperatura ambiente, a fim de formar ou auxiliar na formação de compostos com propriedades cimentantes. Segundo Rohde et al (2006), os elementos responsáveis pela atividade pozolânica das cinzas são SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, SO3, Na2O e K2O.

Em 1947, surgiram as primeiras tentativas da parte de comerciantes de cinzas e da ASTM, de preparo das especificações de cinzas volantes para uso na indústria do cimento. Em 1953, a ASTM criou um método de amostragem e ensaios de cinzas volantes a serem utilizadas como aditivo no concreto de cimento Portland. A norma ASTM C 618 (2008) apresenta as especificações para o uso da cinza volante de carvão em concreto.

Têm sido muito utilizadas em pesquisas as cinzas volantes provenientes de termelétricas da região sul do Brasil, como é o caso da presente pesquisa. A composição química das cinzas desta região consiste em elevados teores de sílica, alumina, óxido de ferro, óxido de cálcio, magnésio, sódio, potássio, dentre outros. Quanto às características físicas, elas possuem uma granulometria de tamanho silte ou areia, são materiais isentos de plasticidade e coesão, e sua densidade real dos grãos tende a variar entre 2,05 e 2,2 g/cm³. Com relação à sua mineralogia, elas são constituídas de material vítreo de natureza sílico-aluminosa, com a presença de compostos cristalizados (Rohde et al, 2006).

(32)

2.3

Aproveitamento das cinza volante de carvão mineral

Segundo Ceratti (1979), com o aumento da instalação de termelétricas como usinas geradoras de energia, veio a primeira utilização de cinzas volantes provenientes de termelétrica como agente cimentante do concreto em 1936, nos EUA, onde foram construídos alguns quilômetros de parede de retenção ao redor do lago Michigan.

Aos poucos, com a realização de pesquisas em todo o mundo, a cinza volante tornou-se um material aplicado a diversos usos (ASTM D5759-12, 2005). Nuñez (2007 apud Rosa, 2009) afirmam que, na década de 60, já se usavam cinzas volantes estabilizadas na Inglaterra, França, Alemanha, na antiga URSS, na Polônia e nas antigas Tchecoslováquia e Iugoslávia. Rohde et al (2006) relatam que, de uma maneira geral, as formas de utilização das cinzas de carvão para fins comerciais são divididas em três categorias principais: construção, fabricação e estabilização, conforme especificado a seguir.

A construção é o setor que mais emprega subprodutos da combustão do carvão. As cinzas podem ser aplicadas em concreto e argamassas; na fabricação do cimento Portland pozolânico; em processos de estabilização sob pressão; em aterros estruturais e sem funções estruturais como material de enchimento em obra; em bases estabilizadas e solos modificados e estabilizados para rodovias; e em pistas e edificações. Já na categoria fabricação, a cinza é empregada como artefatos de cinza-cal, de cimento, ou artefatos cerâmicos.

No ramo da estabilização, a cinza volante pode ser utilizada para a estabilização de resíduos tóxicos. Primeiramente, ela passa por um processo de solidificação, ao ser misturada com água e produtos aglomerantes como cal e cimento Portland. Desde então, é formada uma massa endurecida, com baixa capacidade de produzir lixiviado, que é muito usada tanto para a estabilização de resíduos inorgânicos, como para resíduos orgânicos.

No Brasil, o primeiro registro da utilização da cinza volante foi em 1964, quando ela foi incorporada ao concreto, na construção da hidrelétrica de Jupiá, para diminuir o calor de hidratação do concreto. Desde então, o emprego de cinzas volantes já tem sido destinado a outras aplicações, como na fabricação de

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moldados e em obras rodoviárias, contudo, a principal utilização tem sido na indústria do cimento, como matéria-prima na fabricação do cimento Portland.

No âmbito da estabilização de solos, o emprego da cinza volante também é amplo, tendo sido estudado por autores como Pinto (1971), Nardi (1975), Ceratti (1979), Da Silva (1982), Mallmann (1996), Carraro (1997), Consoli (2001), Rosa (2009), Lopes (2011) e Junior (2011).

Desse modo, conclui-se que a grande e crescente quantidade de resíduos gerados, somada aos custos e riscos ambientais gerados pela disposição dos mesmos, podem ser considerados agentes motivadores de estudos com foco no aproveitamento das cinzas volantes para aplicações diversas.

2.4

Cinzas e meio ambiente

De acordo com a norma NBR 10004 (1984), os resíduos sólidos podem ser classificados como perigosos, não-inertes e inertes. Para saber em que classe se enquadra a cinza de carvão mineral, é necessário realizar ensaios de solubilização e lixiviação, avaliando se as concentrações dos elementos químicos analisados ultrapassam os valores de referência.

Segundo Mallmann (1996), com a crescente produção de cinzas nos países que utilizam a queima de carvão como energia, passou a haver uma maior preocupação no sentido de estudar os seus efeitos sobre o meio ambiente. O autor cita em sua pesquisa estudos que foram realizados com este objetivo, como os de Smith et al (1979), Kaakinen et al (1985) e Repetto (1988); e também destaca a atuação de pesquisadores brasileiros para essa problemática, como Andrade e Solari (1985), e Martins e Zanella (1990), que realizaram estudos dessa ordem na Temelétrica de Candiota, no Rio Grande do Sul.

2.5 Cal

O processo de formação da cal se dá pela calcinação de rochas carbonatadas cálcicas e magnesianas, a temperaturas próximas a 1000 °C. A cal pode ser virgem ou hidratada, sendo a cal virgem classificada de acordo com o óxido predominante (Silva, 2009):

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- cal virgem cálcica: com óxido de cálcio entre 100% e 90% do óxido total presente;

- cal virgem magnesiana: com teores de óxido de cálcio variando entre 90% e 65% do óxido total presente;

- cal virgem dolomítica: com óxido de cálcio entre 65% e 58% do óxido total presente.

A cal hidratada resulta da hidratação da cal virgem e também é classificada conforme a cal virgem que lhe dá origem. A norma NBR 7175 (2003) apresenta as especificações para a cal hidratada, expostas no capítulo seguinte.

As equaçõs eq. (2.1) e eq. (2.2) mostram as reações de formação da cal virgem e da cal hidratada, respectivamente.

CaCO3 + calor ↔ CaO + CO2 eq. (2.1) CaO + H2O ↔ Ca(OH)2 + calor eq. (2.2)

É importante destacar que a qualidade comercial da cal depende das propriedades químicas do calcário e da qualidade da queima, devendo-se atentar para a temperatura de calcinação utilizada e para o tempo em que o material é exposto ao aquecimento (Nardi, 1975).

Dentre as aplicações que a cal possui no Brasil, as principais são na área das indústrias (siderúrgicas, tinta, celulose, entre outras). Além disso, ela também pode ser utilizada em processos de tratamento de águas potáveis e industriais, ou de estabilização de solos como material cimentante. Guimarães (2002 apud Lopes, 2011) apresenta um resumo da composição média das cales comercializadas no mercado brasileiro (Tabela 2.2).

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Tabela 2.2: Composição média das cales no mercado brasileiro (Guimarães, 2002 apud Lopes, 2011). Tipo de cal (%) Cal virgem cálcica (%) Cal hidratada cálcica (%) Cal hidratada dolomítica ou magnesiana (%) Cal virgem dolomítica ou magnesiana (%) CaO 90-98 70-74 39-61 51-61 MgO 0,1-0,8 0,1-1,4 15-30 30-37 Insolúvel no HCl 0,5-3,5 0,5-2,5 0,5-18,2 0,5-4,5 Fe2O3+Al2O3 0,2-1,0 0,2-0,8 0,2-1,5 0,2-1,0 Perda ao fogo 0,5-5,0 23-27 19-27 0,5-4,8 CO2 0,2-3,8 1,5-3,5 3,0-6,0 0,5-4,5 SO3 0,1-0,6 0,1-0,0 0,02-0,2 0,05-0,1 CaO+MgO base de não volátil 96-98,5 76-99 MgO não hidratado - 0,5-1,8 5-25 -

É importante destacar que, com base na norma NBR 5751 (1992), a atividade pozolânica de materiais com cal, como as cinzas, pode ser determinada por diversos métodos, que se baseiam na determinação da resistência à compressão de argamassas ou na evolução do conteúdo de Ca(OH)2 no tempo. Dentre esses métodos, pode-se citar o Método de Chapelle modificado, que determina a reatividade do material pela sua capacidade de fixar cal quando mantido em solução aquosa com óxido de cálcio. De forma simplificada, o método consiste em manter em ebulição, durante 16 horas, uma mistura com 1 g de CaO, 1 g de cinza e 250 g de água isenta de CO2. O resultado é expresso pela quantidade de CaO fixada por grama de cinza pozolânica, e quanto maior a fixação, mais reativo é o material.

2.6

Estabilização de solos

Villibor (1982) apud Santanna (1998) definem a estabilização de um solo como sendo a alteração de qualquer propriedade do mesmo que melhore seu

(36)

comportamento sob o ponto de vista de aplicação à engenharia. De acordo com Medina e Motta (2004) apud Soliz (2007), as propriedades do solo que se visa modificar no seu processo de estabilização são:

- a resistência ao cisalhamento, tornando-o menos sensível às mudanças ambientais, como a umidade, e mais compatível com as cargas que a estrutura vai absorver;

- a permeabilidade, aumentando-a ou diminuindo-a; - a compressibilidade, reduzindo-a.

Para Guimarães (2002 apud Lopes, 2011), a estabilização dos solos pode ser classificada em dois grupos:

- estabilização mecânica: abrange a correção da granulometria e plasticidade, com adição ou subtração de certas quantidades das frações constituintes, além da compactação;

- estabilização química: consiste de mistura com aditivos orgânicos ou inorgânicos, como materiais betuminosos, resinas, compostos de fósforo, silicatos de sódio, cal, cimento Portland, dentre outros, com posterior compactação.

Kézdi (1979) apud Vizcarra (2010) ressaltam que a escolha do melhor método a ser adotado deve ser feita, considerando as propriedades do solo em sua condição natural, as propriedades esperadas do solo estabilizado, e os efeitos no solo após a estabilização.

No caso da estabilização mecânica, ela pode ocorrer através da compactação ou da estabilização granulométrica. Segundo Santos et al (1995) apud Lopes (2011), quando o solo é estabilizado por compactação, significa que, pela aplicação de sucessivas cargas, a porosidade do solo é reduzida, ou seja, o volume de vazios do solo diminui, levando a um aumento de resistência mecânica.

Já a estabilização mecânica por correção granulométrica envolve a mistura do solo com um ou mais solos e/ou outros materiais, possibilitando a obtenção de um novo produto com propriedades adequadas. Santanna (1998) afirma que a combinação de materiais utilizada na mistura deve ser feita corretamente, de modo que o produto final possua maior resistência às cargas, ao desgaste e à erosão, estando adequado para aplicações de engenharia diversas.

No que se refere à estabilização química, ela consiste na adição de uma determinada substância química ao solo, provocando uma reação química do aditivo com os minerais do solo (fração coloidal), ou o preenchimento dos poros

(37)

pelo produto da reação química do aditivo com a água. Nas misturas constituídas por solo e cimento, e solo e cal, ocorre, inicialmente, uma reação físico-química, onde os cátios Ca++_{liberados pela hidratação do cimento reagem com a superfície} dos argilominerais, modificando o pH da solução eletrolítica. Posteriormente, a rigidez da mistura sofre um acréscimo, devido aos produtos cimentantes oriundos da reação pozolânica (Medina, 1987 apud Soliz, 2007).

Ainda segundo estes autores, após a mistura do solo com o agente estabilizador, pode ou não ocorrer a formação da matriz contínua com o solo. Na matriz contínua, o agente estabilizador preenche todos os poros, e as partículas de solo ficam nela mergulhadas como se fossem um inerte de enchimento. Neste caso, as propriedades do sistema são essencialmente as da matriz, havendo predominância das propriedades mecânicas do estabilizador. Da mistura entre o solo e o agente estabilizador, as reações resultantes podem ser físicas (variação de temperatura, hidratação, evaporação, adsorção) ou químicas (troca catiônica, precipiração, polimerização, oxidação, solução e carbonatação).

Sandroni & Consoli (2010) concluíram que não só a quantidade de material cimentante regula o grau de cimentação de um solo estabilizado quimicamente, atribuindo-lhe resistência, mas também fatores como a forma, a densidade, a condição de cura, as condições de umidade, e as quantidades existentes dos produtos reagentes, como a cal, desempenham papel relevante neste processo.

2.6.1 Solo-cal

A combinação solo-cal é utilizada quando não se dispõe de um material com características de resistência, deformabilidade e permeabilidade adequadas ao projeto. Ela é comumente empregada na construção de estradas, sendo geralmente utilizada como base ou sub-base de pavimentos. Além disso, a mistura solo-cal também pode ser aplicada na proteção de taludes contra a erosão em obras hidráulicas, e nas fundações de edificações de pequeno porte em solos com baixa capacidade de suporte ou que apresentam baixa estabilidade volumétrica (Ingles & Metcalf, 1972 apud Rosa, 2009).

(38)

Segundo Pinto (1971), já foram realizadas muitas pesquisas com o objetivo de identificar a melhor cal para processos de estabilização de solos. Nelas, verificou-se que, em geral, a cal dolomítica produzia uma resistência cerca de 30% maior do que a cal calcítica, contudo, na presença de certas cinzas volantes, a cal calcítica produzia resistências maiores.

Nardi (1975) aponta que o óxido de cálcio (cal virgem) geralmente produz melhores resistências no solo estabilizado, mas quase não é utilizado devido ao seu potencial cáustico, apresentando periculosidade no seu manuseio.

No Brasil, a cal hidratada é a mais utilizada para a estabilização de solos, sendo que as suas especificações estão presentes na norma NBR 7175 (2003).

A quantidade de cal necessária ao tratamento de solos pode ser arbitrada de acordo com as características do solo a ser melhorado e as características mecânicas desejadas na mistura, que dependem do tipo de tratamento que se deseja. O tratamento do solo com cal pode ser por modificação ou estabilização (Dias, 2004):

-modificação: o teor de cal adicionado ao solo é pequeno, apenas suficiente para desenvolver as reações da fase rápida, sem desenvolver reações lentas, cimentantes. Ocorrem redução da plasticidade, melhorias na trabalhabilidade e aumento da resistência à defloculação e erosão;

-estabilização: o teor de cal adicionado ao solo é tal que além das reações rápidas, as reações lentas possam ocorrer. Há um aumento definitivo da resistência e rigidez do solo devido à ocorrência de reações pozolânicas.

A Tabela 2.3 apresenta um resumo da previsão da quantidade de cal a ser adicionada para a estabilização em função do tipo de solo.

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Tabela 2.3: Previsão da quantidade de cal em função do tipo de solo (Ingles & Metcalf, 1972 apud Sandroni & Consoli, 2010).

Tipo de solo Teor de cal para modificação (%)

Teor de cal para estabilização (%)

Pedra finamente britada 2 a 4 Não recomendado

Pedregulho argiloso bem

graduado 1 a 3 ≥3

Areias Não recomendado Não recomendado

Argila arenosa Não recomendado ≥5

Argila siltosa 1 a 3 2 a 4

Argilas 1 a 3 3 a 8

Solo orgânico Não recomendado Não recomendado

Vale destacar que o tratamento de solos com cal não é eficiente em solos altamente orgânicos, tampouco em solos com baixo ou nenhum teor de argila, visto que o melhoramento das propriedades mecânicas é produzido pelas reações entre a cal e os minerais argílicos, sendo o ganho de resistência diretamente proporcional à quantidade de sílica disponível. Para Thompson (1966) apud Rosa (2009), solos reativos são aqueles que, ao reagirem com a cal, sofrem um ganho de resistência considerável, da ordem de 345 KN/m², após 28 dias de cura à temperatura de 22,8 °C.

2.6.1.1

Reações solo-cal

Nóbrega (1985, apud Guimarães, 2006) relatam que a estabilização solo-cal deve-se a dois tipos de ações: uma imediata, atribuída à troca catiônica e à floculação-aglomeração; e outra a longo prazo, caracterizada pela carbonatação e pelas reações pozolânicas, que proporcionam um aumento da resistência devido à formação de produtos cimentantes.

A troca catiônica inicia o processo de estabilização rapidamente, provocando mudanças na plasticidade do solo, além de pequenos aumentos na resistência mecânica das misturas solo-cal, sendo seguida pela floculação e aglomeração. Baseando-se nos autores Prusinski e Bhattacharja (1999, apud Junior, 2011), para neutralizar a deficiência de carga na superfície do

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argilomineral, cátions e moléculas de água são atraídos para a superfície de clivagem carregada negativamente, o que resulta na separação de duas camadas, chamada de dupla camada difusa. Grim (1953) apud Thomé (1994) afirmam que, assumindo igual concentração, a ordem de adsorção preferencial de cátions comuns associados com os solos é dada pela seguinte série: Na+ < K+ < Ca2+ < Mg2+ < Al3+, ou seja, cátions de menor valência são substituídos por cátions de maior valência. Dessa forma, como a cal é uma fonte de cálcio livre, a sua adição em quantidade suficiente cria uma concentração de íons Ca2+_{que serão adsorvidos} na superfície dos argilominerais. A Figura 2.5 mostra este mecanismo.

Figura 2.5: Mecanismo de troca catiônica (Prusinski e Bhattacharja, 1999, apud Junior, 2011).

A floculação e aglomeração causam mudanças na textura da argila, uma vez que sua estrutura é alterada de plana e paralela para uma orientação aleatória de partículas (Prusinski e Bhattacharja, 1999 apud Junior, 2011). Segundo o relato do TRB (1987, apud Junior, 2011), Herzog e Mitchell (1963) afirmaram que o fenômeno da floculação é causado pelo aumento da concentração eletrolítica da água intersticial, pelo alto pH e pela redução da espessura da dupla camada difusa, através de trocas catiônicas.

A carbonatação ocorre quando o dióxido de carbono existente no ar ou em água estagnada entra em contato com a matriz solo-cal e converte a cal novamente em carbonato de cálcio, que é ineficiente na estabilização química de solos e solubiliza na água ácida. Desse modo, a carbonatação consiste num processo

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indesejável, uma vez que reduz a quantidade de cal disponível no meio para produzir reações pozolânicas (Sandroni & Consoli, 2010).

As reações pozolânicas ocorrem mediante a reação da sílica e alumina do solo com a cal na presença de água, que tem a função de carregar os íons cálcio e hidroxila para a superfície da argila. São constituintes de sílica e alumina os argilominerais, quartzo, feldspato, micas e minerais silicosos ou alumino-silicosos. Os íons hidroxila liberados da cal elevam o pH da mistura de modo que a sílica e a alumina sejam dissolvidas da argila. Essas reações formarão géis de silicatos que cobrem e ligam as partículas de argila, preenchendo os seus vazios. Eles são cristalizados lentamente e transformados em silicatos hidratados de cálcio bem definidos. Essas reações não cessarão enquanto houver hidróxido de cálcio reagindo e sílica disponível no solo (Ingles e Metcalf, 1972 apud Junior, 2011). As reações presentes nas equações eq. (2.3), eq. (2.4) e eq. (2.5), e a Figura 2.6 mostram este processo.

Ca(OH)2 Ca+2 + 2(OH)- eq. (2.3) Ca+2 + 2(OH)- + SiO2 (sílica) CSH (silicato de cálcio hidratado) eq. (2.4) Ca+2 + 2(OH)- + Al2O3 (alumina) CAH (aluminato de cálcio hidratado)eq. (2.5) onde C=CaO; S=SiO2; A=Al2O3; H=H2O

Figura 2.6: Ingles e Metcalf (1972) apud Lopes (2011).

(42)

As reações entre o solo e a cal sofrem a influência de fatores como temperatura, tempo de cura e natureza dos materiais. Os fatores temperatura, tempo de cura e teor de umidade variam de forma significativa durante o período de cura. Lima et al (1993, apud Guimarães, 2006) apontam que, no período inicial da cura, costuma ocorrer um acréscimo rápido da resistência do solo estabilizado, no entanto, à medida que a cura progride, a velocidade de aumento da resistência torna-se cada vez menor devido às reações pozolânicas, que fazem com que a resistência aumente mesmo após alguns anos. Com relação à temperatura, ela funciona como catalisador das reações, sendo o acréscimo da resistência diretamente proporcional ao incremento da temperatura.

Quanto à natureza dos materiais envolvidos, pode-se dizer que a natureza do solo é mais importante devido à sua mineralogia e textura. Há argilominerais como a caulinita e a ilita que reagem de forma mais lenta com a cal e produzem minerais menos diversificados (Nobrega, 1985 apud Guimarães, 2006).

2.6.1.2

Dosagem da cal

A dosagem da cal visa selecionar a quantidade de cal necessária a ser adicionada ao solo, atribuindo-lhe resistência. Dentre os métodos utilizados, Rosa (2009) cita:

- Método do pH (Eades & Grim, 1966): consiste na determinação do teor mínimo de cal que produza um aumento no valor de pH para 12,4;

-Método do ICL (Initial Consumption of Lime): proposto por Rogers et al (1997), é uma variação do método do pH, onde o teor mínimo de cal é aquele onde o pH atinge um valor constante (máximo);

-Método do Lime Fixation Point (Hilt & Davidson, 1960): baseado no limite de plasticidade, que determina o teor de cal máximo que proporciona melhoria na trabalhabilidade, sem ganhos significativos de resistência;

-Método de Thompson (1966): define como reativo um solo que apresente um aumento de resistência à compressão simples de pelo menos 345 kPa quando estabilizado com cal.

De acordo com Lopes (2011), estudos de Eades & Grim de 1966 demonstraram que a porcentagem de cal obtida pelo método do pH não produz a

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máxima resistência à compressão nos solos tropicais e subtropicais, não assegurando se a reação do solo com a cal produzirá um substancial aumento de resistência, devendo ser usado apenas como referência.

Além desses métodos clássicos de dosagem de cal, um outro método utilizado é a relação volume de vazios/volume de agente cimentante, utilizada na previsão do comportamento mecânico de solos artificialmente cimentados. Esta metodologia tem sido foco de inúmeras pesquisas; dentre elas Junior (2011) cita as de Foppa (2005), Junior (2007), Consoli et al (2007, 2009a, 2009b), Lautenschläger (2007), Righetto (2008), Cruz (2008), Rosa (2009), Sandroni & Consoli (2010).

A primeira pesquisa a desenvolver esta metodologia foi a de Junior (2007), que utilizou o conceito de que, dada uma variação no volume de vazios de uma amostra, haveria uma variação proporcional no volume de cal para contrabalançar a perda ou ganho de resistência.

2.6.1.3

Variáveis determinantes do comportamento de mistura solo-cal

Como dito anteriormente, a adição de cal a um solo argiloso provoca alterações em algumas de suas propriedades físicas. Em geral, ocorrem melhoras na plasticidade, trabalhabilidade e nas características de resistência e permeabilidade. Essas alterações, por sua vez, dependem de diversos fatores como tipo de solo, tipo e teor de cal, tipo e teor de cinza, efeito da densidade e energia de compactação, período e condições de cura (Lovato, 2004).

No que se refere ao efeito da cal, a primeira resposta da mistura solo-cal consiste na redução do índice de plasticidade, acompanhada de mudanças na granulometria e melhoria na trabalhabilidade. A segunda resposta consiste no ganho de resistência que ocorre através da cimentação das partículas (Ingles & Metcalf et al, 1972 apud Junior, 2011).

De similar importância à quantidade de cal é a densidade na qual a mistura é compactada. Com o aumento da densidade, a resistência aumenta, a permeabilidade diminui até um valor mínimo, próximo da umidade ótima, e depois começa a aumentar novamente (Ingles & Metcalf, 1972 apud Rosa, 2009).

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Segundo Lovato (2004), há relatos do TRB (1987) de que misturas solo-cal apresentam menor massa específica aparente máxima do que o solo natural para uma mesma energia de compactação. À medida que o teor de cal aumenta, essa massa continua diminuindo e a umidade ótima tende a aumentar.

Quando adicionada cal, as partículas de solo tornam-se mais floculadas, devido à substituição dos íons sódio monovalentes da argila por íons cálcio divalentes. Com a floculação, a quantidade de vazios no solo aumenta, o que significa um índice de vazios mais elevado, que provoca a redução da massa específica aparente seca do solo. De forma análoga, com o aumento de vazios, maior será a quantidade de água necessária para preenchê-los, o que resultará em uma umidade ótima maior e, consequentemente, em uma curva de compactação mais achatada (Sivapullaiah et al, 1998 apud Lovato, 2004).

Outro fator importante por reger o comportamento de misturas solo-cal é o tempo de cura, visto que ele é fundamental para as reações pozolânicas. Ingles e Metcalf (1972 apud Rosa, 2009) estudaram a influência do tempo de cura na resistência de diferentes tipos de solo. A Figura 2.7 mostra os resultados deste estudo, através do qual foi possível concluir que o pedregulho arenoso é o solo que mais apresenta resistência quando submetido à cura, sendo o ganho de resistência diretamente proporcional ao período de cura.

Figura 2.7: Efeito do tempo de cura sobre a resistência à compressão simples para alguns solos estabilizados com cal (Ingles & Metcalf, 1972 apud Rosa, 2009).

A adição de materiais pozolânicos ao solo, como a cinza volante, é outro fator que auxilia nas reações com a cal, proporcionando à mistura ganhos de

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resistência consideráveis (ASTM C593-06, 2011). Consoli et al (2001) estudaram a mistura de um solo arenoso tratado com cal de carbureto e cinza volante, verificando que ela apresentou um desempenho considerável em termos da resistência ao cisalhamento e deformabilidade.

Além dos fatores citados, ainda se pode destacar a influência do teor de umidade e da relação água/cal. Quanto ao efeito do teor de umidade, estudos realizados com solo-cal e solo-cinza-cal mostram que, em alguns casos, o teor de umidade que proporciona máxima resistência e máxima durabilidade não é necessariamente igual ao teor de umidade que é determinado no ensaio de compactação e que gera a maior massa específica aparente seca, e sim um valor levemente inferior ao teor ótimo (Consoli et al, 2001).

De acordo com Sandroni & Consoli (2010), Osinubi (1998) estudou a influência do retardamento da compactação em misturas solo-cal, observando uma redução na umidade ótima da mistura à medida que o tempo de espera entre a mistura e a compactação aumenta. Isto pode ser atribuído às trocas catiônicas e à floculação das partículas de argila que ocorrem simultaneamente, provocando a redução de água disponível no sistema.

Quanto à proporção água/cal, o trabalho de Junior (2007) permitiu verificar que não há relação entre ela e a resistência à compressão simples. Dessa forma, para uma mistura composta por solo e cal, a relação água/cal não é a melhor maneira de prever a resistência em solos não saturados, sendo a água somente necessária para transportar íons cálcio e hidroxila para a superfície da argila para que ocorram as reações químicas. Em contrapartida, segundo Consoli et al (2004), para a estimativa da resistência de solos tratados com cimento, a relação água/cal é eficaz.

2.6.1.4

Comportamento mecânico do solo-cal

A resistência de misturas solo-cal normalmente é avaliada através dos ensaios de compressão simples, compressão triaxial e Índice de Suporte Califórnia, e depende de variáveis como teor de cal, tipos de solo e cal, energia de compactação, tempo e temperatura de cura, descritos anteriormente (TRB, 1987 apud Lovato, 2004). PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1212872/CA