APLICABILIDADE DE RESÍDUOS E REJEITOS AMBIENTAIS PARA
APROVEITAMENTO EM PAVIMENTAÇÃO
(Caracterização Mecânica de Misturas Solo-Cinza de Carvão Mineral)
Alunos: Lucianna Szeliga e Zalder Montenegro de AraújoOrientadora: Michéle Dal Toé Casagrande Co-Orientadora: Louise dos Santos Erasmi Lopes
Introdução
O investimento em geração de energia através de usinas termelétricas cuja base combustível é o carvão mineral, ao mesmo tempo em que expande devido aos seus benefícios energéticos, também vem sendo um dos maiores responsáveis pelo aumento da produção de resíduos sólidos (cinzas) em todo o mundo.
As cinzas de carvão, que se encontram no grupo de rejeitos industriais gerados em grande volume anualmente, são muitas vezes descartadas de forma inadequada no meio ambiente, sem nenhum critério técnico, ou demandam custos elevados relativos à estocagem e destinação final. Como alternativa de gestão, possuem diversas indicações de reutilização, sendo uma delas como agentes estabilizantes de solos.
O fato de comumente os solos naturais não preencherem todas as exigências de um projeto geotécnico, por não possuírem parâmetros de resistência adequados para sua utilização; junto com a necessidade de se promover uma destinação ambientalmente correta para as cinzas de carvão; e a contínua procura por materiais e técnicas de pavimentação que diminuam os custos de obras rodoviárias e transporte, faz com que se torne viável o estudo e uso deste rejeito como material alternativo para pavimentação, que consome volumes significativos de material.
Uma das alternativas disponíveis para viabilizar técnica e economicamente a realização de obras de pavimentação rodoviária sobre solos ruins, é a remoção do material existente no local e sua substituição por outro com características apropriadas, ou a modificação e melhoramento das propriedades do solo existente, de modo a criar um novo material, com características de resistência e deformabilidade adequadas.
Dentro deste contexto, o presente estudo buscou avaliar a aplicabilidade das cinzas de carvão para aproveitamento em pavimentação, e contribuir para uma melhor compreensão do comportamento mecânico do solo misturado com este rejeito, podendo potencializar a sua utilização em obras de pavimentação rodoviária, dando um fim mais nobre a este material. Objetivos
O projeto tem como objetivo fundamental a avaliação do potencial de utilização de cinzas de carvão mineral, provenientes do Complexo Termelétrico Jorge Lacerda, em misturas feitas com um solo regional do município do Rio de Janeiro, com e sem adição de cal, para a aplicação em base e sub-base de pavimentos.
A pesquisa foi desenvolvida segundo as normas do Departamento Nacional de Estradas e Rodagem (DNER), atual Departamento Nacional de Infraestrutura e Transporte (DNIT), da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) e da análise do comportamento mecânico conforme procedimentos correntes na Geotecnia e na Mecânica dos Pavimentos.
Com base na caracterização física e química dos materiais [6] e no objetivo fundamental, destacam-se os seguintes objetivos secundários:
• Avaliação do comportamento mecânico do solo e das misturas estudadas através de ensaios de carga repetida;
• Análise e comparação dos parâmetros mecânicos e de deformabilidade do solo e das misturas para aplicação em base ou sub-base de pavimentos;
• Análise da influência do teor e tipo de cinzas, tempo de cura, e da cal no solo e nas misturas estudadas, a partir dos resultados dos Ensaios de Módulo de Resiliência e de Deformabilidade;
• Avaliar a viabilidade técnica de uma ou mais misturas estudadas que possam ser aproveitadas na construção de base e sub-base de pavimentos.
Programa Experimental
O programa de ensaios estabelecido teve como objetivo principal identificar o efeito da adição das cinzas volantes e de fundo nas propriedades mecânicas de um solo regional com baixa capacidade de suporte e inviável no que diz respeito à sua utilização em base e sub-base de pavimentos. O estudo do comportamento mecânico dos materiais foi realizado através de ensaios laboratoriais e baseado nos resultados dos Ensaios de Compactação, de Módulo de Resiliência (MR) e de Deformação Permanente (DP) sob carga repetida.
No presente projeto foram utilizados quatro distintos tipos de materiais, são eles: solo (Figura 1), cinza volante (CV – Figura 2), cinza de fundo (CF – Figura 3) e cal, bem como as misturas decorrentes destes materiais, com diferentes teores de cinzas, com e sem adição de cal. O solo é proveniente de uma jazida, atualmente desativada, situada na Zona Oeste do Município do Rio de Janeiro, no bairro de Campo Grande. A coleta foi realizada no mês de maio/2010. As cinzas, CV e CF, são obtidas a partir do processo de queima do carvão mineral e são originárias do Complexo Termelétrico Jorge Lacerda, situado no município de Capivari de Baixo, no Estado de Santa Catarina. As cinzas foram encaminhadas por intermédio da SATC – Associação Beneficente da Indústria Carbonífera de Santa Catarina, em tonéis pra o Laboratório de Geotecnia de Pavimentos da COPPE/UFRJ, no Rio de Janeiro, para a realização dos ensaios da presente pesquisa. A cal utilizada nas misturas é a cal hidratada calcítica, do tipo CH-III da Votorantim Cimentos.
O complexo termelétrico Jorge Lacerda atualmente é considerado o maior complexo termelétrico movido a carvão mineral da América Latina, sendo composto por três usinas termelétricas com capacidade de produção instalada de 857 MW. As usinas utilizam um tipo de carvão mineral (CE 4500), com baixo teor calorífico, e como conseqüência, alto teor de cinzas. As principais atividades envolvidas na geração de energia termelétrica no Complexo Jorge Lacerda incluem a mineração do carvão e seu transporte até as usinas onde ocorre a geração de energia elétrica. A cada 100 toneladas de carvão mineral queimadas, são produzidas, aproximadamente, 70% de cinzas volantes, alocadas em silos e posteriormente vendidas para a indústria de cimento, e 30% de cinzas pesadas, destinadas às bacias de decantação [10].
Com a finalidade de se determinar o teor ótimo dos componentes das misturas, para a melhoria dos parâmetros de resistência mecânica do solo, visando atender os requisitos mínimos para pavimentos, foram testadas quatro diferentes misturas: duas para dois teores de cinzas volantes (10% e 20%) e duas com cinzas de fundo (30% e 40%). Os teores de cinzas usados nas misturas foram escolhidos com base na pesquisa bibliográfica e análise de teores utilizados em outros estudos e obras.
O teor de cal foi arbitrado em 3%, em substituição ao peso seco das cinzas. Este valor foi considerado através da observação da composição química da cinza volante, que demonstrou concentração de CaO livre inferior à necessária para a ocorrência de reações pozolânicas [6], e resultados com pesquisas anteriores realizadas com cinzas de fundo.
Na Tabela 1 estão apresentados os teores adotados em cada mistura, bem como sua denominação.
Tabela 1 – Composição e teores das misturas estudadas Material/Mistura % de Solo Cinza de % de
Fundo
% de Cinza
Volante Cal Símbolo
Solo 100 - - - S Cinza Volante - - 100 - CV Cinza de Fundo - 100 - - CF Mistura 1 70 27 - 3 S70/CF27/C3 Mistura 2 60 37 - 3 S60/CF37/C3 Mistura 3 90 - 7 3 S90/CV7/C3 Mistura 4 80 - 17 3 S80/CV17/C3 Mistura 5 70 30 - - S70/CF30 Mistura 6 60 40 - - S60/CF40 Mistura 7 90 - 10 - S90/CV10 Mistura 8 80 - 20 - S80/CV20
Devido ao objetivo de avaliação das cinzas de carvão mineral quanto ao seu potencial uso como um aditivo para aplicação em base de pavimentos, faz-se primeiramente necessária a sua caracterização a partir de ensaios geotécnicos, químicos e ambientais, para se ter uma melhor compreensão do comportamento do material em estudo. Após obtenção destes resultados [6], este programa experimental buscou analisar os parâmetros de resistência e
Figura 2 – Aspecto da Cinza de Fundo Figura 3 – Aspecto da Cinza Volante Figura 1 – Amostra de Solo após secagem e destorroamento.
deformabilidade das misturas, visando verificar a aplicabilidade destas em bases e sub-bases de pavimentos rodoviários.
As amostras de solo foram coletadas em estado deformado, transportadas e armazenadas em sacos plásticos devidamente vedados, com todos os cuidados necessários, a fim de evitar a contaminação do solo e grandes alterações de umidade. As amostras de cinza, tanto a pesada como a volante, foram enviadas pela SATC, em tonéis plásticos herméticos, onde ficaram inicialmente armazenadas no Laboratório de Geotecnia e Pavimentos da COPPE/UFRJ. Já a cal foi adquirida em embalagens comerciais de 20 kg, e posteriormente armazenada em sacos plásticos vedados para evitar ganhos de umidade. A preparação do solo e das cinzas para os ensaios envolveu procedimentos como a secagem em estufa a 60°C, para obtenção de maior homogeneidade em toda a amostra, destorroamento, peneiramento e determinação da umidade higroscópica, tais como estabelecidos pela NBR 6457/1986 [1]. Em seguida os materiais foram armazenados em sacos plásticos devidamente fechados e identificados para a realização dos ensaios. Para a execução dos ensaios mecânicos, foram adotados os procedimentos das seguintes normas:
• NBR 7182/1986 – Ensaio de Compactação [2]
• DNER ME 131/1996 – Determinação do Módulo de Resiliência [3]
• Procedimento Rede Asfalto 03/2010 – Deformação Permanente em Solos e Britas
- Ensaios de Compactação:
Os ensaios de compactação para todos os materiais envolvidos (solo, cinzas e misturas) foram realizados de acordo com as diretrizes da NBR 7182/1986 [2], utilizando-se a energia de compactação Proctor Modificada e sem reuso de material.
As curvas de compactação das cinzas, volante e pesada, foram determinadas no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio, já as referentes ao solo puro e as misturas, no Laboratório de Geotecnia e Pavimentos da COPPE/UFRJ. No Laboratório da PUC-Rio, a compactação foi manual, com o cilindro de Proctor, já no Laboratório da COPPE/UFRJ, a compactação foi feita com o auxílio do compactador mecânico, moldando-se corpos de prova de 10 cm de diâmetro versus 20 cm de altura, em moldes tripartidos conforme mostrado na Figura 4. A justificativa para o emprego deste tamanho de corpo de prova é que estes foram também utilizados nos ensaios mecânicos de MR e de DP.
Para a determinação de cada curva de compactação, foram feitos de cinco a seis corpos-de-prova com a finalidade de obter a umidade ótima (ωot) e a massa específica aparente máxima seca (ρdmáx) para cada material, individualmente.
- Ensaios de Módulo de Resiliência ou Resiliente:
Neste trabalho foi utilizado o Modelo Composto, que relaciona o módulo de resiliência às tensões confinantes e de desvio, como apresentado na Equação 1. Para a obtenção dos coeficientes de regressão (k1, k2 ,k3) foi utilizado o programa STATISTICA 7.0.
MR = k1.σ3k2. σdk3 (1)
Onde:
MR – Módulo Resiliente [MPa] σ3 – Tensão Confinante [MPa]
σd – Tensão Desviadora Cíclica [MPa]
k1, k2, k3 – Coeficientes de Regressão
Portanto, com a finalidade de obter o Módulo de Resiliência ou Resiliente (MR), foram realizados ensaios triaxiais de cargas repetidas, de acordo com a norma DNER-ME 131/96 – Solos – Determinação do Módulo de Resiliência [3]. Para a realização deste ensaio no Laboratório da COPPE/UFRJ, normalmente são também consideradas outras diretrizes, atualizadas [13][11]. O esquema ilustrativo do equipamento é apresentado na Figura 5.
Figura 5 - Esquema Ilustrativo do Equipamento de Ensaios Triaxiais de Carga Repetida [8].
Este ensaio consiste em duas etapas: a primeira, de condicionamento do material a ser ensaiado, com a finalidade de minimizar os efeitos da deformação plástica e da história de tensões, e a segunda, consiste na realização do ensaio propriamente dito, visando a obtenção do módulo de resiliência (MR), aplicando-se pares de tensão confinante (σ3) e desviadora (σd)
pré- definidos e medindo-se a deformação específica resiliente correspondentes.
Inicialmente, foram moldados 3 corpos-de-prova de cada mistura, nas condições de umidade ótima (ωot) e massa específica aparente seca máxima (ρdmáx), conforme determinado
para a moldagem destes em compactador mecânico, e com a utilização de moldes tripartidos de 10 x 20 cm (diâmetro × altura) presos por duas braçadeiras e fixo a uma base de aço. Para homogeneização de cada mistura, os teores selecionados de solo, cinza e cal, foram considerados sempre referidos ao peso seco do material, para em seguida ocorrer a adição da quantidade de água necessária para atingir a condição de umidade ótima e massa específica aparente seca máxima. Após a compactação, o conjunto corpo de prova/molde cilíndrico tripartido foi pesado, para então extrair-se cautelosamente o corpo-de-prova do molde por desmonte do cilindro tripartido. O primeiro ensaio do módulo de resiliência de cada corpo-de-prova moldado (tempo de cura de 0 dias), foi realizado logo após a compactação do mesmo.
Posteriormente, com uma membrana de látex, envolveu-se o corpo-de-prova, assentando-o na pedra porosa, e colocando-o na base do equipamento triaxial. Para garantir o confinamento, a membrana de látex é fixada com dois elásticos, um na parte superior e outro na base do aparelho. Fixam-se os transdutores mecano-eletromagnéticos - LVDT’s (“linear variable differential transformer”), e faz-se o pré-ajuste dos mesmos. Coloca-se o invólucro cilíndrico da câmara e a placa superior de vedação, verificando sua correta vedação. Em seguida, repete-se o procedimento de ajuste dos LVDT’s, através das guias, na base do equipamento. Inserem-se os dados de entrada necessários na tela de comando do ensaio, dando inicio, finalmente, à etapa de condicionamento, onde são aplicados 500 pulsos de carga. Após a etapa de condicionamento, os LVDT’s são novamente ajustados e dá-se continuidade à segunda etapa do ensaio, para obtenção do módulo de resiliência (MR). Ao término do ensaio é gerado um relatório contendo informações: pares de tensões, deformações resilientes e módulo de resiliência. Os pares de tensões aplicados durante as duas etapas, de condicionamento e de obtenção do módulo de resiliência estão apresentados no quadro da Figura 6.
Tendo em vista que um dos objetivos referentes a este estudo foi a influência do tempo de cura no parâmetro de resistência mecânica adotado, o módulo de resiliência de cada corpo-de-prova das misturas com cal, foi submetido a quatro ensaios, com diferentes tempos de cura (com 0, 7, 28 e 90 dias).
Na segunda etapa de ensaios, com corpos-de-prova de misturas sem cal, foram realizados três ensaios para cada corpo-de-prova, com diferentes tempos de cura (com 35 e 90 dias). Esta diferença nos tempos de cura ocorreu devido a questões de prazo e disponibilidade dos equipamentos. Ainda foram moldados corpos-de-prova somente com solo, para efeito de comparação com as adições dos outros materiais, não necessitando de cura.
- Ensaios de Deformação Permanente:
Os procedimentos de preparação dos corpos de prova para este ensaio foram os mesmos utilizados nos ensaios de módulo de resiliência. Foi moldado um corpo-de-prova de cada mistura, para cada tempo de cura, pré-estabelecido como fator de análise (7, 28 e 90 dias). As condições foram de umidade ótima (ωot) e massa específica aparente seca máxima
(ρdmáx), determinadas previamente nos ensaios de compactação e Energia Modificada de compactação em compactador mecânico, com a utilização de moldes tripartidos de 10 x 20 cm (diâmetro x altura). Para o ensaio de deformação permanente também foi moldado um corpo de prova de solo puro, para efeito de comparação com os demais resultados obtidos.
Diferentemente dos demais ensaios, neste foi feito somente um corpo de prova para cada mistura em cada tempo de cura, dado o longo tempo de duração do ensaio.
No Laboratório de Geotecnia e Pavimentos da COPPE/UFRJ, ensaio de deformação permanente é realizado no mesmo equipamento descrito na Figura 5. As diferenças entre o procedimento de MR e o ensaio de DP são: escolhe-se um par de tensões para solicitar o corpo-de-prova; não se faz etapa de condicionamento, dado que as deformações iniciais devem ser consideradas para o cálculo da deformação especifica permanente acumulada; e a quantidade de golpes de carga aplicados aos corpos-de-prova é maior do que 150.000 ciclos ou interrompe-se se houver ruptura ou acomodamento.
Durante o ensaio, grandes acréscimos na deformação permanente ocorrem somente nos primeiros ciclos dos 150.000 golpes seguintes, a partir daí a taxa de crescimento cai consideravelmente, tornando-se praticamente constante, com pequenos valores de escoamento plástico para a maioria dos materiais de pavimentação compactados devidamente na umidade ótima e massa específica máxima [4].
Para a realização do ensaio foi selecionado um par de tensões, com a tensão confinante (σ3) igual a 0,1 MPa e a tensão desviadora (σd), 0,4 MPa [4]. Quanto ao número de golpes, o
ensaio é interrompido quando é verificada uma estabilização da deformação permanente (acomodamento), critério também adotado no presente estudo.
Ensaios de deformação permanente para as misturas sem a presença de cal, segunda
etapa do estudo, não foram realizados por questões de prazo e disponibilidade de equipamento.
Resultados e Discussões
A seguir, serão apresentados os resultados e as análises dos ensaios de Caracterização Mecânica descritos anteriormente, referentes às amostras de solo, cinza volante, cinza de fundo e misturas, com e sem adição de cal, estudadas.
Os ensaios de compactação foram realizados para misturas com adição de cal, em corpos-de-prova de 10 x 20 cm (diâmetro x altura) em energia modificada. Os resultados obtidos através deste, podem ser observados na Tabela 2, e as relações existentes entre as
variações de massa específica aparente seca máxima (MEAS – g/cm³) e umidade ótima (%) e o teor de cinza de fundo e volante, estão presentes nas Figuras 7 e 8, respectivamente.
Tabela 2 - Resultados dos Ensaios de Compactação. Material/Mistura Umidade Ótima (%) MEAS (g/cm³)
S 9,72 2,065 CF 38,03 1,846 CV 22,83 1,925 S70/CF27/C3 16,78 1,598 S60/CF37/C3 17,83 1,449 S90/CV7/C3 11,12 1,941 S80/CV17/C3 12,95 1,835
Massa Específica Aparente Seca (g/cm3) X Umidade (%)
1,400 1,500 1,600 1,700 1,800 1,900 2,000 2,100 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Umidade (%) M E A S ( g /c m 3 ) S70/CF27/C3 S60/CF37/C3 S CF
Figura 7 - Curvas de Compactação do Solo, Cinza de Fundo e Misturas com Cinzas de Fundo.
Massa Específica Aparente Seca (g/cm3) X Umidade (%)
1,400 1,500 1,600 1,700 1,800 1,900 2,000 2,100 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Umidade (%) M E A S ( g /c m 3 ) S90/CV7/C3 S80/CV17/C3 S CV
Figura 8 - Curvas de Compactação do Solo, Cinza Volante e Misturas com Cinza Volante. Através da Figura 7, observa-se que tanto na curva de compactação da cinza de fundo, como em suas respectivas misturas, não são percebidos pontos de MEAS máxima e umidade
ótima bem definidos, o que já era esperado. O ensaio de compactação das cinzas pesadas produz curvas irregulares devido à complexa estrutura porosa das partículas constituintes [5].
A Figura 9 apresenta curvas relativas a cinzas de fundo de diferentes locais, onde se podem observar aspectos semelhantes aos resultados aqui obtidos. As curvas são caracterizadas por apresentarem MEAS elevada para o ramo seco, e, também, no ramo úmido, intercalados por valores menores da massa específica aparente seca, para teores de umidade intermediários, o que caracteriza um comportamento de materiais sem coesão [7].
Figura 9 - Curvas de Compactação típicas de Cinzas de Fundo. [7]
A curva de compactação do solo puro possui comportamento comum aos solos areno-siltosos, como foi classificado [6].
As curvas de compactação do solo puro e das misturas com cinza volante, observadas na Figura 8, ao serem comparadas apresentam pequenas variações de umidade ótima e MEAS máxima, o que pode ser justificado pelos baixos teores de cinza volante presente nas composições das misturas. Ao se comparar os resultados obtidos com a cinza volante às variações existentes entre o solo puro e as misturas com cinza de fundo, observa-se que estas apresentam maior variação que as misturas com cinza volante.
Na Figura 10, as curvas de compactação apresentadas foram determinadas para misturas de solos arenosos (83%), com cinza volante (13%) e cal (4%), para duas energias de compactação [9]. Os valores obtidos para a umidade ótima e MEAS máxima, são semelhantes aos encontrados na presente pesquisa, e as diferenças observadas podem ter ocorrido devido à diferença do solo e eventuais características das cinzas, com grande intervalo de tempo de coleta entre os dois estudos.
A Figura 11 apresenta resultados obtidos para cinzas de fundo e volante, também provenientes do Complexo Termelétrico Jorge Lacerda [12]. Para as cinzas de fundo, observa-se valores de umidade ótima igual a 40% e peso específico seco aparente máximo de 9,9 KN/m³, que são resultados semelhantes ao da presente pesquisa. Já para as cinzas volantes, os valores encontrados possuem diferenças, o que pode ser justificado pelo grande intervalo de tempo entre os dois estudos, e os fatores que podem influenciar nas propriedades físico-químicas das cinzas.
Através dos resultados obtidos, pôde-se observar que para a massa específica aparente seca máxima, ocorre um decréscimo em seu valor à medida que o teor de cinza das misturas
aumenta. Para a umidade ótima observa-se o mesmo comportamento, o qual ocorre para os dois tipos de cinzas.
Figura 10 - Curvas de Compactação de Misturas Solo/Cinza Volante/Cal [9].
Figura 11 – Curva de Compactação da Cinza de Fundo (a) e Cinza Volante (b) do Complexo Termelétrico de Jorge Lacerda [12].
Durante o estudo, não foram realizadas as curvas de compactação para as misturas sem a adição de cal. Dessa forma, para os ensaios de MR e DP, os corpos-de-prova para misturas sem adição de cal, foram moldados considerando a umidade ótima e a MEAS da mistura de referência com a adição de cal. Todo o processo de moldagem dos CP’s foi realizado na Energia Modificada de compactação e imediatamente após a homogeneização da mistura.
Para o ensaio de Módulo de Resiliência (MR), foram moldados três corpos-de-prova para cada mistura, ensaiados em diferentes tempos de cura, pré-determinados, com o objetivo de se obter maior representatividade dos resultados encontrados.
Nos ensaios realizados no equipamento triaxial dinâmico, foram obtidos os valores de MR para diferentes tensões confinantes (
σ
3) e desviadora (σ
d) e a partir destes valores, com autilização do programa computacional STATISTICA 7.0, por correlação elástica, foram determinados os coeficientes K1, K2, K3 do Modelo Composto. Da observação dos valores dos
coeficientes K2e K3, em módulo, pode-se determinar se a relação de tais tensões é crescente
ou decrescente e, a razão K2/ K3 determina o quanto a tensão confinante é mais influente que a
tensão desviadora. Como esperado, tanto no solo puro, como em todas as misturas, a tensão
confinante exerceu maior influência no comportamento resiliente, assim como acontece na maioria dos materiais granulares.
Fatores como o tempo de cura, teor e tipo de cinzas, e presença de cal, foram determinantes para análise do comportamento dos materiais em estudo. As Figuras 12 e 13 apresentam as relações do Módulo de Resiliência com a Tensão Confinante nos diferentes tempos de cura, para cada mistura.
Figura 12 - Variação do Módulo Resiliente vs. Tensão Confinante para as Misturas S70/CF27/C3 e S60/CF37/C3 para os diferentes tempos de cura.
Figura 13 - Variação do Módulo Resiliente vs. Tensão Confinante para as Misturas S90/CV7/C3 e S80/CV27/C3 para os diferentes tempos de cura.
O tempo de cura, afeta diretamente o grau de cimentação da mistura, podendo ser considerado o principal fator influente no ganho de resistência à compressão simples para materiais estabilizados quimicamente, especialmente com a cal.
Comparando o tempo zero de todas as misturas com o módulo de resiliência do solo puro, já se nota um ganho de rigidez, provocado pela presença “granulométrica” das cinzas e cal, que já provocam algum efeito estabilizante. Nas misturas com cal, percebe-se que houve um aumento do MR com a cura, o que comprova a ocorrência de reações químicas e/ou pozolânicas de melhoria real das características do solo e diminuição da deformabilidade. Em
ambas as misturas com a cinza volante, houve um aumento do MR, em níveis superiores aos das misturas com cinza de fundo. Esta, não é considerada uma pozolana, entretanto, com a adição de cal às misturas, pode-se perceber que esta promove no solo algum tipo de estabilização química, melhorando seu comportamento mecânico.
Em relação ao resultado da mistura S80/CV17/C3, percebe-se que para os tempos de cura de 28 e 90 dias os MR foram muito semelhantes, o que representa uma possível estagnação das reações químicas no tempo de cura de 28 dias. Tal fato pode ser atribuído ao teor de cinzas volantes, que pode ter sido superior a um suposto “teor ótimo” para as condições e materiais estudadas.
Após analisada a influência do tempo de cura, e possíveis reações pozolânicas, em misturas com a presença de cal, foram realizados ensaios com misturas nas mesmas proporções solo-cinza, porém sem a adição de cal, com a finalidade de se isolar a influencia das reações químicas e avaliar somente a atuação das cinzas. Através dos ensaios em amostras sem a presença de cal, obteve-se os resultados apresentados nas Figuras 14 e 15.
Figura 14- Variação do Módulo Resiliente vs. Tensão Confinante para as Misturas S70/CF30 e S60/CF40 para os diferentes tempos de cura.
Figura 15 - Variação do Módulo Resiliente vs. Tensão Confinante para as Misturas S90/CV10 e S80/CV20 para os diferentes tempos de cura.
cal) foram bem semelhantes, apresentando ganhos de até 50% nos valores de MR, para elevadas tensões confinantes e quase nenhum ganho para baixas tensões confinantes. Em ambas as misturas não houve aumento do MR com o tempo de cura, o que demonstra que a presença da cal é necessária para a ocorrência de reações químicas entre o solo e as cinzas de fundo, que somente as cinzas não são capazes de promover uma estabilização química do solo, mas melhoram o comportamento tensão – deformação mesmo que pouco, o que já torna este rejeito aplicável, dando uma destinação mais ambientalmente correta à este.
Entretanto é possível perceber que com a adição das cinzas de fundo, ocorreu melhora imediata do MR, para os dois teores estudados, o que pode ser justificado por uma provável estabilização granulométrica do solo com a adição destas. Nas misturas S90/CV10 e S80/CV20 não ocorreu aumento nos valores de MR em relação ao Solo Puro, com a cura, o que pode evidenciar o não acontecimento de estabilização granulométrica ou química. Através de todos os resultados apresentados, pode-se perceber também, que a cal exerce forte influencia no aumento dos valores de MR.
Para avaliação do teor de cinzas que se deve misturar ao solo, de modo a se obter melhoras em seu comportamento mecânico, foram realizados ensaios para as misturas com o mesmo tipo de cinza, no mesmo tempo de cura, porém com teores de cinzas diferentes. As Figuras 16 a 19 apresentam os resultados obtidos para as misturas com a adição de cal.
Figura 16 - Influência do Teor de Cinza de Fundo nas Misturas S70/CF27/C3 e S60/CF37/C3 nos tempos de cura de 0 e 7 dias.
Figura 17 - Influência do Teor de Cinza de Fundo nas Misturas S70/CF27/C3 e S60/CF37/C3 nos tempos de cura de 28 e 90 dias.
Os resultados apresentados pelas misturas com a presença de cinza de fundo na proporção de 27 e 37% e cal foram bem semelhantes em todos os tempos de cura analisados: sempre superiores ao do Solo Puro, e aumentando gradativamente com a cura, mas bem próximos entre si.
Figura 18 - Influência do Teor de Cinza Volante nas Misturas S90/CV7/C3 e S80/CV17/C3 nos tempos de cura de 0 e 7 dias.
Figura 19 - Influência do Teor de Cinza Volante nas Misturas S90/CV7/C3 e S80/CV17/C3 nos tempos de cura de 28 e 90 dias.
Nas misturas com cinzas volantes, foi perceptível a diferença no aumento do MR, no ensaio com tempo de cura de 90 dias. Nos ensaios anteriores, acredita-se que as reações pozolânicas ainda não ocorreram por completo, fazendo com que ambas as misturas apresentem resultados muito semelhantes. Entretanto, com o passar do tempo e a concretização destas reações, a mistura S90/CV7/C3, obteve melhor resultado, mesmo com teor de cinza volante inferior ao da mistura S80/CV17/C3, o que possivelmente sinaliza para um “teor ótimo” de cinza volante para o solo estudado.
Nas Figuras 20 a 22, pode-se observar o comportamento das misturas sem cal, o que permite a análise individual do papel das cinzas nas misturas com o solo.
Figura 20 - Influência do Teor de Cinza de Fundo nas Misturas S70/CF30e S60/CF40 nos tempos de cura de 0 e 90 dias.
Figura 21 - Influência do Teor de Cinza Volante nas Misturas S90/CV10 e S80/CV20 nos tempos de cura de 0 e 35 dias.
Figura 22 - Influência do Teor de Cinza Volante nas Misturas S90/CV10e S80/CV20 no tempo de cura de 90 dias.
Os teores de cinzas de fundo estudados sem a adição de cal apresentaram resultados muito semelhantes nos diferentes tempos de cura, sem apresentar representativos ganhos de módulo de resiliência, porém com comportamento mecânico superior ao do Solo Puro.
Nas misturas somente com cinza volante, sem adição de cal, a relação do Módulo de Resiliência pela tensão confinante, é muito similar para as duas misturas, e equivalente a do
Solo Puro. Este fato confirma que ao se adicionar somente cinza volante, nos teores estudados, ao solo, não foi possível proporcionar nenhum tipo de estabilização, granulométrica ou química. Porém, também não houve piora no comportamento, tornando viável o uso deste rejeito em substituição aos materiais convencionais.
Comparando-se os desempenhos das misturas com e sem cal, é possível concluir que a cinza volante se mostra mais eficiente como agente cimentante do que as cinzas de fundo. A estabilização química, proporcionada pelas cinzas volantes em conjunto com a cal, gerou melhores resultados de MR. Porém, para as misturas sem a presença de cal, os melhores resultados foram obtidos com a cinza de fundo, o que provavelmente está relacionado à certa estabilização granulométrica que esta proporciona.
Assimcomo para os ensaios de MR, os corpos-de-prova para o ensaio de Deformação Permanente foram moldados nas condições de umidade ótima e MEAS determinados no ensaio de compactação, na energia de compactação equivalente à Energia Modificada. Foram realizados ensaios para 7, 28 e 90 dias de cura em câmara úmida. Somente as misturas com a adição de cal foram submetidas à estes ensaios.
Pelo fato do ensaio de Deformação Permanente ser de longa duração, com grande número de ciclos (N) de aplicação de cargas, na Tabela 3 a seguir, são apresentados os valores das deformações permanentes em momentos específicos: inicial ( ), com 10.000 ciclos de aplicação de carga ( ), e com 100.000 ciclos ( ).
Tabela 3 - Resultados dos Ensaios de Deformação Permanente de alguns materiais em estudo.
Material/Mistura (dias) Cura
Compactação Deformação Permanente (mm) wot (%) MEAS máx. (g/cm3) S70/CF27/C3 7 16,39 1,591 0,471 2,278 2,358 28 16,50 1,598 0,244 1,704 1,791 90 16,84 1,551 0,343 2,144 2,332 S60/CF37/C3 7 17,41 1,448 0,373 2,404 2,594 28 17,60 1,431 0,257 1,781 1,912 90 17,34 1,441 0,083 0,672 0,749 S90/CV7/C3 7 11,21 1,901 0,207 1,249 1,325 28 10.85 1,884 0,114 1,075 1,15 90 11,34 1,918 0,17 0,857 0,987 S80/CV17/C3 7 12,69 1,819 0,131 1,197 1,266 28 12,80 1,800 0,247 0,933 0,989 90 12,81 1,776 0,084 0,703 0,8
É importante destacar que foram moldados corpos-de-prova, com as mesmas características dos demais, para o Solo Puro, entretanto, em todos os casos as deformações apresentadas foram muito expressivas e maiores do que em todos os outros casos com a adição de cal e das cinzas.
Nos gráficos das Figuras 23 e 24, pode-se observar o efeito do Tempo de Cura sobre a deformação permanente das misturas com cal estudadas.
Figura 23 – Efeito de Tempo de Cura na Deformação Permanente das Misturas S70/CF27/C3 e S60/CF37/C3.
Para as duas misturas com cinza de fundo, pode-se observar que há uma redução nos valores de deformação permanente com o tempo de cura. Para a amostra S60/CF37/C3, a deformação permanente total no ensaio de 90 dias foi reduzida aproximadamente a valores quatro vezes menores em relação ao ensaio de 7 dias. Este fato mostra que a adição de cinza de fundo diminui significativamente a deformação permanente com o tempo de cura, podendo aumentar a vida útil do pavimento. Já para a amostra S70/CF27/C3, houve um retrocesso na diminuição dos valores de deformação permanente para o ensaio de 90 dias. Por ter sido um comportamento inesperado, o ensaio foi repetido, porém obtendo-se mesmo resultado.
Figura 24 – Efeito do Tempo de Cura na Deformação Permanente das Misturas S90/CV7/C3 e S80/CV17/C3.
Para as misturas com cinza volante, observam-se valores de deformação permanente relativamente menores que as misturas com cinza de fundo e talvez por esse motivo, a influencia do tempo de cura seja menos significante do que no caso da cinza de fundo.
Em geral, todas as misturas estudadas apresentaram melhores resultados para o ensaio de Deformação Permanente com o tempo de cura, o que pode ser justificado pela cimentação ocorrida entre as cinzas e mistura solo-cal.
Nos gráficos das Figuras 25 a 28, pode-se observar o efeito do tipo e teor de cinzas sobre a deformação permanente das misturas com cal estudadas.
S70/CF27/C3 S60/CF37/C3
Figura 25 - Influência do Teor de Cinza de Fundo nas Misturas S70/CF27/C3 e S60/CF37/C3 na Deformação Permanente com cura de 7 e 28 dias.
Figura 26 - Influência do Teor de Cinza de Fundo nas Misturas S70/CF27/C3 e S60/CF37/C3 na Deformação Permanente com cura de 90 dias.
Figura 27 - Influência do Teor de Cinza Volante nas Misturas S90/CV7/C3 e S80/CV17/C3 na Deformação Permanente com cura de 7 e 28 dias.
7 Dias 28 Dias
90 Dias
Figura 28 - Influência do Teor de Cinza Volante nas Misturas S90/CV7/C3 e S80/CV17/C3 na Deformação Permanente com cura de 90 dias.
Através destes resultados, pode-se observar que tanto as misturas com cinzas de fundo, como as com cinza volante, apresentam valores de deformação permanente bastante similares entre si, mostrando que entre os teores de cinzas estudados, todos estes terão influencia na mesma medida no desempenho do pavimento. Estes valores são em geral relativamente baixos, apresentando-se menores que do solo puro, o que já representa um ganho. Em relação ao tipo de cinzas, percebe-se que a cinza volante conduziu a deformações permanentes menores do que as obtidas com cinza de fundo. Porém, com a cura as misturas com cinza de fundo foram percentualmente mais representativas do que as apresentadas com cinza volante. Conclusões
A partir dos resultados apresentados e analisados, conclui-se que: (i) As classificações do solo [6], assinalam que o comportamento mecânico deste material não é recomendável para utilizá-lo em base de pavimento; (ii) Em relação aos ensaios de compactação, foi verificado que a adição das cinzas tem o efeito de aumentar a umidade ótima e diminuir a massa especifica aparente máxima do material, e que esses parâmetros são influenciados pelo teor e tipo de cinza adicionado; (iii) Tanto os resultados dos ensaios de Módulo de Resiliência (MR), quanto os de deformação permanente, são influenciados pelo tipo e teor de cinzas, tempo de cura e presença de cal; (iv) Nos ensaios de MR, para maiores tempos de cura, obteve-se melhores resultados, principalmente para as misturas com a presença de cal. Para misturas sem a adição de cal, o tempo de cura não foi muito influente no ganho de resistência dos materiais. As misturas com CV apresentaram ganhos mais representativos em seu valor do que as CF, além de possuírem maior capacidade de estabilização química do solo. Porém, as CF, devido à maior granulometria, favoreceram a ocorrência de estabilização granulométrica; (v) Em relação aos resultados dos ensaios de deformação permanente, o tempo de cura influenciou positivamente, diminuindo os valores apresentados em todas as misturas estudadas. As CV apresentaram diminuições dos valores mais significativos que as CF; (vi) Os melhores resultados de MR e Deformação permanente, foram obtidos para a amostra contendo um teor de 7% de CV, sendo este, caracterizado como um “teor ótimo” para essa mistura. Para as CF, devido aos resultados semelhantes entre as misturas, não foi possível fazer essa determinação; (vii) Tanto a mistura do solo com a CF, como a CV, gerou uma melhoria em grande parte das propriedades mecânicas, proporcionando o desenvolvimento de um novo material geotécnico com características próprias, tornando viável o seu emprego para fins de pavimentação.
Referências
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3 - DEPARTAMENTO NACIONAL DE ESTRADAS DE RODAGEM. DNER-ME 131/96: Módulo de Resiliência. Rio de Janeiro, 1996.
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5 - LEANDRO, R.P. Estudo laboratorial acerca da possibilidade de aproveitamento da cinza pesada de termelétrica em base e sub-base de pavimentos flexíveis. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – Escola de Engenharia de São Carlos, USP, São Carlos, 2005.
6 - LOPES, L.S.E. Análise do Comportamento Mecânico e Ambiental de Misturas Solo-Cinzas de Carvão Mineral para Camadas de Base de Pavimentos. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – PUC-Rio, Rio de Janeiro, 2011.
7 - LOVELL, C.W.; KE, T.C.; HUANG, W.H.; LOVELL J.E. Bottom ash as highway material. Transportation Research Record, n.1310, p.106-116., 1991.
8 - MEDINA, J., MOTTA, L. M. G. Mecânica dos Pavimentos. 2ª Ed. Editora UFRJ. Rio de Janeiro. Brasil. 2005
9 - NARDI, J.V. Estabilização de areia com cal e cinza volante; efeito do cimento como aditivo e de brita na mistura. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – UFRJ, Rio de Janeiro,1975.
10 - POZZOBON, C.E. Aplicações tecnológicas para a cinza do carvão mineral produzida no Complexo Termelétrica Jorge Lacerda. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – UFSC, Florianópolis, 1999.
11 - RAMOS, C.R. Estudo para o desenvolvimento de um catálogo de pavimentos flexíveis do município do Rio de Janeiro. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – UFRJ, Rio de Janeiro, 2003.
12 - UBALDO, M.O. Uso de cinzas de carvão da composição de uma cobertura de rejeitos de mineração. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – UFRJ, Rio de Janeiro, 2005.
13 - VIANNA, A.A.D. Contribuição para o estabelecimento de um material padrão e de metodologia para calibração de equipamentos de ensaios dinâmicos. Dissertação (Mestre em Engenharia de Transportes) - UFRJ, Rio de Janeiro, 2002.
