Estudo de Viabilidade do Uso de Escória de Aciaria e Resíduo de Rochas Ornamentais Como Lastro Ferroviário / Feasibility Study of the Use of Steel Slag and Ornamental Stones Residue as Railway Ballast

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n.5, p.23335-23352 may. 2020. ISSN 2525-8761

Estudo de Viabilidade do Uso de Escória de Aciaria e Resíduo de Rochas

Ornamentais Como Lastro Ferroviário

Feasibility Study of the Use of Steel Slag and Ornamental Stones

Residue as Railway Ballast

DOI:10.34117/bjdv6n5-039

Recebimento dos originais: 04/05/2020 Aceitação para publicação: 04/05/2020

Raísa Tótola Canal

Instituição: Universidade Federal do Espírito Santo, Endereço: Vitória, Brasil,

E-mail: raisa.canal2@hotmail.com Carlos Vinícius Soares do Rosário

E-mail: carlosvinicius360@gmail.com Patrício José Moreira Pires

E-mail: patricio.pires@gmail.com

RESUMO

As escórias de aciaria são resíduos gerados em grande volume nas usinas siderúrgicas, seu descarte, além de oneroso, é muito prejudicial ao meio ambiente. O aproveitamento desse material como lastro ferroviário é um dos objetivos deste trabalho, que visa também estudar a viabilidade de aplicação de resíduo de rocha ornamental como lastro. O estudo foi feito por meio de ensaios de caracterização física, mineralógica, microestrutural, ambiental e análises de expansibilidade e condutividade e os resultados de ensaios de resíduos de rocha ornamental foram retirados de estudos anteriores. Com base nos resultados foi feita uma análise comparativa com valores máximos e mínimos estabelecidos em norma, permitindo concluir quais características atendem aos requisitos e quais não atendem, estabelecendo quais foram os problemas encontrados e os motivos, possibilitando análises mais profundas sobre esses materiais.

Palavras-chave: escória de aciaria, rocha ornamental, lastro ferroviário.

ABSTRACT

Steel slag is a residue generated in large volume by steel mills, its disposal, besides costly, is very harmful to the environment. The use of this material as a rail ballast is the main object of this work, which also aims to study the feasibility of applying ornamental rock residue as

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n.5, p.23335-23352 may. 2020. ISSN 2525-8761 ballast. The study was based on physical, mineralogical, microstructural, environmental tests and expansibility and conductivity analyzes, and the results of ornamental rock residue tests were obtained from previous studies. Based on the results, a comparative analysis was performed with maximum and minimum values established by the standard, allowing to conclude which characteristics are according to the requirements and which are not, establishing what problems were found and the reasons, allowing a deeper analyzes of these materials.

Key words: steel slag, ornamental rock, rail ballast.

1 INTRODUÇÃO

A via permanente de uma ferrovia divide-se em infraestrutura e superestrutura, dentre os componentes da superestrutura existe o lastro. Ele é um elemento granular situado entre os dormentes e o sublastro, o material mais utilizado como lastro é a brita.

O uso da brita, além de ser um recurso não renovável, gera problemas ambientais devido a sua exploração. Ao mesmo tempo em que a brita se torna um material escasso, a indústria siderúrgica gera cada vez mais resíduos que demandam altos custos com transporte e descarte. A escória de aciaria é um desses resíduos, gerado no processo de transformação de ferro gusa em aço, podendo ser da aciaria elétrica (Escória de Forno Elétrico a Arco) ou em conversores a oxigênio (Escória LD). Para solucionar tal problema surge a possibilidade de se utilizar a escória como lastro ferroviário.

Por outro lado, algumas características do material, como a expansibilidade, condutividade elétrica e alta resistência a abrasão, geram problemas para a via.

O estudo desse coproduto é essencial para analisar suas características e aplicabilidade, de forma a viabilizar seu uso, gerando benefícios para as siderúrgicas e para o meio ambiente.

2 MATERIAL E MÉTODOS 2.1 MATERIAIS UTILIZADOS

Cinco materiais foram utilizados na pesquisa, escória de aciaria LD (não tratada), escória de aciaria de forno elétrico a arco, e resíduos de rocha ornamental amarela, verde e cinza.

2.1.1 Escória de aciaria LD

A escória LD é gerada pelo processo de produção do aço que utiliza o conversor a oxigênio (tipo LD). Este material, mostrado na Figura 1, possui um baixo grau de desgaste e uma alta heterogeneidade. O material foi fornecido pela ArcelorMittal de Tubarão, no

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n.5, p.23335-23352 may. 2020. ISSN 2525-8761 município da Serra, estado do Espírito Santo.

Figura 1. Escória LD (não tratada).

2.1.2 Escória de aciaria de forno elétrico a arco

Também conhecida como escória FEA, mostrada na Figura 2, ela é gerada pelo processo de produção do aço que utiliza um forno elétrico. É um material que possui grande quantidade de óxido de cálcio e óxido de magnésio. O material foi fornecido pela Simec, antiga ArcelorMittal do município de Cariacica, no estado do Espírito Santo.

Figura 2. Escória de forno elétrico a arco.

2.1.3 Resíduos de rochas ornamentais

É gerado pelo beneficiamento de rochas ornamentais. Possui quantidades predominantes de dióxido de silício e óxidos de alumínio. Foram estudados três tipos de diferentes deste material: Resíduos provenientes do beneficiamento das rochas amarela, verde e cinza. A Figura 3 mostra as três rochas.

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Figura 3. Resíduos de rocha ornamental (amarelo, verde e cinza)

2.2 METODOLOGIA UTILIZADA

O trabalho é dividido em três etapas. Na primeira etapa é feita a caracterização física dos materiais, determinando os parâmetros de forma, massa específica aparente, absorção, porosidade, resistência à intempérie, compressão axial, índice treton, fragmentos macios e friáveis, material pulverulento, torrões de argila, massa unitária e abrasão Los Àngeles, e comparando os resultados obtidos com os valores definidos pela norma NBR 5564 – Via férrea – Lastro ferroviário – Requisitos e métodos de ensaio (2011).

Já a segunda etapa do trabalho é realizada a determinação de algumas características químicas das escórias estudadas, como fluorescência de Raios-X, microscopia eletrônica de varredura com EDS e difração de raios-X. E, na última parte do do estudo, foram realizados ensaios de condutividade elétrica e expansibilidade nas escórias estudadas, sendo eles os principais problemas encontrados no uso de escórias de aciaria como material para lastro ferroviário.

3 RESULTADOS

3.1 CARACTERIZAÇÃO FÍSICA

Os ensaios físicos foram realizados nos laboratórios de geotecnia e de materiais de construção da Universidade federal do Espírito Santo. As normas utilizadas foram a NBR 5564 (ABNT, 2011), NBR NM 46 (ABNT, 2003), NBR 7218 (ABNT, 1987), NBR NM 45 (ABNT, 2006) e NBR NM 51 (ABNT, 2001). Vale ressaltar que os ensaios de índice treton e fragmentos macios e friáveis foram adaptados para a realização nestes laboratórios.

Nos ensaios de resistência a intempérie as amostras foram submetidas a 40 ciclos de submersão em sulfato de sódio. No ensaio de compressão simples os corpos de prova das

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n.5, p.23335-23352 may. 2020. ISSN 2525-8761 escórias foram feitos com 4cm de aresta e os de rocha ornamental com diâmetro aproximado de 37,6mm e altura variando de 81,75mm e 99,65mm.

3.1.1 Caracterização física da escória LD

Na Tabela 1 são apresentados os resultados dos ensaios realizados na escória LD, além dos valores padrão determinados pela NBR 5564.

Tabela 1. Resultados da escória LD.

Ensaios Resultados Escória LD NBR 5564 Índice de forma 100% Cúbica 85% Cúbica Massa específica aparente 3333,05 Kg/m³ >2500 Kg/m³ Absorção de água 0,86% <0,8% Porosidade aparente 2,72% <1,5% Resistência a intempérie 12,05% <10% Compressão axial 99,7 MPa >100

MPa Índice treton 8,25% <25% Fragmentos macios e friáveis 0% <5% Material pulverulento 0% <1% Torrões de argila 0% <0,5% Massa unitária 1,52 g/cm³ >1,25 g/cm³ Abrasão Los Ángeles 9,11% <30%

3.1.2 Caracterização física da Escória FEA

Na Tabela 2 são apresentados os resultados dos ensaios realizados na escória de forno elétrico a arco, também conhecida como escória FEA.

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Tabela 2. Resultados da escória FEA.

Ensaios Resultados Escória FEA NBR 5564 Índice de forma 99% Cúbica 85% Cúbica Massa específica aparente 3399,19 Kg/m³ >2500 Kg/m³ Absorção de água 2,09% <0,8% Porosidade aparente 6,98% <1,5% Resistência a intempérie 1,59% <10% Compressão axial 136,25 MPa >100 MPa Índice treton 21,96% <25% Fragmentos macios e friáveis 0,8% <5% Material pulverulento 0% <1% Torrões de argila 0% <0,5% Massa unitária 1,42 g/cm³ >1,25 g/cm³ Abrasão Los Ángeles 21,11% <30%

3.1.3 Caracterização física do resíduo de rocha ornamental amarela

Na Tabela 3 são apresentados os resultados dos ensaios realizados no resíduo de rocha ornamental amarela. Vale ressaltar que não foi possível realizar os ensaios de índice treton e fragmentos macios e friáveis neste material.

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Tabela 3. Resultados do resíduo de rocha ornamental amarela.

Ensaios Resultados Resíduo amarelo NBR 5564 Índice de forma 52% Cúbica 85% Cúbica Massa específica aparente 2583 Kg/m³ >2500 Kg/m³ Absorção de água 0,74% <0,8% Porosidade aparente 1,89% <1,5% Resistência a intempérie 73,18% <10% Compressão axial 4,8,86 MPa 100 MPa Índice treton - <25% Fragmentos macios e friáveis - <5% Material pulverulento 0,17% <1% Torrões de argila 0% <0,5% Massa unitária 1,25 g/cm³ >1,25 g/cm³ Abrasão Los Ángeles 55% <30%

3.1.4 – Caracterização física do resíduo de rocha ornamental cinza

Na Tabela 4 são apresentados os resultados dos ensaios realizados no resíduo de rocha ornamental cinza. Vale ressaltar que não foi possível realizar os ensaios de índice treton e fragmentos macios e friáveis neste material.

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Tabela 4. Resultados do resíduo de rocha ornamental cinza.

Ensaios Resultados Resíduo cinza NBR 5564 Índice de forma 58% Cúbica 85% Cúbica Massa específica aparente 2537 Kg/m³ >2500 Kg/m³ Absorção de água 0,72% <0,8% Porosidade aparente 1,82% <1,5% Resistência a intempérie 32,14% <10% Compressão axial 91,68 MPa 100 MPa

Índice treton - <25% Fragmentos macios e friáveis - <5% Material pulverulento 0,10% <1% Torrões de argila 0% <0,5% Massa unitária 1,25 g/cm³ >1,25 g/cm³ Abrasão Los Ángeles 50% <30%

3.1.5 – Caracterização física do resíduo de rocha ornamental verde

Na Tabela 5 são apresentados os resultados dos ensaios realizados no resíduo de rocha ornamental verde. Vale ressaltar que não foi possível realizar os ensaios de índice treton e fragmentos macios e friáveis neste material.

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Tabela 5. Resultados do resíduo de rocha ornamental verde.

Ensaios Resultados Resíduo verde NBR 5564 Índice de forma 48% Cúbica 85% Cúbica Massa específica aparente 2549 Kg/m³ >2500 Kg/m³ Absorção de água 0,57% <0,8% Porosidade aparente 1,46% <1,5% Resistência a intempérie 1,49% <10% Compressão axial 68,39 MPa 100 MPa

Índice treton - <25% Fragmentos macios e friáveis - <5% Material pulverulento 0,08% <1% Torrões de argila 0% <0,5% Massa unitária 1,25 g/cm³ >1,25 g/cm³ Abrasão Los Ángeles 48% <30%

3.2 CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA, MINERALÓGICA E MICROESTRUTURAL Foram analisados resultados de Fluorescência de Raios-X, Difração de Raios-X e Microscopia eletrônica de varredura (MEV) com EDS. Os resultados da amostra de Escória LD foram fornecidas pela ArcelorMittal, e os ensaios foram realizados pela NanoBusiness Informação e Inovação Ltda (2017). Os resultados da Escória de Forno Elétrico a Arco utilizados foram obtidos de Dos Anjos (2010) e Schumacher (2018).

A Tabela 6 apresenta os resultados de Fluorescência de Raios-X, onde verifica-se as composições químicas predominantes das amostras.

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Tabela 6. Resultados de Fluorescência de Raios-X

Óxidos Composição (%) Escória LD Escória de Forno Elétrico a Arco NanoBusiness (2017) Dos Anjos (2010) CaO 43,4 24,7 SiO2 12,7 18,3 MgO 5 7,9 Al2O3 4,9 10,9 Fe2O3 26,4 - MnO 3,2 3,4 TiO2 0,36 0,7 K2O <0,1 - S - 0,09 FeO - 31,3 Cr2O3 - 0,9 P2O5 1,3 1,2 Na2O 0,17 - SO3 0,16 - SrO 0,1 -

O ensaio de Difração de Raios-X fornece um difratograma, ele exibe picos característicos, resultado do processo de difração de Raios-X em planos cristalográficos dos materiais analisados, correlacionados à posição, intensidade e forma da estrutura cristalina, com isso é possível determinar a composição mineralógica do material (DAYRELL, 2013).

A Figura 4 mostra o difratograma da Escória LD da NanoBusiness Informação e Inovação Ltda (2017).

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n.5, p.23335-23352 may. 2020. ISSN 2525-8761 A Figura 5 apresenta o difratograma da Escória de Forno Elétrico a Arco, realizado por Dos Anjos (2010).

Figura 5 Difratograma experimental da Escória de Forno Elétrico a Arco

A microscopia eletrônica de varredura (MEV) com EDS, por meio da emissão de Raios-X, fornece a composição química dos elementos de um ponto ou região da superfície, possibilitando a identificação dos elementos presentes (DAYRELL, 2013).

A Figura 6 apresenta os resultados do MEV da Escória LD de Schumacher (2018).

Figura 6 Microestrutura com Microscopia Eletrônica de Varredura da Escória LD

A Figura 7 apresenta os resultados do MEV da Escória de Forno Elétrico a Arco, realizado por Dos Anjos (2010).

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Figura 7. Mapa de Raio-X da Escória de Forno Elétrico a Arco [a) Ca; b) Fe; c) Si; d) Mg; e) Al; f) Vista do MEV]

3.3 CARACTERIZAÇÃO AMBIENTAL

Os resultados de ensaios de lixiviação e solubilização da Escória LD foram fornecidos pela ArcelorMittal Tubarão e realizados pela Merieux NutriSciences (2017). Os resultados de Escória de Forno elétrico a Arco foram fornecidos pela unidade da ArcelorMittal Cariacica, que atualmente pertence ao Grupo Simec, e os ensaios realizados pela TASQA Serviços Analíticos Ltda (2017).

No extrato lixiviado foram detectados, por exemplo, bário, cromo total e fluoreto, mas em concentração inferior ao limite máximo estabelecido no Anexo F da norma NBR 10004 (ABNT, 2004) para ambas as escorias estudadas.

No extrato solubilizado das duas escórias todos os valores encontrados apresentaram concentrações abaixo do limite máximo do Anexo G da norma NBR 10004 (ABNT, 2004). Os resíduos foram considerados como Resíduo Classe II B – Não perigoso – Inerte.

3.4 CARACTERIZAÇÃO DE EXPANSIBILIDADE

O método PTM130/78 estipula um valor máximo de expansão de 3% para 14 dias de ensaio. A Figura 8 apresenta a expansão acumulada de três corpos de prova de Escória LD de Schumacher (2018). Os três valores de expansão dos corpos de prova encontrados foram 6,71%, 3,16% e 1,89%.

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Figura 8. Gráficos de expansão dos três corpos de prova de Escória LD

No trabalho realizado por Schumacher (2018) a amostra 1 (6,71% de expansão) não passou por nenhum tipo de tratamento, a amostra 2 (3,16% de expansão) passou por dois meses de cura e a amostra 3 (1,89% de expansão) por cinco meses de cura, isso mostra que o material está sujeito a variação de expansão caso não tenha passado por tratamento e que o processo de cura reduz a expansão do material para valores em conformidade com a norma.

A Figura 9 apresenta a expansão acumulada de três corpos de prova de Escória de Forno Elétrico a Arco realizada nos laboratórios da ArcelorMittal. Os três valores de expansão dos corpos de prova encontrados foram -0,43%, -0,19% e -0,46%.

Figura 9. Gráficos de expansão dos três corpos de prova de Escória de Forno Elétrico a Arco

3.5 CARACTERIZAÇÃO DE CONDUTIVIDADE

Os manuais da AREMA recomendam valor de resistividade elétrica mínimo de 300Ωm. A Tabela 7 apresenta os valores de resistividade encontrados da Escória LD.

Tabela 7. Resultados de resistividade da Escória LD

Tempo (Dias) Resistividade (Ω.m) 1 2 3 0,00 266,67 253,16 253,16 0,11 168,35 163,67 176,68 0,19 155,76 150,15 160,26 0,86 103,41 102,25 101,11 1,86 68,49 70,92 66,67 4,86 54,64 56,18 52,91 7,86 47,17 48,54 45,66

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11,86 40,65 40,32 39,53

19,19 37,31 36,36 37,17

A Tabela 8 apresenta os valores de resistividade encontrados da Escória de Forno Elétrico a Arco.

Tabela 8. Resultados de resistividade da Escória de Forno Elétrico a Arco

Tempo (Dias) Resistividade (Ω.m) 1 2 3 0,00 361,01 317,46 361,01 0,11 85,40 91,58 90,66 0,19 74,07 78,19 80,52 0,86 44,64 45,45 46,30 1,86 40,16 44,64 42,37 4,86 40,32 41,32 42,55 7,86 35,09 39,53 40,16 11,86 32,36 34,72 34,25 19,19 29,85 31,06 31,55 4 DISCUSSÃO

Comparando-se os resultados obtidos nos ensaios de caracterização física com os valores estabelecidos em norma pela NBR 5564 (ABNT, 2011), nota-se que nenhum dos materiais atendeu a todos os critérios recomendados.

A escória LD deixou de atender os critérios de absorção de água, resistência a intempérie, porosidade e compressão simples, sendo que a heterogeneidade deste material é o principal responsável pelos valores divergentes dos da norma. Já a escória FEA não atendeu aos critérios de porosidade e absorção de água. E, por fim, os resíduos de rocha ornamental também nao obtiveram o desempenho desejado em boa parte dos ensaios, só atenderam os requisitos de massa específica aparente, material pulverulento, torrões de argila, massa unitária e absorção de água, com exceção do resíduo verde, que além desses também atendeu os padrões para os ensaios de resistência a intempérie e porosidade.

A Fluorescência de Raio-X permitiu observar que as composições químicas predominantes das escórias são óxido de ferro, óxido de cálcio (CaO), dióxido de silício (SiO2), óxido de alumínio (Al2O3), óxido de magnésio (MgO), e óxido de manganês (MnO). Um fator fundamental na análise de expansibilidade é a quantidade de óxido de cálcio livre presente nas amostras. Os resultados de fluorescência de Raio-X apresentados mostram

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n.5, p.23335-23352 may. 2020. ISSN 2525-8761 apenas a quantidade de óxido de cálcio (43,4% para Escória LD e 24,7% para a escória FEA), não especificando qual porcentagem dessa parcela se encontra no estado livre. Segundo Machado (2000, apud SOUSA, 2007), o teor elevado de óxido de cálcio livre, aliado a presença de óxido de magnésio são os principais responsáveis pela expansão das escórias de aciaria, sendo o óxido de magnésio o responsável pela expansão tardia. No ensaio de expansão da Escória LD, duas das três amostras apresentaram valores acima do limite de norma, que é de 3%, lembrando que a amostra com 6,71% de expansão não passou por processo de cura, a amostra com 3,16% passou por dois meses de cura, e a amostra com 1,89% passou por cinco meses de cura, sendo possível concluir que com o processo da cura é possível reduzir a expansão da escória a níveis aceitáveis. Já para a escória de arco elétrico, foi encontrada uma expansão negativa, ou seja, uma retração. Isto pode ser explicado pela granulometria da amostra e a submersão dos corpos de prova, que aliado à atuação da sobrecarga, acabam rearranjando os grãos, causando assim uma leitura negativa da expansão. Com tal resultado pode-se concluir que escória de arco elétrico possui expansão nula ou próxima de zero.

No quesito ambiental, os resíduos estudados podem ser utilizados como materiais de construção, segundo o ensaio de classificação da NBR 10004, que os colocou como resíduos não perigosos – inertes. A NBR 10004 (ABNT, 2004) não possui como objetivo permitir ou não a utilização de resíduos sólidos, mas sim classifica-los, de modo a ajudar a administrar esses materiais. O uso desses materiais deve ser baseado em fatores ambientais, tecnológicos e econômicos, sendo a classificação importante para gerenciar o manuseio, transporte e armazenamento.

Na questão da condutividade elétrica, as escórias estudadas obtiveram um valor de resistividade muito abaixo do recomendado pela norma americana, que é de 300 Ωm. A cal livre quando hidratada forma o hidróxido de cálcio (Ca(OH)2), que proporciona um aumento da condutividade do meio, pois forma uma película na superfície dos fragmentos da escória, que acaba definindo um caminho preferencial para o fluxo elétrico. Os resultados do ensaio de resistividade realizado mostram, na verdade, a resistividade do meio aquoso no qual foi realizado o ensaio, logo, a baixa resistividade é justificada pela presença das moléculas de Ca(OH)2. Sendo assim, se as medições fossem realizadas após lavagem do material o valor de resistividade seria maior.

Um fator que pode ser considerado relevante para a análise da resistividade é a reação de cura da escória, como mostrado por SOUSA (2007, p.104), “O Ca(OH)2 formado reage com o CO2 atmosférico e, por meio da reação de carbonatação, produz CaCO3, forma estável

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n.5, p.23335-23352 may. 2020. ISSN 2525-8761 que, ao se consolidar, fixa-se aos fragmentos da escória, resultando em uma diminuição da condutividade”. Dessa forma, ao realizar um processo de cura na escória é possível estabilizar o meio e reduzir a condutividade do material.

5 CONCLUSÃO

A norma vigente para lastro ferroviário, a NBR 5564 (ABNT, 2011), não foi pensada para materiais alternativos. Logo é normal que estes materiais não atendam a alguns parâmetros presentes na norma, o que não significa que o material seja impróprio para a utilização como lastro ferroviário.

Os ensaios de expansão, mostrataram que o material sem tratamento não se enquadra nos valores limites para uso como lastro, mas com a realização do processo de cura o valor de expansão cai drasticamente, atendendo a norma.

No ensaio de condutividade percebeu-se que a baixa resistividade era originada da concentração de hidróxido de cálcio na solução, esse problema pode ser contornado com a lavagem do material, ou com o próprio processo de cura. Ao realizar um processo de cura na escória é possível estabilizar o meio e reduzir a condutividade do material.

Os resultados dos ensaios das rochas ornametais no geral mostraram a não viabilidade do uso desses materiais como lastro. No caso das escórias, alguns ensaios não apresentaram bons resultados, recomenda-se fazer todo o estudo com o material tratado e reformulando alguns dos ensaios, de forma a se obter a classificação definitiva do material.

AGRADECIMENTOS

Agradecemos aos nossos pais, pelo apoio e por todo incentivo dado para alcançarmos nossos objetivos, e a Deus por todas as oportunidades colocadas em nossos caminhos e saúde e sabedoria para atingir nossas metas. Agradecemos ao nosso orientador, professor Patrício José Moreira Pires, que nos encaminhou nessa jornada, nos auxiliando nos problemas e colaborando com a concretização desse trabalho. Aos técnicos do Laboratório de Solos e do LEMAC, obrigada por toda assistência. Por fim, agradecemos a ArcelorMittal, pelo material e dados fornecidos e por disponibilizarem seus laboratórios para realização de ensaios.

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