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Lucianna Szeliga
Estudo Experimental de um Solo Arenoso Estabilizado com Cinzas de Resíduo Sólido Urbano e Cal
Dissertação de Mestrado
Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio.
Orientadora: Michéle Dal Toé Casagrande
Rio de Janeiro Abril de 2014
Lucianna Szeliga
Estudo Experimental de um Solo Arenoso Estabilizado com Cinzas de Resíduo Sólido Urbano 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 da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada.
Profa. Michéle Dal Toé Casagrande Orientadora
Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio
Prof. Euripedes do Amaral Vargas Jr. Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio
Prof. Silvrano Adonias Dantas Neto Universidade Federal do Ceará
Prof. José Eugenio Leal Coordenador Setorial do Centro
Técnico Científico – PUC-Rio
Rio de Janeiro, 04 de Abril de 2014
Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou
parcial do trabalho sem autorização da universidade, do autor
e da orientadora.
Lucianna Szeliga
Graduou-se em Engenharia Ambiental pela Pontifícia
Universidade Católica do Rio de Janeiro em 2011. Ingressou
no mestrado na Pontifícia Universidade Católica do Rio de
Janeiro em 2012, desenvolvendo Dissertação na linha de
pesquisa de Geotecnia Experimental aplicada a solos
estabilizados.
Ficha Catalográfica
Szeliga, Lucianna
Estudo experimental de um solo arenoso estabilizado com cinzas de resíduo sólido urbano e cal / Lucianna Szeliga; orientadora: Michéle Dal Toé Casagrande. – 2014 160 f. : il. (color.) ; 30 cm
Dissertação (Mestrado) – Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Civil, 2014.
Inclui bibliografia 1. Engenharia civil – Teses. 2. Ensaios triaxiais. 3.
Resíduo sólido urbano (RSU). 4. Estabilização de solos. 5.
Cinza volante. 6. Cinza de fundo. I. Casagrande, Michéle Dal
Toé II. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Civil. III. Título.
CDD : 624
Dedico esta Dissertação aos meus pais
Edison e Iza, às minhas irmãs,
Aline e Marina, e à minha sobrinha Clara.
Agradecimentos
A Deus, por tudo.
Aos meus pais, Edison e Iza, que dedicam suas vidas a mim e às minhas irmãs, nos
dando tudo e um pouco mais. As minhas irmãs Aline e Marina, pelo
companheirismo, amizade e amor. A minha sobrinha Clara, que ainda está em seus
primeiros anos de vida, e faz tudo parecer mágico e possível com um sorriso de
criança.
A Daniel, por vivir conmigo parte de esta jornada, haciéndose presente apesar de la
distancia. Por ser más que mi novio, mi amigo y motivador. Gracias por tu amor y
cariño, por estar siempre a mi lado, por las interminables conversaciones vía
whatsapp y por darme fuerza en todos los momentos. Te amo.
A todos os meus amigos, por compreenderem os momentos de ausência. E em
especial as minhas amigas-irmãs Ana Clara e Maiza, por sempre me darem força,
acreditarem em mim e estarem sempre ao meu lado quando preciso. Obrigada por
suas amizades.
A todos meus amigos que fizeram parte dessa jornada comigo... Sofrendo
(bastante!) e se divertindo também! Um agradecimento especial à Amanda,
Nathalia, Rhaissa, Sandra, Giobana, Julia e Ivânia (As mulheres estão dominando
a Engenharia!).
A professora Michéle Casagrande, pela orientação do meu trabalho, por todo o
conhecimento transmitido e por me dar força para chegar até aqui, principalmente
nas muitas vezes que me perguntei “o que é que eu tô fazendo aqui?”. Obrigada por
estar sempre disposta a me atender e tirar dúvidas mesmo através de fotos e
mensagens por whatsapp (viva à tecnologia nesses momentos!). Obrigada por me
acompanhar nessa longa jornada, que se iniciou ainda na minha graduação, por
sempre acreditar em mim, e por ser mais que professora, uma grande amiga! Parte
dessa conquista é dedicada a você!
Aos professores da Engenharia Civil da PUC-Rio pelas aulas ditadas e os
conhecimentos transmitidos durante estes dois anos de mestrado.
Aos funcionários do Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio, Josué
e Amaury, pelos auxílios e disponibilidade na realização dos ensaios, e momentos
de descontração no laboratório.
A Usina Verde S.A., pelo fornecimento das cinzas utilizadas neste estudo.
Ao CNPq, pelo apoio financeiro prestado para a realização deste trabalho.
Resumo
Szeliga, Lucianna; Casagrande, Michéle Dal Toé. Estudo Experimental de
um Solo Arenoso Estabilizado com Cinzas de Resíduo Sólido Urbano e
Cal. Rio de Janeiro, 2013. 160 p. Dissertação de Mestrado. Departamento
de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
Este estudo apresenta o comportamento de um solo arenoso estabilizado com
cinzas obtidas através da incineração de Resíduo Sólido Urbano (RSU) e cal.
Através de um estudo experimental, objetiva-se avaliar a aplicabilidade de misturas
solo-cinza e solo-cinza volante-cal em obras geotécnicas como, por exemplo,
camadas de aterros sanitários, aterros sobre solos moles e estabilização de taludes.
Para isso, foram realizados ensaios de caracterização física, química e mecânica
(ensaios triaxiais CID) para os materiais envolvidos. Para as misturas solo-cinza
volante-cal, adicionou-se 3% de cal em substituição ao peso seco das cinzas. Foram
avaliadas as influências do teor de cinza (30 e 40%) e tipo de cinza (volante - CV e
fundo - CF), bem como o tempo de cura (0, 60 e 90 dias) para misturas com cinza
volante e cal. Os resultados mostram que tanto as misturas com CV, como CF,
apresentam resultados satisfatórios. Para ambas as cinzas, as porcentagens de 30 e
40% apresentaram resultados similares, podendo-se adotar o valor de 40% como
teor ótimo, uma vez que proporciona a utilização de uma maior quantidade de
resíduo. Comparando-se as cinzas, a CF apresentou resultados mais satisfatórios
que a CV. Para as misturas com cura, observou-se que no tempo de 60 dias o
material sofreu um maior ganho de resistência. Foram utilizados dois métodos de
moldagem de corpo de prova para o ensaio com cura, obtendo-se melhor resultado
para o método onde a cura era realizada em um corpo de prova pré-
moldado. Portanto o uso das cinzas de RSU em mistura com este tipo de solo se
mostra satisfatório, uma vez que apresentou um bom comportamento, contribui
com o menor consumo de material natural e proporciona uma destinação
ambientalmente correta deste resíduo.
Palavras-chave
Ensaios triaxiais; resíduo sólido urbano (RSU); estabilização de solos; cinza
volante; cinza de fundo.
Abstract
Szeliga, Lucianna; Casagrande, Michéle Dal Toé (Advisor). Experimental
Study of Sandy Soil Stabilized with Municipal Solid Waste Ashes and Lime. Rio de Janeiro, 2014. 160 p. MSc. Dissertation – Departamento de Engenharia
Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
This study presents the behavior of a sandy soil stabilized with municipal
solid waste ash, and lime. In order to evaluate the applicability of mixtures soil-ash
and soil-fly ash-lime for using in geotechnical projects as layers of landfills,
embankment on soft soils and slope stability, an experimental campaign is
presented. Thus, physical, chemical and mechanical (isotropically consolidated-
drained triaxial test) characterization tests were performed for each material and
mixtures. It was used 3% of lime in the mixtures soil- fly ash-lime, being added in
replacement to the dry weight of fly ash. Were evaluated the influence of ash
content (30 and 40%), type of ash (fly ash and bottom ash) and curing time (0, 60
and 90 days) for mixtures containing fly ash and lime. The results have shown that
mixtures with both kinds of ashes present a satisfactory behavior, increasing or
maintaining the shear strength parameters similar to the pure material. For both
kinds of ashes the variation of the content has not provided significant changes in
the strength parameters, therefore, 40% can be considered as best content, once it
provides a bigger destination of the residue. Comparing fly and bottom ash, the last
has presented better results than fly ash. For mixtures with lime and cure, it has
been observed better results for 60 days of cure, with greater gain of strength. Two
molding methods have been used for preparing the mixture specimen, being
obtained a better result with pre modeled specimen. Therefore, the use of municipal
solid waste ash for stabilizing this kind of soil for using in the cited works, could
minimize the current problems of waste disposal, contribute with the reduction of
consumption of natural resources and give a noble use for this material.
Keywords
Triaxial tests; municipal solid waste (MSW); soil stabilization; fly ash;
bottom ash.
Sumário
1. INTRODUÇÃO 22
1.1 RELEVÂNCIA DA PESQUISA 22
1.2 OBJETIVOS 23
1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO 24
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 26
2.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS 26
2.1.1 Panorama dos Resíduos Soólidos no Brasil. 27
2.2 RESÍDUOS SÓLIDOS 30
2.2.1 Classificação de Resíduos 31
2.2.2 RSU na cidade do Rio de Janeiro 32
2.3 RESÍDUO SÓLIDO URBANO E SEU IMPACTO AO MEIO
AMBIENTE E À SAÚDE HUMANA. 33
2.3.1. Impactos Ambientais 34
2.3.2. Impactos à Saúde Humana 35
2.4 INCINERAÇÃO DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS 36
2.4.1 Cinzas de RSU 37
2.5 ESTABILIZAÇÃO DE SOLOS 40
2.5.1 Estabilização Mecânica 41
2.5.2 Estabilização Física 42
2.5.3 Estabilização Química 43
2.5.3.1 Solo-Cimento 44
2.5.3.2 Solo-Cal 47
2.5.3.3 Solo-Cinza-Cal 52
2.5.3.4 Solo-Cinza de Carvão 57
2.6 APROVEITAMENTO DAS CINZAS DE RSU 59
2.7 CONSIDERAÇÕES FINAIS 68
3. PROGRAMA EXPERIMENTAL 70
3.1 MATERIAIS UTILIZADOS 70
3.1.1 Solo Arenoso 71
3.1.2 Cinza Volante e Cinza de Fundo 72
3.1.2.1 A Produção de Cinzas de RSU 73
3.1.2.2 Processo de Incineração 74
3.1.3 Cal 75
3.1.4 Água 76
3.1.5 Misturas Solo-Cinza 76
3.1.6 Misturas Solo-Cinza-Cal 77
3.2 MÉTODOS E PROCEDIMENTOS DE ENSAIO 78
3.2.1 Ensaios de Caracterização Física 79
3.2.1.1. Densidade Real dos Grãos 80
3.2.1.2 Análise Granulométrica 80
3.2.1.3 Índice de Vazios Máximos e Mínimos 81
3.2.2. Ensaios de Caracterização Química 82
3.1.2.2 Composição Química 82
3.2.3 Ensaio de Caracterização Mecânica 83
3.2.3.1 Resistência ao Cisalhamento 83
3.2.3.2 Ensaio de Compressão Triaxial 84
3.2.3.3 Ensaios Triaxiais CID 86
4. RESULTADOS E ANÁLISES 96
4.1 ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO FÍSICA 96
4.1.1 Solo Arenoso Puro 96
4.1.1.1. Índices Físicos 96
4.1.1.2 Análise Granulométrica 97
4.1.2 Cinzas de RSU e Misturas em Estudo 97
4.1.2.1 Densidade Real dos Grãos (Gs) 97
4.1.2.2 Análise Granulométrica 98
4.1.2.3 Ensaios Químicos 102
Composição Química 102
Teor de Matéria Orgânica 105
Ensaios de Lixiviação e Solubilização 105
4.2 ENSAIO DE CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA 109
4.2.1 Ensaios Triaxiais CID 109
4.2.1.1 Comportamento Tensão Desviadora e Variação
volumétrica versus Deformação Axial. 110
4.2.1.2 Influência do tipo de cinza 119
4.2.1.3 Influência do teor de cinza 127
4.2.1.4 Influência do tempo de cura para as misturas com
cal 135
4.2.1.5 Influência do método de moldagem do corpo de prova
para o ensaio com cura 139
4.2.1.6 Comparação geral dos resultados 143
4.3 COMPARAÇÃO ENTRE SOLO ARENOSO E ARGILOSO EM
MISTURA COM CINZAS VOLANTE E DE FUNDO DE RSU E
CAL 145
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS 148
5.1 CONCLUSÕES 148
5.2 SUGESTÕES PARA PESQUISAS FUTURAS 151
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 153
Lista de Figuras
Figura 2.1 - Participação das regiões do país no total de RSU coletado
em 2012 (ABRELPE, 2012). 28
Figura 2.2 - Destinação final de RSU em toneladas por dia (ABRELPE,
2012). 29
Figura 2.3 – Frações granulares da cinza de fundo de RSU utilizada
na presente pesquisa. 39
Figura 2.4 – Efeito do tempo de cura sobre a resistência à compressão
simples para alguns solos estabilizados com cal (Ingles & Metcalf,
1972 apud Rosa, 2009). 51
Figura 2.5 – Efeito do teor de cal sobre a resistência a compressão
simples para alguns solos tratados com cal e curados por 7 dias
(Fonte: Ingles & Metcalf, 1972 apud Quispe, 2013). 52
Figura 2.6 – Fatores que influenciam nas propriedades dos materiais
estabilizados pozolânicamente (Nardi, 1975). 55
Figura 3.1 – Solo arenoso em estudo. 71
Figura 3.2 – Local de coleta do material na praia da Barra da Tijuca -
RJ. 72
Figura 3.3 – Cinza Volante de RSU. 73
Figura 3.4 – Cinza de Fundo de RSU. 73
Figura 3.5 – Diferentes critérios para definição de ruptura (Head, 1986
apud Dias, 2007). 84
Figura 3.6 – Seção de uma câmara triaxial (Bishop e Bjerrum, 1960
apud Das, 2007). 85
Figura 3.7 – (a) Medidor de Variação de Volume; (b) Painel de controle
das pressões; (c) Câmara de acrílico; (d) Corpo de prova; (e)
Transdutor de Pressão; (f) LVDT; (g) Conjunto de engrenagens
para aplicação da velocidade de cisalhamento. 87
Figura 3.8 – Molde tripartido. 88
Figura 3.9 – Material presente na cinza de fundo descartado antes do
ensaio triaxial. 88
Figura 3.10 – Processo de moldagem do corpo de prova para ensaio
triaxial. 89
Figura 3.11 – Processo de moldagem do corpo de prova para ensaio
com cura (Método 2). 91
Figura 3.12 – Transferência do corpo de prova do molde para o
equipamento triaxial no método com cura. 92
Figura 4.1 – Curva granulométrica do solo arenoso puro. 97
Figura 4.2 – Curvas granulométricas dos materiais puros. 99
Figura 4.3 – Curvas granulométricas do solo, cinza volante e misturas
do solo com 30% e 40% de cinza volante. 99
Figura 4.4 – Curvas granulométricas do solo, cinza de fundo e
misturas do solo com 30% e 40% de cinza de fundo. 100
Figura 4.5 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica
versus deformação axial para o solo arenoso em ensaios
triaxiais. 110
Figura 4.6 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica
versus deformação axial para a mistura CV30A70 em ensaios
triaxiais. 111
Figura 4.7 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica
versus deformação axial para a mistura CV40A60 em ensaios
triaxiais. 112
Figura 4.8 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica
versus deformação axial para a mistura CF30A70 em ensaios
triaxiais. 113
Figura 4.9 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica
versus deformação axial para a mistura CF40A60 em ensaios
triaxiais. 114
Figura 4.10 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica
versus deformação axial para a mistura CV27Cal3A70_T0 em
ensaios triaxiais. 115
Figura 4.11 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica
versus deformação axial para a mistura CV27Cal3A70_T60 em
ensaios triaxiais. 116
Figura 4.12 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica
versus deformação axial para a mistura CV27Cal3A70_T90 em
ensaios triaxiais. 117
Figura 4.13 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica
versus deformação axial para a mistura CV27Cal3A70_T60_PM em
ensaios triaxiais. 118
Figura 4.14 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica
versus deformação axial das amostras A100 e misturas CF30A70 e
CV30A70 em ensaios triaxiais. 121
Figura 4.15 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica
versus deformação axial das amostras A100 e misturas CF40A60 e
CV40A60 em ensaios triaxiais. 123
Figura 4.16 – Comparação entre as envoltórias de resistência do Solo
Puro (A100) e misturas CV30A70 e CF30A70. 125
Figura 4.17 – Comparação entre as envoltórias de resistência do Solo
Puro (A100) e misturas CV40A60 e CF40A60. 126
Figura 4.18 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica
versus deformação axial das amostras A100 e misturas CV30A70 e
CV40A60 em ensaios triaxiais. 129
Figura 4.19 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica
versus deformação axial das amostras A100 e misturas CF30A70 e
CF40A60 em ensaios triaxiais. 132
Figura 4.20 – Comparação entre as envoltórias de resistência do Solo
Puro (A100) e misturas CV30A70 e CV40A60. 133
Figura 4.21 – Comparação entre as envoltórias de resistência do Solo
Puro (A100) e misturas CF30A70 e CF40A60. 134
Figura 4.22 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica
versus deformação axial das amostras A100 e mistura CV27Cal3A70
nos tempos de cura de 0, 60 e 90 dias, em ensaios triaxiais. 137
Figura 4.23 – Comparação entre as envoltórias de resistência do Solo
Puro (A100) e misturas CV27Cal3A70 com tempos de cura de 0, 60
e 90 dias. 138
Figura 4.24 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica
versus deformação axial das amostras A100 e misturas
CV27Cal3A70_T60 e CV27Cal3A70_T60_PM, em ensaios triaxiais. 141
Figura 4.25 – Comparação entre as envoltórias de resistência do Solo
Puro (A100) e misturas CV27Cal3A70_T60 e CV27Cal3A70_T60_PM.
142
Lista de Tabelas
Tabela 2.1 - Previsão da quantidade de cal em função dos diferentes
tipos de solo (Fonte: Ingles & Metcalf, 1972 apud Sandroni &
Consoli, 2010). 50
Tabela 2.2 - Uso potencial da cinza volante de RSU. (Ferreira et al,
2003) . 60
Tabela 3.1 - Exigências Físicas e Químicas da Cal (Fonte: Sandroni
& Consoli, 2010). 76
Tabela 3.2 - Símbolos utilizados para os solos e misturas. 78
Tabela 4.1 - Índices físicos do solo arenoso. 96
Tabela 4.2 - Resultados do ensaio de densidade real dos grãos para
o solo, cinza volante e misturas. 98
Tabela 4.3 - Resultados do ensaio de densidade real dos grãos para
o solo, cinza de fundo e misturas. 98
Tabela 4.4 - Resultados das análises granulométricas. 101
Tabela 4.5 - Classificação SUCS dos materiais. 101
Tabela 4.6 - Elementos químicos presentes nas cinza volante e de
fundo e mistura com cal. 102
Tabela 4.7 - Composição química da cinza volante de RSU estudada
e comparação com outros estudos. 103
Tabela 4.8 - Composição química da cinza de fundo de RSU estudada
e comparação com outros estudos. 104
Tabela 4.9 - Teor de matéria orgânica da cinza de fundo e volante
(Vizcarra, 2010). 105
Tabela 4.10 - Resultados analíticos: Lixiviado – Parâmetros
Inorgânicos (Vizcarra, 2010). 106
Tabela 4.11 - Resultados analíticos: Lixiviado – Parâmetros Orgânicos
(Vizcarra, 2010). 106
Tabela 4.12 - Resultados analíticos: Solubilizado – Parâmetros
Inorgânicos (Vizcarra, 2010). 107
Tabela 4.13 - Resultados analíticos: Solubilizado – Parâmetros
Orgânicos (Vizcarra, 2010). 108
Tabela 4.14 – Variação dos valores de massa específica seca das
misturas estudadas. 119
Tabela 4.15 - Resumo dos valores de coesão e ângulo de atrito para
o solo puro e misturas solo-cinza e solo-cinza-cal estudadas no
presente trabalho. 143
Tabela 4.16 - Comparação entre a influência da inserção de cinzas
volante e de fundo de RSU nos parâmetros de resistência de um
solo argiloso e arenoso. 145
Lista de Abreviaturas
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
ABRELPE Associação Brasileira de Empresas de
Limpeza Pública e Resíduos Especiais
CD Adensado e drenado
CF Cinza de Fundo
CID Consolidado Isotropicamente Drenado
COMLURB Companhia Municipal de Limpeza Urbana
CU Adensado e não drenado
CV Cinza Volante
EDX Espectrometría de fluorescência de Raios-
X
LVDT Linear Variable Differential Transformer
ML Silte com areia
MMA Ministério do Meio Ambiente
MVV Medidores de Variação Volumétrica
NBR Norma Brasileira
PUC Pontifícia Universidade Católica
SP Areia mal graduada
SM Areia mal graduada
SUCS
Sistema Unificado de Classificação dos
Solos
UU Não adensado e não drenado
Lista de Símbolos
Gs Peso específico
e Índice de vazios
emáximo Índice de vazios máximo
emínimo Índice de vazios mínimo
Cu Coeficiente de uniformidade
Cc Coeficiente de curvatura
D10 Diâmetro efetivo
D50 Diâmetro médio
tf Tempo mínimo de ruptura
L Altura do corpo de prova
ν Velocidade de cisalhamento
‘ Relativo a tensões efetivas
” Polegadas
# Número
ɛa Deformação axial
ɛv Deformação volumétrica
Tensão de cisalhamento
Tensões principais, maior e menor
σ’c Tensão de confinamento efetiva
σ v Tensão desviadora
ф’ Ângulo de atrito
c’ Coesão
p’ (σ’1 + σ’3)/2 (Tensão efetiva média normal)
q (σ’1 – σ’3) /2 (Tensão de Desvio)
h Altura final do corpo de prova.
hi Altura inicial do corpo de prova.
% Porcentagem
ml Mililitro
mm Milímetro
cm Centímetros
m Metro
t Tonelada
t/ano Tonelada por ano
mm/min Milímetro por minuto
min Minuto
Gs Grama
g/cm³ Grama por centímetro cúbico
kg Quilograma
kg/m³ Quilograma por metro cúbico
kgf/m² Quilograma força por metro quadrado
kN Quilo Newton
kPa Quilo Pascal
°C Graus centígrados
H2O Água
SiO2 Sílica
Al2O3 Alumina
Fe2O3 Hematita
SO3 Anidro Sulfúrico
CaO Óxido de Cálcio
Cl Cloro
TiO2 Dióxido de Titânio
K2O Óxido de Potássio
P2O5 Pentóxido de Fósforo
ZnO Óxido de Zinco
Cr2O3 Óxido de Crômio (III)
MnO Óxido de Manganês (II)
SrO Óxido de Estrôncio
ZrO2 Óxido de Zircônio
CuO Óxido de Cobre (II)
PbO Óxido de Chumbo (II)
MgO Óxido de Magnésio
Na2O Óxido de Sódio
V2O5 Pentóxido de Vanádio
KI Iodeto de Potássio
KCl Cloreto de Potássio
H2SO4 Ácido sulfúrico
NaOH Hidróxido de sódio
CO2 Dióxido de Carbono
pH Medida da acidez ou basicidade
Só existem dois dias no ano em que nada pode ser feito.
Um se chama ontem e o outro se chama amanhã, portanto
hoje é o dia certo para amar, acreditar, fazer e
principalmente viver.”
Dalai Lama
22
1. INTRODUÇÃO
1.1 RELEVÂNCIA DA PESQUISA
A gestão e disposição final de Resíduos Sólidos Urbanos (RSU) representa
um grande problema da sociedade atual em todo o mundo. Estima-se que a
população mundial, com mais de 6,6 bilhões de habitantes, esteja gerando entre 2
e 3 bilhões de toneladas de lixo por ano (IPT/CEMPRE, 2010). A destinação
comumente adotada para todo este material, principalmente em países em
desenvolvimento, é a disposição do mesmo em aterros ou lixões. Porém, questões
como escassez ou inexistência de área para a disposição final do lixo, juntamente
com conflitos de uso de solo e operação inadequada de aterros e lixões, causando
poluição do solo e recursos hídricos, se apresentam como uma grande
problemática a ser solucionada. Diante disto, além da prática de reuso e
reciclagem de material, outras alternativas vem sendo propostas e adotadas a fim
de se dar uma destinação ambientalmente correta a todo este resíduo.
Na presente pesquisa apresenta-se a prática que consiste na incineração de
resíduos sólidos urbanos em usinas geradoras de energia elétrica. Como produto
desta atividade, tem-se a redução de volume e tratamento térmico do lixo, porém
também há geração de um subproduto, que são as cinzas volantes e de fundo de
RSU. A presente pesquisa visa propor uma solução para a destinação final dessas
cinzas de RSU, que atualmente ainda são dispostas em aterros sanitários.
A técnica de inserção de materiais alternativos em obras geotécnicas
auxilia na diminuição dos custos das obras, uso de recursos naturais e ainda
incentiva o investimento neste tipo de infraestrutura, podendo assim atender
também parcelas da sociedade que são menos favorecidas. O fato de o solo natural
ser um material complexo e variável, muitas vezes não preenchendo total ou
parcialmente as exigências de um projeto geotécnico, faz com que haja uma
procura por alternativas, sendo uma delas a adequação e modificação do material
23
natural através da melhoria de suas propriedades com a inserção de outros
materiais. Dessa forma, cria-se um novo material com características de
resistência e deformabilidade próprias, que pode ser adequado a tais obras.
Para que sejam concebidos novos materiais, é relevante que se conheçam
as propriedades mecânicas, físicas e químicas de seus materiais constituintes, bem
como das misturas realizadas. O conhecimento do mecanismo de estabilização se
faz importante, uma vez que auxilia no entendimento da resposta da mistura e seu
comportamento mecânico. Tanto as cinzas volantes como as cinzas de fundo de
RSU, podem funcionar como agentes estabilizantes de solos, podendo ser
aplicados em obras geotécnicas, como por exemplo, camadas de aterros sanitários,
aterros sobre solos moles, e estabilização de taludes.
Dentro deste contexto, o presente trabalho busca contribuir para uma
melhor interpretação e compreensão do comportamento de um tipo de solo
arenoso em misturas com as cinzas de RSU, podendo potencializar sua utilização,
e assim dar um fim mais nobre e ambientalmente correto ao material.
1.2 OBJETIVOS
O objetivo principal desta pesquisa consiste em se avaliar o potencial de
utilização das cinzas de RSU, provenientes da Usina Verde S.A, como agente
estabilizante em um solo arenoso, para possíveis aplicações geotécnicas.
Pretende-se alcançar este objetivo através da análise do comportamento
físico, químico e mecânico do solo puro e misturas com duas porcentagens de
cinza de fundo e volante (30% e 40%), a fim de se obter a melhoria dos
parâmetros de resistência dos materiais. Também se pretende estudar misturas
solo arenoso-cinza volante-cal para diversos tempos de cura (0, 60 e 90 dias).
Sabe-se que em geral, solos arenosos sem fração fina, como o caso do material
estudado, não aumentam consideravelmente sua resistência somente com a adição
de cal. Dessa forma, para a estabilização desses solos, a adição da cinza volante
juntamente com a cal, é uma opção para se viabilizar a ocorrência de reações
pozolânicas também neste tipo de solo.
De acordo com o objetivo principal descrito, foram estabelecidos os
24
seguintes objetivos específicos:
Realizar ensaios de caracterização física e química do solo, das cinzas
de RSU e misturas solo-cinza, através de ensaios laboratoriais
normatizados;
Avaliar o comportamento mecânico do solo puro e em mistura com
diversos teores de cinza volante e de fundo, e em mistura com cinza
volante e cal, através de ensaios triaxiais consolidados
isotropicamente drenados (CID), a fim de se obter os parâmetros de
resistência ao cisalhamento dos materiais;
Analisar a influência do tipo e teores de cinzas adicionadas ao solo,
bem como a influência da adição de cal e tempo de cura nas misturas
areia-cinza volante-cal;
Através dos resultados obtidos, concluir se há viabilidade técnica e
ambiental das misturas estudadas, de forma que possam ser
efetivamente utilizadas em tais obras.
1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
O presente trabalho está dividido em cinco capítulos, de acordo com as
etapas realizadas, iniciando-se com este capítulo introdutório (Capítulo 1),
seguido do Capítulo 2 onde é apresentada uma revisão bibliográfica dos principais
tópicos apresentados no trabalho e de parte da literatura existente sobre cinzas de
RSU, os impactos causados pelo RSU, os estudos e aproveitamento das cinzas de
RSU em projetos geotécnicos e como agentes estabilizantes de solos.
No Capítulo 3, apresenta-se o programa experimental adotado na presente
pesquisa, detalhando-se os materiais, métodos utilizados e ensaios realizados, de
acordo com as normas vigentes.
No Capítulo 4 são apresentados os resultados obtidos através dos ensaios
de caracterização física, química e mecânica, realizados para o solo puro e cinzas
25
volante e de fundo de RSU estudados, analisando-se e comparando-se o
comportamento de todos os materiais e misturas envolvidas na pesquisa.
Por fim, no Capítulo 5, são apresentadas as considerações finais baseadas
na discussão dos resultados e recomendações para continuidade da pesquisa.
Ao final de todo o trabalho apresentam-se as referências bibliográficas
adotadas para realização desta pesquisa.
26
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS
A utilização de resíduos para aplicação em diversos setores construtivos
vem sendo objeto de estudo em todo o mundo, tornando-se uma potencial solução
para a destinação de materiais que antigamente não tinham nenhuma utilidade e
que na maioria das vezes são dispostos incorretamente no meio ambiente.
Dentre os resíduos gerados atualmente em grande escala, se encontram as
cinzas provenientes da queima de diversos materiais, como o carvão mineral em
usinas termelétricas, cinzas de resíduos sólidos urbanos em usinas incineradoras,
cinzas da queima de casca de arroz, de bagaço de cana de açúcar, dentre outras.
Segundo Mallmann (1996), passou-se a existir uma maior preocupação com
o estudo dos efeitos das cinzas sobre o meio ambiente, devido ao seu elevado grau
de toxicidade, a partir da crescente produção destes resíduos nos países que
utilizam a queima de carvão como energia. Diversos estudos como os
apresentados nos trabalhos de Nardi, 1975; Ceratti, 1979; Da Silva, 1982; Zonok
& Chies, 1989; Mallmann, 1996; Fogaça & Ceratti, 1995; Carraro, 1997; Rosa,
2009; Vizcarra, 2010; e Lopes (2011), buscam compreender a influência da cinza
volante como agente estabilizante de solos, destacando, principalmente, o
emprego dos materiais estabilizados em aplicações como bases para pavimentos
ou na produção de blocos destinados à utilização em construção civil.
Nardi (1975) apresenta um histórico detalhado do uso de cinzas e da cal
desde civilizações antigas. Segundo o autor, os chineses usaram a cal e argila para
construir a Grande Muralha da China há aproximadamente 2.000 anos atrás. Os
romanos, séculos antes da era cristã, utilizaram às cinzas vulcânicas provenientes
do vulcão Versúvio, como aditivo às argamassas devido as suas características
pozolânicas (o termo pozolana vem da terra vulcânica de Pozzouli, cidade situada
no sopé do Versúvio).
27
Segundo Nuñes (2007 apud Rosa, 2009), na década de 60 já se utilizavam
as cinzas volantes estabilizadas com cal nos Estados Unidos, Inglaterra, França,
Alemanha, Polônia, antiga URSS, Tchecoslováquia e Iugoslávia. Na Europa o
emprego das cinzas estava relacionado à fabricação de blocos para construções.
No Brasil, o primeiro registro da utilização da cinza volante data em 1964, quando
esta foi incorporada ao concreto, na construção da hidrelétrica de Jupiá. Desde
então, o resíduo tem sido empregado pela indústria de cimento na constituição de
argamassas pozolânicas e obras de pavimentação, por exemplo.
Cinzas provenientes da incineração de resíduos sólidos urbanos também
vêm sendo estudadas para usos como agentes estabilizantes de solos para camadas
de corbetura de rejeitos (Lee et al, 1996 apud Rosa, 2009). O procedimento de
incineração tem sido realizado com o propósito de geração de energia, mas visa,
principalmente, reduzir o volume total de lixo disposto em aterros sanitários.
As pesquisas atualmente realizadas mostram que as cinzas de RSU tem se
constituído em alternativas tecnicamente viáveis para as aplicações citadas, uma
vez que suas características físicas e químicas são semelhantes às cinzas
provenientes da queima de carvão e outras.
2.1.1 Panorama dos Resíduos Sólidos no Brasil
Os resíduos sólidos urbanos (RSU), de acordo com a Lei Federal n°
12.305/10 que instituiu a Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS) – que
estabelece princípios e normas que devem ser adotadas e seguidas pelos
municípios para a destinação do lixo - englobam os resíduos domiciliares, isto é,
aqueles originários de atividades domésticas em residências urbanas e os resíduos
de limpeza urbana (varrição, limpeza de logradouro, vias públicas e outros
serviços de limpeza urbana). De acordo com esta lei, na gestão e gerenciamento
de resíduos sólidos, deve ser observada a seguinte prioridade: não geração,
redução, reutilização, reciclagem, tratamento dos resíduos sólidos e disposição
final ambientalmente adequada dos rejeitos. Esta lei aprova tecnologias que visam
a recuperação energética dos resíduos sólidos urbanos, desde que tenha sido
comprovada sua viabilidade técnica e ambiental, e implantados programas de
monitoramento de emissões de gases tóxicos.
28
De acordo com a Associação Brasileira das Empresas de Limpeza Pública e
Resíduos Especiais (ALBREPE, 2012), 58% do resíduo sólido urbano gerado no
país teve uma destinação final adequada, porém, a quantidade de RSU destinada
inadequadamente cresceu em relação ao ano anterior, totalizando 23,7 milhões de
toneladas (76 mil toneladas diárias) que seguiram para lixões ou aterros
controlados, que do pondo de vista ambiental pouco se diferenciam dos lixões,
pois não possuem um conjunto de sistemas necessários para a proteção do meio
ambiente e da saúde pública. Mesmo com uma legislação mais restritiva, a
destinação inadequada de RSU se faz presente em todas as regiões e estados
brasileiros, sendo um total de 60,2% de municípios que ainda fizeram uso de
locais impróprios para destinação final dos resíduos coletados em 2012. A Figura
2.1 apresenta a participação porcentual das diversas regiões brasileiras no total de
RSU coletado no país em 2012.
Figura 2.1 – Participação das regiões do país no total de RSU coletado em 2012. (ABRELPE,
2012)
A região Sudeste responde por mais de 50% do RSU coletado e apresenta o
maior porcentual de cobertura dos serviços de coleta do país. A pesquisa feita pela
ABRELPE (2012) mostra que só no estado do Rio de Janeiro, foram coletadas
aproximadamente 20.450 toneladas de RSU por dia (1,303 kg/hab/dia) no ano de
29
2012. No Brasil, o RSU total coletado em 2012 foi de aproximadamente 181.288
toneladas por dia, sendo o total gerado calculado em 201.058 toneladas por dia.
A Política Nacional dos Resíduos Sólidos também prevê o fim dos lixões
até 2014 em todos os municípios brasileiros, sendo estes acusados por crime
ambiental caso não cumpram as exigências. Com isso, novos planos de coleta
seletiva, usinas de reciclagem e disposição do lixo têm sido programados, e novas
soluções tem sido procuradas a fim de se estabelecer uma destinação
ambientalmente correta. A Figura 2.2 apresenta a destinação final dada ao RSU
por dia no país.
Figura 2.2 – Destinação final de RSU em toneladas por dia (ABRELPE, 2012).
Diante do panorama e histórico apresentados, observa-se o desafio
enfrentado para o cumprimento das leis vigentes, e a necessidade de alternativas,
que tem sido cada vez mais procuradas. A presente pesquisa apresenta um tipo de
tratamento dado ao RSU, que consiste em sua incineração, e uma alternativa para
a destinação final do produto desta atividade, que são as cinzas volantes e de
fundo de RSU, como agentes estabilizantes de solos para aplicação em obras
geotécnicas, como por exemplo, camadas de aterros sanitários, aterros sobre solos
moles, aterros temporários e estabilização de taludes.
30
2.2 RESÍDUOS SÓLIDOS
A classificação dos resíduos sólidos é o primeiro passo para se determinar
um plano de gestão eficiente. Através de sua classificação, podem-se definir as
etapas de coleta, armazenamento, transporte, manipulação e destinação final, de
acordo com o tipo de resíduo gerado.
No Brasil, as classificações e definições associadas aos resíduos sólidos são
dadas pela norma NBR 10004 (ABNT, 2004), que define resíduos sólidos como
“resíduos nos estados sólido e semi-sólido, que resultam de atividades de origem
industrial, doméstica, hospitalar, comercial, agrícola, de serviços e de varrição.
Ficam incluídos nesta definição os lodos provenientes de sistemas de tratamento
de água, aqueles gerados em equipamentos e instalações de controle de poluição,
bem como determinados líquidos cujas particularidades tornem inviável o seu
lançamento na rede pública de esgotos ou corpos de água, ou exijam para isso
soluções técnica e economicamente inviáveis em face à melhor tecnologia
disponível”.
Apesar da definição oficial de resíduos sólidos ser determinada por
normatização, alguns autores divergem desta, e diversificam este conceito.
Segundo Teixeira et al (1997 apud Faria, 2002), a definição estabelecida pela
norma brasileira é muito ampla e equivoca-se ao incluir líquidos como resíduos
sólidos.
De acordo com a Fundação Nacional da Saúde (2007), resíduos sólidos são
materiais heterogêneos, resultantes das atividades humanas e da natureza, os quais
podem ser parcialmente utilizados, trazendo proteção à saúde pública e economia
de recursos naturais. Para Monteiro et al (2001) resíduo sólido “é todo material
sólido ou semi-sólido indesejável e que necessita ser removido por ter sido
considerado inútil por quem o descarta em qualquer recipiente destinado a este
ato”.
Popularmente, refere-se ao resíduo sólido como lixo, e de acordo com o
IPT/CEMPRE (2010) “denomina-se lixo os restos das atividades humanas,
considerados pelos geradores como inúteis, indesejáveis ou descartáveis.
31
Normalmente, apresentam-se sob estado sólido, semi-sólido, ou semi-líquido
(com conteúdo líquido insuficiente para que possa fluir livremente)”.
2.2.1 Classificação de Resíduos
São diversas as formas possíveis de se classificar o resíduo sólido. De
acordo com Faria (2002), esta classificação varia de acordo com os tipos de
constituintes presentes na composição física do lixo.
Segundo a norma NBR 10004 (ABNT, 2004), a classificação se dá em três
categorias, que objetiva avaliar o risco do resíduo ao meio ambiente e à saúde
pública para que estes possam ser manuseados e dispostos adequadamente. Esta
classificação envolve a identificação do processo ou atividade que lhes deu
origem e de seus constituintes e características, comparando-os com listagens de
resíduos e substâncias cujo impacto à saúde e ao meio ambiente são conhecidos.
As classes previstas são:
a) Resíduo Classe I - Perigoso
São aqueles cujas propriedades físicas, químicas ou infecto-contagiosas podem
oferecer riscos à saúde pública, ocasionando um aumento da mortalidade ou
incidência de doenças irreversíveis ou impedir a reversibilidade das demais, e/ou
gerar perigo ao meio ambiente, quando o resíduo for gerenciado de forma
inadequada. Esta classe de resíduo deverá, portanto, sofrer tratamento ou
acondicionamento adequado no próprio local de produção nas condições
estabelecidas pelo órgão estadual de controle da poluição e preservação ambiental.
Para um resíduo ser enquadrado nessa classe, ele deve estar contido nos Anexos A
ou B da ABNT NBR 10004:2004 ou apresentar uma ou mais das seguintes
características: inflamabilidade, corrosividade, reatividade, toxicidade e
patogenicidade.
32
b) Resíduo Classe II – Não Perigoso
b.1) Classe II A: Resíduo não inerte
São aqueles que não se enquadram nas classificações de resíduo Classe I ou
resíduos Classe II B. Podem apresentar propriedades como biodegradabilidade,
combustibilidade ou solubilidade em água.
b.2) Classe II B: Resíduo inerte
Quaisquer resíduos que não tiverem nenhum de seus constituintes solubilizados a
concentrações superiores aos padrões de potabilidade da água excetuando-se
aspecto, cor, turbidez, dureza e sabor, conforme Anexo G da referida norma. Para
tal análise, os resíduos devem ser amostrados de forma representativa, segundo a
NBR 10007 (ABNT, 2004), e submetidos a um contato dinâmico e estático com
água destilada ou deionizada, à temperatura ambiente, conforme a ABNT NBR
10006:2004.
De acordo com o IPT/CEMPRE (2010), o lixo pode ser classificado por sua
natureza física (seco ou molhado), por sua composição química (matéria orgânica
ou inorgânica), quanto à origem (domiciliar, comercial, varrição e feiras livres,
serviços de saúde e hospitalar, portos, aeroportos, terminais rodoviários e
ferroviários, industriais, agrícolas e entulhos), e pelos riscos potenciais ao meio
ambiente (perigosos, inertes e não-inertes).
De maneira geral, o resíduo sólido urbano (RSU), está inserido na
classificação que utiliza a origem ou fonte geradora como critério.
2.2.2 RSU na cidade do Rio de Janeiro
Devido à variedade de critérios estabelecidos e adotados para classificação
do resíduo sólido urbano, torna-se difícil ter apenas um conceito para este, pois
sua composição varia em função do serviço de coleta realizado em cada região.
Para a cidade do Rio de Janeiro, a Lei n° 3273/2001 que dispõe sobre a
Gestão do Sistema de Limpeza Urbana no Município do Rio de Janeiro, divide os
33
resíduos sólidos em dois grupos: Resíduos Sólidos Urbanos (RSU) e Resíduos
Sólidos Especiais (RSE).
De acordo com a lei citada, os resíduos sólidos urbanos abrangem: (a) Lixo
domiciliar ou doméstico; (b) Resíduos de poda de manutenção de jardim, pomar
ou horta; (c) Entulho de pequenas obras de reforma, de demolição ou de
construção em habitações familiares; (d) Lixo público decorrente da limpeza de
logradouros (avenidas, ruas, praças e demais espaços públicos); (e) Lixo
proveniente de feira livre; (f) Excrementos oriundos da defecação de animais em
logradouros; (g) Lixo de estabelecimentos comerciais, industriais ou de unidades
de trato de saúde humana ou animal, cuja composição seja similar aos
domiciliares. Os resíduos sólidos especiais abrangem: (a) Lixo extraordinário; (b)
Lixo perigoso produzido em unidades industriais e que apresentam potencial risco
à saúde publica e/ou meio ambiente; (c) Lixo infectante resultante de atividades
médico-assistenciais; (d) Lixo radioativo; (e) Lodos e lamas oriundos de estações
de tratamento de águas ou esgoto sanitário; dentre outros.
Para a presente pesquisa, utilizou-se a cinza proveniente da queima de
resíduo sólido urbano da cidade do Rio de Janeiro, cuja composição, em geral,
consiste no que foi apresentado anteriormente.
2.3 RESÍDUO SÓLIDO URBANO E SEU IMPACTO AO MEIO
AMBIENTE E À SAÚDE HUMANA.
Apesar de o Brasil ser um país com mais de 80% da população vivendo em
áreas urbanas, as infraestruturas e os serviços não acompanharam o ritmo de
crescimento das cidades. Nas ultimas décadas, com a rápida industrialização e
urbanização, a produção de resíduos sólidos apresentou um aumento considerável,
que acarretou em sérios problemas ambientais. Os impactos do manejo
inadequado de resíduos sólidos e da limpeza urbana deficiente são expressivos,
quer seja em relação à saúde pública e à qualidade ambiental, quer seja em relação
aos aspectos estéticos e de turismo. Ao mesmo tempo, os resíduos que são
corretamente encaminhados e dispostos em aterros sanitários vêm causando
34
outros problemas, como escassez de espaço devido ao grande volume de material
disposto e redução de vida útil dos aterros.
Tanto a geração, como a composição do resíduo sólido depende de fatores
culturais, hábitos de vida e consumo, situação socioeconômica, nível educacional,
fatores climáticos e sazonais e das características dos grupos populacionais.
A disposição final dos resíduos sólidos é uma preocupação crescente tanto
para a administração pública quanto para os órgãos ambientais. A presença de
metais pesados na composição de determinados resíduos sólidos, o chorume que é
liberado destes por meio de sua degradação, dentre outros fatores, faz com que o
RSU possua elevado potencial contaminante, contribuindo para impactos adversos
ao meio ambiente e consequentemente à saúde da população, quando depositados
de forma inadequada (Fontes, 2008).
A complexidade dos resíduos e a evolução constante dos hábitos de vida
sugerem que as propostas de solução para o problema devem ser maleáveis,
sempre baseadas em princípios de educação ambiental da população, o que a
integrará responsavelmente à construção de medidas técnicas e ambientalmente
corretas (Faria, 2002).
2.3.1 Impactos Ambientais
A proteção do meio ambiente contra as consequências adversas da
disposição de resíduos é um importante problema enfrentado atualmente.
Entre os impactos ambientais negativos que podem ser originados a partir
do lixo urbano produzido, estão os efeitos decorrentes da disposição inadequada
de resíduos sólidos em fundos de vale, às margens de ruas ou cursos d’água. Estas
práticas, que já se tornaram habituais, podem provocar, entre outras coisas,
contaminação de corpos d’água, assoreamento de rios e lagos, enchentes, e
proliferação de vetores transmissores de doenças. Ainda, a poluição visual, o mau
cheiro e contaminação do ambiente somam-se a esses impactos.
35
2.3.2 Impactos à Saúde Humana
Os resíduos sólidos urbanos possuem características biológicas de extrema
relevância, uma vez que em sua massa são encontrados agentes patogênicos e
microrganismos prejudiciais à saúde humana.
O problema sanitário constituído pelos resíduos sólidos ocorre devido ao
seu favorecimento à proliferação de vetores e roedores. Podem ser vetores
mecânicos e agentes etiológicos causadores de doenças, tais como: diarréias
infecciosas, amebíase, salmoneloses, teníase e outras parasitoses, difteria, entre
outros. Estes servem, ainda, de criadouro e esconderijo de ratos, animais esses
envolvidos na transmissão de leptospirose e outras doenças. As baratas que
pousam e vivem nos resíduos sólidos, têm importância sanitária relacionada à
transmissão de doenças por meio de transporte mecânico de bactérias e parasitas
do lixo para os alimentos e pela eliminação de fezes infectadas. Podem, ainda,
transmitir doenças de contágio direto (Fundação Nacional de Saúde, 2007).
Há também a possibilidade de contaminação do homem pelo contato direto
com os resíduos sólidos ou pela massa de água por estes poluídas. Catadores de
lixo sofrem constantemente o risco direto de adquirir alguma doença. Por
disporem de água e alimento, o acumulo de resíduos sólidos em locais
inadequados também serve como ponto de alimentação de animais como cães,
aves, bovinos e possibilita, ainda, a proliferação de mosquitos que se desenvolvem
em água acumuladas em eventuais latas, vidros ou outros recipientes comumente
encontrados. (Fundação Nacional de Saúde, 2007).
Na tentativa de minimizar a quantidade de resíduos sólidos gerados, muitos
países vêm adotando diversas técnicas, sendo a mais comum a reciclagem de
materiais. Uma outra alternativa que em certos países já é adotada, e em outros
está sendo avaliada, é a incineração do resíduo, visto que, além de reduzir a
quantidade de material disposto nos aterros sanitários, durante a combustão do
RSU ocorre a co-geração de energia, devido ao poder calorífico que o resíduo
tem. Através desse processo são geradas as cinzas de resíduo sólido urbano, que
podem vir a ser utilizadas como insumo na indústria da construção civil.
Atualmente, diversas pesquisas tem sido realizadas visando o aproveitamento das
cinzas de RSU.
36
2.4 INCINERAÇÃO DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS
A incineração do lixo é um tratamento eficaz para reduzir o seu volume,
tornando o resíduo absolutamente inerte em pouco tempo, se realizada de forma
adequada. Porém, em geral sua instalação e funcionamento são dispendiosos,
devido principalmente à necessidade de filtros e tecnologia sofisticada para
diminuir ou eliminar a poluição do ar provocada pelos gases produzidos no
processo de queima do lixo (Monteiro et al, 2001).
De acordo com a Fundação Nacional de Saúde (2007), o processo de
incineração deve ocorrer em instalações bem projetadas e corretamente operadas,
para que haja a transformação de materiais e a destruição dos microorganismos
dos resíduos sólidos, visando, essencialmente, à redução do seu volume para 5%
e, do seu peso, para 10 a 15% dos valores iniciais.
Apesar de a técnica reduzir o volume de resíduo sólido urbano e fornecer
energia, esta não é considerada um tipo de disposição final, uma vez que as
escórias (cinzas de fundo) e as cinzas volantes geradas no processo devem,
subsequentemente, receber cuidados quanto ao acondicionamento,
armazenamento, identificação, transporte e destinação, pois apesar dos
organismos patogênicos e compostos orgânicos tóxicos serem eliminados, os
metais pesados continuam presentes nas cinzas. Uma disposição inadequada pode
acarretar lixiviação/solubilização de certos componentes, que podem
posteriormente ser absorvido pelo meio ambiente.
A geração de dioxinas e furanos, produtos tóxicos gerados durante o
processo de incineração de resíduos, devem obedecer aos seus limites de emissões
para a atmosfera, que situam-se entre 0,10 ± 0,04 ng/Nm³ (Fundação Nacional de
Saúde, 2007). É imprescindível a instalação de equipamentos filtrantes/lavadores,
para que os gases e materiais particulados gerados no processo sejam retidos e os
padrões de emissão estabelecidos em legislação sejam obedecidos (Secretaria do
Meio Ambiente, 2010). Atualmente, a tecnologia utilizada pelas usinas opera e
monitora todas as emissões, garantindo os níveis aceitáveis especificados por
norma para cada país.
37
Além da principal vantagem deste processo, que consiste na redução
expressiva do total do volume de material, o que faz com que o tempo de vida útil
dos aterros sanitários seja prolongado e a necessidade de áreas municipais
diminuída, outros aspectos positivos podem ser observados, como:
Redução das quantidades de resíduos perigosos, promovendo a
concentração de poluentes e metais pesados, permitindo a sua
disposição em separado;
Destruição de organismos patogênicos, de produtos tóxicos com
consequente redução do potencial de doenças e de contaminação
do meio ambiente;
Aproveitamento energético do conteúdo do lixo municipal com
geração de energia elétrica.
De acordo com Uieda (2009), dados fornecidos pela Usina Verde – empresa
brasileira que visa apresentar soluções para a destinação final do lixo através do
processo de incineração com recuperação de energia, e a qual forneceu as cinzas
para a presente pesquisa – mostram que as cinzas resultantes desse tipo de
tratamento térmico representam cerca de 8% do total de lixo tratado em peso.
2.4.1 Cinzas de RSU
As cinzas são produtos da incineração e constituem-se da porção inorgânica
e da matéria não-combustível presente no lixo. Há dois tipos de cinzas: as de
fundo que são resultantes da combustão e consistem nos materiais não-
combustíveis (denominadas por alguns autores como escória) e as cinzas
suspensas retidas pelo sistema de controle das emissões gasosas, denominadas de
cinzas volantes. Em geral, a cinza de fundo corresponde de 75 a 90% de toda
cinza gerada, dependendo do tipo das instalações e do tipo de resíduo incinerado
(Caixeta, 2005).
A cinza volante apresenta-se como um resíduo de granulometria fina, que
durante a combustão do resíduo é transportada pelo fluxo de gases. Devido à sua
baixa densidade, elas flutuam até as chaminés, onde são coletadas mecanicamente
ou por precipitadores. Estas cinzas são capazes de desenvolver reações
pozolânicas, e quando misturadas à cal, possuem características propícias à
38
estabilização de solos (Lopes, 2011). Esta cinza é caracterizada por possuir alto
teor de sais solúveis, quantidades significativas de substancias perigosas, como
metais pesados e componentes orgânicos, além de poluentes inorgânicos, por ser
proveniente do sistema de lavagem dos gases (Fontes, 2008).
Os aspectos citados sobre a cinza volante faz com que sua gestão seja uma
das questões ambientais mais importantes relacionadas à incineração de resíduos
sólidos urbanos, e por consequência, ao dispor esse material em aterros sanitários,
deve-se adotar um sistema de impermeabilização adequado ou fazer um
tratamento prévio do material. Cinzas de fundo e volante são muitas vezes
misturadas por razões práticas, formando um resíduo denominado “cinza
combinada”. Essa prática ocorre em alguns países como EUA e Japão (Ferreira,
2003).
Uma vez que a composição do lixo municipal varia no tempo e de país para
país, devido às diferenças culturais e processos de reciclagem de cada lugar, a
composição das cinzas também irão variar. Geralmente, a caracterização química
e física das cinzas irão depender da composição do lixo bruto, condições
operacionais, tipo de incinerador e sistema de controle de poluição do ar (He et al,
2004 apud Lam et al, 2010).
A composição química das cinzas de RSU mostra que os elementos
principais encontrados nestas são Si, Al, Fe, Mg, Ca, K, Na e CL. Além disso,
SiO2, AL2O3, CaO, Fe2O3, Na2O, K2O são óxidos comumente achados nas cinzas,
sendo o CaO o composto mais abundante existente na cinza volante, constituindo
mais de 46% desta, e o composto SiO2 o mais abundante existente na cinza de
fundo, constituindo mais de 49% desta (Lam et al, 2010).
A cinza de fundo, diferentemente da volante, se apresenta como um material
bastante heterogêneo e com uma granulometria mais grossa. De acordo com
Forteza (2004), os elementos presentes em sua composição química faz com que o
material seja similar a materiais geológicos. A fração metálica presente nesta pode
ser recuperada e o restante reutilizado para diversos fins. Alguns autores afirmam
que estas cinzas também podem ser definidas como material pozolanico, embora
ainda não seja reconhecido como tal pelas normas atuais. A Figura 2.3 apresenta
as diferentes frações granulares da cinza de fundo utilizada na presente pesquisa,
que se apresenta similar à descrição feita por outros autores (Caixeta, 2005;
39
Forteza et al, 2004; Becquart et al, 2008; Vizcarra, 2010; Quispe, 2013, entre
outros).
Figura 2.3 – Frações granulares da cinza de fundo de RSU utilizada na presente pesquisa.
Dentre as vantagens da reutilização destes materiais em obras geotécnicas
como aterros sobre solos moles, camadas de aterros sanitários, pavimentação,
construção civil, dentre outras, destacam-se (Lopes, 2011):
Redução da demanda de materiais primários e convencionais;
Redução dos custos energéticos relacionados com a extração e o
transporte de materiais convencionais;
Redução dos custos ambientais associados com a recuperação dos
passivos ambientais gerados pela exploração de jazidas de
materiais convencionais;
Redução dos problemas ambientais e econômicos associados com a
estocagem e disposição final de resíduos;
O processo de incineração e produção tanto das cinzas de fundo, como
volante utilizadas na presente pesquisa, está descrito no Capítulo 3 do presente
trabalho. Ambas as cinzas são provenientes da USINAVERDE, que se localiza no
Rio de Janeiro.
40
2.5 ESTABILIZAÇÃO DE SOLOS
Quando as características dos solos locais não atendem, total ou
parcialmente, os requisitos de projeto exigidos, são consideradas as seguintes
atitudes a serem tomadas (Medina, 1987 apud Vizcarra, 2010):
Evitar ou contornar o terreno ruim;
Remover o solo ruim e substituí-lo por outro de qualidade superior;
Projetar a obra para situação de terreno ruim de fundação (conviver
com a difícil situação);
Estabilizar o solo existente.
De acordo com Vendruscolo (1996), a estabilização de solos é uma técnica
antiga, desenvolvida principalmente para pavimentação, mas que também tem
sido amplamente utilizada em outras áreas, como fundações, contenção de taludes
e barragens.
Denomina-se estabilização de solos, a aplicação de processos e técnicas que
busquem a melhoria das propriedades mecânicas desses materiais. O aumento da
resistência, da rigidez e durabilidade, são algumas das alterações mais importantes
nas propriedades mecânicas do solo (Ingles e Metcalf, 1972 apud Vendruscolo,
1996). De acordo com o autor, a melhoria das propriedades físicas do solo podem
ser obtidas de várias formas, como por exemplo, por compactação, drenagem,
estabilização granulométrica, estabilização por processos físico-químicos,
estabilização térmica, injeções de materiais, dentre outras.
Segundo Baptista (1976).estabilizar o solo consiste em se utilizar um
processo qualquer de forma a tornar este estável para os limites de sua utilização e
ainda fazer com que esta estabilidade permaneça sob as ações das cargas e ações
climáticas variáveis
Vargas (1977 apud Dourado, 2013), define a estabilização de solos como o
processo pelo qual se confere ao solo maior resistência às cargas, ao degaste ou
erosão, através de processo de compactação, correção granulométrica e
plasticidade ou de adição de substâncias que vão lhe conferir uma coesão
proveniente da cimentação ou aglutinação dos grãos.
41
As propriedades de um solo podem ser alteradas por métodos mecânicos,
físicos e/ou químicos, sendo o tipo de estabilização escolhida dependente das
propriedades do solo em seu estado natural, propriedades desejadas para o solo
estabilizado e dos efeitos no solo após estabilização. A escolha por um ou outro
tipo de estabilização também é influenciada pelo custo e finalidade da obra,
podendo ser adaptados e/ou combinados para a solução de um problema (Santos,
2012).
Devido à grande variabilidade de solos, nenhum método de estabilização se
aplica genericamente a todos eles, sendo cada método aplicável (ou não) para um
determinado tipo de solo.
2.5.1 Estabilização Mecânica
De acordo com Santos (2012) os métodos mecânicos são aqueles que
promovem o aumento da densidade do solo, melhorando sua resistência mecânica
e durabilidade; envolvem a redução de volume de vazios do solo in situ através da
energia imposta; promovem o preenchimento dos vazios, reduzindo-se assim os
poros e inibindo a percolação de água e a erosão provocada por esta, aumentando
a durabilidade; promovem ou aumentam a compacidade, tendo-se o acréscimo de
resistência mecânica.
A estabilização mecânica de solos pode ser descrita por dois processos
principais: compactação e estabilização granulométrica. De acordo com Santos et
al. (1995), a compactação refere-se ao processo de tratamento de um solo com a
finalidade de minimizar sua porosidade pela aplicação de sucessivas cargas,
pressupondo que a redução de volume de vazios é relacionada ao ganho de
resistência.
Já a estabilização mecânica por correção granulométrica engloba as
melhorias induzidas em solo pela mistura deste com um ou mais solos e/ou outros
materiais, que possibilitem a obtenção de um novo produto com propriedades
adequadas aos fins de engenharia requeridos Santos et al. (1995).
Na estabilização granulométrica, procura-se obter um material bem
graduado e de percentagem limitado de partículas finas, com a mistura de dois ou
mais solos bem homogeneizada e posterior compactação.
42
2.5.2 Estabilização Física
Na estabilização física as propriedades do solo são alteradas modificando-
se, em geral, sua textura e granulometria. Este método consiste basicamente em se
misturar dois ou mais materiais, de modo que o produto final se enquadre dentro
de uma determinada especificação granulométrica, ou na adição de fibras. Destas
combinações de materiais, surge um produto que agrega as propriedades de suas
fases constituintes, e que é denominado de material compósito (Sales, 2006 apud
Pinto, 2008).
A estabilização granulométrica é feita quando se objetiva alterar as
propriedades do solo para se atingir um objetivo específico, alterando a
distribuição das partículas do mesmo.
Silva (2007) apresenta que a estabilização física do solo também pode ser
realizada por processos classificados como elétricos, que consiste na passagem de
uma corrente elétrica pelo solo que se pretende estabilizar; e por processos
térmicos, que consiste no emprego de energia térmica por meio de congelamento
(solução temporária onde se altera a textura do solo), termo osmose (técnica de
drenagem onde se promove a difusão de um fluido em um meio poroso pela ação
de gradientes de temperatura), e aquecimento (técnica que busca rearranjos na
rede cristalina dos minerais constituintes do solo). De acordo com a autora, os
processos elétricos em solos arenosos saturados envolvem descargas sucessivas de
alta tensão e em solos argilosos são usadas descargas de baixa tensão contínuas
provocando fenômenos de eletro-osmose, eletroforese e consolidação
eletroquímica.
O processo de eletro-osmose consiste em colocar dois eletrodos numa
massa de solo e fazer passar uma corrente elétrica entre eles, promovendo assim a
migração da água presente no solo do eletrodo positivo para o negativo,
diminuindo assim a quantidade de água no solo e permitindo sua consolidação
(Castello Branco, 1978 apud Vizcarra, 2010).
O tratamento por aquecimento consiste na introdução de uma mistura
comprimida de ar muito quente e combustível no solo, através de um tubo
perfurado, sendo o aquecimento obtido por queima de combustíveis ou por
processos elétricos. O congelamento se dá por um processo térmico de
43
resfriamento, que provoca uma estabilização por congelamento artificial da água
intersticial originando um material rígido com elevada resistência (Silva, 2007).
2.5.3 Estabilização Química
A estabilização química dos solos refere-se ao procedimento no qual uma
quantidade de material químico qualquer (aditivo) é adicionada ao solo natural,
para melhorar uma ou mais de suas propriedades de engenharia. Dentre os
estabilizantes mais utilizados têm-se os materiais betuminosos, o cimento
Portland, a cal, as pozolanas, e certas resinas (Santos, 2012).
Para se verificar qual aditivo é mais indicado a ser utilizado na estabilização
de solos, deve-se levar em consideração a granulometria e plasticidade do solo.
Solos com média a alta plasticidade são mais reativos a cal, por exemplo, a qual
aumenta a trabalhabilidade, diminui a expansão volumétrica e aumenta a
resistência (USACE, 1994).
Segundo Pereira (2012), a estabilização química pode ser definida como a
adição de uma ou mais substâncias químicas ao solo, a fim de gerar uma mudança
no seu comportamento quanto ao ganho de resistência e estabilidade às
intempéries. Tais mudanças podem influenciar também na permeabilidade e
deformabilidade, atingindo o objetivo previsto.
De acordo com Sandroni & Consoli (2010), melhorar ou controlar a
estabilidade volumétrica, resistência e propriedades tensão-deformação estão entre
os principais objetivos da mistura de aditivos aos solos. As reações químicas mais
comuns na estabilização são as de troca catiônica com partículas de argilas, além
das reações cimentícias e pozolânicas.
Segundo Medina (1987 apud Soliz, 2007), na estabilização química, como o
nome indica, há uma reação química do aditivo com os minerais do solo (fração
coloidal) ou a constituição de recheio dos poros pelo produto de reação química
do aditivo com a água. No solo-cimento e solo – cal existe, inicialmente, uma
reação que se caracteriza melhor como físico- química: os cátions Ca++ liberados
pela hidratação do cimento reagem com a superfície dos argilo-minerais e
modificam o pH da solução eletrolítica. Os produtos cimentantes que se formam
posteriormente (diz-se reação pozolânica) acrescem a rigidez da mistura.
44
Ainda segundo o mesmo autor, quando se forma a mistura solo-
estabilizador, pode ocorrer que o estabilizador forme ou não uma 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 e as propriedades mecânicas do estabilizador predominam. Na matriz
descontínua o estabilizador não preenche todos os poros e então podem ocorrer
três modos de ação (Soliz, 2007):
Modificação das características das superfícies das partículas;
Vedação inerte dos poros;
Interconexão entre as partículas de solo-solda por pontos.
Quando utilizada para solos granulares, a estabilização química visa
melhorar sua resistência ao cisalhamento por meio da adição de pequenas
quantidades de ligantes nos pontos de contato dos grãos (Silva, 2007).
A seguir apresentam-se algumas características sobre os tipos de
estabilização química.
2.5.3.1 Solo–Cimento
A estabilização solo-cimento ocorre a partir da hidratação do cimento dentro
dos vazios do solo, sendo o cimento o principal agente.
Sandroni & Consoli (2010) relatam que diversos tipos de cimentos podem
ser utilizados para estabilizar praticamente todos os tipos de solos, com algumas
dificuldades particulares para argilas altamente plásticas e orgânicas (com mais de
1-2% de matéria orgânica), os quais normalmente exigem altas porcentagens de
cimento para a obtenção de significativas mudanças nas propriedades mecânicas
das mesmas.
Segundo Vendruscolo (2003), a matéria orgânica tem a capacidade de
retardar ou impedir a hidratação do cimento. Como esta absorve os íons de cálcio,
a adição de cal hidratada pode permitir que o solo seja tratado com o cimento.
Embora qualquer tipo de solo possa ser tratado com cimento, consideram-se
os solos granulares mais indicados que os argilosos, pois conseguem atingir
45
resistências mais elevadas, com menores teores de cimento. Já os solos finos
requerem maiores quantidades de aglomerantes além de serem de difícil
pulverização e mistura (ABPC, 1984 apud Silva, 2007). Dessa forma, de maneira
geral a quantidade de cimento necessária para estabilizar um solo aumenta com o
aumento da fração de solos finos, com exceção de areias uniformes, que
requisitam mais cimento que solos arenosos contendo algum tipo de silte e argila.
Das (2001) apresenta que o cimento ajuda a diminuir o limite de liquidez e
incrementar o índice de plasticidade de solos argilosos, da mesma forma que a cal.
Em solos argilosos, a estabilização com cimento é efetiva quando o limite de
liquidez é menor que 45%-50% e o índice de plasticidade é menor do que 25%,
aproximadamente.
A estabilização por cimento pode ser dividida em categorias (Medina, 1987
apud Soliz, 2007):
Solo-cimento: é um material endurecido pela cura de uma mistura
íntima compactada mecanicamente com solo pulverizado, cimento
Portland e água, sendo esse endurecimento avaliado por critérios
de durabilidade e resistência à compressão simples de corpos de
prova. Normalmente é utilizado como base ou sub-base de
pavimentos;
Solo modificado ou melhorado: é um material não endurecido ou
semiendurecido que é julgado pela alteração dos índices físicos
e/ou capacidade de suporte do solo. Utiliza-se um teor baixo de
cimento que não deve ser maior que 5%. Pode ser utilizado como
base, sub-base ou subleito de pavimentos;
Solo-cimento plástico: difere do solo-cimento definido
anteriormente por ser utilizada uma quantidade maior de água
durante a mistura, de forma a produzir uma consistência de
argamassa na ocasião da colocação. É utilizado para revestimento
de valas, canais e taludes.
Segundo Medina (1987 apud Dourado, 2013), durante o processo de
estabilização do solo com cimento, ocorrem dois tipos de reações: as reações de
hidratação do cimento Portland e as reações entre os argilominerais e a cal
46
liberada na hidratação do cimento. Estas reações podem ser exemplificadas da
seguinte forma:
(1) Reações de hidratação do cimento:
C3S + H2O → C3S2Hx (gel hidratado) + Ca(OH)2
Ca(OH)2 → Ca++ + 2(OH)-
Se o pH da mistura abaixar: C3S2Hx → CSH + Cal
(2) Reações entre a cal gerada na hidratação e os argilominerais do
solo:
Ca++ + 2(OH)- + SiO2 (Sílica do solo) → CSH
Ca++ + 2(OH)- + Al2O3 (Alumina do solo) → CAH
As ultimas reações são chamadas pozolânicas e ocorrem em velocidade mais
lenta. O CSH é um composto cimentante semelhante ao C3S2Hx.
Nos solos granulares desenvolvem-se vínculos de coesão nos pontos de
contato entre os grãos (semelhante ao concreto, porém o ligante não preenche
todos os espaços). Nos solos argilosos a ação da cal gerada sobre a sílica e
alumina do solo resulta no aparecimento de fortes pontos de ligação entre as
partículas de solo. Os solos granulares respondem melhor à estabilização com
cimento porque em solos argilosos a reação da cal gerada na hidratação e os
argilominerais ocasionam uma queda no pH da mistura, afetando a hidratação e o
endurecimento do cimento. Se o pH abaixar, o composto C3S2Hx reage
novamente formando CSH e cal. Como o C3S2Hx é responsável pela maior parte
da resistência da mistura solo-cimento, o aparecimento do CSH é indesejável
quando provém deste composto, sendo benéfico apenas quando origina-se das
reações da cal com os argilominerais. Portanto as reações de hidratação do
cimento são as mais importantes e respondem pela maior parte da resistência final
alcançada para a mistura (Dourado, 2013).
47
2.5.3.2 Solo–Cal
O uso da cal como aditivo no tratamento de solos é o mais antigo método de
estabilização química conhecida, utilizada nas mais variadas aplicações, como a
Via Apia, construída pelos Romanos. Atualmente, a cal está entre os dez produtos
de origem mineral de maior consumo mundial, e vem ganhando ainda mais
expressão devido à quantidade de setores industriais que dela se utilizam, devido
às suas características de reagente químico e aglomerante-ligante.
Pode-se definir solo-cal como o produto resultante da mistura íntima
compactada de solo (geralmente argila), cal e água, em proporções estabelecidas
através de dosagem (USBR, 1998).
De acordo com a USBR (1998), existem diversas denominações para as
misturas onde se tem a adição de cal ao solo, sendo os termos solo estabilizado,
solo melhorado, solo modificado e solo tratado comumente utilizados. Entretanto,
os processos são conceitualmente os mesmos, e o critério para a adoção de uma
ou outra denominação é o grau de alteração das propriedades do solo natural em
função da quantidade de aglomerante aplicado.
A introdução e mistura de cal ao solo objetiva a obtenção de propriedades
como resistência, deformabilidade e permeabilidade adequadas a um determinado
uso de engenharia, quando o solo puro não atende às especificações exigidas. A
estabilização com cal tem sido comumente empregada na construção de estradas
(para uso em base ou sub-base de pavimentos), na proteção de taludes contra a
erosão e em obras hidráulicas.
Segundo Dourado (2013), suas principais funções são:
Melhoria permanente das características do solo;
Aumento da resistência à ação da água;
Melhoria do poder de suporte;
Melhoria da trabalhabilidade de solos argilosos;
Diminuição da expansão de solo;
Alteração granulométrica do solo.
De acordo com Medina (1987 apud Soliz, 2007), as reações entre o solo e
a cal podem ser de duas formas: i) Rápida ou imediata ou ii) Reações lentas.
48
Danimond e Kinter (1972, apud Silvane 2013), apresentam que os dois estágios
de reações são bem definidos, sendo o processo rápido ocorrido de minutos a dias,
podendo atingir meses, e no qual há uma melhora na plasticidade do material, mas
é desenvolvida pouca resistência permanente; e o processo lento ocorrido de
minutos a anos, onde se tem o desenvolvimento da resistência com a formação de
produtos cimentantes.
Na estabilização de solos com cal, inicialmente ocorre a hidratação da cal,
que modifica o pH do solo e provoca a floculação das argilas em função das
reações de troca de cátions. Após essa etapa o material sofre uma redução de
expansão e retração melhorando sua plasticidade. Com o tempo, há a produção de
reações pozolanicas e fenômenos de carbonatação, proporcionando ao material
melhores características geo-mecânicas (Silva, 2007).
Sandroni & Consoli (2010) apontam que a carbonatação ocorre quando o
dióxico 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. A
carbonatação é indesejável, uma vez que reduz a quantidade de cal disponível para
a produção de reações pozolânicas (cimentícias).
A cal misturada com água resulta em cátions livres, os quais podem
substituir outros cátions dentro dos complexos de troca catiônica que ocorrem no
solo. Guimarães (2002 apud Lopes, 2011) assegura que a troca catiônica
promove, após alguns instantes, mudanças nas propriedades físicas do solo, como
a granulometria, Limites de Atterberg, compactação, expansão e capacidade de
suporte. O resultado prático da floculação-aglomeração é a mudança da textura do
solo, uma vez que as partículas de argila unem-se e formam partículas com
maiores dimensões.
Vizcarra (2010) afirma que as reações pozolânicas são similares àquelas que
ocorrem em solos tratados com cimento. É sabido que a cal e a água reagem com
a sílica e alumina existentes no solo para formar vários componentes cimentícios.
Origens típicas de sílica e alumina em solos incluem minerais argílicos, quartzo,
feldspato, micas e outros silicatos ou alumino-silicatos similares, com estrutura
cristalina ou amorfa. A adição de cal também aumenta o pH do solo, aumentando
a solubilidade da sílica e da alumina presentes no solo. Se uma quantidade
significativa de cal é adicionada ao solo, o pH pode alcançar 12,4, que é o pH da
49
água saturada com cal. A seguir são apresentadas as reações que ocorrem no solo
tratado com cal:
Ca(OH)2 → Ca+2 + 2(OH)-
Ca+2 + 2(OH)- + SiO2 (sílica da argila) → CSH (silicato hidratado de cálcio)
Ca+2 + 2(OH)- + Al2O3 (alumina da argila) → CAH (aluminato hidratado de
cálcio)
Onde C = CaO, S = SiO2, A = Al2O3 e H = H2O
Tais reações somente ocorrem na presença de quantidades de água capazes de
trazer Ca+2 e (OH)- para a superfície das partículas de argila. Por consequência, as
reações não ocorrerão em solos secos e cessarão em um solo úmido que vier a
secar.
Segundo Soliz (2007) o efeito da cal nas propriedades do solo pode ser visto
sob vários aspectos:
Distribuição granulométrica: há um aumento do tamanho dos
grãos, tanto mais acentuada quanto mais fino o solo natural. A
agregação pode se desfazer em parte quando se embebe o solo-cal
na água, porém muitos agregados tornam-se hidrofóbicos;
Plasticidade: o LP cresce com o uso da cal e o LL tende a diminuir.
O aumento do teor de cal acarreta valores de IP cada vez menores.
O IP varia com o tempo de reação;
Variação de volume: o tratamento de um solo expansivo com cal
reduz as variações de volume do solo quando este absorve água;
Compactação: a densidade diminui e o teor de umidade ótima
aumenta quando se trata um solo com cal;
Resistência: a resistência à compressão simples é o ensaio mais
comumente utilizado.
Quanto maior o teor de cal, maior a troca catiônica e formação de produtos
cimentantes, mas não existe um teor ótimo de cal a ser adotado para todos os
solos, sendo a experiência de campo decisiva para a escolha do teor de cal.
Sandroni & Consoli (2010) relatam que a quantidade de cal necessária para
o tratamento de solos depende das características dos mesmos, de seu uso e das
50
características mecânicas desejadas da mistura. O tratamento de solos com cal
pode ser dividido em duas classes gerais:
Modificação do solo com cal, a qual reduz a plasticidade do solo,
melhora trabalhabilidade, aumenta a resistência de defloculação e
erosão;
Estabilização do solo com cal, a qual fornece aumento permanente
da resistência e rigidez do solo devido à ocorrência de reações
pozolânicas.
A cal tem pouco efeito em solos altamente orgânicos e também em solos
com pouca ou nenhuma quantidade de argila, uma vez que o melhoramento das
propriedades mecânicas é produzido pelas reações entre a cal e os minerais
argílicos. Seu efeito é mais eficiente em solos argilosos, podendo ser mais efetivo
que o cimento em pedregulhos argilosos (Ingles & Metcalf, 1972 apud Lopes
Junior, 2011). A Tabela 2.1 apresenta a previsão da quantidade de cal em função
dos diferentes tipos de solo.
Tabela 2.1 – Previsão da quantidade de cal em função dos diferentes tipos de solo (Fonte:
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
Solos Orgânicos não recomendado não recomendado
Segundo Rosa (2009), argilas expansivas apresentam uma resposta mais
rápida à adição de cal. Bell (1996 apud Rosa, 2009) constatou um rápido aumento
inicial na resistência à compressão simples de um solo contendo montmorilonita,
com pequenos teores de cal (2 a 3%). Além disso, para o mesmo solo, 4% de cal
foi suficiente para atingir a resistência máxima, enquanto que para um solo rico
em caulinita, a resistência máxima foi atingida com teores entre 4 e 6%.
51
Ingles e Metcalf (1972 apud Rosa, 2009), apresentam um estudo sobre a
influência do tempo de cura e da quantidade de cal aplicada em diferentes tipos de
solos. Os autores observaram que as taxas de ganho de resistência eram maiores
em pedregulhos arenosos, conforme ilustrado na Figura 2.4, e que a resistência a
compressão simples aumenta linearmente com a quantidade de cal até
determinado nível, e a partir deste ponto, a taxa de acréscimo de resistência
diminui com a quantidade de cal, devido à lenta cimentação, conforme ilustrado
na Figura 2.5.
Figura 2.4 – Efeito do tempo de cura sobre a resistência à compressão
simples para alguns solos estabilizados com cal (Ingles & Metcalf, 1972 apud
Rosa, 2009).
52
Figura 2.5 – Efeito do teor de cal sobre a resistência a compressão simples para
alguns solos tratados com cal e curados por 7 dias (Fonte: Ingles & Metcalf, 1972
apud Quispe, 2013)
Silvane (2013) apresenta que uma forma de potencializar a estabilização
com a cal, quando o solo não possui argila suficiente, ou esta não é
suficientemente reativa, è através da substituição do solo por materiais
pozolânicos, como a cinza volante de carvão mineral, RSU, casca de arroz, entre
outras. De acordo com Pinto (1971), o uso de cinza volante misturada com cal,
para estabilização de solos arenosos iniciou na década de 40 nos Estados Unidos,
onde parte de uma auto-estrada de New Jersey foi executada com este tipo de
mistura.
2.5.3.3 Solo-Cinza-Cal
As reações que ocorrem em sistemas constituídos de materiais como solo,
cinza volante, cal e água são relativamente complexas, mas sabe-se que a cinza
volante desenvolve reações pozolânicas e que sua mistura com a cal possui
características semelhantes ao solo-cal. Este tipo de reação ocorre com materiais
que contém sílica e alumina, e que, estando finamente divididos, em presença de
água reagem com a cal. Para que as reações ocorram é necessário que a sílica e
alumina sejam solubilizadas.
53
Segundo Mateos (1961, apud Rosa, 2009), uma idéia geral do fenômeno
físico-químico envolvido é que quando a cal e cinza volante são misturadas ao
solo, parte desta cal se combina com as partículas do solo e outra parte com o
dióxido de carbono presente nas fases ar e água do solo, e a parcela remanescente,
combina-se com a cinza volante, em uma reação de natureza pozolânica. Estas
reações se processam lentamente, produzindo então ação cimentante.
Materiais com acentuadas características pozolânicas estão, seguramente,
entre aqueles mais utilizados para promover mecanismos de melhora e otimização
de desempenho de solos, qualquer que seja sua aplicação (construção de
barragens, obras rodoviárias, elementos de fundações).
Em princípio, solos arenosos sem fração fina, como o caso do material
estudado, não apresentam reações secundárias, não aumentando
consideravelmente sua resistência somente com a adição de cal. Dessa forma, para
a estabilização desses solos, quando a correção granulométrica não é possível (por
falta de outros materiais) ou quando o consumo de cimento é muito elevado
(economicamente inviável), a adição da cinza volante juntamente com a cal,
permite a ocorrência de reações pozolânicas também neste tipo de solo, pois a
cinza disponibiliza sílica amorfa.
Consoli et al (2001), estudando um solo arenoso tratado com cinza volante
e cal de carbureto, verificaram que para uma mesma tensão confinante, o aumento
da quantidade de cal provoca aumento da resistência de pico e diminuição da
deformação na qual o pico é atingido.
Rosa (2009) estudou os parâmetros que possuem influência sobre a
resistência de misturas solo-cinza-cal. Através de ensaios de compressão simples
e medidas de sucção, avaliou-se a influência das variáveis quantidade de cal,
quantidade de cinza volante, porosidade e do tempo de cura sobre a resistência de
um solo estabilizado com cal e cinza volante. Em seu estudo foi utilizado um
arenito da formação Botucatu, com adição de cinza volante (0%, 12,5%, 25%) e
cal (3%, 5%, 7%, 9%), e tempos de cura de 28, 60 e 90 dias. Através de seus
resultados, a autora concluu que o aumento da quantidade de cal e cinza volante,
do peso específico aparente seco e do tempo de cura, provoca o aumento da sua
resistência à compressão simples, sendo que esta resistência cresce linearmente
com o aumento da quantidade de cal e exponencialmente com a redução da sua
54
porosidade. Assim, verificou-se que, a relação vazios/cal, definida pela razão
entre a porosidade da mistura compactada e o teor volumétrico de cal, ajustado
por um expoente, demonstra ser um parâmetro adequado na estimativa da
resistência à compressão simples das misturas estudadas.
Mateos (1961, apud Thomé, 1999) observou que os solos arenosos são os
que mais se beneficiam com a adição de cal e cinza volante e que também não
existe uma proporção ótima de cal e cinza volante para estabilizar todos os solos.
Foram feitos ensaios de resistência à compressão, com amostras utilizando 6% de
cal, 76,5% de areia e 17,5% de cinza volante. Observou-se que a mistura areia-
cinza volante-cal aumentou sua massa específica aparente seca. O aumento da
densidade leva a um aumento na resistência, pois há um contato mais próximo
e/ou aumento de contatos entre as partículas da cal e cinza. Foram estudadas dois
tipos de cinzas, e também observou-se que os tipos de cinzas com maior
superfície específica são mais reativas, levando a um maior aumento da
resistência (Mateos, 1961 apud Mallmann, 1996).
Mallmann (1996) observou que o aumento da energia de moldagem resulta
em um acréscimo de resistência nas misturas solo-cinza-cal. Segundo o autor,
grande parte desse aumento ocorre devido, provavelmente, a um maior número de
reações pozolânicas que se desenvolveram com a aproximação das partículas
devido ao aumento de energia. Estudos mostraram que o tempo de cura é um dos
principais fatores influentes na resistência à compressão simples de corpos de
prova curados à temperatura ambiente (± 21°C).
De acordo com Mateos (1961, apud Thomé, 1999) os fatores que afetam a
estabilização de solos com cinza e cal são: tipo de solo, tipo de cinza, tipo de cal,
efeito de diferentes proporções de cal e cinza, períodos de cura, efeito da energia
de compactação e efeito da temperatura de cura. A Figura 2.6 apresenta um
esquema dos fatores que influenciam nas propriedades dos materiais estabilizados
pozolanicamente de acordo com Nardi (1975).
55
Figura 2.6 – Fatores que influenciam nas propriedades dos materiais estabilizados
pozolânicamente (Fonte: Nardi, 1975).
Carraro (1997 apud Rosa, 2009) ao estudar um solo silto arenoso tratado
com cinza volante e cal de carbureto observou que o teor de cal presente nas
misturas não teve tanta influência sobre os valores médios de resistência à
compressão simples até a idade de 90 dias de cura. Já para 180 dias, o valor da
resistência se mostrou dependente do teor de cal utilizada.
De acordo com Ahlberg & Barenberg (1975 apud Mallmann, 1996), um
dos fatores que interferem na solubilidade do hidróxido de cálcio ao adicionar-se
água no sistema, é a variação da temperatura. Para que ocorra a reação pozolânica,
além da presença de íon cálcio na solução, é importante que haja solubilidade da
sílica presente no material pozolânico, então se torna importante conhecer os
fatores que afetam essa solubilidade.
Silvane (2013) estudou a influência da temperatura de cura no
comportamento mecânico de misturas areia-cinza volante-cal. Foram realizados
ensaios de compressão simples e de tração por compressão diametral em corpos
de prova com 3, 5 e 7% de cal (em massa), com peso especifico aparente seco de
14, 15 e 16 kN/m², curados a 20, 27, 35 e 50°C por 28 dias e com 25% de cinza
volante, a fim de se avaliar a resistência das misturas para diferentes temperaturas
56
devido à natureza endotérmica das reações de hidratação da cal. Foi observado
através dos resultados, que ambas as resistências estudadas aumentam linearmente
com o aumento da quantidade de cal e exponencialmente com a redução de
porosidade, e que a temperatura mostrou ter grande influencia em ambas as
resistências estudadas. Para o ensaio de tração por compressão diametral,
observou-se que a resistência amplia-se 1,6 vezes quando a temperatura de cura
passa de 20°C para 27°C, 1,4 vezes quando é elevada de 27°C para 35°C, porém
não há crescimento relevante de 30 para 50°. Para o ensaio de compressão
simples, observa-se que de 20°C para 27°C há um aumento de cerca de 2 vezes na
resistência, porém a partir desta temperatura não há mais um crescimento
significativo. A autora supõe que a parada no aumento das resistências estudadas
é provavelmente devido à extinção das reações entre a cal e a cinza volante
Behak (2007) estudou o comportamento de um solo sedimentar arenoso
em mistura com cinza de casca de arroz e cal, constatando que as misturas
desenvolveram resistência a tração, demonstrando a ocorrência de reações
pozolânicas. Esta cinza, em conjunto com a cal, possibilitou a produção de um
material significativamente mais resistente e durável e menos deformável que o
solo natural.
Solos estabilizados pozolanicamente, mediante a adição de cinza volante e
cal hidratada, constituem-se em um novo material geotécnico artificialmente
cimentado. O comportamento mecânico deste novo material, entre outras
características, pode diferir daquele que caracteriza o solo natural, sendo
necessária sua avaliação para previsão e compreensão do comportamento de
engenharia que o novo material passa a apresentar.
A estabilização de solos com cinza pesada é mais recente e menos usual,
devido ao fato do material apresentar menor atividade pozolânica quando
comparado às cinzas volantes. Porém, atualmente diversos estudos vêm sendo
desenvolvidos a fim de se avaliar a aplicabilidade desta cinza.
Segundo Dawson et al (1991, apud Farias, 2005), o poder cimentante das
cinzas de fundo está relacionado com o tipo e quantidade de carbonatos presentes
em sua composição química, sendo que, devido aos baixos percentuais de óxido
de cálcio, pode-se esperar um desenvolvimento de reações autocimentantes mais
limitado.
57
2.5.3.4 Solo-Cinza de Carvão
A cinza de carvão é gerada durante o processo de incineração do carvão
em usinas termelétricas, e os dois principais tipos de cinzas resultantes do
processo são a cinza de fundo (bottom ash) e a cinza volante (fly ash).
Tipicamente o carvão é pulverizado e fundido com ar na câmara da caldeira de
combustão, onde imediatamente inflama, gerando calor e produzindo resíduo
mineral fundido para endurecer e formar as cinzas.
Partículas grossas de cinza, referidas como cinzas de fundo ou escórias,
caem para o fundo da câmara de combustão, enquanto que as partículas finas de
cinzas mais leves, chamadas cinza volante, permanecem em suspensão nos gases
de combustão. Antes dos gases se esgotarem, a cinza volante é removida por
dispositivos de controle das emissões de partículas.
A cinza volante pode ser definida como resíduo de granulometria fina, e
que constitui um agente efetivo para estabilização química e/ou mecânica dos
solos, modificando sua densidade, teor de umidade, plasticidade, e resistência.
Como grande parte das cinzas volantes no Brasil já possuem reutilização de
diversas formas, após processo de geração e coleta, parte destas são separadas
para análises de parâmetros físicos e químicos, para que se determinem a variação
de suas propriedades e sejam enquadradas aos requisitos aplicáveis (Lopes, 2011).
As cinzas de fundo possuem uma granulometria mais grossa que as cinzas
volantes. Suas propriedades também variam com a composição do carvão, grau de
moagem do beneficiamento na pré-queima e, do sistema de extração e transporte
da cinza após a queima (Goethe, 1990 apud Lopes, 2011). A variação da
granulometria das cinzas de fundo é grande, apresentando maior parte dos grãos
na fração areia e silte e baixos teores de argila, não apresentando plasticidade,
nem coesão.
As cinzas pesadas são, reconhecidamente, materiais com menor atividade
pozolânica do que as cinzas volantes. Este fato pode ser interpretado como uma
justificativa para as cinzas pesadas ainda não possuírem grande índice de
reaproveitamento. Atualmente, a maioria das cinzas de fundo produzidas nas
usinas termelétricas é depositada nas bacias de decantação, diferentemente das
58
cinzas volantes, que são vendidas como matéria-prima para outras indústrias
(Lopes, 2011).
Segundo a ACAA (2014), a cinza volante proveniente da queima de
carvão é praticamente idêntica à composição das cinzas vulcânicas pozolânicas,
ideais para o concreto. Nos Estados Unidos, mais que a metade da produção de
concreto utiliza as cinzas volantes em alguma quantidade em substituição ao
cimento tradicional. São algumas aplicações da cinza volante:
Matérias primas em produtos de concreto e argamassa;
Material de enchimento para aplicações estruturais e aterros;
Ingrediente na estabilização e/ou solidificação de resíduos;
Ingrediente na modificação e/ou estabilização de solos;
Componente de bases de estradas, sub-bases e pavimentos.
Ainda de acordo com a ACAA (2014), fisicamente a cinza de fundo é
caracterizada pela cor cinza a preto, possui grãos angulares e uma estrutura
porosa. A cinza de fundo pode ser usada como substituto a agregados e
geralmente é suficientemente bem graduada em tamanho de partículas para evitar
a necessidade de uma mistura com outros agregados finos para satisfazer os
requisitos. A estrutura porosa da superfície das partículas faz com que esse
material seja menos resistente que os agregados convencionais e mais adequado
pao uso em camadas de base, ou aplicações de misturas a frio, por exemplo. Sua
superfície porosa também faz com que esse material seja mais leve que os
agregados convencionais. São algumas aplicações deste:
Material de enchimento para aplicações estruturais e aterros;
Agregado para uso em bases de estradas, sub-bases e pavimentos;
Agregado em produtos de concreto leve.
São diversos os estudos já realizados com cinzas de carvão. Nardi (1975),
posteriormente complementado por Marcon (1977), comprovaram a viabilidade
da estabilização de areia com cinza volante e cal. Estudos mais recentes foram
desenvolvidos por Thomé (1999), Prabakar et al (2003), Dias (2004), Farias
(2005), Kim et al (2005) Rosa (2009), Lopes (2011), Tastan et al (2011), dentre
59
outros, onde foi analisado o desempenho de solos estabilizados com cinzas de
carvão e aditivos em laboratório.
2.6 APROVEITAMENTO DAS CINZAS DE RSU
O aproveitamento de materiais residuais constitui, atualmente, uma área de
estudo em expansão, principalmente devido às questões de sustentabilidade e
racionalização de recursos naturais envolvidas no tema.
Uma das técnicas de aproveitamento, tanto das cinzas de RSU, como outros
resíduos industriais, é a aplicação destes como estabilização de solos,
proporcionando a melhoria de um material já existente.
A estabilização de solos com cinzas de RSU ainda vem sendo tema de
pesquisas e menos utilizadas na prática quando comparadas, por exemplo, às
cinzas de carvão, devido ao menor número de usinas termoelétricas de RSU.
Contudo, o comportamento relatado sobre seus efeitos e mecanismos de
estabilização é comparável aos das cinzas de carvão, desde que o RSU seja
principalmente composto por matéria orgânica (Vizcarra, 2010).
De acordo com Mangialarde (2001), o reuso do resíduo como agregado
reciclado para a produção de concreto pode ser muito interessante, pois reduz o
consumo de agregados naturais. Por outro lado, suas propriedades químicas e de
lixiviação requerem uma caracterização rigorosa, para que não haja potencialidade
de impactos negativos ao meio ambiente.
De acordo com Ferreira et al (2003), a cinza volante é rica em alguns
elementos e compostos (como metais e sais) e, portanto, tem potencialidade para
ser usada como material bruto. Cada potencial aplicação para a cinza volante
resulta em três vantagens principais: o uso de um material bruto sem nenhum
custo, conservação de recursos naturais e a eliminação de resíduo. Os autores
consideram a existência de três fatores relevantes para se avaliar a potencialidade
da cinza volante em cada aplicação: (1) adequação para o processamento; (2)
desempenho técnico; (3) impacto ambiental.
60
(1) O primeiro fator depende das características físico-químicas das
cinzas volantes, tais como o tamanho das partículas e propriedades
químicas, que podem constituir uma limitação para determinado
processo (embora em alguns casos estas características possam ser
ajustadas em conformidade com os requisitos de processamento);
(2) O segundo fator considera que, mesmo que a cinza volante possa
ser facilmente processada, o produto final não pode ser usado, a
menos que este apresente boas propriedades técnicas;
(3) Por fim, o terceiro fator considerado é o impacto ambiental. A
toxicidade não necessariamente desaparece com a valorização da
cinza volante. Os riscos impostos sobre o meio ambiente, por cada
eventual aplicação, deve ser cuidadosamente considerado, para
que não sejam criadas novas fontes de poluição.
Considerando estes três fatores e as características das cinzas volantes, Ferreira et
al. (2003) apresentam nove potenciais aplicações para o resíduo, agrupando-as em
quatro categorias principais. A Tabela 2.2 apresenta as possíveis aplicações.
Tabela 2.2 - Uso potencial da cinza volante de RSU. (Ferreira et al, 2003).
Categoria Aplicação
Materiais de
Construção
Produção de cimento
Concreto
Cerâmicas
Vidro e cerâmicas de vidro
Geotécnica Pavimentação
Aterros
Agricultura Condicionador do solo
Diversos Absorvente
Condicionamento de lodo
Para fins de obras geotécnicas como a pavimentação, a cinza volante de
RSU pode ser aplicável como material substituto de areia e/ou cimento para bases
e sub-bases estabilizadas com cimento. Questões ambientais relativas a esta
aplicação são a contaminação do solo subjacente e águas subterrâneas por
substâncias lixiviadas da camada de base (Ferreira et al, 2003). Segundo Vizcarra
61
(2010), estudos de viabilidade para substituição de areia por cinza volante em
camadas de base de areia/cimento foram conduzidos por Mulder (1996) e, nestes
estudos, a cinza volante de RSU foi submetida à lavagem com solução de ácido
nítrico e posterior filtração obtendo-se uma redução na concentração de metais.
Observou-se que o produto obtido após uma lavagem da cinza volante seguido por
cimentação satisfaz as normas holandesas para materiais de construção,
ressaltando que o custo desta lavagem, mais a aplicação numa base de pavimento,
é ainda mais barato que dispor a cinza volante como material perigoso.
Vizcarra (2010) comenta que uma potencial aplicação da cinza volante de
RSU em estabilização de solos, ocorre como sua substituição à cal ou cimento,
aproveitando-se suas características pozolânicas. Materiais com características
pozolânicas estão entre os mais utilizados para promover mecanismos de melhora
e otimização de desempenho de solos, qualquer que seja sua aplicação
(construções de barragens, obras rodoviárias, elementos de fundações, etc.) (Rosa,
2009). A compreensão das reações é difícil, mas se sabe que a cinza volante
desenvolve reações pozolânicas e que sua mistura com cal tem as mesmas
características de solo-cal.
Lopes (2011) estudou a aplicabilidade das cinzas volantes e de fundo
provenientes da queima de carvão mineral em termoelétricas. De acordo com
Pinto (1971 apud Lopes, 2011), a cinza volante (fly ash) é considerada como uma
pozolâna artificial. Sua definição, dada pela norma americana ASTM C618 é:
material silicoso ou silico-aluminoso, que por si só possui pouca ou nenhuma
capacidade de cimentação, porém em forma finamente dividida e na presença de
umidade, reage quimicamente com hidróxidos alcalinos e alcalinos terrosos, a
temperatura ambiente para formar ou ajudar na formação de compostos com
propriedades cimentantes.
O processo de hidratação e reação pozolânica em estabilização de solos
pode ser explicado da seguinte forma: quando a água entra em contato com o
cimento, a hidratação do mesmo ocorre rapidamente. Os principais produtos da
hidratação são os silicatos de cálcio hidratados (CSH), aluminatos de cálcio
hidratado (CAH), silicatos de alumínio de cálcio hidratado (CASH), e cal
hidratada [Ca(OH)2]. Esta hidratação leva ao aumento do valor do pH da água
presente nos poros do material, que é resultado da dissociação do Ca(OH)2. As
62
bases fortes dissolvem a sílica e alumina do solo e cinza volante de maneira
similar à reação entre um ácido fraco e uma base forte. (Saitoh et al, 1985 apud
Horpibulsuk et al, 2012). A sílica e alumina hidratadas em seguida irão reagir
gradualmente com o cálcio e íons liberados a partir da hidrólise do cimento, a
partir de compostos insolúveis (produtos de cimento secundários) e endurecer
com o tempo. Consequentemente, do ponto de vista econômico e ambiental,
alguns resíduos podem ser utilizados juntamente com materiais pozolânicos, como
a cinza volante, para desenvolver um material cimentante (Horpibulsuk et al,
2012).
Segundo Quispe (2013), ao se adicionar cal ou cimento ao solo tem-se a
redução da compressibilidade e aumento da resistência ao cisalhamento do
material, melhorando- se assim suas propriedades de engenharia. A densidade da
cinza volante de RSU é menor que a de outros materiais utilizados
convencionalmente em construções de aterros. Valores típicos de densidade para a
cinza volante de RSU estão na faixa de 1,7 – 2,4, enquanto que pra areia esse
valor é aproximadamente 2,65. Para aplicação como aterro sobre solos moles, por
exemplo, o uso da cinza se torna vantajoso, uma vez que o carregamento imposto
é diminuído, obtendo-se menores recalques.
Em obras geotécnicas como construção de aterros, em geral se utilizam solo
ou pedras como materiais de construção, e faz-se um sistema de drenagem
apropriado. Quando os solos não apresentam as propriedades geotécnicas
desejáveis, é comum se utilizar da prática de estabilização.
Goh e Tay (1993, apud Vizcarra, 2010) investigaram a possibilidade da
utilização da cinza volante de RSU em aplicações geotécnicas, como material de
aterro. Os autores relatam que o material apresenta os pré-requisitos necessários
para este tipo de aplicação, possuindo alta resistência e permeabilidade,
característica típica de materiais granulares, e menor densidade quando
comparado com os materiais convencionais. Também avaliou-se a possibilidade
de utilização da cinza volante em estabilização do solo, observando-se que as
misturas solo-cinza volante apresentaram menor compressibilidade e aumento da
resistência ao cisalhamento quando comparado com outros solos não tratados.
Através de ensaios de compressão não confinada, observou-se mudança na
resistência ao cisalhamento não drenada, que sofreu acréscimo com o tempo e
63
com o aumento no teor de cinza volante de RSU. Dos resultados de seus ensaios,
os autores sugerem que: (1) a cinza volante poderia ser utilizada para estabilizar
solos argilosos com um aumento de duas a três vezes a resistência do solo natural;
e (2) a cinza volante poderia ser utilizada em combinação com cimento ou cal, a
fim de se adquirir resistências maiores.
O principal problema referente ao uso da cinza de resíduo sólido urbano em
aterros é o mesmo citado anteriormente para aplicação em camadas de
pavimentos, que consiste na possibilidade de contaminação do solo e das águas
subterrâneas. Para avaliar a periculosidade deste material, Goh e Tay (1991, apud
Ferreira et al, 2003) compararam ensaios de lixiviação realizados para a cinza
volante de RSU pura e estabilizada com cal/cimento. Eles observaram que o
produto lixiviado da cinza volante pura não atendeu às normas de qualidade de
água potável e que a cinza volante estabilizada com cal/cimento apresentou
valores menores, não se detectando concentrações tóxicas. Porém, eles limitaram
seu estudo à análise somente da cinza volante pura de RSU, não observando o que
aconteceria com misturas solo-cinza volante, o que poderia dar uma indicação
mais precisa do comportamento de lixiviados de aterros construídos com esses
materiais. Uma das soluções que diversos autores propõem para o problema da
lixiviação de metais pesados é o tratamento prévio da cinza, através de lavagem.
Mangialardi (2001) utilizou a cinza volante de RSU não para fins
geotécnicos, mas também avaliou resultados da cinza com e sem pré-tratamento.
O autor aplicou a cinza volante como agregado para a produção de concreto, e em
seu estudo obteve como resultado que a cinza volante sem pré-tratamento não foi
adequada para ser utilizada como agregado, já a cinza que recebeu o tratamento
apresentou bons resultados e potencialidade de uso em concretos. De acordo com
o autor, a modificação da composição química da cinza volante de RSU através de
um tratamento de lavagem preliminar, representa um modo efetivo de melhorar as
características químicas e mecânicas do material.
Lam et al (2010) apresenta três métodos de tratamento que podem ser
utilizados com o objetivo de adequar os resíduos à reutilização e reduzir os
impactos ambientais, estes são: processo de separação, solidificação/estabilização
e métodos térmicos. Na prática, é comum se iniciar o tratamento das cinzas por
técnicas de separação, que consistem em melhorar a qualidade do resíduo através
64
de técnicas que incluem sua lavagem, processo de lixiviação e técnicas
eletroquímicas, seguindo-se seu beneficiamento com o tratamento térmico e
finalizando com a solidificação/estabilização. Este último se refere aos processos
que utilizam algum aditivo para imobilizar química e/ou fisicamente o conteúdo
perigoso presente nas cinzas.
Tastan et al (2011) estudaram a efetividade e os fatores que afetam o grau
de estabilização de solos orgânicos estabilizados com cinza volante. De acordo
com os autores, a construção de rodovias sob solos orgânicos pode ser
problemática, uma vez que estes em geral apresentam baixa resistência ao
cisalhamento e alta compressibilidade. Uma das soluções adotadas nestes casos, é
a remoção do solo e substituição deste por outro material, o que constitui um
procedimento dispendioso. Uma alternativa que se apresenta é a estabilização
química deste tipo de material. Dentre os ensaios realizados, os autores
apresentam resultados de ensaios de compressão não confinada realizados em
diversas misturas de solo-cinza. Foram utilizados três tipos de solos orgânicos e
seis tipos de cinza volante, e para todas as misturas estabilizadas com cada tipo de
cinza volante, os resultados de resistência se apresentaram significativamente
melhores que para o solo orgânico puro.
Em relação à cinza de fundo, sua maior aplicação tem sido em base de
rodovias ou aterros. Na Europa, este resíduo já é amplamente utilizado como
substituto de agregados, consequentemente, atualmente já existe uma base de
dados maior sobre suas propriedades físicas e químicas (Chandler et al 1997). Na
Alemanha, Dinamarca e Holanda, mais que 50% da cinza de fundo de RSU
gerada, é utilizada como material de base para rodovias e aterro. Nos Estados
Unidos sua utilização ainda não foi bem estabelecida, contudo, projetos
experimentais significativos têm sido desenvolvidos, nos quais as cinzas de fundo
são utilizadas como substitutos de agregados em misturas asfálticas, material de
sub-base para construção de estradas, aterros e aplicações marinhas (erosão
costeira) (Forteza et al, 2004).
Chandler et al (1997) destacam a importância de se avaliar a composição da
cinza de fundo bruta, pois dessa forma as comparações entre o resíduo, e outros
materiais utilizados como agregados, pode ser realizada. A determinação da
composição bruta geralmente envolve sua classificação visual, medição do teor de
65
água, avaliação da concentração de materiais ferrosos, dentre outros aspectos, que
são considerados como descrição da cinza de fundo bruta, e indica a qualidade
física e ambiental geral da cinza
Forteza et al (2004) realizaram uma análise física e química detalhada das
cinzas de fundo de RSU visando avaliar seu potencial de reuso. Seus resultados
indicaram que o uso deste resíduo para construção de estradas é praticável tanto
do ponto de vista ambiental como das propriedades estruturais do material. Eles
apresentam que em qualquer caso de efetiva utilização do material, alguns
aspectos devem ser considerados. Primeiramente, a cinza de fundo de RSU
apresenta tanto uma alta heterogeneidade, como variabilidade, que seus resultados
não podem garantir o comportamento da cinza em qualquer momento e sob
qualquer condição, sendo necessário, portanto, um contínuo controle das
principais propriedades químicas e de engenharia do material. Em segundo lugar,
a partir de alguns resultados eles puderam deduzir que uma gestão mais rigorosa
de coleta seletiva poderia dar origem a uma alteração significativa na composição
da cinza de fundo. Assim, uma redução da quantidade de vidro incinerado iria
reduzir o volume da cinza de fundo, a qual possui o vidro como componente
dominante. Eles destacam que com esse maior controle a cinza de fundo resultante
se tornaria um pó fino e as aplicações a serem consideradas seriam moderadas.
Por fim, os autores afirmam que o comportamento da cinza de fundo, em
pavimentação e em condições reais pode ser apenas avaliado através da realização
de seções experimentais, onde o comportamento a longo prazo tem que ser
também considerado.
Com o objetivo de descrever mais detalhadamente o comportamento
mecânico de cinzas de fundo de RSU para aplicação em camadas de pavimentos,
Becquart et al (2008) realizaram uma larga campanha experimental, que incluiu
ensaios e carga cíclica, oedométricos, e de cisalhamento triaxial. A cinza de fundo
foi estudada individualmente, sem e com um tratamento específico a base de
utilização de um agente ligante específico. Os resultados revelaram um
comportamento mecânico similar à materiais densos convencionais (areias,
materiais granulares não cimentados) e dependente da pressão média aplicada,
característica do comportamento mecânico de meios granulares. Os autores
destacam algumas características mecânicas observadas, como: elevada rigidez,
66
baixo índice de compressibilidade, e elevado ângulo de atrito, que está
relacionado principalmente ao embricamento dos grãos. Todas essas
características dão ao material uma aplicação semelhante ao cascalho natural,
classicamente utilizado em pavimentação. Os resultados para o material tratado
com teores de cimento variando de 1 a 5% seguiram as mesmas tendências
observadas em materiais que possuem uma base cimentante, cujo comportamento
se apresenta mais frágil. Os ângulos de atrito interno aumentaram tanto para
resistência de pico, como para grandes deformações, sendo estes parâmetros
dependentes do teor de cimento. Os autores destacam que a realização de ensaios
laboratoriais, como triaxiais, em cinzas de fundo representa um procedimento
delicado, devido à grande presença de pedaços de vidro angulares no material, que
podem levar a perfuração da membrana durante o ensaio.
Vizcarra (2010) utilizou cinzas volantes e de fundo de RSU provenientes da
mesma usina incineradora de resíduos do presente estudo (USINAVERDE). Seu
estudo teve como objetivo avaliar a aplicabilidade das cinzas de RSU para uso em
base de pavimentos rodoviários, através de misturas destas com um solo não-
laterítico regional. Foram realizados ensaios de caracterização física, química e
mecânica para o solo puro e para o mesmo com a adição de diferentes teores de
cinzas (20 e 40%). Ensaios ambientais de lixiviação e solubilização também
foram realizados, visando avaliar sua aplicabilidade do ponto de vista ambiental,
de forma a garantir a não periculosidade do material. Através destes, o autor
classifica ambas as cinzas como Resíduo Classe IIA – Não Inerte, o que as
classifica como resíduo não perigoso, mas devido ao fato de serem não inertes,
seria necessário um acompanhamento quando aplicadas em campo. As misturas
com inserção de cinzas apresentaram um comportamento mecânico compatível
com as exigências de um pavimento típico de baixo volume de tráfego. Através de
ensaios de módulo de resiliência o autor conclui que os resultados são
dependentes do teor de cinza, e esta pode melhorar ou piorar o comportamento do
solo. A adição da cinza ao solo influenciou favoravelmente em seu
comportamento, diminuindo sua expansibilidade, sendo que a adição de 40% de
cinza chegou a diminuir esta característica em até 0,5%. Os melhores resultados
obtidos foram em misturas com a cinza volante.
67
Fontes (2008) avaliou a potencialidade de aplicação da cinza volante de
RSU como aditivo mineral em concretos de alto desempenho e argamassas. Em
seus resultados, observou-se que a utilização deste resíduo proporciona melhoria a
todas as propriedades dos concretos, e além disso, os metais pesados presentes
nestes ficaram retidos nas matrizes cimentícias. A argamassa testada contendo a
cinza volante apresentou resultados mecânicos, físicos e de durabilidade
superiores à referência, o que poderia estar relacionado à ação física de
refinamento dos poros pela cinza. Assim como Vizcarra (2010), Fontes (2008)
realizou ensaios de lixiviação e solubilização na cinza utilizada, classificando-a
como Resíduo Classe II A – não inerte.
Ubaldo et al (2012) analisou a adição das cinzas volantes de RSU para
estabilização química de um solo residual com baixa capacidade de suporte. Os
autores relatam que, por apresentar teores médios de SiO2, Al2O3 e Fe2O3, elevado
teor de CaO e baixo teor de matéria orgânica, a cinza influencia favoravelmente o
mecanismo de estabilização química. Avaliou-se a influência da cinza na
resistência mecânica das misturas sobre dois aspectos: i) variando-se o tempo de
cura da mistura após a compactação e ii) variando-se o intervalo de tempo entre a
homogeneização da mistura e sua compactação. Segundo os autores, a qualidade
na estabilização da mistura solo-cinza volante depende muito das características
da cinza e do tipo de solo. Em relação à influência do tempo de cura do corpo de
prova moldado com solo-cinza volante de RSU, observou-se que a cinza funciona
como agente químico para estabilização do solo, aumentando a resistência
mecânica da mistura realizada tanto com solo argiloso, como com solo arenoso.
Quispe (2013) avaliou o comportamento de um solo argiloso estabilizado
com cinzas de RSU também provenientes da mesma usina do presente estudo.
Foram realizados ensaios de caracterização física, química e mecânica. Através de
ensaios triaxiais estáticos, analisou-se a influência dos dois tipos de cinzas, do teor
utilizado (20, 30 e 40%) e do tempo de cura (0, 30 e 60 dias) nos parâmetros de
resistência do material. Através de seus resultados, o autor conclui que todas as
misturas solo-cinza apresentam melhoria nos parâmetros de resistência, quando
comparados com o solo puro, sendo que as misturas solo-cinza volante
apresentam os melhores resultados. As misturas com 40% de cinza volante e 30%
de cinza de fundo apresentaram as melhores características de resistência e
68
poderiam ser utilizadas como estabilizante no solo estudado, cumprindo
exigências geotécnicas e ambientais. Com relação ao tempo de cura, o autor
observou que na maioria dos casos houve uma melhora do comportamento das
misturas solo-cinza em comparação ao obtido sem cura. O teor de cinza (volante
ou de fundo), tempo de cura e a tensão de confinamento influenciam na
deformação volumétrica das misturas solo-cinza, apresentando menores
deformações volumétricas para maiores teores de cinza e maiores tempos de cura.
Através da realização de ensaios físicos, químicos e mecânicos, Dourado
(2013) estudou as cinzas de fundo de RSU para aplicação em obras de
pavimentação. Para tal, foram testadas misturas da cinza de fundo a um solo
granular inadequado para uso como material de fundação em pavimentos. Foram
analisados o solo puro, misturas solo-cinza de fundo (20 e 40%) e solo-cinza de
fundo-cal (20% de CF e 3% de cal). Observou-se que as misturas de solo-cinza de
fundo apresentaram comportamento semelhante ao do solo puro, o que pode estar
relacionado ao baixo grau de pozolanicidade das cinzas de fundo, atuando, então,
somente como melhoria granulométrica. A adição de cal mostrou um aumento
considerável nos parâmetros estudados, quando comparado ao solo puro e outras
misturas.
2.7 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Na revisão bibliográfica do presente estudo, foi mencionada a problemática
atual sobre a geração e disposição de resíduos sólidos urbanos (RSU) no Brasil,
bem como seus impactos quando não há se tem o gerenciamento correto do
mesmo. Além disso, apresentou-se uma das soluções adotadas atualmente para o
tratamento do RSU, que consiste em sua incineração, e os produtos resultantes
desse processo, que são as cinzas volante e de fundo de RSU. É dada ênfase às
pesquisas e possíveis aplicações das cinzas de RSU e aos diferentes métodos de
estabilização de solos, onde pode-se aplicar as cinzas, comparando-as com outros
aditivos estabilizadores, como cal, cimento e cinzas de carvão. A maioria dos
estudos já realizados com cinzas de RSU visam sua utilização para obras de
69
pavimentação, mas existem também outras aplicabilidades a serem estudadas,
como o uso destes materiais para uso em aterros sobre solos moles, camadas de
aterros sanitários, estabilização de taludes, dentre outras. Nesta revisão relataram-
se também pesquisas de diversos autores que vêm sendo realizadas, e em diversos
países. Através das pesquisas já realizadas, a utilização de cinzas de RSU em
obras geotécnicas tem se mostrado viável, contribuindo para um menor custo das
obras e uma destinação ambientalmente correta para o resíduo. Vale ressaltar que
por se tratar de um resíduo que possui variações em sua constituição, é
imprescindível a realização de ensaios de caráter ambiental, para se garantir a
aplicabilidade do mesmo.
70
3. PROGRAMA EXPERIMENTAL
O programa de ensaios estabelecido teve como principal objetivo identificar
o efeito da adição de dois tipos de cinzas de RSU nas propriedades de resistência
e deformabilidade de um solo arenoso, bem como analisar a influência destas na
presença de cal. Para tal, foram feitas misturas areia-cinza e areia-cinza-cal,
variando-se as porcentagens das cinzas estudadas e aplicando-se 3% de cal nas
misturas onde esta foi utilizada. Para as misturas com cal, também se objetivou
analisar a influência do tempo de cura nas propriedades dos materiais. Para as
misturas solo-cinza-cal adotou-se tempos de cura de 0, 60 e 90 dias.
Dessa forma, primeiramente foram realizados ensaios de caracterização
física do solo puro e misturas, com o intuito de se obter os índices físicos de todos
os materiais envolvidos na pesquisa e evidenciar os parâmetros que possam se
correlacionar com o real desempenho mecânico destes. Posteriormente, foi
realizado o estudo do comportamento dos materiais através dos resultados dos
ensaios de caracterização mecânica, que consistiram em ensaios triaxiais
consolidados isotropicamente drenados (CID).
As etapas propostas para este programa experimental, assim como os
materiais utilizados na presente pesquisa, e métodos de execução dos ensaios e
equipamentos utilizados serão descritos a seguir.
Para o desenvolvimento deste programa experimental, os ensaios foram
realizados no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da Pontifícia
Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio).
3.1 MATERIAIS UTILIZADOS
Foram utilizados quatro tipos de materiais distintos, sendo estes: solo
arenoso (A), cinza volante (CV), cinza de fundo (CF) e cal. Trabalhou-se com
estes materiais puros e misturas decorrentes destes com diferentes teores de cinzas
71
e um teor de cal determinado em 3%. É sabido que mesmo pequenas porcentagens
de cal já influenciam significativamente no comportamento mecânico de
materiais, desta forma, optou-se pela utilização de uma porcentagem mínima
observada em pesquisas anteriores.
3.1.1 Solo Arenoso
O solo arenoso (Figura 3.1) utilizado na presente pesquisa é procedente da
praia da Barra da Tijuca, localizada na zona oeste da cidade do Rio de Janeiro-RJ.
A coleta do material foi realizada entre os postos 5 e 6, em frente ao condomínio
Beton. Para realização da coleta, procedeu-se a escavação de uma trincheira com
cerca de 40 cm de profundidade a fim de se evitar que eventuais impurezas
também fossem coletadas, e armazenou-se o solo em sacos plásticos. Os
resultados da caracterização deste material são apresentados no capítulo seguinte.
A Figura 3.2 ilustra o local de coleta do material.
Figura 3.1 – Solo arenoso em estudo.
72
Figura 3.2 – Local de coleta do material na praia da Barra da Tijuca - RJ.
3.1.2 Cinza Volante e Cinza de Fundo
A cinza volante e a cinza de fundo são provenientes da incineração do
resíduo sólido urbano (RSU) na Usinaverde, que se localiza na Ilha do Fundão –
Rio de Janeiro-RJ.
A incineração e coleta foram realizadas no mês de Abril/2013. As Figuras
3.3 e 3.4 ilustram a cinza volante e a cinza de fundo de RSU, respectivamente.
Pode-se observar a presença de um material mais grosseiro e restos de resíduos
como pedaços de vidro, fios de ferro, pilhas, azulejo, etc, na cinza de fundo.
Devido à presença destes materiais grosseiros, a cinza de fundo foi destorroada e
passada na peneira #4 (4,74 mm) anteriormente ao início de todos os ensaios
descritos adiante.
Ambas as cinzas foram recebidas úmidas, armazenadas em sacolas plásticas.
73
Figura 3.3 – Cinza Volante de RSU.
Figura 3.4 – Cinza de Fundo de RSU.
3.1.2.1 A Produção de Cinzas de RSU
A Usinaverde se localiza na Cidade Universitária da UFRJ – Ilha do Fundão
– Rio de Janeiro-RJ, e tem como objetivo apresentar soluções ambientais para a
destinação final de resíduos sólidos urbanos e industriais, através do processo de
incineração com recuperação energética e tratamento dos gases de combustão.
O RSU utilizado na Usinaverde é coletado pela Companhia Municipal de
Limpeza Urbana do Rio de Janeiro (COMLURB), e provém dos bairros
adjacentes à Ilha do Fundão. Após coleta, o lixo é levado para uma usina de
triagem localizada no bairro Caju/RJ, e daí é separado o material que será levado
para incineração. Todavia, ao chegar à Usinaverde, o material passa por uma
segunda etapa de triagem, onde materiais recicláveis que, eventualmente, não
74
tenham sido separados na primeira fase de triagem, são segregados. Neste
processo, são ainda reciclados aproximadamente 5% do montante de resíduos que
chegam à Usinaverde, sendo o restante destinado à incineração.
3.1.2.2 Processo de Incineração
A descrição do processo de incineração aqui apresentado baseia-se em
Fontes (2008), que utilizou as mesmas cinzas de resíduo sólido urbano aqui
estudadas, e em informações fornecidas pela própria Usinaverde para execução do
presente trabalho.
O RSU recebido em caminhões basculantes, é descarregado na moega da
balança, onde tem sua vazão de descarga controlada. O RSU que sai da balança
passa num tambor rotativo, onde é fragmentado e homogeneizado para facilitar a
coleta manual de recicláveis sobre uma esteira transportadora. Após a coleta, os
resíduos (matéria orgânica e resíduos combustíveis não recicláveis) passam por
um detector metálico e são encaminhados através de uma esteira elevatória para
dentro do forno de incineração, que opera a uma temperatura sempre maior que
850ºC. Durante o processo de combustão, são produzidas duas cinzas: cinza de
fundo e cinza volante.
A cinza de fundo (bottom-ash) é depositada no fundo da câmara de pós-
combustão, encaminhada ao tanque de decantação e disposta em caçambas. Os
gases quentes e a cinza volante (fly-ash) são exauridos da câmara de pós-
combustão e aspirados para a caldeira de recuperação onde ocorre o
aproveitamento energético dos gases de combustão com geração de vapor
superaquecido de alta temperatura e pressão que é usado no acionamento de um
turbogerador para geração de energia elétrica.
Após a caldeira, os gases são aspirados através de um filtro de mangas, onde
a totalidade das cinzas volantes é retirada dos gases de combustão e recolhida em
caçambas para posterior destinação. Na saída do filtro de mangas, após passarem
pelo exaustor de gases são injetados nos lavadores, onde em contato com águas de
lavagem alcalinizadas têm seus componentes ácidos removidos e são lançados na
atmosfera através da chaminé.
Ao final do processo de incineração são obtidos 15%, em massa, das duas
cinzas, que representam cerca de 80% de cinza pesada e 20% de cinza volante.
75
Atualmente, ambas as cinzas estão sendo estudadas para se avaliar sua
aplicabilidade, em obras como pavimentação e em fabricação de tijolos e pisos,
por exemplo. Anteriormente, ambas as cinzas eram encaminhadas ao aterro
sanitário de Gramacho.
3.1.3 Cal
A cal utilizada nas misturas deste estudo é a cal hidratada calcítica, do tipo
CH-III, conhecida comercialmente por “Cal Hidratada Itaú”, da Votorantim
Cimentos, cuja composição consiste em um pó fino na forma de hidróxido de
cálcio e magnésio. Sua fabricação é feita segundo as exigências da NBR
7175/2003 – Cal Hidratada para Argamassas. Na Tabela 3.1 estão apresentados os
dados técnicos fornecidos pelo fabricante, de acordo com as exigências da norma.
Na presente pesquisa não foi feito nenhum ensaio de caracterização
particular da cal utilizada, acreditando-se que o lote comercial empregado atende
os requisitos da especificação. A cal foi adquirida em Abril de 2013 em saco de
20kg e durante todo o estudo foi utilizada a mesma amostra.
76
Tabela 3.1 - Exigências físicas e químicas da cal (Fonte: Sandroni & Consoli, 2010)
Tipo da Cal CH I CH II CH III
Exigência Físicas
Finura (% Retido
Acumulado)
Peneira 0,6mm
(máx) 0,50% 0,50% 0,50%
Peneira 0,075mm
(máx) 10% 15% 15%
Retenção de Água (mín) 75% 75% 70%
Incorporação de Areia (mín) 3,00% 2,50% 2,20%
Estabilidade ausência de cavidades ou protuberâncias
Plasticidade (mín) 110 110 110
Exigências Químicas
Anidrido
Carbônico (CO2)
Fábrica (máx) 5% 5% 13%
Depósito (máx) 7% 7% 15%
Óxidos de Cálcio e Magnésio não
hidratado calculado (CaO +MgO)
(máx)
10% 15% 15%
Óxidos totais na base de não voláteis
(CaOt + MgOt) (mín) 90 88 88
3.1.4 Água
A água utilizada na preparação das misturas para realização dos ensaios
triaxiais foi proveniente da rede pública de abastecimento da cidade do Rio de
Janeiro. Já para os ensaios de caracterização física, utilizou-se água destilada,
conforme especificações em normas.
3.1.5 Misturas Solo-Cinza
Para realização dos ensaios e preparação das misturas, tanto o solo como as
cinzas foram secados em estufa a 60°C e logo após armazenados e etiquetados em
sacos plásticos bem vedados e mantidos na câmara úmida. Para preparação das
misturas solo-cinza, calculou-se a quantidade de cada material individualmente
em relação a massa seca total que seria utilizado. Após a mistura a seco,
realizaram-se os ensaios de caracterização física, química e mecânica como
descritos mais adiante. Para os ensaios mecânicos, adicionou-se a quantidade de
77
água necessária para se obter a umidade determinada para o ensaio, e logo depois
armazenou-se o material em sacos plásticos, a fim de se preservar a umidade
deste. As porcentagens de cinza volante e de fundo utilizadas foram de 30% e
40%.
A determinação das porcentagens de ambas as cinzas utilizadas foram
baseadas nas pesquisas feitas por Vizcarra (2010), que avaliou a influência das
cinzas de RSU em mistura com um solo regional, submetido a um carregamento
dinâmico, para aplicação em base de pavimentos rodoviários, encontrando
melhores resultados quando utilizado 40% de cinza volante; e Quispe (2013), que
avaliou a influência das mesmas em mistura com um solo argiloso, submetido a
um carregamento estático, tendo como principal objetivo avaliar a influência
destas misturas para possíveis aplicações em obras geotécnicas, encontrando
melhores resultados para cinza volante em 40% e cinza de fundo em 30%.
A determinação da umidade a ser utilizada nos ensaios foi feita através do
ensaio de cisalhamento direto no solo arenoso puro. Foram feitos ensaios com o
solo apresentando 5, 10, 15 e 20% de umidade, obtendo-se melhor resistência do
material quando este apresentava 10% de umidade. Dessa forma, determinou-se
esta porcentagem para realização do ensaio em todas as misturas e solo puro.
3.1.6 Misturas Solo-Cinza-Cal
O teor de cal adotado foi de 3%, em substituição ao peso seco das cinzas.
Todo o processo para realização dos ensaios e preparação das misturas se deu
igualmente às misturas solo-cinza. A Tabela 3.2 apresenta as siglas que
descrevem os materiais utilizados na presente pesquisa.
78
Tabela 3.2 – Símbolos utilizados para os solos e misturas.
Material/Mistura % Solo
% Cinza
Volante
(CV)
% Cinza
de Fundo
(CF)
Cal Símbolo
Solo Arenoso 100 - - - A100
Mistura 1 70 30 - - CV30A70
Mistura 2 60 40 - - CV40A60
Mistura 3 70 - 30 - CF30A70
Mistura 4 60 - 40 - CF40A60
Mistura 5 70 27 - 3 CV27Cal3A70
Mistura 6 70 27 - 3 CV27Cal3A70_PM
Para as misturas com tempos de cura de 0, 60 e 90 dias foram adicionadas
as siglas T0, T60 e T90, respectivamente. Para as misturas pré-moldadas (Método
2 apresentado na Figura 3.14), adicionou-se ainda a sigla PM ao símbolo desta.
A Mistura 6 possui a mesma composição que a Mistura 5, e ambas foram
submetidas a tempo de cura, porém se diferem no modo de moldagem do corpo de
prova. Os métodos de moldagem serão descritos a seguir no item 3.2.3.
3.2 MÉTODOS E PROCEDIMENTOS DE ENSAIO
Serão apresentadas a seguir todas as etapas referentes aos ensaios realizados
neste trabalho, bem como a descrição detalhada dos procedimentos utilizados, e
normatização seguida para realização destes.
O objetivo da realização deste programa experimental foi o de se obter a
caracterização física, química e mecânica do solo e misturas solo-cinza e solo-
cinza-cal, avaliando-se seu comportamento através de ensaios triaxiais
consolidados isotropicamente drenados e se obtendo seus parâmetros de
resistência, para se avaliar a aplicabilidade das cinzas de fundo e volante como
estabilizantes do solo em estudo. Foram determinados diversos teores para o
resíduo com o intuito de se analisar a melhoria ou não dos parâmetros de
resistência de cada tipo de material, a fim de se estabelecer uma melhoria máxima
com o maior volume de resíduos, visto que um dos maiores objetivos aqui
79
apresentados é se dar uma destinação ambientalmente correta à maior quantidade
possível desse material.
Abaixo são apresentados os ensaios laboratoriais realizados para
caracterização física e mecânica dos solos e misturas estudadas:
a) Propriedades físicas e de classificação dos materiais:
- Densidade real dos grãos;
- Índice de vazios máximo e mínimo do solo;
- Análise granulométrica.
b) Propriedades mecânicas:
- Ensaio triaxial consolidado isotropicamente drenado;
3.2.1 Ensaios de Caracterização Física
Com o objetivo de se determinar as propriedades índice da amostra de solo
arenoso, proveniente da praia da Barra da Tijuca – Rio de Janeiro/RJ, e das
misturas estudadas, foram executados ensaios de caracterização física do material
no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio. Os materiais foram
preparados conforme procedimentos normatizados pela Associação Brasileira de
Normas Técnicas (ABNT). Os ensaios realizados seguiram os métodos
estabelecidos pelas seguintes normas:
NBR 6457/1986 – Amostras de Solos – Preparação para Ensaios de
Compactação e Caracterização;
NBR 7181/1984 – Solo – Análise Granulométrica;
NBR 6508/1984 - Solo - Determinação da densidade real dos grãos;
NBR 12004/1990 – Solo – Determinação do índice de vazios máximo
de solos não coesivos;
NBR 12051/1991 – Solo – Determinação do índice de vazios mínimos
de solos não coesivos.
80
3.2.1.1 Densidade Real dos Grãos
Para determinação da densidade real dos grãos do solo, misturas solo-cinza
e solo-cinza-cal, utilizou-se o material passante na peneira #40 (0,425 mm),
adotando-se os procedimentos descritos segundo a norma NBR 6508 (ABNT,
1984).
Do material passante na peneira #40, seco em estufa a 105°C, utilizou-se
aproximadamente 100 gramas. Posteriormente, colocou-se 30g da amostra de
material em três picnômetros de 250ml, e adicionou-se água a este de forma que o
solo ficasse totalmente submerso. Através de uma válvula à vácuo, realizou-se o
processo de deaeração da mistura, a fim de se retirar todo ar presente nos vazios
do solo. Completou-se o volume restante com água destilada de maneira lenta, a
fim de garantir que não houvesse entrada de ar. Após imersão dos picnômetros em
banho-maria para equalização da temperatura, que baixou devido aplicação de
vácuo, pesou-se cada conjunto (picnômetro+solo+água). Obtido este valor,
descartou-se o material e encheu-se o picnômetro com água destilada, pesando-se
em seguida o novo conjunto (picnômetro+água). A temperatura da água foi
determinada através de um termômetro, e garantiu-se que o valor desta na
equalização do primeiro conjunto, fosse igual ao do segundo, durante o banho-
maria. Os resultados obtidos para todos os materiais envolvidos são apresentados
no capítulo 4.
3.2.1.2 Análise Granulométrica
Para a determinação da curva granulométrica do solo e cinzas puras, e
misturas realizadas, peneirou-se 1000 gramas do material na peneira #40 (0,425
mm), seguindo a norma NBR 7181 (ABNT, 1984).
O material retido na peneira foi lavado e posteriormente secado por 24h em
estufa a 105 °C, realizando-se o peneiramento grosso logo após este período.
Do material passante na peneira #40, utilizou-se 70 gramas para a
sedimentação, sendo este misturado com 125 ml de uma solução de
hexametafosfato de sódio e deixado em repouso pelo menos durante 12 horas.
Após este processo, submeteu-se o material à dispersão mecânica, transferindo-o
81
em seguida para uma proveta de 1000ml onde o restante do volume foi
completado com água destilada para então serem feitas as devidas leituras.
Depois de realizada a sedimentação, todo o material foi lavado na peneira
#200, e o que ficou retido foi levado à estufa, para quando seco, proceder-se com
o peneiramento fino.
Para o solo arenoso em estudo só foi necessária a realização do
peneiramento grosso. Devido ao fato das cinzas estudadas serem constituídas por
fração grossa e fina, realizou-se este ensaio por meio da granulometria conjunta,
que engloba as etapas de peneiramento e sedimentação para estas e misturas solo-
cinza.
3.2.1.3 Índice de vazios máximos e mínimos
Para determinação dos índices de vazios máximos e mínimos, tanto do solo
puro, como das misturas, fez-se uso de um funil, cilindro metálico e uma mesa
vibratória. Primeiramente, foram obtidas as dimensões do cilindro metálico, a fim
de se calcular seu volume interno, e seu peso.
A determinação do índice de vazio máximo procedeu-se segundo a NBR
12004/1990. Inicialmente a amostra de material foi homogeneizada, e com o
auxílio de um funil despejou-se o mesmo no cilindro metálico, de forma que a
altura de queda do material se mantivesse constante, e este permanecesse num
estado tão fofo quanto possível. Neste processo, o funil foi movido segundo uma
trajetória constante em movimento circular, da borda para o centro do molde, de
forma que as camadas fossem compostas de espessuras uniformes. Preencheu-se o
molde até 1 a 2 cm acima do topo e retirou-se o excesso de material com o auxilio
de uma régua biselada. Após este processo se pesou o conjunto.
A determinação do índice de vazio mínimo procedeu-se segundo a NBR
12051/1991. O processo inicial de homogeneização e o método de utilização do
funil para despejo do material no cilindro se deram da mesma forma que a descrita
para o índice máximo. Com o auxílio do funil, primeiramente preencheu-se 1/3 do
volume de cilindro, colocando-se em seguida um disco-base e um peso em seu
interior para aplicar uma sobrecarga no material, e fixou-se o cilindro à uma mesa
vibratória por aproximadamente 1 min. O processo foi repetido por 3 camadas, até
82
que o cilindro fosse preenchido até 1 a 2 cm acima do topo. Após esse processo,
retirou-se o excesso de material e pesou-se o conjunto.
Para ambos os índices, o processo foi repetido três vezes, a fim de se ter
uma maior precisão no resultado. O valor final calculado para os mesmos
consistiu numa média das três repetições.
3.2.2 Ensaios de Caracterização Química
A fim de se determinar os componentes químicos, classificar e definir a
existência ou não de periculosidade das mesmas cinzas provenientes da queima de
resíduo sólido urbano estudadas no presente trabalho, Vizcarra (2010) realizou
ensaios de “Espectometria de fluorescência de Raios-X por Energia Dispersiva
(EDX)”, “Ensaio para determinação de matéria orgânica” e “Ensaio de
Solubilização e Lixiviação” na cinza de fundo e cinza volante.
Estes ensaios são de grande relevância, uma vez que a classificação do
resíduo como perigoso ou não perigoso, e inerte ou não inerte define a escolha do
tipo de disposição final que este deve ter e suas aplicações.
Para a presente pesquisa não se fez necessária a repetição de todos estes
ensaios, devido ao fato das cinzas serem provenientes da mesma usina e produto
da incineração do mesmo tipo de resíduo sólido urbano, optando-se então somente
pela realização do ensaio para se analisar a composição química do material.
Os resultados obtidos por Vizcarra (2010) para a caracterização química das
cinzas são apresentados no capítulo 4.
3.2.2.1 Composição Química
A fim de se analisar as concentrações dos elementos químicos das cinzas, e
o resultado de possíveis reações entre cinza-cal, foram realizados ensaios de
Espectrometria de fluorescência de Raio-X por Energia Dispersiva (EDX)” para
as cinzas puras e a mistura cinza-solo-cal estudada.
Este ensaio permite a determinação da composição química total das
amostras.
O espectrômetro de fluorescência de raios-X é um instrumento que
determina qualitativamente e semi-quantitativamente os elementos presentes em
83
uma determinada amostra. Isto é possível através da aplicação de raios-X na
superfície da amostra e a posterior análise dos fluorescentes raios-X emitidos.
Esta se trata de uma técnica não destrutiva para todos os tipos de amostras,
incluindo sólidos, líquidos ou pós.
O modelo do equipamento utilizado para realização destes ensaios para a
presente pesquisa é o EDX-700, pertencente ao Laboratório de Química da PUC-
Rio.
3.2.3 Ensaio de Caracterização Mecânica
3.2.3.1 Resistência ao Cisalhamento
A resistência ao cisalhamento de um solo pode ser definida como a máxima
tensão de cisalhamento que o solo pode suportar sem sofrer a ruptura, ou a tensão
cisalhante no plano em que a ruptura estiver ocorrendo. Esta resistência depende
do peso, da tensão normal atuante, e do grau de “aspereza” da superfície de
contato, ou seja, do atrito entre as partículas do solo. No entanto, a atração elétrica
existente entre as partículas, pode provocar uma resistência que independe da
tensão normal atuante no plano e que constitui uma coesão real. Esta, deve ser
diferenciada da chamada coesão aparente, que constitui uma parcela da resistência
ao cisalhamento de solos úmidos não saturados (Pinto, 2006).
Para se obter a tensão de ruptura na análise de resistência, pode-se analisar o
pico das curvas tensão versus deformação traçadas em função da diferença de
tensões principais (σ1-σ3) ou da relação σ1/σ3, dependendo da finalidade do ensaio
(Dias, 2007). A relação σ1/σ3 é preferencialmente usada para solos argilosos, em
ensaios não drenados, em que a tensão desviatória continua a aumentar para
grandes deformações. Outras “opções de ruptura” podem ser escolhidas, como a
resistência residual ou a resistência obtida para cisalhamento a volume constante,
ou seja, na condição de estado crítico, ou ainda definida a partir das deformações
máximas permissíveis no projeto em questão (Head, 1986 apud Dias, 2007). A
Figura 3.5 apresenta os critérios para determinação de ruptura.
84
Figura 3.5 – Diferentes critérios para definição de ruptura (Head, 1986 apud Dias, 2007)
3.2.3.2 Ensaio de Compressão Triaxial
O ensaio de compressão triaxial é um dos mais confiáveis para a determinação
dos parâmetros de resistência ao cisalhamento. Segundo Das (2007) existem três
tipos padrões de ensaios triaxiais: ensaio adensado drenado (CD); adensado não-
drenado (CU); não adensado e não drenado (UU).
Por Lambe e Whitmam (1969), resume-se este ensaio como: a câmara
cilíndrica de pressão é composta de um cilindro de acrílico transparente, fixo por
parafusos metálicos. O corpo de prova de solo é envolto por uma membrana de
borracha flexível a qual impede que o fluido penetre nos poros do solo. No
interior da câmara o corpo de prova é submetido primeiramente a uma tensão
hidrostática confinante, seguido de sucessivos incrementos de tensão axial. O
ensaio finaliza quando o corpo de prova rompe por cisalhamento. A Figura 3.6
mostra a seção típica de uma câmara triaxial.
85
Figura 3.6 – Seção de uma câmara triaxial (Bishop e Bjerrum, 1960 apud Das, 2007).
A tensão confinante pode ser aplicada por um fluido ou por compressão a
ar. O sistema de drenagem é composto por duas pedras porosas postas na base e
no topo do corpo de prova, além de tubos condutores ligados externamente à
câmara. A tensão axial é aplicada por um pistão localizado na parte superior da
câmara triaxial sob duas formas:
Aplicação de pesos ou pressão hidrostática em incrementos iguais
até o rompimento do corpo de prova;
Aplicação da deformação axial a uma taxa constante através de
uma pensa de carregamento mecânico ou hidráulico (ensaio de
deformação controlada).
Com o objetivo de se verificar as propriedades mecânicas dos materiais e
misturas estudadas, para determinação da viabilidade do emprego destas em obras
geotécnicas como as citadas anteriormente, foram realizados ensaios triaxiais do
tipo consolidado isotropicamente drenado (CID). Todos os ensaios foram
executados no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio.
Foram realizados 28 ensaios triaxiais, cujos resultados são apresentados no
Capítulo 4. Porém, a quantidade total de ensaios realizados foi significativamente
86
superior, mas que devido a diferentes tipos de problemas inerentes a estudos
experimentais, não puderam ser utilizados.
Inicialmente objetivava-se a realização de ensaios em misturas solo-cinza
também com teor de 50% de cinza de fundo e volante, bem como misturas solo-
cinza de fundo-cal e ensaios com tempo de cura de 120 dias. Alguns problemas
enfrentados, que impossibilitaram a realização de todos os ensaios previstos, e
causaram a perda de outros realizados, foram, dentre outros: (i) problemas na
saturação do corpo de prova devido entupimento das linhas do equipamento
triaxial, e resolução deste problema tardiamente; (ii) contínuos problemas no
compressor do laboratório; (iii) perda de leituras dos ensaios por problemas
ocorridos no computador; (iv) perfuração da membrana durante o ensaio, gerando
dados incorretos; (v) disponibilidade de prensas triaxiais; (vi) problemas na
conexão da célula de carga e LVDT ao sistema de aquisição de dados.
A seguir, descrevem-se os equipamentos utilizados nestes ensaios e
metodologias empregadas para preparação dos corpos de prova, processo de
saturação e carregamento.
3.2.3.3 Ensaios Triaxiais CID
a) Equipamento utilizado
A prensa utilizada é da marca Wykeham-Ferrance de velocidade de
deslocamento controlada, com capacidade de 10 toneladas. O ajuste das
velocidades de deslocamento do pistão é determinado mediante a seleção
adequada de pares de engrenagens e respectiva marcha (Ramírez, 2012).
A câmara triaxial empregada é própria para corpos de prova com diâmetro
de 1,5” e possui um corpo de acrílico que suporta uma pressão confinante máxima
de 1000 kPa (Ramírez, 2012).
A célula de carga utilizada é do fabricante ELE International Ltda., com
capacidade máxima de 5000 kN e exitadão de 0,1 kN. Para a obtenção dos
deslocamentos foram utilizados LVDT´s da marca Wykwham-Farrance, com
cursos de 25 mm com resolução de precisão de 0,01 mm. O transdutor usado na
medida das pressões na câmara, no medidor de variação de volume e das
87
poropressões são da marca Schaevitz, com variações de ± 2,0 kPa e capacidade
máxima de 1700 kPa (Ramírez, 2012).
As variações de volume são obtidas através de medidores de variação
volumétrica (MVV), fabricados na PUC-Rio, segundo o modelo do Imperial
College. Todas as partes do equipamento são apresentadas na Figura 3.7.
Para a gravação dos dados, obtidos por intermédio dos transdutores, foi
utilizado o sistema de aquisição de dados composto pelo hardware QuantumX de
oito canais da empresa alemã HBM e pelo software CatmanEasy. Este sistema
permite o monitoramento contínuo de todos os dados e comportamento dos corpos
de prova durante todas as etapas do ensaio.
Figura 3.7 – (a) Medidor de Variação de Volume; (b) Painel de controle das pressões; (c)
Câmara de acrílico; (d) Corpo de prova; (e) Transdutor de Pressão; (f) LVDT; (g) Conjunto de
engrenagens para aplicação da velocidade de cisalhamento.
b) Preparação dos corpos de prova
I. Misturas sem cura:
A confecção dos corpos de prova do solo arenoso puro e misturas deste com
os diversos tipos e teores de cinza, foi realizado por compactação, diretamente em
88
um molde cilíndrico tripartido (Figura 3.8). Esta compactação foi realizada
manualmente em aproximadamente 6 camadas. Tanto para areia pura como as
misturas, os valores de umidade e densidade relativa adotados foram de 10% e
50%, respectivamente.
Figura 3.8 – Molde tripartido.
Antes da moldagem de cada corpo de prova, calculou-se a quantidade de
material necessária para o preenchimento do molde cilíndrico tripartido de forma
que os parâmetros de compactação indicados anteriormente fossem seguidos.
Devido à presença de um material mais grosseiro na cinza de fundo, como
dito anteriormente, esta foi primeiramente passada na peneira #20 (0,84 mm). O
material retido (Figura 3.9) foi descartado e o material passante foi utilizado para
realização dos ensaios triaxiais.
Figura 3.9 – Material presente na cinza de fundo descartado antes do ensaio triaxial.
A Figura 3.10 ilustra as etapas da montagem dos corpos de prova, que se dá
diretamente no equipamento triaxial.
89
Moldagem dos corpos de prova do solo puro e misturas (Método M1).
1 – Coloca-se a
membrana na base do
equipamento e insere-se
o’rings para vedação da
mesma, com o auxilio de
um bipartido. .
2 – Fixa-se o molde
tripartido na mesma base,
com o auxilio de uma
abraçadeira metálica.
3. Vedam-se as juntas
com uma fita adesiva e
dois dos três furos de
acesso ao interior do
molde. Colocam-se dois
o’rings na parte superior
do molde tripartido e
ajusta-se a membrana por
cima deste.
4. Para que seja possível a
inserção do material e
moldagem do mesmo,
conecta-se uma bomba a
vácuo ao tripartido, e
aplica-se sucção na
membrana.
5 – Com a membrana
succionada, coloca-se o
papel filtro sobre a pedra
porosa da base e inicia-se
o processo de moldagem
do corpo de prova através
de compactação das
camadas, sendo estas de
um total de seis.
6 - Após corpo de prova
moldado, coloca-se o
papel filtro, pedra porosa
e o cap na parte superior
do mesmo, e em seguida
ajusta-se a membrana ao
redor do cap, fixando-a
através dos o’rings.
7 – Desmontam-se todos
os acessórios que
auxiliam a moldagem do
corpo de prova.
8 – A câmara triaxial é
colocada no equipamento,
vedada e preenchida com
água.
Figura 3.10 – Processo de moldagem do corpo de prova para ensaio triaxial.
II. Misturas com cura:
Os ensaios com cura foram realizados somente para uma mistura, contendo
o teor de 27% de cinza volante, 3% de cal e 70% de solo (CV27Cal3A70),
variando-se o tempo de 0 a 90 dias. Foram adotados dois métodos distintos (M1 e
M2) para se avaliar a influência do tempo de cura na resistência do material.
Inicialmente para os ensaios com cura, procedeu-se à preparação da mistura
solo-cinza-cal como descrito nos itens 3.1.5 e 3.1.6, adicionando-se a quantidade
90
de água adequada para se obter o teor de umidade definido. Armazenou-se o
material em sacos plásticos bem vedados, que foram levados à câmara úmida e
mantidos lá ate atingirem o tempo de cura desejado para ensaio, sendo então o
corpo de prova moldado como descrito na Figura 3.10.
Quando o material atingiu o primeiro tempo de cura, que foi determinado de
60 dias, observou-se que se formaram grumos na massa total do material, o que
indicaria uma maior “adesão” entre as partículas. Porém, devido ao método de
preparação do corpo de prova para ensaios triaxiais com areia, estes grumos
tiveram que ser desfeitos, e acredita-se que este processo pode ter interferido na
resistência que o material curado apresentaria se não tivesse sido destorroado.
Dessa forma, pensou-se em um segundo método para realização de ensaios com
cura para a areia.
Para o segundo método (M2), após preparação da mistura, esta foi
armazenada em sacos plásticos e mantida durante um dia na câmara úmida, para
se obter uma maior homogeneização da umidade. Após este processo, foi feita a
pré- moldagem dos corpos de prova fora do equipamento triaxial, para que estes
fossem curados já prontos para serem ensaiados após o tempo determinado. O
passo a passo da moldagem do corpo de prova para este método é descrito a
seguir nas Figura 3.11 e 3.12.
91
Moldagem dos corpos de prova para misturas solo-cinza-cal com cura (Método M2)
1 – Fizeram-se diversos
moldes bipartidos de tubo
PVC com as mesmas
dimensões do molde
tripartido utilizado
anteriormente, e uma base
para moldagem do corpo
de prova.
2 – Fixou-se a membrana
à base.
3. Inseriu-se o bipartido
de PVC ao conjunto.
4. Vedou-se as juntas com
uma fita adesiva e
acomodou-se a membrana
na parte superior do tubo.
5 – Conectou-se a bomba
a vácuo ao bipartido e
aplicou-se sucção na
membrana.
6 – Com a membrana
succionada, iniciou-se o
preenchimento do molde
através da compactação
de camadas, até se
preencher todo seu
volume com a quantidade
de material calculada.
7 – Após montagem
finalizada, vedou-se o
corpo de prova no molde
com papel insufilme, para
garantir a preservação do
mesmo e evitar perda de
umidade.
8 – Foram moldados um
total de 7 corpos de prova,
vedados e posteriormente
armazenados em uma
caixa na câmara úmida,
para serem ensaiados após
o tempo de cura
determinado.
Figura 3.11 – Processo de moldagem do corpo de prova para ensaio com cura.
92
Transferência do corpo de prova do molde para o equipamento triaxial.
1 – Com o auxilio de um
bipartido, transferiu-se os
o’rings de vedação para a
base mais grossa do
equipamento.
2 – Colocou-se a pedra
porosa da base e o papel
filtro na posição da base
do corpo de prova.
3 – Tirou-se a vedação do
corpo de prova pré-
moldado, apoiou-se uma
de suas faces na base,
encaixou-se a membrana
na base do equipamento e
transferiram-se os o’rings
de vedação da base para a
membrana.
4 – Descolaram-se as fitas
que vedavam e uniam o
bipartido de PVC e o
desconectou do corpo de
prova.
5 – Fixou-se o tripartido de ferro ao
redor do corpo de prova a fim de
protegê-lo, e para que fosse
possível se colocar o papel filtro,
pedra porosa e cap do topo.
6 – Com o auxilio do tripartido
transferiu-se os o’rings para o cap,
para vedação superior, e
posteriormente se retirou o tripartido
do corpo de prova.
7 – Colocou-se a câmara triaxial
no equipamento, posteriormente
vedando-a e preenchendo-a com
água para realização do ensaio.
Figura 3.12 – Transferência do corpo de prova do molde para o equipamento triaxial no método
com cura.
c) Procedimento de saturação dos corpos de prova
As técnicas de saturação utilizadas para os corpos de prova do solo puro e
misturas, foram de saturação por percolação de agua através das amostras e de
saturação por contrapressão. No caso da percolação, o gradiente de pressão entre
base e topo do corpo de prova foi de 5kPa, sendo o sentido de percolação da base
para o topo. Na saturação por contrapressão, a pressão confinante aplicada ao
corpo de prova excedia a contratrapressão em 10 kPa, onde o fluxo de agua era
permitido pelo topo e base.
93
Para verificação do grau de saturação, monitorou-se as pressões e se calculou
o parâmetro B de Skempton, que é dado pela seguinte equação:
𝑩 = 𝜟𝒖
𝜟𝝈𝒄 Equação 1
onde:
Δu: excesso de poropressão gerado,
Δσc: acréscimo de tensão confinante aplicada.
Tanto para os corpos de prova confeccionados com areia pura, como
misturas, os valores de parâmetro B aceitáveis foram entre 0,83 e 0,87, sendo que
a obtenção de valores deste parâmetro iguais a 0,9 ou maior, implicava em um
processo de saturação com duração de pelo menos quatro dias. Além de se estimar
o parâmetro B, também se monitorava a quantidade de água que percolava através
da amostra, considerando-se saturada quando se atingia um volume percolado de
duas vezes o volume de vazios do corpo de prova.
d) Cálculo da velocidade de carregamento
Após a saturação do corpo de prova, iniciava-se a fase de adensamento
isotrópico. Durante o tempo de adensamento, coletavam-se os dados de variação
de volume.
Através dos dados obtidos se traçava o gráfico variação volumétrica (ml) vs
raiz do tempo (min0,5). Segundo Head (1986), deve-se fazer o prolongamento do
trecho retilíneo inicial até encontrar a prolongação horizontal do trecho final. Este
último trecho corresponde à estabilização das variações de volume. O ponto de
interseção destas duas linhas prolongadas fornece a raiz de t100 (min0,5) no eixo
das abscissas. Logo, com o valor de t100 (min), se calcula a velocidade de
cisalhamento.
Como os ensaios triaxiais realizados foram drenados, a expressão utilizada
(Head, 1986), foi a seguinte:
𝛎 = 𝛆𝐟 .𝐋
𝟏𝟎𝟎 .𝐭𝐟 Equação 1
94
onde:
ν: velocidade máxima de cisalhamento em mm/min,
L: altura do corpo de prova em mm,
εf: deformação axial estimada na ruptura em %,
tf: tempo mínimo de ruptura em minutos.
O valor de tf para o ensaio triaxial do tipo CID é dado por 8,5 vezes o valor
de t100. Contudo, se o valor de tf for menor que 120 min, Head (1986) propõe
utilizá-lo igual a um valor mínimo, que é de 120 min.
O objetivo de definir uma velocidade suficientemente lenta para a aplicação
da compressão axial é permitir a total drenagem da água do corpo de prova sem
que haja geraração de excessos de poropressão.
Todos os valores de tf obtidos para os corpos de prova do solo puro e
misturas, foram menores que 120 minutos. Portanto, adotou-se tf = 120 minutos.
Dessa forma, definiu-se que a ruptura ocorreria a uma deformação axial de 5% e
dessa maneira a velocidade máxima (ν) calculada foi a mesma para todos os
ensaios (0,033 mm/min), sendo a velocidade adotada igual a 0,030 mm/min.
Com a velocidade de cisalhamento definida, selecionou-se o par de
engrenagens a ser colocado na prensa que forneceria a velocidade desejada. Para
os cálculos foi adotado 18% de deformação máxima.
e) Ruptura dos Copos de Prova
Para os ensaios triaxiais, as variantes de tensão q (tensão de desvio) e p’
(tensão efetiva média normal) foram calculados com as formulações de Lambe.
Para os parâmetros de resistência do solo utilizou-se os valores da envoltória de
resistência (α’) e da coesão (a’) obtida no espaço p’:q para calcular os parâmetros
de resistência no espaço Mohr Coulomb (ϕ’ – c’). As formulações de Lambe e os
parâmetros que são apresentados nos gráficos dos resultados definem-se como:
𝒒 = (𝝈′𝟏− 𝝈′𝟑)
𝟐 Equação 2
95
𝒑′ = (𝝈′
𝟏+𝝈′𝟑)
𝟐 Equação 3
𝐭𝐚𝐧(𝜶′) = 𝒔𝒆𝒏(𝝋′) Equação 4
𝒂′ = 𝒄′. 𝐜𝐨𝐬 (𝝋′) Equação 5
Onde: α’: inclinação da envoltória de resistência no espaço p’:q.
a’: intercepto com o eixo q da envoltória de resistência no espaço p’:q.
φ’: inclinação da envoltória de resistência do espaço σ:τ (Mohr-Coulomb).
c’: intercepto da envoltória de resistência do espaço σ:τ (Mohr-Coulomb).
96
96
4. RESULTADOS E ANÁLISES
Neste capítulo serão apresentados os resultados e análises dos ensaios
executados nesta pesquisa, para as amostras de solo, cinza volante, cinza de fundo
e misturas estudadas. Esses ensaios têm como objetivo melhorar a compreensão
do comportamento dos materiais em estudo, a fim de que sua utilização em obras
geotécnicas com carregamento estático (como por exemplo, solo de fundações,
camadas de aterros sanitários e aterros sobre solos moles) venha a ser validada.
4.1 ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO FÍSICA
4.1.1 Solo Arenoso Puro
4.1.1.1 Índices Físicos
O solo arenoso em estudo caracteriza-se por ser uma areia média, limpa e de
granulometria uniforme. Durante sua caracterização não foi observada a presença
de matéria orgânica. Os índices físicos do solo puro são apresentados na Tabela
4.1.
Tabela 4.1 – Índices físicos do solo arenoso.
Índices Físicos Solo Arenoso
Densidade real dos grãos (Gs) 2,65
Coeficiente de uniformidade (Cu) 1,76
Coeficiente de curvatura (Cc) 1,1
Diâmetro efetivo (D10) 0,33 mm
Diâmetro médio (D50) 0,55 mm
Índice de vazios mínimo (emin) 0,51
Índice de vazios máximo (emax) 0,74
97
4.1.1.2 Análise Granulométrica
O ensaio de análise granulométrica tem por finalidade a obtenção das
frações constituintes do solo e sua classificação a partir destas. A Figura 4.1
apresenta a curva granulométrica obtida para o solo arenoso.
Figura 4.1 – Curva granulométrica do solo arenoso puro.
De acordo com o Sistema Unificado de Classificação dos Solos (SUCS),
as areias com menos de 5% de finos, apresentando Cu < 6 e/ou 1 > Cc > 3, como o
material em questão, é classificado como SP, se tratando então de uma areia mal
graduada.
4.1.2 Cinzas de RSU e Misturas em Estudo
4.1.2.1 Densidade Real dos Grãos (Gs)
O ensaio consiste na determinação do volume do material sólido de massa
conhecida, de forma com que o volume de vazios seja excluído. Este ensaio foi
realizado tanto para os materiais puros, como para as misturas em estudo. Os
valores de Gs obtidos são apresentados na Tabela 4.2 e 4.3.
98
Tabela 4.2 – Resultados do ensaio de densidade real dos grãos para o solo, cinza volante e
misturas.
Amostra Teor de
Cinza (%)
Teor de Cal
(%)
Densidade real
dos Grãos (Gs)
A 0 - 2,654
CV30A70 30 - 2,637
CV40A60 40 - 2,628
CV27Cal3A70 27 3 2,730
CV 100 - 2,596
Tabela 4.3 – Resultados do ensaio de densidade real dos grãos para o solo, cinza de fundo e
misturas.
Amostra Teor de
Cinza (%)
Densidade real
dos Grãos (Gs)
A 0 2,654
CF30A70 30 2,649
CF40A60 40 2,642
CF 100 2,638
Observa-se que o valor da densidade real dos grãos das cinzas puras se
apresentam menores do que o solo puro, e as misturas se apresentam com valores
entre os dos materiais puros, o que indica que ao se adicionar a cinza volante ou
de fundo ao solo, poderá ser obtido um material mais leve. A mistura com cal se
apresenta mais densa.
4.1.2.2 Análise Granulométrica
A Figura 4.2 apresenta as curvas granulométricas obtidas para o solo,
cinza volante e cinza de fundo. A Figura 4.3 apresenta as curvas granulométricas
do solo, cinza volante e misturas do solo com 30 e 40% de cinza volante. Ao se
apresentar as curvas granulométricas em um mesmo gráfico, objetiva-se mostrar a
influência da adição das cinzas de RSU na composição granulométrica do
material.
99
Figura 4.2 – Curvas granulométricas dos materiais puros.
Figura 4.3 – Curvas granulométricas do solo, cinza volante e misturas do solo com 30% e 40% de
cinza volante.
Observa-se que a cinza volante de RSU em estudo possui uma alta fração de
material fino, correspondente à granulometria silte, e uma fração média de grãos
referentes a uma areia média. Através das misturas, observa-se que o material
100
resultante adquire uma granulometria intermediária aos materiais puros, sendo
mais bem graduado que a areia pura e mais uniforme que a cinza volante pura.
Com a adição de 40% de cinza volante, observa-se uma maior quantidade de finos
na mistura, e menor quantidade de fração areia média, quando comparado com a
mistura de 30%, o que seria esperado, devido à maior porcentagem de cinza na
mistura.
A Figura 4.4 apresenta a comparação entre as curvas granulométricas do
solo, cinza de fundo e misturas do solo com 30 e 40% de cinza de fundo.
Figura 4.4 – Curvas granulométricas do solo, cinza de fundo e misturas do solo com 30% e 40%
de cinza de fundo.
Em relação às cinzas de fundo de RSU, observa-se uma maior presença da
fração areia grossa e média na cinza pura, e uma pequena quantidade de finos,
composto por fração silte e argila. Ao se adicionar esta cinza ao solo, obteve-se
um material semelhante à areia e à cinza pura, composto em sua maioria por
fração areia e uma pequena quantidade de finos devido à inserção das cinzas.
A Tabela 4.4 apresenta os resultados dos ensaios de análise granulométrica,
em porcentagens, para todos os materiais e misturas estudados.
101
Tabela 4.4 – Resultados das análises granulométricas.
Amostra Argila
(%)
Silte
(%)
Areia (%) Pedregulho (%)
Fina Média Grossa Fina Média Grossa
Areia - - - 70 30 - - -
Cinza Volante 4,6 62,5 5 22,6 4,2 1,1 - -
CV30A70 2,5 12,1 4,9 69,7 10,5 0,3 - -
CV40A60 3,6 14,9 8,4 63,1 8,6 1,4 - -
Cinza de Fundo 3,1 9,3 7,5 21,5 42 16,5 0,1 -
CF30A70 0,8 3,1 2,5 68,8 20,8 4 - -
CF40A60 1 3,8 2,9 63,1 23,5 5,7 - -
Para as misturas com ambas as cinzas, pode-se esperar que ocorra alguma
estabilização física do solo, de forma que haja uma melhoria em suas
características, uma vez que sua textura e granulometria inicial foram alteradas e o
material se tornou um pouco mais bem graduado que o solo puro.
Classificação SUCS dos Materiais
Com relação ao Sistema Unificado de Classificação dos Solos (SUCS), os
materiais obtiveram os índices conforme apresentado na Tabela 4.5.
Tabela 4.5 – Classificação SUCS dos materiais.
Amostra Índice Nome
Areia SP areia mal graduada
Cinza Volante ML silte com areia
CV30A70 SM areia siltosa
CV40A60 SM areia siltosa
Cinza de Fundo SM areia siltosa
CF30A70 SP areia mal graduada
CF40A60 SP areia mal graduada
Vizcarra (2010) também utilizou em seu trabalho as cinzas de RSU
provenientes da USINAVERDE, obtendo a mesma classificação do presente
trabalho para a cinza de fundo. O autor classificou a cinza volante como SM (areia
siltosa). Dourado (2013) utilizou somente cinzas de fundo provenientes da
Usinaverde, classificando-as como SM (areia siltosa).
102
De acordo com Ferreira et al (2003), as cinzas de RSU podem ser aplicadas
em obras de pavimentação como substitutos à areia. De fato, como observado, as
cinzas possuem grande proporção de fração areia, o que as tornariam adequadas a
tal aplicação.
Estas mesmas classificações das cinzas para diferentes períodos de coletas,
mostram que o material incinerado e as cinzas produzidas no processo possuem
uma constância, o que favorece os estudos realizados para aplicabilidade destas
cinzas.
4.1.2.3 Ensaios Químicos
Composição Química
Os ensaios de composição química foram realizados no laboratório do
Departamento de Engenharia Química da PUC-Rio, para as amostras de cinzas
pesada e volante, e mistura com cal. A Tabela 4.6 apresenta os resultados obtidos
em termos de elementos químicos.
Tabela 4.6 – Elementos químicos presentes nas cinza volante e de fundo e mistura com cal.
Elemento
Químico
Concentração (%)
CV CF CV27Cal3A70
Silício 14,386 61,486 38,960
Cálcio 54,489 18,795 37,369
Ferro 7,934 3,450 2,130
Alumínio 6,781 9,477 8,744
Titânio 4,211 1,130 1,769
Enxofre 4,095 - 5,125
Potássio 2,645 3,718 2,113
Zinco 2,234 0,356 0,698
Cloro 1,238 0,779 1,142
Manganês 0,466 - -
Vanádio 0,341 - -
Cromo 0,319 - -
Chumbo 0,403 - -
Outros 0,458 0,809 1,95
Através dos resultados obtidos, observa-se que os principais elementos
encontrados em ambas as cinzas são o Si, Ca, Fe, Al, Cl, Na, K, S, Zn.
103
Forteza et al (2004) realizaram uma análise física e química detalhada das
cinzas de fundo de RSU visando avaliar seu potencial de reuso. Segundo os
autores, a cinza de fundo é principalmente composta pelos elementos Si, Fe, Ca,
Al, Na e K, em forma de óxidos, e assim apresentam uma composição similar à
materiais geológicos. Becquart et al (2008) também estudou a cinza de fundo de
RSU, apresentando resultados semelhantes aos outros autores. Lam et al (2010)
compilaram análises químicas de cinzas de fundo e volante de RSU provenientes
de diferentes usinas incineradoras, realizadas por diversos autores. Os resultados
apresentados mostraram como principais, os mesmos elementos encontrados na
presente pesquisa.
Na Tabela 4.7, apresenta-se uma comparação dos resultados da composição
química da cinza volante obtidos por Vizcarra (2010) e Fontes (2008), que
utilizaram em seus trabalhos cinzas também provenientes da Usinaverde, e
resultados apresentados por Lam et al (2010).
Tabela 4.7 – Comparação entre a composição química da cinza volante de RSU obtida em outros
estudos.
Composto Concentração (%)
Fontes (2008) Vizcarra (2010) Lam et al (2010)
SiO2 44,26 21,2 - 12,9 6,35 - 27,52
AL2O3 18,16 14,4 - 12,2 0,92 - 12,7
Fe2O3 9,27 5,3 - 7,7 0,63 - 5,04
SO3 0,64 9,8 - 5,2 5,18 - 14,4
CaO 15,39 32,3 - 45,3 16,6 - 45,42
Cl - 6,6 - 4,7 -
TiO2 3,25 3,3 - 4,7 0,85 - 3,12
K2O 2,61 2,6 - 4,1 2,03 - 8,9
P2O5 2,94 1,28 - 0 1,56 - 2,7
ZnO 0,46 0,5 - 1,1 -
Cr2O3 0,16 0,1 - 0,2 -
MnO 0,13 0,1 - 0 -
SrO 0,04 0,1 - 0,2 -
ZrO2 0,04 0,08 - 0,1 -
CuO 0,06 0,08 - 0 -
PbO 0,11 0,08 - 0 -
MgO 2,23 - 1,38 - 3,16
Na2O - - 2,93 - 8,9
V2O5 - 0 - 0,25 -
104
Na Tabela 4.8, apresenta-se uma comparação dos resultados da composição
química da cinza de fundo obtidos por Vizcarra (2010), Arm (2003 apud Vizcarra,
2010) e resultados apresentados por Lam et al (2010).
Tabela 4.8 – Comparação entre a composição química da cinza de fundo de RSU obtida em outros
estudos.
Composto Concentração (%)
Arm (2003) Vizcarra (2010) Lam et al (2010)
SiO2 46 27,0 - 37,7 5,44 - 49,38
Al2O3 10 14,1 - 19,1 1,26 - 18
Fe2O3 9 10,0 - 6,6 1,21 - 13,3
SO3 - 1,3 - 3,6 0,5 - 12,73
CaO 15 20,1 - 31,8 13,86 - 50,39
Cl - 2,3 - 3,8 -
TiO2 - 3,6 - 5,5 0,92 - 2,36
K2O - 2,1 - 3,0 0,88 - 7,41
P2O5 - 0 - 1,0 0,85 - 6,9
ZnO - 0,9 - 1,8 -
Cr2O3 - 0 - 0,19 -
MnO - 0,10 - 0,16 -
SrO - 0,05 - 0,14 -
ZrO2 - 0,11 - 0,12 -
CuO - 0 - 0,344 -
Ac - 0 - 0,036 -
Rb2O - 0 - 0,014 -
MgO 2 0 - 1,722 1,6 - 3,3
V2O5 - 0 - 0,43 -
Na2O - - 3,3 - 17,19
Segundo Lam et al (2010), os compostos SiO2, Al2O3, CaO, Fe2O3, Na2O,
K2O são os óxidos comumente achados nas cinzas, sendo o CaO o composto mais
abundante existente na cinza volante, constituindo mais de 46% desta, e o
composto SiO2 o mais abundante existente na cinza de fundo, constituindo mais
de 49% desta.
Observa-se também nos resultados de Vizcarra (2010) que o CaO se
encontra mais abundante na cinza volante. Já para os resultados obtidos por
Fontes (2008), o composto SiO2, se apresenta em maior porcentagem. Para a cinza
de fundo todos os trabalhos obtiveram o SiO2 como componente mais abundante.
Através da comparação dos resultados obtidos pelos diversos autores, nota-
se uma diferença tanto nos teores de óxidos principais (SiO2, Al2O3 e Fe2O3),
105
quanto nos teores de CaO e SO3 presentes nas cinzas volante e de fundo, os quais
têm influência nas reações de estabilização, demonstrando a existência uma
variabilidade da composição química das cinzas.
Teor de Matéria Orgânica
Os resultados dos ensaios de determinação de matéria orgânica da cinza de
fundo e volante são apresentados na Tabela 4.9. Estes foram obtidos mediante a
técnica de oxidação com dicromato de potássio em meio sulfúrico, no Laboratório
de Geotecnia/Química de Solos da COPPE/UFRJ, por Vizcarra (2010).
Tabela 4.9 – Teor de matéria orgânica da cinza de fundo e volante (Vizcarra, 2010).
Amostra Carbono Orgânico Matéria Orgânica
(g/kg) (%) (g/kg) (%)
Cinza Volante 4,52 0,452 7,80 0,780
Cinza de Fundo 78,40 7,840 135,00 13,500
Nota-se que o teor de matéria orgânica presente na cinza volante é bem
baixo, quando comprado com a cinza de fundo, que tem uma porcentagem
significativamente maior. Winterkorn (1990) apresenta que uma das
consequências da presença de um alto teor de carbono, é uma severa inibição da
atividade pozolânica.
Ubaldo et al (2012) também utilizou as cinzas volantes de RSU
provenientes da Usinaverde para estudo, obtendo em sua análise um baixo teor de
matéria orgânica presente na cinza volante, afirmando que isto influencia
favoravelmente o mecanismo de estabilização química.
Ensaios de Lixiviação e Solubilização
Para a classificação dos resíduos, foram utilizadas as listagens da Norma
ABNT/NBR 10004/2004 – Anexo F (Lixiviação) e Anexo G (Solubilização). Os
códigos constantes no anexo F identificam resíduos perigosos devido à sua
toxicidade, conforme ensaio de lixiviação. A listagem do anexo G fornece os
valores máximos permitidos para extratos solubilizados. Portanto, quando a
106
análise dos elementos químicos do extrato solubilizado apresenta algum valor
superior ao da referida listagem, o resíduo é classificado como não inerte, caso
contrário, este é classificado como resíduo inerte.
O ensaio de lixiviação foi realizado pelo laboratório TASQA Serviços
Analíticos Ltda., segundo a Norma ABNT/NBR 10005/2004 (Vizacarra, 2010).
Os resultados são apresentados nas Tabelas 4.10 e 4.11.
Tabela 4.10 – Resultados analíticos: Lixiviado – Parâmetros Inorgânicos (Vizcarra, 2010).
Parâmetros LQ(1) Resultados Análiticos (mg/l)
VMP(2) CV CF
Arsênio 0,04 0,27 < LQ 1
Bário 0,005 0,52 0,68 70
Cádmio 0,003 0,05 0,06 0,5
Chumbo 0,03 < LQ < LQ 1
Cromo Total 0,002 0,75 0,03 5
Fluoretos 0,07 2,01 1,3 150
Mercúrio 0,0005 < LQ < LQ 0,1
Prata 0,003 0,02 < LQ 5
Selênio 0,05 < LQ < LQ 1
(1)LQ: Limite de Quantificação (2)VMP: Valores Máximos Permitidos segundo a norma NBR 10004/2004
Tabela 4.11 – Resultados analíticos: Lixiviado – Parâmetros Orgânicos (Vizcarra, 2010).
Parâmetros LQ(1) Resultados Análiticos (mg/l)
VMP(2) CV CF
Aldrin e Dieldrin 0,001 < LQ < LQ 0,003
Benzeno 0,004 < LQ < LQ 0,5
Benzeno(a)pireno 0,002 < LQ < LQ 0,07
Clordano (isômeros) 0,001 < LQ < LQ 0,02
Cloreto de vinila 0,4 < LQ < LQ 0,5
Clorobenzeno 0,01 < LQ < LQ 100
Clorofórmio 0,004 < LQ < LQ 6
m-Cresol 0,01 < LQ < LQ 200
o-Cresol 0,01 < LQ < LQ 200
p-Cresol 0,01 < LQ < LQ 200
Cresol Total 0,01 < LQ < LQ 200
2, 4-D 0,01 < LQ < LQ 3
DDT (p,p-DDT +
p,p-DDE + p,p-DDD) 0,001 < LQ < LQ 0,2
1,4-Diclorobenzeno 0,004 < LQ < LQ 7,5
1,2-Dicloroetano 0,004 < LQ < LQ 1
107
Continuação Tabela 4.11 – Resultados analíticos: Lixiviado – Parâmetros Orgânicos (Vizcarra,
2010).
1,1-Dicloroetileno 0,004 < LQ < LQ 3
2,4-Dinitrotolueno 0,01 < LQ < LQ 0,13
Endrin 0,001 < LQ < LQ 0,06
Heptacloro e seu
epóxido 0,001 < LQ < LQ 0,003
Hexaclorobenzeno 0,001 < LQ < LQ 0,1
Hexaclorobutadieno 0,004 < LQ < LQ 0,5
Hexacloroetano 0,01 < LQ < LQ 3
Metiletilcetona 0,5 < LQ < LQ 200
Metoxicloro 0,001 < LQ < LQ 2
Nitrobenzeno 0,01 2
Pentaclorofenol 0,01 < LQ < LQ 0,9
Piridina 0,01 < LQ < LQ 5
2,4,5-T 0,002 < LQ < LQ 0,2
Tetracloreto de
Carbono 0,004 < LQ < LQ 0,2
Tetracloroetileno 0,004 < LQ < LQ 4
Toxafeno 0,002 < LQ < LQ 0,5
1,4,5-TP 0,01 < LQ < LQ 1
Tricloroetileno 0,004 < LQ < LQ 7
2,4,5-Triclorofenol 0,01 < LQ < LQ 400
2,4,6-Triclorofenol 0,01 < LQ < LQ 20 (1)LQ: Limite de Quantificação (2)VMP: Valores Máximos Permitidos segundo a norma NBR 10004/2004
O ensaio de solubilização foi realizado pelo laboratório TASQA Serviços
Analíticos Ltda., segundo a Norma ABNT/NBR 10006:2004. Os resultados são
apresentados nas Tabelas 4.12 e 4.13.
Tabela 4.12 – Resultados analíticos: Solubilizado – Parâmetros Inorgânicos (Vizcarra, 2010).
Parâmetros LQ(1) Resultados Análiticos (mg/L)
VMP(2)
CV CF
Alumínio 0,07 0,31 0,08 0,2
Arsênio 0,001 < LQ < LQ 0,01
Bário 0,005 0,41 0,2 0,7
Cádmio 0,003 < LQ < LQ 0,005
Chumbo 0,002 < LQ < LQ 0,01
Cianetos 0,005 < LQ < LQ 0,07
Cloretos 2 783 389 250
Cobre 0,003 0,01 0,06 2
Cromo Total 0,002 1,99 0,88 0,05
108
Continuação Tabela 4.12 – Resultados analíticos: Solubilizado – Parâmetros Inorgânicos
(Vizcarra, 2010).
Ferro 0,002 0,22 0,09 0,3
Fluoretos 0,07 0,56 0,76 1,5
Manganês 0,002 < LQ < LQ 0,1
Mercúrio 0,0005 < LQ < LQ 0,001
Nitrato (como N) 0,1 2,10 3,80 10
Prata 0,003 < LQ < LQ 0,05
Selênio 0,002 < LQ < LQ 0,01
Sódio 0,05 85,2 236 200
Sulfato (expresso
como SO4) 1,00 650 290 250
Surfactantes 0,40 < LQ < LQ 0,5
Zinco 0,006 0,04 0,11 5
(1)LQ: Limite de Quantificação (2)VMP: Valores Máximos Permitidos segundo a norma NBR 10004:2004
Tabela 4.13 – Resultados analíticos: Solubilizado – Parâmetros Orgânicos (Vizcarra, 2010).
Parâmetros LQ(1) Resultados Análiticos (mg/L)
VMP(2)
CV CF
Aldrin e Dieldrin 2,0 x 10-5 < LQ < LQ 3,0 x 10-5
Clordano (isômeros) 0,0002 < LQ < LQ 2,0 x 10-4
2, 4-D 0,01 < LQ < LQ 0,03
DDT (isômeros) 0,001 < LQ < LQ 2,0 x 10-3
Endrin 0,0002 < LQ < LQ 6,0 x 10-4
Fenóis Totais 0,0042 0,014 0,021 0,01
Heptacloro e seu
epóxido 2,0 x 10-5 < LQ < LQ 3,0 x 10-5
Hexaclorobenzeno 0,001 < LQ < LQ 1,0 x 10-3
Lindano (g BHC) 0,001 < LQ < LQ 2,0 x 10-3
Metoxicloro 0,001 < LQ < LQ 0,02
2,4,5-T 0,002 < LQ < LQ 2,0 x 10-3
2,4,5-TP 0,01 < LQ < LQ 0,03
Toxafeno 0,002 < LQ < LQ 5,0 x 10-3
(1)LQ: Limite de Quantificação (2)VMP: Valores Máximos Permitidos segundo a norma NBR 10004/2004
Através dos resultados obtidos observa-se que todos os parâmetros
analisados, para ambas as cinzas, apresentaram concentrações menores que os
limites máximos permitidos estabelecidos no Anexo F da Norma ABNT/NBR
109
10004/2004, sendo estes então classificados como Não Perigosos (Resíduo
Classe II).
Para o ensaio de solubilização, a cinza volante apresentou os parâmetros
Alumínio, Cloretos, Cromo Total , Sulfato (expresso como SO4) e Fenóis Totais
com concentrações acima dos valores máximos indicados no Anexo G da Norma
ABNT/NBR 10004/2004. Dessa forma, a classificação para a amostra é Resíduo
Classe IIA – Não Inerte.
Em relação à cinza de fundo, os parâmetros Cloretos, Sódio, Sulfato
(expresso como SO4) e Fenóis Totais apresentaram concentrações superiores aos
valores máximos permitidos indicados no Anexo G, sendo então classificado
como Resíduo Classe IIA – Não Inerte.
Devido ao fato das cinzas serem classificadas como não-inertes, seus
estudos ambientais devem ser aprofundados e sua aplicação monitorada através de
testes em campos experimentais, de modo a se avaliar seu impacto ao meio
ambiente.
4.2 ENSAIO DE CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA
4.2.1 Ensaios Triaxiais CID
Este item apresenta os resultados dos ensaios triaxiais CID, em compressão
axial, realizados em amostras de solo arenoso e misturas deste com teores de cinza
volante e cinza de fundo de 30% e 40%, calculados em relação ao peso seco do
solo, e mistura solo-cinza-cal com 3% de cal adicionada em substituição ao peso
da cinza na mistura com 30%. Foram aplicadas tensões efetivas variando de 50 a
300 kPa. Analisou-se o tempo de cura de 0, 60 e 90 dias para a mistura solo-cinza
volante-cal, sendo que para os corpos de prova pré-moldados (Método 2
apresentado na Figura 3.16) analisou-se a cura somente com 60 dias, devido à
falta de tempo para a realização de ensaios com curas mais longas.
As trajetórias, envoltórias de resistência e os parâmetros de resistência ao
cisalhamento, assim como uma análise da influência do tipo de cinza, teores e
tempo de cura no comportamento das amostras durante o cisalhamento, serão
110
apresentadas neste item.
4.2.1.1 Comportamento Tensão Desviadora e Variação Volumétrica
versus Deformação Axial.
Na Figura 4.5 apresentam-se as curvas tensão desviadora (σd) e variação
volumétrica (ɛv) versus deformação axial (ɛa), correspondentes aos ensaios do tipo
CID, para a matriz de solo arenoso, em compressão axial nas tensões confinantes
de 50, 150, 250 e 300 kPa.
Figura 4.5 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para o
solo arenoso em ensaios triaxiais.
111
Na Figura 4.6 apresentam-se as curvas tensão desviadora (σd) e variação
volumétrica (ɛv) versus deformação axial (ɛa), correspondentes aos ensaios do tipo
CID, para a mistura CV30A70, em compressão axial nas tensões confinantes de 50,
150 e 250 kPa.
Figura 4.6 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a
mistura CV30A70 em ensaios triaxiais.
Na Figura 4.7 apresentam-se as curvas tensão desviadora (σd) e variação
volumétrica (ɛv) versus deformação axial (ɛa), correspondentes aos ensaios do tipo
112
CID, para a mistura CV40A60, em compressão axial nas tensões confinantes de 50,
200 e 250 kPa.
Figura 4.7 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a
mistura CV40A60 em ensaios triaxiais.
Na Figura 4.8 apresentam-se as curvas tensão desviadora (σd) e variação
volumétrica (ɛv) versus deformação axial (ɛa), correspondentes aos ensaios do tipo
CID, para a mistura CF30A70, em compressão axial nas tensões confinantes de 50,
150 e 250 kPa.
113
Figura 4.8 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a
mistura CF30A70 em ensaios triaxiais.
Devido a problemas nas leituras realizadas pelo LVDT conectado ao
medidor de volume no equipamento triaxial, não foi possível plotar a curva
variação volumétrica (ɛv) vs deformação axial (ɛa) para o ensaio com a mistura
CF30A70 a 250 kPa. O mesmo ocorreu para a mistura CF40A60 a 50 kPa
apresentada a seguir.
114
Na Figura 4.9 apresentam-se as curvas tensão desviadora (σd) e variação
volumétrica (ɛv) versus deformação axial (ɛa), correspondentes aos ensaios do tipo
CID, para a mistura CF40A60, em compressão axial nas tensões confinantes de 50,
150 e 250 kPa.
Figura 4.9 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a
mistura CF40A60 em ensaios triaxiais.
Na Figura 4.10 apresentam-se as curvas tensão desviadora (σd) e variação
volumétrica (ɛv) versus deformação axial (ɛa), correspondentes aos ensaios do tipo
115
CID, para a mistura CV27Cal3A70 com tempo de cura de 0 dias, em compressão
axial nas tensões confinantes de 50, 150 e 250 kPa.
Figura 4.10 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a
mistura CV27Cal3A70_T0 em ensaios triaxiais.
Na Figura 4.11 apresentam-se as curvas tensão desviadora (σd) e variação
volumétrica (ɛv) versus deformação axial (ɛa), correspondentes aos ensaios do tipo
CID, para a mistura CV27Cal3A70 com tempo de cura de 60 dias, em compressão
axial nas tensões confinantes de 50, 150 e 250 kPa.
116
Figura 4.11 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a
mistura CV27Cal3A70_T60 em ensaios triaxiais.
Na Figura 4.12 apresentam-se as curvas tensão desviadora (σd) e variação
volumétrica (ɛv) versus deformação axial (ɛa), correspondentes aos ensaios do tipo
CID, para a mistura CV27Cal3A70 com tempo de cura de 90 dias, em compressão
axial nas tensões confinantes de 50, 150 e 250 kPa.
117
Figura 4.12 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a
mistura CV27Cal3A70_T90 em ensaios triaxiais.
Na Figura 4.13 apresentam-se as curvas tensão desviadora (σd) e variação
volumétrica (ɛv) versus deformação axial (ɛa), correspondentes aos ensaios do tipo
CID, para a mistura CV27Cal3A70_T60_PM, que foi realizado com o corpo de
prova pré moldado (Método 2 apresentado na Figura 3.14) no tempo de cura de 60
dias, em compressão axial nas tensões confinantes de 50, 150 e 250 kPa.
118
Figura 4.13 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial para a
mistura CV27Cal3A70_T60_PM em ensaios triaxiais.
Ao se avaliar individualmente os resultados apresentados pelas misturas
estudadas, pôde-se constatar que o comportamento da areia pura se apresenta
semelhante ao de areais compactas, onde se observa um crescimento do valor de
resistência a pequenas deformações, seguido pela ruptura definida por um pico.
Ao se adicionar a cinza, observa-se que houve uma mudança de comportamento
do material. As misturas, em geral, passam a apresentar curvas semelhantes ao de
areais pouco compactas ou fofas, onde não se tem a presença de um pico de
119
ruptura e o crescimento do valor de resistência do material se dá a maiores
deformações axiais.
Um dos motivos que poderia explicar tal mudança de comportamento é o
fato de que apesar do calculo da quantidade de material para compactação do
corpo de prova ter seguido os mesmos critérios para todas as misturas, as massas
específicas secas dos mesmos sofreram uma grande variação de valores, o que
indica que a densidade relativa de 50% adotada, não foi de fato atingida na
preparação das misturas. A Tabela 4.14 apresenta os valores calculados para a
massa específica seca das misturas estudadas.
Tabela 4.14 – Variação dos valores de massa específica seca das misturas estudadas.
Mistura Massa específica seca
(g/cm³)
Areia 1,63
CV30A70 1,28
CV40A60 1,21
CF30A70 1,36
CF40A60 1,30
CV27Cal3A70 1,31
Nota-se que os valores das massas específicas seca das misturas se apresentaram
com valores próximos, enquanto que o solo puro apresenta um valor mais
elevado.
4.2.1.2 Influência do tipo de cinza
O comportamento de tensão desviadora (σd) e variação volumétrica (ɛv)
versus deformação axial (ɛa), correspondentes aos ensaios do tipo CID, para o solo
arenoso puro (A100) e misturas com 30% de cinza volante (CV30A70) e de cinza de
fundo (CF30A70), são apresentados e comparados na Figura 4.14.
Nota-se que para a tensão confinante de 50 kPa, a mistura CF30A70 apresenta
melhor comportamento que o solo arenoso puro e mistura com cinza volante para
pequenas deformações, de aproximadamente 2 a 6%. Porém, com o aumento da
deformação axial, o comportamento do solo e da mistura CF30A70 tendem a se
igualar, possuindo uma mesma resistência residual. Já a mistura CV30A70 se
120
apresenta sempre inferior para este nível de tensão. Nenhuma das misturas
apresenta uma resistência de pico bem definida, sendo a resistência alcançada em
pequenas deformações aproximadamente iguais às alcançadas a maiores
deformações axiais. Através do gráfico da deformação volumétrica versus
deformação axial, nota-se que tanto a areia pura, quanto a mistura CF30A70,
sofrem um aumento de volume contínuo durante o cisalhamento a 50 kPa,
enquanto que a mistura CV30A70 sofre contração.
Para a tensão confinante de 150 kPa o solo arenoso apresenta uma
resistência de pico a aproximadamente 2% de deformação axial, depois se
mantendo constante com o aumento desta. A esta tensão, ambas as misturas
apresentam um comportamento inferior ao solo puro, suportando uma menor
carga. Porém, à deformação de aproximadamente 5%, o comportamento da
mistura CF30A70 se iguala ao do solo puro. O mesmo ocorre para a mistura
CV30A70, porém somente a maiores deformações, de aproximadamente 18%.
Para a tensão confinante de 250 kPa observa-se um comportamento
semelhante ao descrito quando aplicada a tensão de 150 kPa. Porém nesta tensão o
comportamento da mistura CF30A70 só se iguala ao solo puro a maiores
deformações, de aproximadamente 14%. Em relação à mistura CV30A70, ainda
observa-se um comportamento inferior.
Em relação à variação de volume, nota-se que a areia pura também sofre
dilatação para as tensões confinantes de 150 e 250 kPa, enquanto a mistura com
CV nesse caso sofre uma diminuição de volume mais acentuada. Para 150 kPa a
mistura CF30A70 apresentou uma contração baixa, comparado aos outros
resultados.
121
Figura 4.14 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial das
amostras A100 e misturas CF30A70 e CV30A70 em ensaios triaxiais.
Dessa forma, pode-se dizer que o comportamento da mistura CV30A70 se
apresenta inferior tanto ao solo puro como à mistura com cinza de fundo na
mesma proporção. A mistura CF30A70 se apresenta um pouco inferior ao solo puro
a pequenas deformações axiais e se iguala a este a deformações axiais médias e
122
altas quando aplicadas altas tensões confinantes. Para baixa tensão a mistura se
apresentou superior ao solo puro. Observa-se que a mistura CV30A70 também
atinge a mesma resistência residual que os outros materiais, porém isto só ocorre
quando se aplica uma maior tensão confinante e a maiores deformações axiais.
O comportamento de tensão desviadora (σd) e variação volumétrica (ɛv)
versus deformação axial (ɛa), correspondentes aos ensaios do tipo CID, para o solo
arenoso puro (A100) e misturas com 40% de cinza volante (CV40A60) e de cinza de
fundo (CF40A60), são apresentados e comparados na Figura 4.15.
Nota-se que para a tensão confinante de 50 kPa a mistura CF40A60 apresenta
praticamente o mesmo comportamento que o solo arenoso puro. Nenhum dos
materiais apresenta uma resistência de pico bem definida, sendo a resistência
alcançada em pequenas deformações aproximadamente iguais às alcançadas a
maiores deformações axiais. Já a mistura CV40A60 apresenta um comportamento
semelhante aos outros materiais, porém atingindo uma resistência inferior aos
mesmos. Para todas as misturas, a resistência máxima, e aproximadamente
constante, é atingida a 2% de deformação axial. Através do gráfico da deformação
volumétrica versus deformação axial, nota-se que o corpo de prova da areia pura
sofre um aumento de volume contínuo durante o cisalhamento a 50 kPa, enquanto
que a mistura CV40A60 sofre uma contração menos acentuada que a dilatação
ocorrida com o solo arenoso puro. Não foi possível avaliar este comportamento
para a mistura CF40A60 devido a problemas ocorridos na aquisição dos dados.
Para a tensão confinante de 150 kPa a mistura CF40A60 possui uma
resistência inferior ao o solo arenoso puro para baixas e médias deformações, se
igualando e tornando superior ao mesmo para uma deformação de 16%, e se
mantendo constante com o aumento desta.
A mistura CV40A60 foi submetida a uma tensão de 200 kPa, e em
comparação à CF40A60 submetida a tensão confinante de 150 kPa, esta possui uma
menor resistência até 14% de deformação, ultrapassando ambos os materiais, areia
pura e mistura CF40A60, neste ponto e se mantendo crescente. Observa-se a
ocorrência de contração para ambas as misturas, porém a CV40A60 possui uma
variação de volume bem mais expressiva do que a mistura com cinza de fundo, e
ambas apresentam uma crescente deformação volumétrica com o aumento da
deformação axial.
123
Figura 4.15 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial das
amostras A100 e misturas CF40A60 e CV40A60 em ensaios triaxiais.
Para a tensão confinante de 250 kPa observa-se um comportamento
semelhante ao descrito quando aplicada a tensão de 150 kPa. Porém nesta tensão o
comportamento da mistura CF40A60 tende a se igualar ao solo puro para
deformações mais elevadas, acima das atingidas no ensaio realizado. Para baixas e
médias deformações, a resistência do solo se apresentou maior em comparação
124
com ambas as misturas. Em relação à mistura CV40A60, a resistência obtida se
encontra significativamente inferior aos outros materiais para a faixa de
deformação axial atingida no ensaio. Porém, a mistura apresenta o mesmo
comportamento que quando submetido a 150 kPa, tendenciando ultrapassar ambos
os materiais, areia pura e mistura CF40A60, para uma maior deformação axial.
Também é observada a ocorrência de contração para ambas as misturas, sendo que
a CV40A60 apresenta uma variação de volume bem mais expressiva.
Dessa forma, pode-se dizer que o comportamento resistente da mistura
CV40A60 se apresenta inferior tanto ao solo puro como à mistura com cinza de
fundo na mesma proporção para baixas e médias deformações axiais,
apresentando uma maior resistência à maiores deformações, e que tende a
aumentar e ultrapassar o valor dos outros materiais. A mistura CF40A60 se
apresenta com um comportamento mais semelhante ao solo puro, sendo um pouco
inferior a pequenas e médias deformações axiais e se igualando a este a
deformações axiais mais altas quando aplicadas altas tensões confinantes. À baixa
tensão a mistura se apresentou praticamente igual ao solo puro. Apesar da mistura
com cinza volante ultrapassar a resistência do solo puro e mistura com cinza de
fundo à maiores deformações, esta apresenta uma variação volumétrica
significativamente maior que os outros materiais.
Envoltórias e Parâmetros de Resistência ao Cisalhamento comparando a
influência do tipo de cinza.
Na Figura 4.16 se apresentam as envoltórias e parâmetros de resistência ao
cisalhamento para o solo arenoso puro e misturas CV30A70 e CF30A70. As
envoltórias estão plotadas no espaço p’:q.
Devido aos diferentes comportamentos apresentados pelos materiais à
medida que a deformação axial aumenta, e devido à ausência de uma resistência
de pico bem definida, as envoltórias de resistência foram feitas com a resistência
apresentada pelos materiais a uma mesma deformação axial de 17%, visto que
seus comportamentos tendem à similaridade a maiores deformações e foi possível
chegar a este valor em todos os ensaios.
125
Figura 4.16 – Comparação entre as envoltórias de resistência do Solo Puro (A100) e misturas
CV30A70 e CF30A70.
A partir das envoltórias apresentadas, nota-se que a inserção de 30% tanto de
cinza de fundo, como da cinza volante, geraram um aumento na coesão do material, e
mantiveram o ângulo de atrito muito próximo ao valor do solo puro.
Comparando-se as misturas com cinza volante e de fundo, observa-se que a
mistura CF30A70 proporcionou um aumento maior da coesão, igual a 13,65 kPa, e
uma queda do valor do ângulo de atrito somente em casas decimais, apresentando-se
melhor do que a mistura com cinza volante na mesma proporção, que ocasionou uma
queda maior no parâmetro e gerou uma coesão de 9,35 kPa.
Vale ressaltar que a coesão apresentada pelos materiais se trata de uma coesão
aparente, e não real que ocorre em geral devido a atrações elétricas entre partículas.
Esta coesão aparente constitui uma parcela da resistência que pode estar relacionada
a possíveis bolhas de ar remanescentes no corpo de prova que, consequentemente,
não estaria 100% saturado (parâmetro B=1), condição que de fato foi difícil de se
atingir no ensaio, como apresentado anteriormente.
Desta maneira, pode-se dizer que tanto a mistura com 30% de cinza de fundo,
como com cinza volante, apesar de apresentarem variações em seus comportamentos
quando comparados com o solo puro, não causaram variações significativas nos
parâmetros de resistência do mesmo, podendo ser aplicados em mistura com o solo.
126
Na Figura 4.17 se apresentam as envoltórias e parâmetros de resistência ao
cisalhamento para o solo arenoso puro e misturas CV40A60 e CF40A60.
Figura 4.17 – Comparação entre as envoltórias de resistência do Solo Puro (A100) e misturas
CV40A60 e CF40A60.
Assim como para as misturas com 30%, nota-se que a inserção de 40% de
cinza de fundo gerou um aumento na coesão do material, e manteve o ângulo de
atrito muito próximo ao valor do solo puro, decrescendo somente de alguns décimos.
A mistura CV40A60 neste caso apresentou coesão igual a zero e uma maior queda do
ângulo de atrito quando comparada com o solo puro e mistura CF40A60. Portanto,
observa-se que a mistura CF40A60 apresenta-se melhor do que a mistura com cinza
volante na mesma proporção. Porém, a diferença entre ambas também não foi
significativamente grande, de forma que a mistura com cinza volante também se
mostra aplicável.
Desta forma, pode-se afirmar que tanto a mistura com 40% de cinza de fundo,
como com cinza volante, poderiam ser aplicados em mistura com o solo, uma vez
que em seus parâmetros de resistência não foram alterados significativamente em
relação ao solo puro.
127
4.2.1.3 Influência do teor de cinza
O comportamento de tensão desviadora (σd) e variação volumétrica (ɛv)
versus deformação axial (ɛa), correspondentes aos ensaios do tipo CID, para o solo
arenoso puro (A100) e misturas com 30% e 40% de cinza volante (CV30A70,
CV40A60) são apresentados e comparados na Figura 4.18.
Nota-se que para a tensão confinante de 50 kPa, tanto a mistura com 30%,
como a com 40% de cinza volante, apresentam um comportamento pior do que o
solo arenoso puro. Entre 0 e 2% de deformação axial todos os materiais alcançam
uma resistência que se mantém aproximadamente constante até atingir-se maiores
deformações, sendo que nesta faixa, o solo puro apresenta uma maior resistência.
Observa-se que a mistura CV30A70 atinge uma resistência maior que a mistura
com 40% de cinza volante quando submetida a este nível de tensão. Através do
gráfico da deformação volumétrica versus deformação axial, nota-se que a areia
pura sofre um aumento contínuo de volume durante o cisalhamento, enquanto
ambas as misturas com cinza volante sofrem uma diminuição semelhante de seu
volume, sendo que a amostra CV30A70 apresenta uma deformação volumétrica um
pouco maior que a CV40A70.
Para a tensão confinante de 150 kPa, o solo arenoso apresenta uma
resistência de pico à aproximadamente 2% de deformação axial, depois se
mantendo constante com o aumento desta. A mistura CV40A60, ensaiada à tensão
confinante de 200 kPa, se apresenta inferior à mistura CV30A70, ensaiada na 150
kPa, até uma deformação de aproximadamente 10,4%, onde as resistências das
misturas se igualam e os valores de resistência da CV40A60 continuam a crescer e
também ultrapassam o solo arenoso puro a 14% de deformação axial, se tornando
superior a ambos os materiais. Inicialmente a mistura CV30A70 apresenta valores
de resistência menores do que o solo puro, se igualando a este a partir de maiores
deformações axiais, de aproximadamente 16%, e se mantendo constante e inferior
à mistura CV40A60. Enquanto o solo arenoso apresenta um aumento de volume
contínuo durante o cisalhamento, ambas as misturas apresentam uma diminuição
de volume, sendo que a mistura CV40A60 apresentou uma deformação volumétrica
significativamente maior do que a mistura CV30A70.
Para a tensão confinante de 250 kPa o solo puro apresentou valores de
resistência sempre superiores a ambas as misturas com cinza volante, sendo que
128
neste caso a mistura com 30% se manteve todo o tempo também superior à
mistura com 40%. Ambas as misturas igualam o valor da resistência em
aproximadamente 20% de deformação axial, porém ainda com valor inferior ao
solo puro.
Em relação à variação de volume, nota-se que a areia pura também sofre
dilatação para a tensão confinante de 250 kPa, enquanto que ambas as misturas
nesse caso também sofrem uma diminuição de volume mais acentuada, e a
mistura com 40% apresenta deformação volumétrica maior que a mistura com
30% de cinza volante.
Assim, pode-se dizer que de forma geral, o comportamento do solo puro foi
superior a ambas as misturas com cinza volante para baixos e médios valores de
deformação axial, tanto para baixas como altas tensões confinantes. Neste caso,
ensaios como o ring shear, que possibilitam a análise dos resultados a
deformações axiais maiores, seriam importantes, uma vez que se observa a
tendência das resistências residuais se igualarem ou ultrapassarem os valores do
solo puro. Comparando-se ambas as misturas, de maneira geral observa-se que a
mistura CV40A60 se apresenta inferior à mistura com 30% de cinza volante, uma
vez que esta possui valores de resistência maiores para baixas e médias
deformações, podendo se igualar à CV40A60 a maiores deformações axiais e
apresenta menores deformações volumétricas durante o cisalhamento.
129
Figura 4.18 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial das
amostras A100 e misturas CV30A70 e CV40A60 em ensaios triaxiais.
O comportamento de tensão desviadora (σd) e variação volumétrica (ɛv)
versus deformação axial (ɛa), correspondentes aos ensaios do tipo CID, para o solo
arenoso puro (A100) e misturas com 30% e 40% de cinza de fundo (CF30A70,
CF40A60) são apresentados e comparados na Figura 4.19.
130
Nota-se que para a tensão confinante de 50 kPa, tanto a mistura com 30%,
como a com 40% de cinza de fundo, apresentam um comportamento muito similar
ao solo arenoso puro, sendo a resistência apresentada pela mistura CF40A60
somente um pouco inferior aos outros materiais. Entre 0 e 2% de deformação
axial todos os materiais alcançam uma resistência que se mantém
aproximadamente constante até atingir-se maiores deformações. Entre 0 e 6% de
deformação axial observa-se que a mistura CF30A70 apresenta uma maior
resistência, mas não muito significativa. Através do gráfico da deformação
volumétrica versus deformação axial, nota-se que tanto a areia pura como a
mistura CF30A70 sofrem um aumento contínuo de volume durante o cisalhamento,
sendo que a mistura com cinza apresenta uma deformação volumétrica menor que
o solo puro. Não foi possível a determinação do comportamento da deformação
volumétrica da mistura CF40A60 devido a problemas na aquisição dos dados.
Para a tensão confinante de 150 kPa, o solo arenoso apresenta uma
resistência de pico a aproximadamente 2% de deformação axial, depois se
mantendo constante com o aumento desta. A mistura CF40A60 se apresenta inferior
à mistura CF30A70 até uma deformação de aproximadamente 16%, onde suas
resistências se igualam e mantêm aproximadamente constante e iguais também ao
solo puro. A mistura CF30A70 apresenta um comportamento mais semelhante ao
solo puro nesta tensão que a mistura CF30A70, se igualando aos valores do solo a
deformações axiais ainda baixas, de aproximadamente 5%, enquanto a mistura
CF40A60 também a deformações de 16%. A este nível de tensão, ambas as misturas
sofrem uma diminuição de volume do cisalhamento, sendo que a deformação
volumétrica para a mistura com 40% de cinza é significativamente maior que para
a mistura com 30%, que atinge um valor constante de deformação volumétrica a
6% de deformação axial. O solo puro apresenta uma expansão, e também valores
de deformação volumétrica mais elevados que a mistura CF30A70.
Para a tensão confinante de 250 kPa o solo puro apresentou valores de
resistência superiores a ambas as misturas com cinza de fundo para baixas e
médias deformações axiais, e a mistura com 30% de cinza se apresentou superior
à mistura com 40%. À maiores deformações ambas as misturas e o solo puro
tendem igualar o comportamento e apresentar mesma resistência. Em relação à
variação de volume, nota-se que a areia pura também sofre dilatação para a tensão
confinante de 250 kPa, enquanto que ambas as misturas nesse caso também
131
sofrem uma diminuição de volume mais acentuada, sendo a deformação
volumétrica apresentada pela mistura CF30A70 maior que a mistura com 40%, se
igualando à mesma a deformações axiais de aproximadamente 16%.
Assim, pode-se dizer que o comportamento de ambas as misturas com cinza
de fundo se apresenta semelhante entre si, sendo inferiores ao solo puro a
pequenas deformações axiais e se igualando a este a deformações axiais médias e
altas quando submetidos a tensões confinantes mais elevadas. A baixas tensões, a
mistura com 30% se apresentou bem semelhante ao solo puro e um pouco
superior à mistura com 40%. Em geral, a mistura com 40% apresentou maiores
deformações volumétricas durante os diferentes carregamentos. Todos os
materiais atingem uma resistência residual bastante semelhante.
132
Figura 4.19 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial das
amostras A100 e misturas CF30A70 e CF40A60 em ensaios triaxiais.
133
Envoltórias e Parâmetros de Resistência ao Cisalhamento comparando a
influência do teor de cinza.
Na Figura 4.20 se apresentam as envoltórias e parâmetros de resistência ao
cisalhamento para o solo arenoso puro e misturas CV30A70 e CV40A60. As
envoltórias estão plotadas no espaço p’:q.
Assim como apresentado anteriormente, as envoltórias de resistência foram
feitas baseadas na resistência apresentada pelos materiais a uma mesma
deformação axial de 17%.
Figura 4.20 – Comparação entre as envoltórias de resistência do Solo Puro (A100) e misturas
CV30A70 e CV40A60.
A partir das envoltórias apresentadas, nota-se que as misturas tanto com 30%
como 40% de cinza volante, mantiveram o ângulo de atrito bem próximo ao valor do
solo puro, porém diminuindo este em mais ou menos 1,5 – 1,8°. Observa-se que a
mistura CV30A70 apresenta um valor de ângulo de atrito um pouco superior à mistura
com 40%, e ocasionou um aumento na coesão do material, que como apresentado
anteriormente, se trata de uma coesão aparente.
Desta maneira, pode-se dizer que tanto a mistura com 30%, como 40% de
cinza volante, não causaram variações muito significativas dos parâmetros de
134
resistência do solo, podendo serem utilizados em substituição ao mesmo. Ainda, a
mistura CV30A70 se apresenta um pouco superior à mistura CV40A60.
Na Figura 4.21 se apresentam as envoltórias e parâmetros de resistência ao
cisalhamento para o solo arenoso puro e misturas CF30A70 e CF40A60.
Figura 4.21 – Comparação entre as envoltórias de resistência do Solo Puro (A100) e misturas
CF30A70 e CF40A60.
Pode-se observar que as misturas, tanto com 30% como 40% de cinza de
fundo, mantiveram o ângulo de atrito quase iguais ao solo puro, variando-se deste
somente em alguns décimos. Observa-se que ambas as misturas apresentaram um
aumento no valor da coesão, sendo que a mistura com 30% de CF apresentou um
maior valor que a mistura com 40% de CF. A diferença entre o ângulo de atrito de
ambas as misturas não se apresenta significante. Vale ressaltar novamente que este
valor de coesão se trata de uma coesão aparente, podendo-se então considerar ambas
as misturas com parâmetros de resistência praticamente iguais.
Os resultados próximos obtidos para o solo arenoso puro e misturas com
cinza de fundo em ambas as porcentagens, podem estar relacionados ao fato da
granulometria destes materiais se apresentarem semelhantes. A inserção da cinza
135
de fundo ao solo arenoso proporcionou um material com uma granulometria
intermediária entre cinza de fundo e areia, e que se mostra viável a ser utilizado.
Becquart et al (2008) estudou a cinza de fundo de RSU individualmente,
realizando, dentre outros, ensaios triaxiais. Os autores afirmam que a cinza de
fundo revela um comportamento mecânico similar a materiais densos
convencionais (areias, materiais granulares não cimentados) e dependente da
pressão média aplicada, característica do comportamento mecânico de meios
granulares. Destaca-se que a cinza de fundo apresenta algumas características
mecânicas como: elevada rigidez, baixo índice de compressibilidade, e elevado
ângulo de atrito, que estaria relacionado principalmente ao embricamento dos
grãos.
4.2.1.4 Influência do tempo de cura para as misturas com cal
O comportamento de tensão desviadora (σd) e variação volumétrica (ɛv)
versus deformação axial (ɛa), correspondentes aos ensaios do tipo CID, para o solo
arenoso puro (A100) e misturas com cinza volante e cal (CV27Cal3A70) nos tempos
de cura de 0, 60 e 90 dias são apresentados e comparados na Figura 4.22.
Nota-se que para a tensão confinante de 50 kPa, a mistura CV27Cal3A70_T0,
com zero dias de cura, se apresenta com uma resistência inferior ao solo puro e
misturas nos tempos de cura de 60 e 90 dias. O solo puro se apresenta superior a
todas as misturas para este nível de tensão, e o comportamento do material a 60 e
90 dias de cura se apresenta praticamente o mesmo. Nenhum dos materiais
apresenta uma resistência de pico bem definida, sendo a resistência alcançada em
pequenas deformações aproximadamente iguais às alcançadas a maiores
deformações axiais. Através do gráfico da deformação volumétrica versus
deformação axial, nota-se que enquanto a areia sofre um aumento de volume
durante o cisalhamento, todas as misturas sofrem uma diminuição deste. A
mistura CV27Cal3A70_T0 apresenta uma deformação volumétrica
significativamente maior que as misturas à 60 e 90 dias de cura. A mistura
CV27Cal3A70_T60 apresenta uma deformação volumétrica muito pequena, que
tende ao seu estado inicial quando deformações axiais maiores são atingidas.
Para a tensão confinante de 150 kPa as misturas com cura de 0 e 90 dias
apresentam um comportamento significativamente inferior ao solo puro e mistura
136
CV27Cal3A70_T60, e um comportamento semelhante entre si. A resistência nestes
tempos de cura aumenta continuamente, mas mesmo a maiores deformações
axiais não chegam a atingir o mesmo valor do solo ou mistura a 60 dias de cura. A
mistura CV27Cal3A70_T60 apresenta um pior comportamento quando comparado
ao solo puro para deformações axiais baixas e médias, se igualando ao mesmo
para a deformação de aproximadamente 16%. Neste nível de tensão confinante, o
solo arenoso apresenta uma expansão, enquanto as misturas para todos os tempos
de cura apresentam uma diminuição de volume semelhante. A mistura
CV27Cal3A70_T60 é a que apresenta menores níveis de deformação volumétrica
durante o cisalhamento, enquanto a mistura com 0 dias de cura apresenta maiores
deformações.
Para a tensão confinante de 250 kPa observa-se um comportamento
semelhante ao descrito quando aplicada a tensão de 150 kPa. As misturas com 0 e
90 dias de cura apresentam comportamento semelhante e resistência
significativamente inferior ao solo puro e mistura com 60 dias, mesmo a maiores
deformações axiais. A mistura CV27Cal3A70_T60 também apresenta um
comportamento inferior ao solo puro, porém seus valores de resistência se
mantém crescente e se igualam ao solo para deformações axiais de
aproximadamente 16%. Para este nível de tensão confinante, as deformações
volumétricas dos materiais são mais acentuadas que a 150 kPa, porém o
comportamento das misturas são similares às descritas para este nível de tensão.
Dessa forma, pode-se dizer que o comportamento da mistura
CV27Cal3A70_T60, com 60 dias de cura, se apresenta significativamente melhor
que as misturas com cura de 0 e 90 dias. A pequenas e médias deformações o
material possui uma menor resistência do que a apresentada pelo solo puro, porém
a maiores deformações axiais este se iguala ou se mostra superior ao solo puro.
Quando comparado com as misturas de 0 e 90 dias de cura, observa-se que a
mistura com 60 dias sofre menores deformações volumétricas, principalmente
quando submetido a baixas tensões confinantes.
137
Figura 4.22 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial das
amostras A100 e mistura CV27Cal3A70 nos tempos de cura de 0, 60 e 90 dias, em ensaios triaxiais.
Envoltórias e Parâmetros de Resistência ao Cisalhamento comparando a
influência do tempo de cura para as misturas com cal.
Na Figura 4.23 se apresentam as envoltórias e parâmetros de resistência ao
cisalhamento para o solo arenoso puro e mistura CV27Cal3A70 a 0, 60 e 90 dias de
cura. As envoltórias estão plotadas no espaço p’:q.
138
Assim como apresentado anteriormente, as envoltórias de resistência foram
feitas baseadas na resistência apresentada pelos materiais a uma mesma
deformação axial de 17%.
Figura 4.23 – Comparação entre as envoltórias de resistência do Solo Puro (A100) e misturas
CV27Cal3A70 com tempos de cura de 0, 60 e 90 dias.
Pode-se observar que as misturas CV27Cal3A70_T0 e CV27Cal3A70_T90
apresentam suas envoltórias abaixo do solo puro, e parâmetros de resistência
inferiores ao mesmo, sendo possível observar uma queda de aproximadamente 4° e
2,5°, respectivamente, no ângulo de atrito do material. A mistura a 0 dias de cura
apresentou um acréscimo da coesão, igual a 2,66 kPa, já a mistura a 90 dias de cura
apresenta a coesão nula, igual ao solo puro.
A mistura CV27Cal3A70_T60 foi a que apresentou melhores resultados, com
parâmetros de resistência sendo ainda superiores ao solo puro. A mistura apresentou
o ganho de 1° no ângulo de atrito e um acréscimo de coesão, igual a 1,91 kPa.
Porém, ainda se faz necessária a realização de uma maior quantidade de
ensaios, também com outros tempos de cura para que se possa ter um melhor
conhecimento da influência deste no comportamento das misturas. Devido ao fato
dos parâmetros de resistência não terem sofrido alterações significativas, pode-se
dizer que não se tem como definir um tempo de cura ideal.
139
4.2.1.5 Influência do método de moldagem do corpo de prova para ensaio
com cura.
Na Figura 4.24 apresenta-se o comportamento da tensão desviadora (σd) e
variação volumétrica (ɛv) versus deformação axial (ɛa), correspondentes aos
ensaios do tipo CID, para a mistura CV27Cal3A70_T60 e CV27Cal3A70_T60_PM,
que foi realizado com o corpo de prova pré-moldado, a fim de se avaliar a
influência do método de moldagem e cura dos corpos de prova.
Nota-se que para a tensão confinante de 50 kPa, o solo puro apresenta
resistências superiores a ambas as misturas, mas a CV27Cal3A70_T60_PM,
realizada com corpo de prova pré-moldado, apresenta um comportamento pior do
que a mistura no mesmo tempo de cura para o Método 1 de moldagem. Nenhum
dos materiais apresenta uma resistência de pico bem definida, sendo a resistência
alcançada em pequenas deformações aproximadamente iguais às alcançadas a
maiores deformações axiais. Através do gráfico da deformação volumétrica versus
deformação axial, nota-se que enquanto a areia sofre um aumento de volume
durante o cisalhamento, todas as misturas sofrem uma diminuição deste, sendo
que a mistura pré-moldada apresenta deformações volumétricas
significativamente maiores que a mistura CV27Cal3A70_T60. Esta, apresenta uma
deformação volumétrica muito pequena, que tende ao seu estado inicial quando
deformações axiais maiores são atingidas.
Para a tensão confinante de 150 kPa ambas as misturas apresentam um
comportamento inferior ao solo puro para baixas e médias deformações axiais se
igualando ao mesmo em uma deformação de aproximadamente 16%. Neste ponto,
a mistura CV27Cal3A70_T60 passa a manter sua resistência constante, enquanto a
CV27Cal3A70_T60_PM ultrapassa o solo mostrando uma tendência de
crescimento. Neste nível de tensão não se observa uma diferença muito acentuada
entre o comportamento das misturas com e sem corpo de prova pré-moldado para
cura. Porém a mistura CV27Cal3A70_T60_PM apresenta uma resistência um pouco
maior. Ambas as misturas apresentaram uma contração durante o cisalhamento,
sendo que se observa na mistura CV27Cal3A70_T60 uma deformação volumétrica
mais acentuada que a mistura com pré-molde para mesmos níveis de deformação
axial.
140
Para a tensão confinante de 250 kPa observa-se que as misturas
CV27Cal3A70_T60 e CV27Cal3A70_T60_PM apresentam comportamentos
semelhantes entre si, porém com a mistura com corpo de prova pré-moldado
apresentando uma resistência um pouco maior que a outra mistura e se igualando
ao solo puro para deformações axiais de aproximadamente 13%, mostrando uma
tendência de aumento com o crescimento da deformação axial. A mistura
CV27Cal3A70_T60 se iguala ao solo para deformações axiais de aproximadamente
16%, tendendo a ficar com valores de resistência constantes a partir daí. Para este
nível de tensão confinante, as deformações volumétricas de ambas as misturas são
praticamente iguais.
Dessa forma, pode-se dizer que o método de moldagem para cura de 60 dias
do material não apresentou tanta influência nos resultados, como se esperava.
Porém, em aspectos gerais, a mistura CV27Cal3A70_T60_PM de fato apresenta
maiores valores de resistência se igualando e ultrapassando valores do solo puro
para menores deformações axiais que as apresentadas pela mistura
CV27Cal3A70_T60. Assim, ambos os métodos apresentaram resultados
satisfatórios, contudo se faz necessária a realização de mais ensaios com este
aspecto comparativo.
141
Figura 4.24 – Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial das
amostras A100 e misturas CV27Cal3A70_T60 e CV27Cal3A70_T60_PM, em ensaios triaxiais.
142
Envoltórias e Parâmetros de Resistência ao Cisalhamento comparando a
influência do método de moldagem para os ensaios com cura de 60 dias.
Na Figura 4.25 se apresentam as envoltórias e parâmetros de resistência ao
cisalhamento para o solo arenoso puro e mistura CV27Cal3A70 a 60 dias de cura
comparando-se o método de moldagem do corpo de prova. As envoltórias estão
plotadas no espaço p’:q.
Figura 4.25 – Comparação entre as envoltórias de resistência do Solo Puro (A100) e misturas
CV27Cal3A70_T60 e CV27Cal3A70_T60_PM.
Pode-se observar que ambas as misturas com 60 dias de cura apresentaram um
aumento nos valores dos parâmetros de resistência quando comparados ao solo puro.
As misturas CV27Cal3A70_T60 e CV27Cal3A70_T60_PM mostram um ganho de 1° e
2,3°, respectivamente, no ângulo de atrito do material. Esta diferença de 1,3° no
ângulo de atrito entre ambas as misturas curadas por 60 dias, pode estar relacionado
ao método de moldagem, uma vez que o método com pré-moldagem mantém a
estrutura do corpo de prova após as eventuais reações químicas ocorridas com o
material.
Apesar dos resultados positivos obtidos, ainda se faz necessária a realização de
mais ensaios em corpos de prova pré-moldados, para que se possa ter melhores
conhecimentos da influencia deste sob o real ganho de resistência do material.
143
4.2.1.6 Comparação geral dos resultados.
A Tabela 4.15 apresenta um resumo e uma comparação geral dos valores de
coesão e ângulo de atrito para o solo arenoso e todas as misturas (com e sem cura)
estudadas.
Tabela 4.15 – Resumo dos valores de coesão e ângulo de atrito para o solo puro e misturas solo-
cinza e solo-cinza-cal estudadas no presente trabalho.
Parâmetros de Resistência – Deformação axial de 17%
Misturas Parâmetros de Lambe Parâmetros de Mohr
a (kPa) α (°) c (kPa) ф (°)
A 0 29,1 0 33,82
CV30A70 7,91 28,07 9,35 32,23
CV40A60 0 27,96 0 32,06
CF30A70 11,42 28,73 13,65 33,24
CF40A60 6,96 28,9 11,37 33,50
CV27Cal3A70_T0 2,31 26,37 2,66 29,72
CV27Cal3A70_T60 1,57 29,73 1,91 34,82
CV27Cal3A70_T90 0 27,42 0 31,25
CV27Cal3A70_T60_PM 0 30,52 0 36,12
De maneira geral, observa-se que a inserção da cinza, seja volante ou de
fundo, se mostra aplicável, uma vez que os parâmetros de resistência do material
não são consideravelmente alterados ou sofre uma melhoria, dando dessa forma
uma destinação mais nobre ao rejeito.
Em relação à cinza volante, ambas as misturas com 30 e 40% apresentaram
praticamente o mesmo valor de ângulo de atrito, diferenciando-se somente em
alguns décimos. A diferença para o valor do mesmo parâmetro para o solo puro
foi de aproximadamente menos 1,6°. A mistura com 30% ainda apresentou um
ganho de coesão de 9,35 kPa. Dessa forma, a porcentagem ótima pode ser
considerada de 40%, uma vez que há um uso de maior volume de resíduo.
Para as misturas com cinza de fundo, ambas as porcentagens de 30% e 40%
apresentaram também praticamente o mesmo valor de ângulo de atrito, diferindo-
se somente de alguns décimos entre si e em relação ao solo puro. As misturas
CF30A70 e CF40A60 também apresentaram um aumento de coesão de 13,65 KPa e
11,37 KPa respectivamente. Dessa forma, a porcentagem ótima para a cinza de
144
fundo pode ser considerada de 40%, visto que se faz uso de um maior volume de
resíduo.
Entre ambas as cinzas, volante e de fundo, as diferenças nos ângulos de atrito
foram de aproximadamente 1 – 1,5°, e as misturas com cinza de fundo
apresentaram valores de coesão maiores que os gerados pela inserção de cinza
volante. Dessa forma, dentre todas as misturas sem cal, a CF40A60 foi a que
apresentou um comportamento mais semelhante ao solo.
Dentre as misturas com cal e cura, a CV27Cal3A70_T0 foi a que apresentou
uma piora significativa, apresentando uma queda de 4° no ângulo de atrito, porém
um pequeno aumento na coesão do material. A mistura CV27Cal3A70_T90
apresentou uma queda de 2,6° no ângulo de atrito quando comparado ao solo
puro, e nenhum acréscimo da coesão. A mistura que se mostrou com melhores
resultados foi a CV27Cal3A70_T60, com 60 dias de cura, apresentando valores
tanto de ângulo de atrito como coesão maiores que o solo puro.
Comparando-se os métodos de moldagem do corpo de prova, a mistura com
pré-moldagem CV27Cal3A70_T60_PM, apresentou um acréscimo de 2,3° no
ângulo de atrito em comparação com o solo, porém não apresentou coesão.
Dessa forma, a mistura que se apresenta com melhores resultados quando se
comparam todas as misturas estudadas, é a mistura CV27Cal3A70_T60_PM. Porém
ainda se faz necessária a execução de mais ensaios com este material para outros
tempos de cura.
O resultado mais satisfatório encontrado para a mistura solo-cinza-cal pode
estar relacionado às características pozolânicas da cinza volante. A mistura cinza-
cal proporciona uma estabilização química ao solo granular, de forma a melhorar
sua resistência por meio da adição de pequenas quantidades de ligantes nos pontos
de contato dos grãos.
Mateos (1961, apud Thomé, 1999) observou em sua pesquisa que os valores
da massa específica aparente seca para a mistura areia-cinza volante-cal sofreram
um aumento, que levaria consequentemente, a um aumento também na resistência
da mistura, pois há um contato mais próximo e/ou aumento de contatos entre as
partículas da cal e cinza.
145
4.3 COMPARAÇÃO ENTRE SOLO ARENOSO E ARGILOSO EM
MISTURA COM CINZAS VOLANTE E DE FUNDO DE RSU E CAL.
Alguns dos fatores que afetem a estabilização de solos com cinza e cal são:
tipo de solo, tipo de cinza, tipo de cal, efeito de diferentes proporções de cal e
cinza, períodos de cura, efeito da energia de compactação e efeito da temperatura
de cura.
Quispe (2013) avaliou o comportamento de um solo argiloso estabilizado
com cinzas de RSU também provenientes da Usinaverde. Foram realizados
ensaios de caracterização física, química e mecânica. Através de ensaios triaxiais
estáticos, analisou-se a influência dos dois tipos de cinzas, do teor utilizado (20,
30 e 40%) e do tempo de cura (0, 30 e 60 dias) nos parâmetros de resistência do
material.
Neste item se apresenta uma comparação entre a influência da inclusão das
cinzas em mistura com um solo argiloso (Quispe, 2013) e um solo arenoso, nos
parâmetros de resistência dos mesmos.
Segundo Quispe (2013), o solo utilizado pelo autor se trata de uma argila
arenosa de média plasticidade e em sua composição química há uma grande
quantidade de Al2O3 e Fe2O3 e uma pequena quantidade de CaO, MgO, K2O e
Na2O.
A Tabela 4.16 apresenta uma comparação dos resultados obtidos por Quispe
(2013) e os obtidos na presente pesquisa.
Tabela 4.16 – Comparação entre a influência da inserção de cinzas volante e de fundo de RSU nos
parâmetros de resistência de um solo argiloso e arenoso.
Comparação dos Resultados
Misturas Quispe (2013)
Misturas Presente Pesquisa
c (KPa) ф (°) c (KPa) ф (°)
Solo Puro 21,22 26,4 A100 0 33,82
SP70CV30 41,9 32,1 CV30A70 9,35 32,23
SP60CV40 34 34,4 CV40A60 0 32,06
SP70CF30 48,3 30,8 CF30A70 13,65 33,24
SP60CF40 35,78 33 CF40A60 11,37 33,50
SP70CV30_T60 43,7 32,1 CV27Cal3A70_T60 1,91 34,82
146
Através dos resultados obtidos por Quispe (2013), observa-se que todas as
misturas solo-cinza apresentaram uma melhoria significativa nos parâmetros de
resistência, quando comparados com o solo puro, sendo que as misturas solo-
cinza volante apresentam os melhores resultados. De acordo com o autor as
misturas com 40% de cinza volante e 30% de cinza de fundo apresentaram as
melhores características de resistência e poderiam ser utilizadas como
estabilizante no solo estudado. Para a mistura com cura de 60 dias, observam-se
parâmetros quase iguais à mesma mistura sem cura.
Como apresentado anteriormente, as misturas estudadas na presente
pesquisa apresentaram os valores de seus parâmetros de resistência bastante
semelhante ao solo puro, e quando utilizada a mesma cinza, com porcentagens
diferentes entre si, observa-se também valores próximos, podendo-se então definir
a porcentagem de 40% como um teor ótimo para ambas as misturas.
Observa-se que a coesão do solo argiloso é expressivamente mais elevada
que a do solo arenoso, porém apresenta um ângulo de atrito menor. Quando se
insere tanto as cinzas de fundo, como volante ao mesmo, este passa a apresentar
valores de ângulo de atrito semelhantes ao solo arenoso puro e misturas deste com
as cinzas. Este especto pode estar relacionado ao fato de ambas as cinzas
apresentarem uma granulometria arenosa, e tornar o solo argilo-arenoso mais
semelhante a uma areia.
Devido à composição física e química do solo argiloso, as cinzas funcionam
como agentes estabilizantes proporcionando tanto uma estabilização física, como
química, diferentemente do solo arenoso, que sofre somente uma estabilização
física com alteração de sua granulometria, visto que sua composição é
basicamente formada por minerais de quartzo.
A princípio, solos sem fração fina, como a areia estudada, não possuem um
aumento considerável de sua resistência somente com a adição de cal. Dessa
forma, a adição de cinza volante juntamente com a cal permite a ocorrência de
reações pozolânicas neste tipo de solo, pois a cinza disponibiliza os elementos
necessários para tais reações, enquanto um solo argiloso geralmente já possui tais
componentes em sua composição. Assim, ao se adicionar cal à mistura com areia
e cinza, além de se promover uma estabilização granulométrica, promove-se
também uma estabilização química. De fato, observa-se que dentre todas as
147
misturas, considerando o solo arenoso, a mistura CV27Cal3A70_T60 foi a que
apresentou o melhor resultado.
Comparando-se as misturas realizadas com os dois tipos de solos, a mistura
CV27Cal3A70_T60 é a que apresenta um maior ângulo de atrito, semelhante à
mistura SP60CV40 realizada com o solo argiloso.
Através dos resultados apresentados, pode-se observar que a inclusão de
cinzas em ambos os tipos de solo se mostra viável. Em solos argilosos, os
parâmetros de resistência do material sofrem um ganho mais significativo com a
inclusão de cinzas, diferentemente do que se observou para o solo arenoso
estudado. Porém, a inclusão das mesmas ao solo arenoso também se mostra
aplicável, o que contribui com a possibilidade de reutilização do resíduo e sua
destinação mais adequada.
148
148
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
5.1 CONCLUSÕES
A partir dos resultados apresentados e analisados anteriormente, foi
possível chegar às conclusões abordadas neste item.
A adição tanto de cinza volante, como de fundo, de Resíduo Sólido
Urbano (RSU) ao solo arenoso estudado, proporcionou a geração de um novo
material com características próprias e que se mostra aplicável para utilização em
substituição ao solo puro.
A seguir estão apresentadas as principais conclusões relacionadas à adição
de cinzas de RSU ao solo utilizado na presente pesquisa.
Através do sistema de classificação SUCS o solo foi classificado
como sendo do tipo SP (areia mal graduada), a cinza volante como
ML (silte com areia) e a cinza de fundo como SM (areia siltosa).
Ambas as misturas, com 30 e 40% de cinza volante foram
classificadas como SM (areia siltosa), e as misturas com cinza de
fundo nas mesmas porcentagens obtiveram a mesma classificação do
solo puro, como SP (areia mal graduada);
Os resultados da composição química da cinza volante apresentaram
teores médios de SiO2, Al2O3 e Fe2O3 e elevado teor de CaO, além de
baixos teores de matéria orgânica, que em conjunto são positivos para
a ocorrência das reações pozolânicas, que integram o processo de
estabilização química do solo e neste caso influencia nos resultados
das misturas solo-cinza-cal. As cinzas de fundo apresentam maiores
teores de SiO2, Al2O3 e Fe2O3 e de matéria orgânica em comparação
com a cinza volante pura;
Ambas as cinzas se classificam como materiais não perigosos através
do ensaio de lixiviação. A cinza volante se classifica como Resíduo
149
Classe II A – Não inerte, devido à presença dos parâmetros Alumínio,
Cloretos, Cromo Total, Sulfato (expresso como SO4) e Fenóis Totais
com concentrações acima dos valores máximo permitidos no ensaio
de solubilização. A cinza de fundo também se classifica como
Resíduo Classe II A – Não Inerte, devido a presença dos parâmetros
Cloretos, Sódio, Sulfato (expresso como SO4) e Fenóis Totais com
valores acima dos permitidos por norma;
As análises dos resultados dos ensaios triaxiais CID comprovaram a
influência já conhecida dos seguintes fatores: tipo de cinza, teor de
cinza e tempo de cura com misturas com cal. Para o solo arenoso
utilizado na presente pesquisa, avaliaram-se também dois tipos de
métodos de moldagem do corpo de prova, para ensaios com cura.
Conclui-se que:
1. Quanto ao tipo e teores de cinza: comparando-se os dois tipos
de cinza e as porcentagens utilizadas, a mistura com 40% de
cinza de fundo (CF40A60) foi a que apresentou melhores
resultados nos parâmetros de resistência, sendo praticamente
igual ao solo puro e apresentando um ganho de coesão de 11,37
kPa. Contudo, todas as outras misturas também se apresentaram
viáveis, uma vez que mantiveram os parâmetros de resistência
muito próximos aos valores do solo puro;
2. Quanto ao teor de cinza: Tanto para as misturas com cinza
volante, como cinza de fundo, pode-se considerar a
porcentagem de 40% como a melhor porcentagem estudada,
uma vez que os parâmetros de resistência apresentados por
essas misturas foram quase iguais ao solo puro e um volume
maior de resíduo é destinado;
3. Quanto às misturas com cal e tempo de cura: a cura foi um fator
a ser estudado porque se acredita que o aumento do tempo de
cura possibilita que as reações químicas ocorridas entre os
materiais sejam completadas, contribuindo para uma maior
cimentação do material e consequente ganho de resistência.
Porém, não foi possível se estabelecer um padrão quanto aos
parâmetros de resistência obtidos, porque se observou que a 0
150
dias de cura o material apresentou uma piora, melhorando
novamente para 60 dias de cura, passando a perder resistência a
90 dias de cura. Assim, para as misturas solo-cinza volante-cal,
o melhor resultado obtido foi para a mistura CV27Cal3A70_T60,
porém ainda se faz necessárias a realização de mais ensaios e
análises para avaliação deste critério.
4. Quanto ao método de preparação do corpo de prova: Optou-se
pela realização de ensaios com corpos de prova pré-moldados
ao se observar a formação de grumos na massa de material
preparada em sacos plásticos. Devido à disponibilidade de
tempo e equipamentos, só foi possível a realização de ensaios
com corpos de prova pré-moldados para o tempo de cura de 60
dias. Através dos resultados observa-se que o maior ganho de
resistência foi apresentado por essa mistura, sendo superior à
mesma realizada com corpo de prova sem ser pré-moldado.
Dos ensaios triaxiais CID, conclui-se que a inserção de cinza ao solo
arenoso ocasionou uma mudança de comportamento no material. A
mistura solo-cinza passa a apresentar um comportamento semelhante
ao de areias pouco compactas ou fofas, enquanto a areia pura seguiu
um comportamento típico de areais mais compactas.
As misturas solo-cinza quando submetidas a baixas tensões
confinantes (50 kPa), possuem um crescimento de resistência até
aproximadamente 2 a 3% de deformação axial, se mantendo
praticamente constante após este ponto, assim como observado para o
solo puro. Praticamente todas as misturas se igualam ao solo puro
para esta tensão;
Para as tensões confinantes de 150 e 250 kPa, observa-se em geral
que as misturas solo-cinza apresentam uma resistência inferior ao
solo puro para baixas a médias deformações axiais, tendendo à se
igualar ao mesmo ou ultrapassar seu valor, comportamento explicado
pela diferença entre os valores das massas específicas obtidos para as
misturas. Por esse motivo, optou-se para a análise dos parâmetros de
resistência de todos os materiais à deformação axial de 17%, uma vez
151
que estes também não apresentaram um pico de resistência bem
definido;
Analisando-se a variação volumétrica dos materiais durante o
cisalhamento, não foi observado um padrão de comportamento para
nenhuma mistura;
Através dos resultados obtidos, foi possível concluir que a inserção
de ambas as cinzas ao solo arenoso em estudo se mostra viável, uma
vez que os parâmetros de resistência e deformabilidade do mesmo,
não sofreram alterações significativas.
5.2 SUGESTÕES PARA PESQUISAS FUTURAS
A seguir são citadas algumas sugestões para que o conhecimento do
comportamento destes materiais possam sem ampliados e que se possa prosseguir
com os estudos sobre estabilização de solos com a inserção de cinzas de RSU:
Analisar o comportamento mecânico de misturas com outros teores
de cinza volante e de fundo e para diversos tipos de solo;
Avaliar o comportamento ambiental das misturas solo-cinza de RSU
realizando ensaios de lixiviação e solubilização para as misturas que
apresentam melhores resultados, uma vez que os resíduos foram
classificados como não inertes;
Avaliar misturas solo arenoso-cinza volante-cal para maiores tempos
de cura, a fim de se estudar a potencialidade de aplicação desta cinza
juntamente com a cal, uma vez que esta permite a ocorrência de
reações pozolânicas também neste tipo de solo, disponibilizando os
componentes químicos necessários para tais reações;
Realizar ensaios adotando-se diferentes densidades relativas para o
material, e quando aplicada a cura, monitorar a temperatura, para que
esta seja constante durante o processo, uma vez que esta influencia
nas reações químicas ocorridas entre os materiais;
152
Desenvolver modelos de previsão de ruptura para análise numérica,
que reproduzam o comportamento de solos misturados com cinzas de
RSU;
Realizar ensaios que permitam a análise do comportamento dos
materiais à maiores deformações axiais, uma vez que se observa uma
tendência de aumento de resistência para maiores deformações para
algumas misturas;
Avaliar a potencialidade da utilização das cinzas de RSU através de
ensaios de campo em verdadeira grandeza, monitorando-se o seu
comportamento mecânico e a ocorrência de eventuais interações dos
rejeitos com o meio ambiente no decorrer do tempo.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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