Estudo Experimental de Misturas Areia-Cinza de Carvão Mineral com e sem Adição de Cal para Aplicação em Obras Geotécnicas Amanda Maria Chrispim Meliande1 Pontifícia Universidade Católica, Rio de Janeiro, Brasil, chrispimamanda@gmail.com Michéle Dal Toé Casagrande2 Pontifícia Universidade Católica, Rio de Janeiro, Brasil, michele_casagrande@puc-rio.br RESUMO: Apresenta-se o estudo experimental do comportamento geotécnico de misturas de areia com teores variados de cinzas volante, proveniente do processo de queima de carvão mineral no Complexo Termelétrico Jorge Lacerda, localizado no município Capivari de Baixo, no estado de Santa Catarina; e com 3% de cal em substituição ao peso seco da cinza. Foram realizados ensaios de caracterização (análise granulométrica, densidade real dos grãos), ensaios para determinação dos índices de vazios máximo e mínimo de solos não coesivos, bem como ensaios de cisalhamento direto para medição dos parâmetros de resistência. Os ensaios foram realizados em amostras na sua umidade ótima, com teores de cinza volante de 15%, 30% e 40% em relação ao peso seco do solo, definidos com base no estudo de trabalhos anteriores. As misturas com cal foram submetidas a diferentes tempos de cura, a fim de comparar as envoltórias de resistência obtidas. Observou-se um incremento na resistência ao cisalhamento para a mistura solo-cinza-cal com 27% de cinza, que se reflete no aumento dos seus parâmetros coesão e ângulo de atrito interno, quando comparados aos do solo puro. Os resultados se mostraram satisfatórios para aplicação dessa mistura em obras geotécnicas, como camadas de aterros sanitários e aterros sobre solos moles, proporcionando um fim mais nobre a este material. PALAVRAS-CHAVE: cinza volante, cal, obras geotécnicas 1 INTRODUÇÃO A tentativa do uso diversificado de rejeitos industriais tem sido uma preocupação constante em vários países, o que tem motivado o desenvolvimento de novas técnicas de aproveitamento deste tipo de material. As cinzas de carvão mineral encontram-se no grupo de rejeitos industriais e costumam ser amplamente aplicadas como agentes estabilizantes de solo. Elas são adicionadas ao solo quando este, por si só, não possui parâmetros de resistência adequados para sua utilização na Engenharia Geotécnica, ou quando o objetivo é melhorá-los de forma significativa, acrescentando outro produto cimentante como cal ou cimento (Nardi, 1975). O presente trabalho busca analisar a influência da adição de cinza volante ao solo, resíduo fino proveniente do processo de queima de carvão mineral no Complexo Termelétrico Jorge

Lacerda, no município Capivari de Baixo, no estado do Rio Grande do Sul. As bacias de sedimentação são utilizadas para a disposição final deste resíduo, descartado a céu aberto, podendo ocasionar problemas com grande risco ambiental. Dessa forma, o reaproveitamento deste resíduo para diversos fins tem sido de grande importância, reduzindo os impactos ambientais e os custos de disposição em bacias de sedimentação. Vale ressaltar que a presença de sílica e alumina na cinza, combinadas com a cal e com a água, provoca reações pozolânicas, formando ou auxiliando na produção de compostos com propriedades cimentantes. Este tipo de estabilização não é recomendado para solos finos, pois a uniformidade das partículas de solo tende a dificultar a cimentação, devido à presença de um maior volume de vazios e ao menor número de contatos existentes entre os grãos do solo (Pinto, 1971).

O objetivo principal desta pesquisa foi analisar, através de ensaios laboratoriais, os efeitos da cinza volante, quando incorporada em misturas com um solo regional do município do Rio de Janeiro. As misturas solo-cinza foram testadas sem e com a adição de cal hidratada, a períodos de cura distintos, com a finalidade de analisar a viabilidade de sua aplicação para obras geotécnicas como aterros sobre solos moles e camadas de aterros sanitários. Dentre os objetivos específicos da pesquisa, podem-se citar: -Realizar ensaios de caracterização física e química do solo, das cinzas e das misturas por meio de ensaios laboratoriais normatizados; -Avaliar o comportamento mecânico do solo e das misturas estudadas através de ensaios de cisalhamento direto; -Analisar a influência do período de cura e dos teores de cinza empregados nas misturas com base nos ensaios realizados, discutindo sobre sua aplicação para obras geotécnicas. 2 METODOLOGIA O programa experimental deste trabalho consiste em duas etapas: na primeira, inicialmente foram definidas as porcentagens de cinza e cal adotadas para as misturas, com base em trabalhos realizados anteriormente. Posteriormente, foram realizados ensaios de caracterização física dos materiais (areia, cinza volante, misturas destes com a cal), com o objetivo de conhecer a granulometria dos mesmos e obter os valores de densidade real dos grãos. Para a areia e as misturas com este, também foram realizados ensaios de compacidade com o objetivo de determinar os índices de vazios, com base na densidade relativa de 50%, que também foi definida de acordo com trabalhos anteriores. Na segunda etapa, foram realizados ensaios de caracterização mecânica (ensaios de cisalhamento direto). Foi executada uma sequência de ensaios de cisalhamento direto para as misturas solo-cinza e solo-cinza-cal. Para as misturas com a presença de cal, foi adotada a cura a 0 e 140 dias.

2.1 Materiais 2.1.1 Solo O solo utilizado neste estudo constitui uma areia coletada na Praia da Barra, no município do Rio de Janeiro/RJ. O local da coleta foi escolhido em função da presença de uma areia de granulometria fina, como mostra a Figura 1.

Figura 1. Areia. 2.1.2 Cinza volante A cinza volante utilizada neste estudo pode ser observada na Figura 2.

Figura 2. Cinza volante. 2.1.3 Cal A cal utilizada nas misturas é a cal hidratada calcítica, conhecida comercialmente por “cal hidratada Itaú”. As suas características físicas e químicas encontram-se especificadas na norma NBR 7175 – Cal hidratada para argamassas.

2.1.4 Misturas solo-cinza-cal Foram ensaiadas misturas com 15%, 30% e 40% de cinza volante, a fim de determinar o “teor ótimo” deste material para a mistura, no que se refere à melhoria dos parâmetros de resistência do solo. Vale ressaltar que estas porcentagens de cinza foram definidas com base na análise dos teores utilizados em pesquisas anteriores. O teor de cal utilizado foi arbitrado em 3%, em substituição ao peso seco das cinzas, tendo sido escolhido com base em trabalhos anteriores. A Tabela 1 apresenta os teores de cada material utilizado nas misturas, assim como as siglas que as descrevem. Tabela 1. Teores e símbolos das misturas.

2.2 Métodos e Procedimentos de Ensaio 2.2.1 Ensaios de caracterização física Os ensaios de caracterização física das amostras de solo foram realizados no intuito de se determinar as suas propriedades-índice, e envolveram os ensaios de análise granulométrica e densidade real dos grãos. Todos estes ensaios foram realizados no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio, e seguiram as metodologias prescritas nas normas a seguir:

-NBR 6457/1986 – Amostras de Solos – Preparação para ensaios de compactação e caracterização; -NBR 7181/1984 – Análise granulométrica; -NBR 6508/1984 – Determinação da densidade real dos grãos; -NBR 12004/1990 – Solo – Determinação do índice de vazios máximos de solos não coesivos; -NBR 12051/1991 – Solo – Determinação do índice de vazios mínimos de solos não coesivos. 2.2.2 Ensaios de caracterização mecânica Os ensaios de cisalhamento direto foram realizados para a areia e as misturas com a presença de 15%, 30% e 40% de cinza volante. Empregando-se 3% de cal, as porcentagens de cinza adotadas foram 12%, 27% e 37%, sendo as misturas submetidas a 0 e 140 dias de cura. Estes ensaios foram realizados com o objetivo de determinar a resistência ao cisalhamento do solo através da obtenção dos parâmetros coesão e ângulo de atrito, sendo os procedimentos para a sua execução descritos na norma ASTM D 3080/2004. Para a confecção dos corpos de prova da areia e das misturas com os teores de cinza determinados, a compactação do material foi realizada diretamente na caixa de cisalhamento, uma vez que a areia é um material não coesivo, não sendo possível moldá-lo fora do equipamento. Esta compactação foi realizada manualmente, de maneira uniforme, e de modo que a areia não ficasse muito densa. Com o auxílio de um gabarito, foi possível ajustar a altura do material na caixa de cisalhamento. A Figura 3 mostra o corpo de prova moldado para o ensaio. Vale ressaltar que a umidade ótima adotada para a areia e as misturas foi de 10%, definida com base na execução de ensaios de cisalhamento direto da areia sob as umidades de 5, 10, 15 e 20%. Os valores do peso específico seco da areia e das misturas foram calculados com base nos ensaios de índice de vazios máximo e mínimo, e de densidade real dos grãos.

Figura 3. Corpo de prova arenoso moldado para o ensaio. O ensaio ocorreu sob uma deformação controlada, a uma velocidade calculada através dos dados obtidos na fase de adensamento. As tensões normais aplicadas foram de 50, 150 e 300 kPa. Através do gráfico da Tensão Cisalhante Máxima x deslocamento horizontal, determinaram-se as envoltórias de ruptura e os parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo. A Figura 4 ilustra o equipamento de cisalhamento direto utilizado na presente pesquisa.

Figura 4. Prensa utilizada nos ensaios. 3 RESULTADOS 3.1 Ensaios de Caracterização Física 3.1.1 Densidade real dos grãos Os resultados encontram-se na Figura 5, onde se observa uma redução da densidade real dos grãos com o aumento dos teores de cinza.

Figura 5. Variação da densidade real dos grãos com o teor de cinza de volante. Lopes (2011) encontrou o valor de densidade real dos grãos de 2,105 para a cinza volante, oriunda da mesma usina termelétrica. De acordo com Ubaldo (2005), o valor encontrado foi de 2,090 para a cinza volante. Já os resultados de Mendonça (2004), também com a mesma cinza, porém coletada em outra época, apontaram o valor de 2,092 para cinza volante. Ainda que os valores obtidos por estes dois autores sejam bem parecidos, a ligeira diferença entre eles já demonstra a influência da variabilidade da qualidade e das propriedades da cinza sobre os resultados, devido a fatores como a composição química do carvão. 3.1.2 Índice de vazios máximo e mínimo Os resultados dos ensaios de índice de vazios máximo e mínimo estão dispostos na Tabela 2. Vale destacar que, para fins práticos, estes ensaios não foram realizados para as misturas com cal. Para elas, foi empregado o resultado da mistura solo-cinza correspondente. Por exemplo, para a mistura A85/CV12/C3, foi utilizado o resultado obtido para a mistura A85/CV15. Tabela 2. Índice de vazios máximo e mínimo do solo e das misturas.

3.1.3 Análise granulométrica

A Figura 6 apresenta as curvas granulométricas da areia e da cinza volante; e a Figura 7 mostra as curvas das misturas com areia e 15%, 30% e 40% de cinza volante.

Figura 6. Curvas granulométricas da areia e da cinza volante.

Figura 7. Curvas granulométricas da areia, da cinza volante e das suas misturas. Pode-se observar que a cinza volante apresenta elevado teor de finos em sua composição, o que corresponde à granulometria silte, além de uma fração de areia de granulometria fina. Quanto à granulometria das misturas com areia, pode-se dizer que ela se torna intermediária às granulometrias dos materiais puros, e apresenta maior presença de finos do que o solo puro, o que se deve à granulometria da própria cinza. À medida que aumenta o teor de cinza nas misturas, a fração silte torna-se mais evidente, com a subsequente redução do teor de areia média. Pelo fato de a cinza volante apresentar alto teor de silte, ela é classificada de acordo com o

Sistema SUCS como silte de baixa plasticidade (ML). Vale destacar que Rohde et al (2006) encontrou esta mesma classificação para esta cinza, que é a classificação típica das cinzas volantes de usinas termelétricas do sul do Brasil. Já Para as misturas com areia, a classificação enquadrou-se no grupo SM (areia siltosa). 3.2 Ensaios de Caracterização Mecânica O comportamento da tensão cisalhante versus deslocamento horizontal para a areia e as misturas com 15%, 30% e 40% de cinza volante é apresentado na Figura 8.

Figura 8. Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal da areia e das misturas com cinza. O comportamento da tensão cisalhante versus deslocamento horizontal para a areia e as misturas com cal a 0 dias é apresentado na Figura 9.

Figura 9. Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal da areia e das misturas com cal.

Como as curvas não apresentaram pontos de ruptura bem definidos, eles foram determinados com base na observação de uma constância dos valores de tensão cisalhante máxima após um determinado tempo. Assim, os dados foram coletados a 12 mm de deslocamento, obtendo-se as envoltórias a seguir. 3.2.1 Influência do teor de cinza A Figura 10 apresenta as envoltórias de ruptura das misturas solo-cinza-cal, a 0 dias de cura.

Figura 10. Influência do teor de cinza volante no tempo de cura de 0 dias. Pode-se dizer que o solo puro apresenta um comportamento melhor do que as misturas a 0 dias de cura, o que pode ser explicado pelo fato de ainda não terem ocorrido as reações pozolânicas, sendo necessário tempo para que elas ocorram. A Figura 11 apresenta as envoltórias de ruptura das misturas solo-cinza-cal, a 140 dias de cura.

Figura 11. Influência do teor de cinza volante no tempo de cura de 140 dias. Nesse caso, a mistura com 27% de cinza passa

a apresentar resultados melhores do que o solo puro, no entanto, a mistura com 37% de cinza permanece pior, e a mistura com 12% não foi submetida a esse período de cura. Analisando individualmente o papel das cinzas, a Figura 12 mostra as envoltórias das misturas contendo apenas as cinzas.

Figura 12. Influência do teor de cinza volante nas misturas A85/CV15, A70/CV30 e A60/CV40. Verificou-se que todas as misturas apresentaram comportamento semelhante, devido à similaridade existente entre as curvas granulométricas dessas misturas. Além de semelhantes, foram inferiores ao solo puro, o que confirma que, ao se adicionar somente cinza volante a este tipo de solo, não é possível conferir a ele alguma estabilização. 3.2.2 Influência do período de cura Com o objetivo de avaliar a influência do período de cura nas misturas, as Figuras 13 e 14 apresentam as envoltórias de ruptura nos diferentes tempos de cura, para cada mistura.

Figura 13: Variação da tensão cisalhante vs tensão normal para a mistura A70/CV27/C3 para os diferentes tempos de cura.

Figura 14: Variação da tensão cisalhante vs tensão normal para a mistura A60/CV37/C3 para os diferentes tempos de cura. No caso da mistura A70/CV27/C3 a 140 dias de cura, ela obtém resultados melhores do que o solo puro, contudo, a mistura A60/CV37/C3 permanece com um comportamento inferior ao solo puro, ainda que próxima a ele. A Tabela 3 apresenta a síntese dos resultados obtidos para os parâmetros de resistência. Tabela 3. Parâmetros de resistência dos materiais.

4 CONCLUSÕES Os resultados obtidos através dos ensaios de cisalhamento direto permitiram concluir que o “teor ótimo” de cinza é de 27%, uma vez que se mostrou superior ao solo puro. Vale destacar que o objetivo do uso da areia nas misturas foi verificar a ocorrência de reações entre a cinza e a cal, uma vez que ela, a princípio, seria um material inerte. Nardi (1975) afirma que solos mal graduados e desprovidos de finos, como a areia utilizada nesta pesquisa, não são indicados para processos de estabilização de solos, uma vez que o maior volume de vazios das partículas e o

menor número de contatos entre elas tendem a dificultar o processo de cimentação. Dessa forma, o emprego da cinza volante nas misturas com este solo foi justamente substituir a fração fina do solo, auxiliando nas reações com a cal. Neste contexto, apesar de a cura de 140 dias ter sido positiva, provocando um aumento dos parâmetros de resistência da mistura A70/CV27/C3, não houve um aumento significativo como era o esperado depois de transcorrido este período, já que se espera que, quanto maior o tempo de cura, mais efetivas sejam as reações pozolânicas e por conseguinte, maior o ganho de resistência do material. Diante deste fato, levando-se em conta que a areia utilizada é proveniente de região de praia, contendo sal em sua composição, possivelmente podem ter ocorrido reações deste sal com a cinza volante e a cal, o que pode ter inibido a ocorrência das reações pozolânicas, não resultando em melhoras significativas no comportamento das misturas. Além disso, outro fator que pode ter influenciado negativamente na ocorrência das reações pode ter sido a “quebra” dos grumos que se formaram nas misturas ao longo do processo de cura. Tal “quebra” foi feita ao colocar o material na caixa de cisalhamento, com o objetivo de compactá-lo melhor, ajustando-o para a execução do ensaio. Embora o ganho de resistência não tenha sido significativo, ressalta-se que é viável o emprego desta cinza volante em substituição aos materiais convencionais para aplicação em obras geotécnicas, seja em aterros sobe solos moles, seja em camadas de aterros sanitários, minimizando a disposição inadequada deste resíduo e dando um fim mais nobre a este material. AGRADECIMENTOS À CAPES, pelo apoio concedido para a realização da presente pesquisa. REFERÊNCIAS Lopes, L.S.E. (2011) Análise do comportamento

mecânico e ambiental de misturas solo-cinzas de

carvão mineral para camadas de bases de

pavimentos, Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-Graduação em Geotecnia, Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Univesidade Católica do Rio de Janeiro, 206 p.

Nardi, J.V. (1975) Estabilização de areia com cal e cinza

volante; efeito do cimento como aditivo e de brita na

mistura, Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Universidade Federal do Rio de Jenrio, 179 p.

Pinto, S. (1971) Estabilização de areia com adição de cal

e cinza volante, Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Universidade Federal do Rio de Jenrio, 153 p.

Rohde, G.M.; Zwonok, O.; Chies, F.; Silva, N.I.W. (2006) Cinzas de carvão fóssil no Brasil – aspectos

técnicos e ambientais, Vol.1, CIENTEC, Porto Alegre, 202 p.

Ubaldo, M.O. (2005) Uso de cinzas de carvão na

composição de uma cobertura de rejeitos de

mineração, Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Universidade Federal do Rio de Jenrio, 170 p.