Amanda Maria Chrispim Meliande Análise do Comportamento de Misturas de Solos com Cinza Volante de Carvão Mineral e Cal Dissertação de Mestrado Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio. Orientadora: Profª Michéle Dal Toé Casagrande Rio de Janeiro Junho de 2014
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Amanda Maria Chrispim Meliande
Análise do Comportamento de Misturas de Solos com
Cinza Volante de Carvão Mineral e Cal
Dissertação de Mestrado
Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio.
Orientadora: Profª Michéle Dal Toé Casagrande
Rio de Janeiro Junho de 2014
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PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1212872/CA
Amanda Maria Chrispim Meliande
Análise do Comportamento de Misturas de Solos com
Cinza Volante de Carvão Mineral e Cal
Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil do Centro Técnico Científico da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada.
Profª. Michéle Dal Toé Casagrande Orientadora
Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio
Prof. Flávio de Andrade Silva Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio
Prof. Ben-Hur de Albuquerque e Silva Instituto Militar de Engenharia
Prof. José Eugenio Leal Coordenador Setorial do Centro
Técnico Científico – PUC-Rio
Rio de Janeiro, 16 de junho de 2014
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Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, da autora e da orientadora.
Amanda Maria Chrispim Meliande
Graduou-se em Engenharia Ambiental pela Universidade Federal Fluminense em 2011. Ingressou no Mestrado na Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro em 2012, desenvolvendo Dissertação na linha de pesquisa de Geotecnia Experimental.
Ficha Catalográfica
Meliande, Amanda Maria Chrispim
Análise do comportamento de misturas de solos com cinza volante de carvão mineral e cal/ Amanda Maria Chrispim Meliande; orientadora: Michéle Dal Toé Casagrande. – Rio de Janeiro, PUC, Departamento de Engenharia Civil, 2014.
v., 149 f,; il. ; 29,7 cm
1. Dissertação (Mestrado) – Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Civil.
Inclui referências bibliográficas.
1. Engenharia civil – Teses. 2. Cinza volante de carvão. 3. Cal. 4. Misturas solo-cinza. 5. Ensaio de cisalhamento direto. I. Casagrande, Michéle Dal Toé. II. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Civil. III. Título.
CDD: 624
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À minha mãe, in memoriam, pelo amor, incentivo e apoio.
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Agradecimentos
Agradeço, sobretudo, a Deus, pela minha vida, minhas conquistas e lutas. À minha mãe, em especial, que embora não mais presente fisicamente, segue nos meus pensamentos como fonte de inspiração, por todo o amor e carinho dedicados ao longo da minha vida. Ao meu pai, por me escutar e me apoiar nas horas difíceis. À minha tia-avó, pelo acolhimento e transmissão de alegria, vivacidade e fé. Ao Fernando, pela presença tão querida, pelo apoio incondicional, carinho e palavras de aconchego. À Rhaissa, amiga-irmã, pelo convívio de longos anos e pelo apoio constante, sempre irradiando felicidade. Às amigas Sandra, Giobana, Lucianna e Ivania, pelas horas boas, horas de risada, e pelas grandes amigas que foram ao longo deste percurso. Obrigada por cada palavra de carinho, cada gesto, que me fizeram ter forças para seguir em frente e jamais desistir. Aos amigos Daniel, Orlando, Gary e Perlita, pela companhia e longas conversas na “favelinha”, e a todos aqueles que de alguma forma contribuíram para este trabalho e pela convivência tão amiga ao longo do curso. À Professora Michéle, pela orientação do meu trabalho e por todo o conhecimento transmitido. Por ser tão presente nos momentos de dúvidas, pelas conversas e pela amizade gerada. Ao Professor Tacio, pela compreensão e apoio fornecidos. À Monica Moncada, por ter me guiado na graduação e me incentivado a ingressar no Mestrado. Pelos conhecimentos transmitidos e pelo apoio fornecido. Aos técnicos do laboratório Amaury e Josué pelo apoio para realizar os ensaios. À Capes, pelo apoio financeiro prestado para a realização deste trabalho.
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Resumo
Meliande, Amanda Maria Chrispim; Casagrande, Michéle Dal Toé. Análise do comportamento de misturas de solos com cinza volante de carvão mineral e cal. Rio de Janeiro, 2014. 149 p. Dissertação de Mestrado - Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
Este estudo apresenta o comportamento de misturas de areia e solo
argiloso com teores variados de cinza volante, proveniente do processo de queima
de carvão mineral no Complexo Termelétrico Jorge Lacerda, localizado no
município Capivari de Baixo, no estado de Santa Catarina. O objetivo da presente
pesquisa consiste em avaliar a aplicabilidade do uso de misturas solo-cinza e solo-
cinza-cal em obras geotécnicas, como camadas de aterros sanitários, solos de
fundação e estabilização de taludes. Foram realizados ensaios de caracterização
física, química e mecânica (ensaio de compactação e ensaio de cisalhamento
direto). Os ensaios de cisalhamento direto foram realizados em amostras de solo
argiloso compactadas na umidade ótima e no peso específico seco máximo
correspondente, com teores de cinza volante de 15% e 30% em relação ao peso
seco do solo. Já os ensaios em amostras de areia foram realizados para uma
densidade relativa de 50% e umidade ótima de 10%, com teores de cinza volante
de 15, 30 e 40% em relação ao peso seco do solo. Para as misturas solo-cinza-cal,
adicionou-se 3% de cal em substituição ao peso seco da cinza. Foi analisada a
influência do tipo de solo, teor de cinza, adição de cal e tempo de cura (0, 30, 100,
125 e 140 dias) para as misturas, sendo a cura adotada somente para as misturas
com areia. Os resultados mostraram-se mais satisfatórios para as misturas com
solo argiloso, sendo a adição de cal mais eficiente para a mistura com menor teor
de cinza. Na ausência de cal, o melhor comportamento obtido foi para a mistura
com 15% de cinza. Quanto às misturas com areia e sem cal, os resultados foram
inferiores à areia; já no caso das misturas areia-cinza-cal, não foi possível definir
um padrão do comportamento com relação ao tempo de cura, pois ainda que tenha
havido um aumento da coesão a determinados dias, este ganho veio acompanhado
de uma redução no ângulo de atrito, fazendo com que a areia mantivesse um
comportamento melhor. Contudo, o teor de 27% de cinza, sob 140 dias de cura,
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proporcionou ao solo um aumento de ambos os parâmetros, sendo, portanto, o
teor ótimo a ser utilizado. Dessa forma, ainda que o emprego da cinza volante em
misturas com o solo argiloso tenha se mostrado mais satisfatório, este material
também pode ser utilizado em misturas com areia, desde que submetido a
elevados períodos de cura e que contenham uma porcentagem de cinza em torno
do teor ótimo encontrado, o que viabiliza o emprego positivo deste material em
aplicações geotécnicas, possibilitando uma destinação ambientalmente correta
deste resíduo e dando um fim mais nobre a este material.
Palavras-chave
Cinza volante de carvão; cal; misturas solo-cinza; ensaio de cisalhamento
direto.
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Abstract
Meliande, Amanda Maria Chrispim; Casagrande, Michéle Dal Toé (Advisor). Analysis of the behavior of soils mixtures with mineral coal
fly ash and lime. Rio de Janeiro, 2014. 149 p. MSc. Dissertation - Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
This study presents the behavior of sand and clay soil mixtures with
different contents of fly ash, which comes from the coal burning process in
Thermoelectric Complex Jorge Lacerda, located in the city of Capivari de Baixo,
in Santa Catarina. The aim of this research is to assess the applicability of using
soil-ash and soil-ash-lime mixtures in geotechnical works, like landfill layers,
foundation soils and slope stabilization. Physical, chemical and mechanical
(compaction test and direct shear test) were performed. Direct shear tests were
performed on clay soil samples compacted at the optimum moisture content and
the corresponding maximum dry specific gravity, with fly ash contents of 15 and
30 %, related to the dry weight of soil. Tests on sandy soil samples were
performed at the relative density of 50 % and optimum humidity of 10 %, with fly
ash contents of 15, 30 and 40 % related to the dry weight of soil. For soil-ash-lime
mixtures, it was added 3 % of lime to replace the dry weight of ash. It was studied
the influence of different parameters: soil type, ash content, lime addition and
curing time (0, 30, 100, 125 and 140 days) for the mixtures. Curing process was
adopted only for sandy soil mixtures. Results were more suitable for clay soil
mixtures, and lime addition was more efficient for the mixture with the lowest ash
content, related to 12 %. In the absence of lime, the best performance was
obtained for the mixture with 15 % of ash. For sandy soil mixtures and without
lime, the results were inferior to sand; and in the case of soil-ash-lime mixtures, it
was not possible to define a pattern of behavior to the curing time, because
although there has been an increase in cohesion certain days, this gain was
followed by a reduction in friction angle, which has maintained the best
performance of sand. However, the ash content of 27 %, at 140 days of curing,
caused an increase of both parameters, what means that this ash content is the
optimum content to be used. Thus, although the use of fly ash in mixtures with
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clay soil has been more satisfactory, this material can also be used in mixtures
with sandy soil, since it contains an ash content around the optimum content
found, and since it has been submitted to elevated curing periods, what enables
the positive employment of this material in geotechnical applications, providing
an environmentally correct disposal of this waste and giving it a noblest
destination.
Keywords
Coal fly ash; lime; soil-ash mixtures; direct shear test.
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Sumário
1. Introdução 24
1.1. Relevância e justificativa da pesquisa 24
1.2. Objetivos 25
1.3. Organização da dissertação
26
2. Revisão bibliográfica 27
2.1. Importância do carvão mineral na matriz energética brasileira 27
2.2. Origem e classificação das cinzas 29
2.2.1. Cinza volante 31
2.3. Aproveitamento das cinzas volantes de carvão mineral 32
2.4. Cinzas e meio ambiente 33
2.5. Cal 33
2.6. Estabilização de solos 35
2.6.1. Solo-cal 37
2.6.1.1. Reações solo-cal 39
2.6.1.2. Dosagem da cal 42
2.6.1.3. Variáveis determinantes do comportamento de mistura solo-cal
43
2.6.1.4. Comportamento mecânico do solo-cal 45
2.6.2. Solo-cinza volante de carvão 47
2.6.3. Solo-cinza de RSU 51
2.7. Resistência ao cisalhamento 53
2.7.1. Ensaio de resistência ao cisalhamento 54
2.8. Considerações finais
56
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3. Programa experimental 57
3.1. Considerações iniciais 57
3.2. Materiais 59
3.2.1. Solo 59
3.2.1.1. Solo argiloso 59
3.2.1.2. Areia 62
3.2.2. Cinza volante 63
3.2.3. Cal 66
3.2.4. Misturas solo-cinza-cal 67
3.3. Métodos e procedimentos de ensaio 69
3.3.1. Ensaios de caracterização física 69
3.3.1.1. Limites de Atterberg 70
3.3.1.2. Densidade real dos grãos 70
3.3.1.3. Análise granulométrica 70
3.3.1.4. Índice de vazios máximo e mínimo 71
3.3.2. Ensaios de caracterização química e ambiental 71
3.3.2.1. Composição química 72
3.3.2.2. Ensaios de solubilização e lixiviação 72
3.3.3. Ensaios de caracterização mecânica 73
3.3.3.1. Ensaios de compactação Proctor Standard 73
3.3.3.2. Ensaio de cisalhamento direto
74
4. Apresentação e discussão dos resultados 79
4.1. Ensaios de Caracterização Física 79
4.1.1. Solo Argiloso 79
4.1.1.1. Densidade Relativa dos Grãos 79
4.1.1.2. Análise Granulométrica 79
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4.1.1.3. Limites de Atterberg 81
4.1.2. Areia 81
4.1.2.1. Índices físicos 81
4.1.2.2. Análise granulométrica 81
4.1.3. Cinza volante e misturas 82
4.1.3.1. Densidade Relativa dos Grãos 82
4.1.3.2. Análise Granulométrica 84
4.1.3.3. Limites de Atterberg 87
4.1.3.4. Classificação SUCS 88
4.2. Ensaios de caracterização química e ambiental 88
4.2.1. Composição química 88
4.2.2. Teor de matéria orgânica 92
4.2.3. Ensaio de lixiviação 93
4.2.4. Ensaio de solubilização 94
4.3. Ensaios de caracterização mecânica 96
4.3.1. Solo argiloso 96
4.3.1.1. Ensaio de compactação 96
4.3.1.2. Ensaio de cisalhamento direto 101
4.3.1.2.1. Comportamento tensão cisalhante vs deslocamento horizontal
102
4.3.1.2.2. Influência do teor de cinza 105
4.3.1.2.3. Influência da adição de cal 111
4.3.2. Areia 113
4.3.2.1. Ensaio de cisalhamento direto 113
4.3.2.1.1. Comportamento tensão cisalhante vs deslocamento horizontal
114
4.3.2.1.2. Influência do teor de cinza 122
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4.3.2.1.3. Influência da adição de cal 130
4.3.2.1.4. Influência do tempo de cura 131
4.4. Considerações sobre os resultados
137
5. Considerações finais 140
5.1. Conclusões 140
5.2. Sugestões para pesquisas futuras
142
6. Referências bibliográficas 145
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Lista de figuras
Figura 2.1 - Oferta interna de energia no Brasil com base nos
dados de 2012 (EPE, 2013).
28
Figura 2.2: Oferta interna de energia no Brasil com base nos dados
de 2011 (EPE, 2013).
29
Figura 2.3: Participação de renováveis na matriz energética
brasileira (EPE, 2013).
29
Figura 2.4: Processo de queima do carvão mineral em usinas
termelétricas (Farias, 2005).
30
Figura 2.5: Mecanismo de troca catiônica (Prusinski e Bhattacharja,
1999, apud Junior, 2011).
40
Figura 2.6: Ingles e Metcalf (1972) apud Lopes (2011). 41
Figura 2.7: Efeito do tempo de cura sobre a resistência à
compressão simples para alguns solos estabilizados com cal
(Ingles & Metcalf, 1972).
44
Figura 2.8: Efeito da quantidade de cal sobre a resistência à
compressão simples para alguns solos tratados com cal e curados
por 7 dias (Ingles e Metcalf, 1972).
46
Figura 2.9: Representação gráfica do critério de ruptura de Mohr-
Coulomb.
55
Figura 2.10: Esquema do equipamento do ensaio de cisalhamento
direto com deformação controlada (Gerscovich, 2010 apud
Benedetti, 2011).
55
Figura 3.1: Localização do Campo Experimental II da PUC-Rio
(Soares, 2005).
59
Figura 3.2: Solo argiloso. 60
Figura 3.3: Perfil morfológico do Campo Experimental da PUC-Rio
(Daylac, 1994).
61
Figura 3.4: Localização do ponto de coleta de areia. 63
Figura 3.5: Areia 63
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Figura 3.6: Localização do Complexo Termelétrico Jorge Lacerda
(Leandro, 2005).
64
Figura 3.7: Cinza volante. 64
Figura 3.8: Usinas pertencentes à Companhia Tractebel (Tractebel
Energia, 2010 apud Lopes, 2011).
65
Figura 3.9: Vista geral do Complexo Jorge Lacerda (Tractebel
Energia, 2010 apud Lopes, 2011).
66
Figura 3.10: Processo de moldagem do corpo de prova arenoso. 75
Figura 3.11: Processo de moldagem do corpo de prova argiloso. 77
Figura 3.12: Prensa utilizada para os ensaios de cisalhamento direto.
78
Figura 4.1: Curva granulométrica do solo argiloso. 80
Figura 4.2: Curva granulométrica da areia. 82
Figura 4.3: Variação da densidade real dos grãos com o teor de
cinza de volante para a areia.
83
Figura 4.4: Variação da densidade real dos grãos com o teor de
cinza de volante para o solo argiloso.
83
Figura 4.5: Curvas granulométricas da areia e da cinza volante. 84
Figura 4.6: Curvas granulométricas da areia, da cinza volante e das
suas misturas.
85
Figura 4.7: Curvas granulométricas do solo argiloso e da cinza
volante.
85
Figura 4.8: Curvas granulométricas do solo argiloso, da cinza
volante e das suas misturas.
86
Figura 4.9: Curvas de compactação do solo puro e das misturas
sem a adição de cal.
97
Figura 4.10: Curvas de compactação do solo puro e das misturas
com a adição de cal.
98
Figura 4.11: Variação da massa específica aparente seca com o
teor de cinza volante.
99
Figura 4.12: Variação da umidade ótima com o teor de cinza
volante.
99
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Figura 4.13: Curva de compactação da cinza volante (Lopes,
2011).
100
Figura 4.14: Curva de compactação da cinza volante do Complexo
Jorge Lacerda (Ubaldo, 2005).
100
Figura 4.15: Curva de compactação Proctor normal obtida por
Beneveli (2002).
101
Figura 4.16: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal
para o solo puro (Szeliga, 2011).
103
Figura 4.17: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal
para a mistura S85/CV15.
103
Figura 4.18: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal
para a mistura S70/CV30.
104
Figura 4.19: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal
para a mistura S85/CV12/C3.
104
Figura 4.20: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal
para a mistura S70/CV27/C3.
105
Figura 4.21: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal
do solo argiloso e misturas S70/CV30 e S85/CV15.
107
Figura 4.22: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal
das amostras S e misturas S85/CV12/C3 e S70/CV27/C3.
108
Figura 4.23: Envoltórias de ruptura do solo puro e das misturas
S85/CV15 e S70/CV30.
110
Figura 4.24: Envoltórias de ruptura do solo puro e das misturas
S85/CV12/C3 e S70/CV27/C3.
110
Figura 4.25: Influência da cal nas misturas S85/CV12/C3 e
S85/CV15.
112
Figura 4.26: Influência da cal nas misturas S70/CV27/C3 e
S70/CV30.
112
Figura 4.27: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal
para a areia.
115
Figura 4.28: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal
para a mistura A85/CV15.
115
Figura 4.29: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal 116
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para a mistura A70/CV30.
Figura 4.30: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal
para a mistura A60/CV40.
116
Figura 4.31: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal
para a mistura A85/CV12/C3 a 0 dias de cura.
117
Figura 4.32: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal
para a mistura A85/CV12/C3 a 30 dias de cura.
117
Figura 4.33: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal
para a mistura A70/CV27/C3 a 0 dias de cura.
118
Figura 4.34: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal
para a mistura A70/CV27/C3 a 30 dias de cura.
118
Figura 4.35: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal
para a mistura A70/CV27/C3 a 100 dias de cura.
119
Figura 4.36: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal
para a mistura A70/CV27/C3 a 125 dias de cura.
119
Figura 4.37: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal
para a mistura A70/CV27/C3 a 140 dias de cura.
120
Figura 4.38: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal
para a mistura A60/CV37/C3 a 0 dias de cura.
120
Figura 4.39: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal
para a mistura A60/CV37/C3 a 30 dias de cura.
121
Figura 4.40: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal
para a mistura A60/CV37/C3 a 100 dias de cura.
121
Figura 4.41: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal
para a mistura A60/CV37/C3 a 125 dias de cura.
122
Figura 4.42: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal
para a mistura A60/CV37/C3 a 140 dias de cura.
122
Figura 4.43: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal
da areia e das misturas com cinza.
123
Figura 4.44: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal
da areia e misturas A85/CV12/C3, A70/CV27/C3 e A60/CV37/C3 a
0 dias.
124
Figura 4.45: Influência do teor de cinza volante nas misturas 126
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A85/CV12/C3, A70/CV27/C3 e A60/CV37/C3 no tempo de cura de
0 dias.
Figura 4.46: Influência do teor de cinza volante nas misturas
A85/CV12/C3, A70/CV27/C3 e A60/CV37/C3 no tempo de cura de
30 dias.
126
Figura 4.47: Influência do teor de cinza volante nas misturas
A70/CV27/C3 e A60/CV37/C3 no tempo de cura de 100 dias.
127
Figura 4.48: Influência do teor de cinza volante nas misturas
A70/CV27/C3 e A60/CV37/C3 no tempo de cura de 125 dias.
127
Figura 4.49: Influência do teor de cinza volante nas misturas
A70/CV27/C3 e A60/CV37/C3 no tempo de cura de 140 dias.
128
Figura 4.50: Influência do teor de cinza volante nas misturas
A85/CV15, A70/CV30 e A60/CV40.
129
Figura 4.51: Influência da cal nas misturas A85/CV12/C3 e
A85/CV15 a 0 dias de cura.
130
Figura 4.52: Influência da cal nas misturas A70/CV27/C3 e
A70/CV30 a 0 dias de cura.
130
Figura 4.53: Influência da cal nas misturas A60/CV37/C3 e
A60/CV40 a 0 dias de cura.
131
Figura 4.54: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal
da mistura A85/CV12/C3 a diferentes períodos de cura.
132
Figura 4.55: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal
da mistura A70/CV27/C3 a diferentes períodos de cura.
133
Figura 4.56: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal
da mistura A60/CV37/C3 a diferentes períodos de cura.
134
Figura 4.57: Variação da tensão cisalhante vs tensão normal para a
mistura A85/CV12/C3 para os diferentes tempos de cura.
135
Figura 4.58: Variação da tensão cisalhante vs tensão normal para a
mistura A70/CV27/C3 para os diferentes tempos de cura.
135
Figura 4.59: Variação da tensão cisalhante vs tensão normal para a
mistura A60/CV37/C3 para os diferentes tempos de cura.
136
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Lista de tabelas
Tabela 2.1: Consumo de carvão e produção de cinzas nas usinas
termelétricas do sul do Brasil (Abreu, 1990 apud Mallman, 1996).
28
Tabela 2.2: Composição média das cales no mercado brasileiro
(Guimarães, 2002).
35
Tabela 2.3: Previsão da quantidade de cal em função do tipo de
solo (Ingles & Metcalf, 1972 apud Sandroni & Consoli, 2010).
39
Tabela 3.1: Descrição dos ensaios. 58
Tabela 3.2: Mineralogia para a profundidade de 3m (Sertã, 1986). 62
Tabela 3.3: Especificações dos carvões energéticos brasileiros
(Portaria 100/1987-CNP apud Lopes, 2011).
66
Tabela 3.4: Teores e símbolos utilizados para os materiais. 68
Tabela 3.5: Tempos de cura empregados para cada mistura. 69
Tabela 4.1: Pesquisas realizadas com o solo do Campo
Experimental da PUC-Rio.
80
Tabela 4.2: Índices físicos da areia. 81
Tabela 4.3: Densidade real dos grãos para as misturas. 82
Tabela 4.4: Resultados em percentual da análise granulométrica
dos materiais.
87
Tabela 4.5: Dados da distribuição granulométrica da cinza volante
obtidos em estudos anteriores.
87
Tabela 4.6: Análises químicas de capacidade de troca catiônica
(CTC) e de ataque sulfúrico do solo argiloso (Duarte, 2004 apud
Soares, 2005).
89
Tabela 4.7: Análise química total do solo argiloso, expressa em
porcentagem (Sertã, 1986).
89
Tabela 4.8: Elementos químicos presentes na cinza volante
(Lopes, 2011) e nas misturas com areia.
90
Tabela 4.9: Elementos químicos presentes nas misturas com solo
argiloso.
90
Tabela 4.10: Composição química das cinzas volante e de fundo
(Mendonça, 2004 apud Ubaldo, 2005).
91
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Tabela 4.11: Composição química da cinza volante de diversas
usinas termelétricas (Chies et al, 2003 apud Ubaldo, 2005).
92
Tabela 4.12: Resultados analíticos dos ensaios de lixiviação –
parâmetros inorgânicos (TASQA, 2010 apud Lopes, 2011).
93
Tabela 4.13: Tabela: Resultados analíticos dos ensaios de
lixiviação – parâmetros orgânicos (TASQA, 2010 apud Lopes,
2011).
94
Tabela 4.14: Resultados analíticos dos ensaios de solubilização –
parâmetros inorgânicos (TASQA, 2010 apud Lopes, 2011).
95
Tabela 4.15: Resultados analíticos dos ensaios de solubilização –
parâmetros orgânicos (TASQA, 2010 apud Lopes, 2011).
95
Tabela 4.16: Resultados dos ensaios de compactação para as
misturas com solo argiloso.
97
Tabela 4.17: Dados específicos dos ensaios de cisalhamento
direto para misturas com solo argiloso.
102
Tabela 4.18: Dados de tensão normal e cisalhante no
deslocamento de 12 mm para as misturas e o solo puro.
109
Tabela 4.19: Parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo
argiloso e das misturas.
113
Tabela 4.20: Dados específicos dos ensaios de cisalhamento
direto para misturas com areia.
114
Tabela 4.21: Dados de tensão normal e cisalhante no
deslocamento de 12 mm para as misturas, e no deslocamento de
14 mm para o solo puro.
125
Tabela 4.22: Parâmetros de resistência ao cisalhamento da areia
e das misturas.
137
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Lista de quadros
Quadro 1: Exigências físicas e químicas para a cal (NBR 7175). 67
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Lista de abreviaturas
A Areia
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente
CH Argila arenosa de média plasticidade
CV Cinza volante
EDX Espectrometria de fluorescência de raios-X
IP Índice de Plasticidade
LL Limite de Liquidez
LP Limite de Plasticidade
LVDT Linear Variable Differential Transformer
ML Silte de baixa plasticidade
NBR Norma brasileira
PUC Pontifícia Universidade Católica
RSU Resíduos sólidos urbanos
S Solo argiloso
SM Areia siltosa
SUCS Sistema Unificado de Classificação dos Solos
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Lista de símbolos
Gs Densidade real dos grãos
e Índice de vazios
emáx Índice de vazios máximo
emín Índice de vazios mínimo
Cu Coeficiente de uniformidade
Cc Coeficiente de curvatura
D10 Diâmetro efetivo
D50 Diâmetro médio
pH Medida de acidez ou basicidade
°C Graus centígrados
Kg Quilograma
mL Mililitro
mm Milímetro
cm Centímetro
m Metro
t Tonelada
t/ano Tonelada por ano
mm/min Milímetro por minuto
min Minuto
g/cm³ Grama por centímetro cúbico
kPa Quilopascal
KN Quilonewton
Ppm Partes por milhão
� Tensão cisalhante efetiva
ωotm Umidade ótima
γd máx Peso específico seco máximo
γd Peso específico seco
ρ Massa específica do solo
c´ Coesão
Ø’ Ângulo de atrito
�´ Tensão normal efetiva
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1 Introdução
1.1 Relevância e justificativa da pesquisa
No âmbito da engenharia geotécnica, pode-se dizer que o solo, o principal
material utilizado, nem sempre atende às necessidades da obra a ser realizada,
sendo assim, uma das alternativas para esta questão consiste na adição de outros
materiais que confiram a ele as características pretendidas, seja atribuindo-lhe
parâmetros de resistência adequados ou melhorando-os através da adição de
outros produtos estabilizantes ou materiais de reforço.
Diante da crescente busca por soluções em prol da preservação dos
recursos naturais, o aproveitamento e a aplicação de resíduos em obras
geotécnicas vêm se destacando, evitando a sua disposição inadequada e reduzindo
a geração de impactos ambientais.
Neste contexto, o emprego de resíduos em processos de estabilização de
solos tem sido foco de muitas pesquisas, que estudam a substituição de parte dos
materiais com alto custo por materiais com custo reduzido, que consistem nos
resíduos, como é o caso da utilização da cinza volante em misturas com solo e cal,
foco da presente pesquisa.
A cinza volante, proveniente do processo de queima de carvão mineral em
usinas termelétricas, por ser produzida em grande quantidade e ser um material
dotado de propriedades pozolânicas, tem sido um dos rejeitos industriais mais
utilizados em vários países, com ampla gama de aplicações. Atualmente, a cinza
volante é considerada um produto, sendo comercializada e beneficiada, e a sua
principal forma de aproveitamento no Brasil tem sido na fabricação do cimento
pozolânico.
A cal consiste no estabilizante mais econômico e mais utilizado na
estabilização de solos, com aplicação em camadas de pavimentos e aterros, e em
fundações superficiais, por exemplo. Utilizada desde a antiguidade, muitos
estudos têm comprovado sua eficiência no aumento da capacidade de suporte do
solo e na redução de recalques (Rosa, 2009).
Vale ressaltar que, para que sejam concebidos novos materiais, é
importante estudar as propriedades físicas, químicas e mecânicas dos materiais de
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constituição, bem como suas possíveis combinações. O conhecimento do
mecanismo de estabilização (química ou granulométrica) é de grande importância
no entendimento da resposta da mistura, no que diz respeito ao seu
comportamento mecânico. Este mecanismo é regido por vários fatores
relacionados com o solo e as cinzas, como granulometria, teor de umidade,
densidade e composição química.
Dentro deste contexto, o presente trabalho busca contribuir para um
melhor entendimento do comportamento do solo, quando misturado com a cinza
volante de carvão mineral e cal, avaliando a viabilidade do emprego destes
materiais em aplicações geotécnicas, como por exemplo, camadas de aterros
sanitários, solos de fundação, taludes, dentre outros.
1.2 Objetivos
O principal objetivo desta pesquisa foi analisar, através de ensaios
laboratoriais, os efeitos da cinza volante, quando incorporada em misturas com
dois tipos de solo, arenoso e argiloso. A cinza estudada é proveniente do
Complexo Termelétrico Jorge Lacerda, no município Capivari de Baixo, no
estado de Santa Catarina. Tendo em vista que este resíduo é depositado em bacias
de sedimentação, dispostas a céu aberto, podendo gerar impactos ambientais, o
reaproveitamento deste resíduo para diversos fins, como o deste trabalho, tem sido
de grande importância.
As misturas solo-cinza foram testadas sem e com a adição de cal
hidratada, sob períodos de cura distintos, com a finalidade de analisar a
viabilidade de sua aplicação em obras geotécnicas.
Dentre os objetivos específicos da pesquisa, podem-se citar:
- Realizar ensaios de caracterização física e química do solo, das cinzas e
das misturas por meio de ensaios laboratoriais normatizados;
- Avaliar o comportamento mecânico do solo e das misturas estudadas
através de ensaios de compactação e de cisalhamento direto;
- Analisar a influência do tipo de solo, adição de cal, período de cura e dos
teores de cinza empregados nas misturas com base nos ensaios realizados,
discutindo sobre sua aplicação em obras geotécnicas.
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26
1.3 Organização da dissertação
Este trabalho encontra-se dividido em cinco capítulos, segundo as etapas
de pesquisa realizadas, iniciando com este capítulo introdutório (Capítulo 1),
seguido do Capítulo 2, onde é apresentada a revisão bibliográfica dos principais
tópicos apresentados na pesquisa e necessários para o entendimento dos
resultados.
No Capítulo 3, é descrito de forma detalhada o programa experimental,
bem como é apresentada a descrição dos materiais utilizados, dos equipamentos e
dos métodos de ensaios utilizados conforme as normas vigentes.
No Capítulo 4, são apresentados e discutidos os resultados dos ensaios de
caracterização física, química e mecânica dos materiais e misturas solo-cinza e
solo-cinza-cal.
O Capítulo 5 apresenta as conclusões deste trabalho e as sugestões para
futuras pesquisas.
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2 Revisão bibliográfica
A revisão bibliográfica abrange os seguintes temas:
-O papel do carvão mineral na matriz energética brasileira;
-A origem e classificação das cinzas de carvão mineral, com enfoque na
cinza volante;
-As formas de aproveitamento das cinzas volantes de carvão;
-A relação das cinzas com o meio ambiente;
-Os tipos de cal;
-Os processos de estabilização de solos, bem como as reações solo-cal e o
comportamento mecânico deste conjunto;
-Pesquisas realizadas com solo e cinzas de carvão mineral;
-Pesquisas realizadas com solo e cinzas de resíduos sólidos urbanos;
-Conceitos sobre o ensaio de resistência ao cisalhamento direto.
2.1 Importância do carvão mineral na matriz energética brasileira
O carvão mineral é um recurso natural não renovável, utilizado como
combustível para geração de energia térmica. De acordo com Pinto (1971), as
principais usinas termelétricas que utilizam o carvão mineral para tal finalidade
estão situadas no sul do Brasil, onde se encontram as principais jazidas
carboníferas do país. Dentre elas, podem-se citar a Termelétrica de Figueira no
Norte do Paraná, a Sociedade Termelétrica de Capivari, em Santa Catarina, e as
Termelétricas de Charqueada e Candiota, situadas no Rio Grande do Sul. Na
Tabela 2.1, são apresentados o consumo de carvão e a produção de cinzas nestas
usinas termelétricas.
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Tabela 2.1: Consumo de carvão e produção de cinzas nas usinas termelétricas do sul do Brasil (Abreu, 1990 apud Mallman, 1996).
Centrais termoelétricas Consumo de carvão
(anual) (ton)
Produção de cinza
(anual)
Pesada
(ton)
Volante
(ton)
Candiota (RS) 1.334.795 139.859 559.435
Charqueadas (RS) 321.682 95.873 113.765
São Jerônimo (RS) 157.696 63.072* -
Jorge Lacerda 1.266.696 152.000 354.675
Total (ton) 3.080.869 450.804 1.027.875
* A cinza pesada de São Jerônimo é do tipo escória.
A Figura 2.1 mostra a participação do carvão mineral na oferta interna de
energia no Brasil, de acordo com os dados do Balanço Energético Nacional de
2013, com base nos dados de 2012. Comparando com os dados de 2011 (Figura
2.2), pode-se observar uma pequena redução na participação das fontes de energia
renováveis, devido à menor oferta de energia hidráulica e de etanol. Esta redução
está quantificada na Figura 2.3.
Figura 2.1: Oferta interna de energia no Brasil com base nos dados de 2012 (EPE, 2013).
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Figura 2.2: Oferta interna de energia no Brasil com base nos dados de 2011 (EPE, 2013).
Figura 2.3: Participação de renováveis na matriz energética brasileira (EPE, 2013).
2.2 Origem e classificação das cinzas
As cinzas são formadas a partir do processo de combustão do carvão
mineral. Convém dizer que as características físico-químicas do carvão mineral,
bem como o tipo de cinza produzido na sua queima, dependem de sua origem
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geológica. Por exemplo, o carvão brasileiro apresenta elevado teor de matéria
orgânica em sua composição, responsável pela formação de resíduos; o que o
diferencia do carvão proveniente de outras regiões.
Após o processo de queima do carvão, cerca de 80% do material não
queimado, ou seja, obtido de uma combustão incompleta, é recuperado em
tubulações de exaustão de gás. Este material não queimado denomina-se cinza
volante ou cinza leve, que é constituída por partículas extremamente finas - 100%
menor que 0,15 mm.
Os 20% restantes correspondem à cinza pesada ou cinza de fundo, que
possui uma granulometria mais grossa e é coletada em um recipiente com água,
localizado abaixo da câmara de combustão. Quando uma dada quantidade de
cinza pesada se acumular no recipiente, ele é então removido através de um jato
de água de alta pressão e conduzido por um canal de limpeza para tanques de
disposição ou bacias de decantação (Farias, 2005). Este processo pode ser
observado na Figura 2.4.
Figura 2.4: Processo de queima do carvão mineral em usinas termelétricas (Farias, 2005).
Além dessas duas classificações, Rohde et al (2006) ainda cita um outro
tipo de cinzas que são as escórias/cinza grossa, originada no processo de
combustão do carvão em grelhas fixas e móveis, apresentando-se com
granulometria grosseira e altos teores de carbono.
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2.2.1 Cinza volante
A cinza volante ou fly ash é uma mistura heterogênea com propriedades
pozolânicas, cujas características físicas e químicas variam com a composição
química do carvão, a temperatura da combustão e o método de retirada, sendo
estes dois últimos responsáveis pela estrutura cristalina da cinza, que atribui a ela
suas características cimentantes. A norma NBR 12653 (1992) dita as
especificações dos mateeriais pozolânicos, definidos como sendo um material
silicoso ou sílico-aluminoso, que embora dotado de pouca ou nenhuma
capacidade de cimentação, na presença de umidade desenvolve reações químicas
com hidróxidos alcalinos e alcalinos terrosos à temperatura ambiente, a fim de
formar ou auxiliar na formação de compostos com propriedades cimentantes.
Segundo Rohde et al (2006), os elementos responsáveis pela atividade pozolânica
das cinzas são SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, SO3, Na2O e K2O.
Em 1947, surgiram as primeiras tentativas da parte de comerciantes de
cinzas e da ASTM, de preparo das especificações de cinzas volantes para uso na
indústria do cimento. Em 1953, a ASTM criou um método de amostragem e
ensaios de cinzas volantes a serem utilizadas como aditivo no concreto de cimento
Portland. A norma ASTM C 618 (2008) apresenta as especificações para o uso da
cinza volante de carvão em concreto.
Têm sido muito utilizadas em pesquisas as cinzas volantes provenientes de
termelétricas da região sul do Brasil, como é o caso da presente pesquisa. A
composição química das cinzas desta região consiste em elevados teores de sílica,
alumina, óxido de ferro, óxido de cálcio, magnésio, sódio, potássio, dentre outros.
Quanto às características físicas, elas possuem uma granulometria de tamanho
silte ou areia, são materiais isentos de plasticidade e coesão, e sua densidade real
dos grãos tende a variar entre 2,05 e 2,2 g/cm³. Com relação à sua mineralogia,
elas são constituídas de material vítreo de natureza sílico-aluminosa, com a
presença de compostos cristalizados (Rohde et al, 2006).
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2.3 Aproveitamento das cinza volante de carvão mineral
Segundo Ceratti (1979), com o aumento da instalação de termelétricas
como usinas geradoras de energia, veio a primeira utilização de cinzas volantes
provenientes de termelétrica como agente cimentante do concreto em 1936, nos
EUA, onde foram construídos alguns quilômetros de parede de retenção ao redor
do lago Michigan.
Aos poucos, com a realização de pesquisas em todo o mundo, a cinza
volante tornou-se um material aplicado a diversos usos (ASTM D5759-12, 2005).
Nuñez (2007 apud Rosa, 2009) afirmam que, na década de 60, já se usavam
cinzas volantes estabilizadas na Inglaterra, França, Alemanha, na antiga URSS, na
Polônia e nas antigas Tchecoslováquia e Iugoslávia. Rohde et al (2006) relatam
que, de uma maneira geral, as formas de utilização das cinzas de carvão para fins
comerciais são divididas em três categorias principais: construção, fabricação e
estabilização, conforme especificado a seguir.
A construção é o setor que mais emprega subprodutos da combustão do
carvão. As cinzas podem ser aplicadas em concreto e argamassas; na fabricação
do cimento Portland pozolânico; em processos de estabilização sob pressão; em
aterros estruturais e sem funções estruturais como material de enchimento em
obra; em bases estabilizadas e solos modificados e estabilizados para rodovias; e
em pistas e edificações. Já na categoria fabricação, a cinza é empregada como
artefatos de cinza-cal, de cimento, ou artefatos cerâmicos.
No ramo da estabilização, a cinza volante pode ser utilizada para a
estabilização de resíduos tóxicos. Primeiramente, ela passa por um processo de
solidificação, ao ser misturada com água e produtos aglomerantes como cal e
cimento Portland. Desde então, é formada uma massa endurecida, com baixa
capacidade de produzir lixiviado, que é muito usada tanto para a estabilização de
resíduos inorgânicos, como para resíduos orgânicos.
No Brasil, o primeiro registro da utilização da cinza volante foi em 1964,
quando ela foi incorporada ao concreto, na construção da hidrelétrica de Jupiá,
para diminuir o calor de hidratação do concreto. Desde então, o emprego de cinzas
volantes já tem sido destinado a outras aplicações, como na fabricação de pré-
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moldados e em obras rodoviárias, contudo, a principal utilização tem sido na
indústria do cimento, como matéria-prima na fabricação do cimento Portland.
No âmbito da estabilização de solos, o emprego da cinza volante também é
amplo, tendo sido estudado por autores como Pinto (1971), Nardi (1975), Ceratti
(1979), Da Silva (1982), Mallmann (1996), Carraro (1997), Consoli (2001), Rosa
(2009), Lopes (2011) e Junior (2011).
Desse modo, conclui-se que a grande e crescente quantidade de resíduos
gerados, somada aos custos e riscos ambientais gerados pela disposição dos
mesmos, podem ser considerados agentes motivadores de estudos com foco no
aproveitamento das cinzas volantes para aplicações diversas.
2.4 Cinzas e meio ambiente
De acordo com a norma NBR 10004 (1984), os resíduos sólidos podem ser
classificados como perigosos, não-inertes e inertes. Para saber em que classe se
enquadra a cinza de carvão mineral, é necessário realizar ensaios de solubilização
e lixiviação, avaliando se as concentrações dos elementos químicos analisados
ultrapassam os valores de referência.
Segundo Mallmann (1996), com a crescente produção de cinzas nos países
que utilizam a queima de carvão como energia, passou a haver uma maior
preocupação no sentido de estudar os seus efeitos sobre o meio ambiente. O autor
cita em sua pesquisa estudos que foram realizados com este objetivo, como os de
Smith et al (1979), Kaakinen et al (1985) e Repetto (1988); e também destaca a
atuação de pesquisadores brasileiros para essa problemática, como Andrade e
Solari (1985), e Martins e Zanella (1990), que realizaram estudos dessa ordem na
Temelétrica de Candiota, no Rio Grande do Sul.
2.5 Cal
O processo de formação da cal se dá pela calcinação de rochas
carbonatadas cálcicas e magnesianas, a temperaturas próximas a 1000 °C. A cal
pode ser virgem ou hidratada, sendo a cal virgem classificada de acordo com o
óxido predominante (Silva, 2009):
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- cal virgem cálcica: com óxido de cálcio entre 100% e 90% do óxido total
presente;
- cal virgem magnesiana: com teores de óxido de cálcio variando entre
90% e 65% do óxido total presente;
- cal virgem dolomítica: com óxido de cálcio entre 65% e 58% do óxido
total presente.
A cal hidratada resulta da hidratação da cal virgem e também é classificada
conforme a cal virgem que lhe dá origem. A norma NBR 7175 (2003) apresenta
as especificações para a cal hidratada, expostas no capítulo seguinte.
As equaçõs eq. (2.1) e eq. (2.2) mostram as reações de formação da cal
virgem e da cal hidratada, respectivamente.
CaCO3 + calor ↔ CaO + CO2 eq. (2.1)
CaO + H2O ↔ Ca(OH)2 + calor eq. (2.2)
É importante destacar que a qualidade comercial da cal depende das
propriedades químicas do calcário e da qualidade da queima, devendo-se atentar
para a temperatura de calcinação utilizada e para o tempo em que o material é
exposto ao aquecimento (Nardi, 1975).
Dentre as aplicações que a cal possui no Brasil, as principais são na área
das indústrias (siderúrgicas, tinta, celulose, entre outras). Além disso, ela também
pode ser utilizada em processos de tratamento de águas potáveis e industriais, ou
de estabilização de solos como material cimentante. Guimarães (2002 apud Lopes,
2011) apresenta um resumo da composição média das cales comercializadas no
mercado brasileiro (Tabela 2.2).
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Tabela 2.2: Composição média das cales no mercado brasileiro (Guimarães, 2002 apud Lopes, 2011).
Tipo de cal
(%)
Cal virgem
cálcica (%)
Cal hidratada
cálcica (%)
Cal hidratada
dolomítica ou
magnesiana
(%)
Cal virgem
dolomítica ou
magnesiana
(%)
CaO 90-98 70-74 39-61 51-61
MgO 0,1-0,8 0,1-1,4 15-30 30-37
Insolúvel no
HCl 0,5-3,5 0,5-2,5 0,5-18,2 0,5-4,5
Fe2O3+Al2O3 0,2-1,0 0,2-0,8 0,2-1,5 0,2-1,0
Perda ao fogo 0,5-5,0 23-27 19-27 0,5-4,8
CO2 0,2-3,8 1,5-3,5 3,0-6,0 0,5-4,5
SO3 0,1-0,6 0,1-0,0 0,02-0,2 0,05-0,1
CaO+MgO base
de não volátil 96-98,5 76-99
MgO não
hidratado - 0,5-1,8 5-25 -
É importante destacar que, com base na norma NBR 5751 (1992), a
atividade pozolânica de materiais com cal, como as cinzas, pode ser determinada
por diversos métodos, que se baseiam na determinação da resistência à
compressão de argamassas ou na evolução do conteúdo de Ca(OH)2 no tempo.
Dentre esses métodos, pode-se citar o Método de Chapelle modificado, que
determina a reatividade do material pela sua capacidade de fixar cal quando
mantido em solução aquosa com óxido de cálcio. De forma simplificada, o
método consiste em manter em ebulição, durante 16 horas, uma mistura com 1 g
de CaO, 1 g de cinza e 250 g de água isenta de CO2. O resultado é expresso pela
quantidade de CaO fixada por grama de cinza pozolânica, e quanto maior a
fixação, mais reativo é o material.
2.6 Estabilização de solos
Villibor (1982) apud Santanna (1998) definem a estabilização de um solo
como sendo a alteração de qualquer propriedade do mesmo que melhore seu
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comportamento sob o ponto de vista de aplicação à engenharia. De acordo com
Medina e Motta (2004) apud Soliz (2007), as propriedades do solo que se visa
modificar no seu processo de estabilização são:
- a resistência ao cisalhamento, tornando-o menos sensível às mudanças
ambientais, como a umidade, e mais compatível com as cargas que a estrutura vai
absorver;
- a permeabilidade, aumentando-a ou diminuindo-a;
- a compressibilidade, reduzindo-a.
Para Guimarães (2002 apud Lopes, 2011), a estabilização dos solos pode
ser classificada em dois grupos:
- estabilização mecânica: abrange a correção da granulometria e
plasticidade, com adição ou subtração de certas quantidades das frações
constituintes, além da compactação;
- estabilização química: consiste de mistura com aditivos orgânicos ou
inorgânicos, como materiais betuminosos, resinas, compostos de fósforo, silicatos
de sódio, cal, cimento Portland, dentre outros, com posterior compactação.
Kézdi (1979) apud Vizcarra (2010) ressaltam que a escolha do melhor
método a ser adotado deve ser feita, considerando as propriedades do solo em sua
condição natural, as propriedades esperadas do solo estabilizado, e os efeitos no
solo após a estabilização.
No caso da estabilização mecânica, ela pode ocorrer através da
compactação ou da estabilização granulométrica. Segundo Santos et al (1995)
apud Lopes (2011), quando o solo é estabilizado por compactação, significa que,
pela aplicação de sucessivas cargas, a porosidade do solo é reduzida, ou seja, o
volume de vazios do solo diminui, levando a um aumento de resistência mecânica.
Já a estabilização mecânica por correção granulométrica envolve a mistura
do solo com um ou mais solos e/ou outros materiais, possibilitando a obtenção de
um novo produto com propriedades adequadas. Santanna (1998) afirma que a
combinação de materiais utilizada na mistura deve ser feita corretamente, de
modo que o produto final possua maior resistência às cargas, ao desgaste e à
erosão, estando adequado para aplicações de engenharia diversas.
No que se refere à estabilização química, ela consiste na adição de uma
determinada substância química ao solo, provocando uma reação química do
aditivo com os minerais do solo (fração coloidal), ou o preenchimento dos poros
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pelo produto da reação química do aditivo com a água. Nas misturas constituídas
por solo e cimento, e solo e cal, ocorre, inicialmente, uma reação físico-química,
onde os cátios Ca++ liberados pela hidratação do cimento reagem com a superfície
dos argilominerais, modificando o pH da solução eletrolítica. Posteriormente, a
rigidez da mistura sofre um acréscimo, devido aos produtos cimentantes oriundos
da reação pozolânica (Medina, 1987 apud Soliz, 2007).
Ainda segundo estes autores, após a mistura do solo com o agente
estabilizador, pode ou não ocorrer a formação da matriz contínua com o solo. Na
matriz contínua, o agente estabilizador preenche todos os poros, e as partículas de
solo ficam nela mergulhadas como se fossem um inerte de enchimento. Neste
caso, as propriedades do sistema são essencialmente as da matriz, havendo
predominância das propriedades mecânicas do estabilizador. Da mistura entre o
solo e o agente estabilizador, as reações resultantes podem ser físicas (variação de
temperatura, hidratação, evaporação, adsorção) ou químicas (troca catiônica,
precipiração, polimerização, oxidação, solução e carbonatação).
Sandroni & Consoli (2010) concluíram que não só a quantidade de
material cimentante regula o grau de cimentação de um solo estabilizado
quimicamente, atribuindo-lhe resistência, mas também fatores como a forma, a
densidade, a condição de cura, as condições de umidade, e as quantidades
existentes dos produtos reagentes, como a cal, desempenham papel relevante neste
processo.
2.6.1 Solo-cal
A combinação solo-cal é utilizada quando não se dispõe de um material
com características de resistência, deformabilidade e permeabilidade adequadas ao
projeto. Ela é comumente empregada na construção de estradas, sendo geralmente
utilizada como base ou sub-base de pavimentos. Além disso, a mistura solo-cal
também pode ser aplicada na proteção de taludes contra a erosão em obras
hidráulicas, e nas fundações de edificações de pequeno porte em solos com baixa
capacidade de suporte ou que apresentam baixa estabilidade volumétrica (Ingles
& Metcalf, 1972 apud Rosa, 2009).
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Segundo Pinto (1971), já foram realizadas muitas pesquisas com o
objetivo de identificar a melhor cal para processos de estabilização de solos.
Nelas, verificou-se que, em geral, a cal dolomítica produzia uma resistência cerca
de 30% maior do que a cal calcítica, contudo, na presença de certas cinzas
volantes, a cal calcítica produzia resistências maiores.
Nardi (1975) aponta que o óxido de cálcio (cal virgem) geralmente produz
melhores resistências no solo estabilizado, mas quase não é utilizado devido ao
seu potencial cáustico, apresentando periculosidade no seu manuseio.
No Brasil, a cal hidratada é a mais utilizada para a estabilização de solos,
sendo que as suas especificações estão presentes na norma NBR 7175 (2003).
A quantidade de cal necessária ao tratamento de solos pode ser arbitrada
de acordo com as características do solo a ser melhorado e as características
mecânicas desejadas na mistura, que dependem do tipo de tratamento que se
deseja. O tratamento do solo com cal pode ser por modificação ou estabilização
(Dias, 2004):
-modificação: o teor de cal adicionado ao solo é pequeno, apenas
suficiente para desenvolver as reações da fase rápida, sem desenvolver reações
lentas, cimentantes. Ocorrem redução da plasticidade, melhorias na
trabalhabilidade e aumento da resistência à defloculação e erosão;
-estabilização: o teor de cal adicionado ao solo é tal que além das reações
rápidas, as reações lentas possam ocorrer. Há um aumento definitivo da
resistência e rigidez do solo devido à ocorrência de reações pozolânicas.
A Tabela 2.3 apresenta um resumo da previsão da quantidade de cal a ser
adicionada para a estabilização em função do tipo de solo.
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Tabela 2.3: Previsão da quantidade de cal em função do tipo de solo (Ingles & Metcalf, 1972 apud Sandroni & Consoli, 2010).
Tipo de solo Teor de cal para
modificação (%)
Teor de cal para
estabilização (%)
Pedra finamente britada 2 a 4 Não recomendado
Pedregulho argiloso bem
graduado 1 a 3 ≥3
Areias Não recomendado Não recomendado
Argila arenosa Não recomendado ≥5
Argila siltosa 1 a 3 2 a 4
Argilas 1 a 3 3 a 8
Solo orgânico Não recomendado Não recomendado
Vale destacar que o tratamento de solos com cal não é eficiente em solos
altamente orgânicos, tampouco em solos com baixo ou nenhum teor de argila,
visto que o melhoramento das propriedades mecânicas é produzido pelas reações
entre a cal e os minerais argílicos, sendo o ganho de resistência diretamente
proporcional à quantidade de sílica disponível. Para Thompson (1966) apud Rosa
(2009), solos reativos são aqueles que, ao reagirem com a cal, sofrem um ganho
de resistência considerável, da ordem de 345 KN/m², após 28 dias de cura à
temperatura de 22,8 °C.
2.6.1.1 Reações solo-cal
Nóbrega (1985, apud Guimarães, 2006) relatam que a estabilização solo-
cal deve-se a dois tipos de ações: uma imediata, atribuída à troca catiônica e à
floculação-aglomeração; e outra a longo prazo, caracterizada pela carbonatação e
pelas reações pozolânicas, que proporcionam um aumento da resistência devido à
formação de produtos cimentantes.
A troca catiônica inicia o processo de estabilização rapidamente,
provocando mudanças na plasticidade do solo, além de pequenos aumentos na
resistência mecânica das misturas solo-cal, sendo seguida pela floculação e
aglomeração. Baseando-se nos autores Prusinski e Bhattacharja (1999, apud
Junior, 2011), para neutralizar a deficiência de carga na superfície do
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argilomineral, cátions e moléculas de água são atraídos para a superfície de
clivagem carregada negativamente, o que resulta na separação de duas camadas,
chamada de dupla camada difusa. Grim (1953) apud Thomé (1994) afirmam que,
assumindo igual concentração, a ordem de adsorção preferencial de cátions
comuns associados com os solos é dada pela seguinte série: Na+ < K+ < Ca2+ <
Mg2+ < Al3+, ou seja, cátions de menor valência são substituídos por cátions de
maior valência. Dessa forma, como a cal é uma fonte de cálcio livre, a sua adição
em quantidade suficiente cria uma concentração de íons Ca2+ que serão adsorvidos
na superfície dos argilominerais. A Figura 2.5 mostra este mecanismo.
Figura 2.5: Mecanismo de troca catiônica (Prusinski e Bhattacharja, 1999, apud Junior, 2011).
A floculação e aglomeração causam mudanças na textura da argila, uma
vez que sua estrutura é alterada de plana e paralela para uma orientação aleatória
de partículas (Prusinski e Bhattacharja, 1999 apud Junior, 2011). Segundo o relato
do TRB (1987, apud Junior, 2011), Herzog e Mitchell (1963) afirmaram que o
fenômeno da floculação é causado pelo aumento da concentração eletrolítica da
água intersticial, pelo alto pH e pela redução da espessura da dupla camada difusa,
através de trocas catiônicas.
A carbonatação ocorre quando o dióxido de carbono existente no ar ou em
água estagnada entra em contato com a matriz solo-cal e converte a cal novamente
em carbonato de cálcio, que é ineficiente na estabilização química de solos e
solubiliza na água ácida. Desse modo, a carbonatação consiste num processo
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indesejável, uma vez que reduz a quantidade de cal disponível no meio para
Figura 2.6: Ingles e Metcalf (1972) apud Lopes (2011).
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As reações entre o solo e a cal sofrem a influência de fatores como
temperatura, tempo de cura e natureza dos materiais. Os fatores temperatura,
tempo de cura e teor de umidade variam de forma significativa durante o período
de cura. Lima et al (1993, apud Guimarães, 2006) apontam que, no período inicial
da cura, costuma ocorrer um acréscimo rápido da resistência do solo estabilizado,
no entanto, à medida que a cura progride, a velocidade de aumento da resistência
torna-se cada vez menor devido às reações pozolânicas, que fazem com que a
resistência aumente mesmo após alguns anos. Com relação à temperatura, ela
funciona como catalisador das reações, sendo o acréscimo da resistência
diretamente proporcional ao incremento da temperatura.
Quanto à natureza dos materiais envolvidos, pode-se dizer que a natureza
do solo é mais importante devido à sua mineralogia e textura. Há argilominerais
como a caulinita e a ilita que reagem de forma mais lenta com a cal e produzem
minerais menos diversificados (Nobrega, 1985 apud Guimarães, 2006).
2.6.1.2 Dosagem da cal
A dosagem da cal visa selecionar a quantidade de cal necessária a ser
adicionada ao solo, atribuindo-lhe resistência. Dentre os métodos utilizados, Rosa
(2009) cita:
- Método do pH (Eades & Grim, 1966): consiste na determinação do teor
mínimo de cal que produza um aumento no valor de pH para 12,4;
-Método do ICL (Initial Consumption of Lime): proposto por Rogers et al
(1997), é uma variação do método do pH, onde o teor mínimo de cal é aquele
onde o pH atinge um valor constante (máximo);
-Método do Lime Fixation Point (Hilt & Davidson, 1960): baseado no
limite de plasticidade, que determina o teor de cal máximo que proporciona
melhoria na trabalhabilidade, sem ganhos significativos de resistência;
-Método de Thompson (1966): define como reativo um solo que apresente
um aumento de resistência à compressão simples de pelo menos 345 kPa quando
estabilizado com cal.
De acordo com Lopes (2011), estudos de Eades & Grim de 1966
demonstraram que a porcentagem de cal obtida pelo método do pH não produz a
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máxima resistência à compressão nos solos tropicais e subtropicais, não
assegurando se a reação do solo com a cal produzirá um substancial aumento de
resistência, devendo ser usado apenas como referência.
Além desses métodos clássicos de dosagem de cal, um outro método
utilizado é a relação volume de vazios/volume de agente cimentante, utilizada na
previsão do comportamento mecânico de solos artificialmente cimentados. Esta
metodologia tem sido foco de inúmeras pesquisas; dentre elas Junior (2011) cita
as de Foppa (2005), Junior (2007), Consoli et al (2007, 2009a, 2009b),
Lautenschläger (2007), Righetto (2008), Cruz (2008), Rosa (2009), Sandroni &
Consoli (2010).
A primeira pesquisa a desenvolver esta metodologia foi a de Junior (2007),
que utilizou o conceito de que, dada uma variação no volume de vazios de uma
amostra, haveria uma variação proporcional no volume de cal para contrabalançar
a perda ou ganho de resistência.
2.6.1.3 Variáveis determinantes do comportamento de mistura solo-cal
Como dito anteriormente, a adição de cal a um solo argiloso provoca
alterações em algumas de suas propriedades físicas. Em geral, ocorrem melhoras
na plasticidade, trabalhabilidade e nas características de resistência e
permeabilidade. Essas alterações, por sua vez, dependem de diversos fatores como
tipo de solo, tipo e teor de cal, tipo e teor de cinza, efeito da densidade e energia
de compactação, período e condições de cura (Lovato, 2004).
No que se refere ao efeito da cal, a primeira resposta da mistura solo-cal
consiste na redução do índice de plasticidade, acompanhada de mudanças na
granulometria e melhoria na trabalhabilidade. A segunda resposta consiste no
ganho de resistência que ocorre através da cimentação das partículas (Ingles &
Metcalf et al, 1972 apud Junior, 2011).
De similar importância à quantidade de cal é a densidade na qual a mistura
é compactada. Com o aumento da densidade, a resistência aumenta, a
permeabilidade diminui até um valor mínimo, próximo da umidade ótima, e
depois começa a aumentar novamente (Ingles & Metcalf, 1972 apud Rosa, 2009).
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Segundo Lovato (2004), há relatos do TRB (1987) de que misturas solo-
cal apresentam menor massa específica aparente máxima do que o solo natural
para uma mesma energia de compactação. À medida que o teor de cal aumenta,
essa massa continua diminuindo e a umidade ótima tende a aumentar.
Quando adicionada cal, as partículas de solo tornam-se mais floculadas,
devido à substituição dos íons sódio monovalentes da argila por íons cálcio
divalentes. Com a floculação, a quantidade de vazios no solo aumenta, o que
significa um índice de vazios mais elevado, que provoca a redução da massa
específica aparente seca do solo. De forma análoga, com o aumento de vazios,
maior será a quantidade de água necessária para preenchê-los, o que resultará em
uma umidade ótima maior e, consequentemente, em uma curva de compactação
mais achatada (Sivapullaiah et al, 1998 apud Lovato, 2004).
Outro fator importante por reger o comportamento de misturas solo-cal é o
tempo de cura, visto que ele é fundamental para as reações pozolânicas. Ingles e
Metcalf (1972 apud Rosa, 2009) estudaram a influência do tempo de cura na
resistência de diferentes tipos de solo. A Figura 2.7 mostra os resultados deste
estudo, através do qual foi possível concluir que o pedregulho arenoso é o solo
que mais apresenta resistência quando submetido à cura, sendo o ganho de
resistência diretamente proporcional ao período de cura.
Figura 2.7: Efeito do tempo de cura sobre a resistência à compressão simples para alguns solos estabilizados com cal (Ingles & Metcalf, 1972 apud Rosa, 2009).
A adição de materiais pozolânicos ao solo, como a cinza volante, é outro
fator que auxilia nas reações com a cal, proporcionando à mistura ganhos de
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resistência consideráveis (ASTM C593-06, 2011). Consoli et al (2001) estudaram
a mistura de um solo arenoso tratado com cal de carbureto e cinza volante,
verificando que ela apresentou um desempenho considerável em termos da
resistência ao cisalhamento e deformabilidade.
Além dos fatores citados, ainda se pode destacar a influência do teor de
umidade e da relação água/cal. Quanto ao efeito do teor de umidade, estudos
realizados com solo-cal e solo-cinza-cal mostram que, em alguns casos, o teor de
umidade que proporciona máxima resistência e máxima durabilidade não é
necessariamente igual ao teor de umidade que é determinado no ensaio de
compactação e que gera a maior massa específica aparente seca, e sim um valor
levemente inferior ao teor ótimo (Consoli et al, 2001).
De acordo com Sandroni & Consoli (2010), Osinubi (1998) estudou a
influência do retardamento da compactação em misturas solo-cal, observando uma
redução na umidade ótima da mistura à medida que o tempo de espera entre a
mistura e a compactação aumenta. Isto pode ser atribuído às trocas catiônicas e à
floculação das partículas de argila que ocorrem simultaneamente, provocando a
redução de água disponível no sistema.
Quanto à proporção água/cal, o trabalho de Junior (2007) permitiu
verificar que não há relação entre ela e a resistência à compressão simples. Dessa
forma, para uma mistura composta por solo e cal, a relação água/cal não é a
melhor maneira de prever a resistência em solos não saturados, sendo a água
somente necessária para transportar íons cálcio e hidroxila para a superfície da
argila para que ocorram as reações químicas. Em contrapartida, segundo Consoli
et al (2004), para a estimativa da resistência de solos tratados com cimento, a
relação água/cal é eficaz.
2.6.1.4 Comportamento mecânico do solo-cal
A resistência de misturas solo-cal normalmente é avaliada através dos
ensaios de compressão simples, compressão triaxial e Índice de Suporte
Califórnia, e depende de variáveis como teor de cal, tipos de solo e cal, energia de
compactação, tempo e temperatura de cura, descritos anteriormente (TRB, 1987
apud Lovato, 2004).
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Segundo Ingles & Metcalf (1972 apud Rosa, 2009), geralmente, a
resistência à compressão simples aumenta linearmente com a quantidade de cal
até certo nível, da ordem de 8% para solos argilosos. A partir deste ponto, a taxa
de acréscimo de resistência diminui com a quantidade de cal, devido às misturas
solo-cal apresentarem uma cimentação lenta que dependerá do tipo de solo,
conforme mostra a Figura 2.8.
Figura 2.8: Efeito da quantidade de cal sobre a resistência à compressão simples para alguns solos tratados com cal e curados por 7 dias (Ingles e Metcalf, 1972 apud Rosa, 2009).
Com base em Sandroni & Consoli (2010), Ormsby e Kinter (1973)
verificaram a influência da composição química do solo na resistência adquirida.
Em solos ricos com caolinita, a adição de cal cálcica fornece ao solo maiores
resistências do que a dolomítica, sendo a resistência à compressão simples função
linear do teor de cal adicionado. Quando o principal argilomineral é a
montmorilonita, os melhores efeitos são obtidos na presença de cal dolomítica.
Vale ressaltar que na cal dolomítica a presença de magnésio reduz a quantidade de
cálcio necessária para as reações pozolânicas. Sendo assim, essa falta de cálcio
pode ser compensada pela dosagem de um maior teor de cal, como afirma
Bhattacharja (2003 apud Lovato, 2004).
Segundo Rosa (2009), o aumento da resistência à compressão simples de
misturas solo-cal com o aumento da energia de compactação foi verificado por
Mateos (1964), que afirmou que a resistência das misturas é fortemente
influenciada pela temperatura de cura, recomendando a construção de camadas de
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pavimento estabilizadas com cal no início do verão. Consoli et al (2001)
constataram em sua pesquisa que a energia de compactação influencia
sobremaneira na determinação da resistência mecânica de solos tratados com cal
de carbureto e cinza volante.
De acordo com Junior (2011), a resistência ao cisalhamento de um solo
fino reativo é representada por um aumento significativo da coesão, sendo o
aumento do ângulo de atrito bem menos expressivo. Thomé (1994), ao estabilizar
um solo classificado como gley húmico com 5, 7 e 9% de cal, obteve valores de
coesão e ângulo de atrito compreendidos entre 13,7 e 21,6 kPa, e 19,7° e 23,1°,
respectivamente, quando no início o solo natural tinha uma coesão de 6,1 kPa e
ângulo de atrito de 18,3°. Consoli et al (2001), ao verificarem o comportamento
de um solo silte-arenoso tratado com 4% de cal de carbureto, observaram um
acréscimo na coesão de 10 KN/m² para 42 KN/m², e um acréscimo no ângulo de
atrito de 35° para 38° em relação ao solo natural.
Quanto ao comportamento tensão-deformação de misturas solo-cal, a
mudança na deformabilidade de um solo fino reativo é marcante se as reações
pozolânicas já tiverem ocorrido. A tensão de ruptura aumenta significativamente
enquanto a deformação para ruptura diminui, revelando o comportamento frágil
deste tipo de mistura (Lopes, 2011). Consoli et al (2001), em seu estudo com
mistura solo-cinza-cal, observaram um comportamento frágil na ruptura e que a
deformação axial na ruptura diminui com a cimentação.
2.6.2 Solo-cinza volante de carvão
De acordo com Rohde et al (2006), a estabilização de solos com cinza
volante em misturas solo-cinza-cal teve suas primeiras aplicações nas décadas de
1920 e 1930. A adição de cinza volante a solos que inicialmente não seriam
adequados à estabilização com cal parte do princípio de que a adição de material
pozolânico, como a cinza volante, auxilia nos níveis de reação com a cal,
formando um composto com propriedades cimentantes.
Nardi, em 1975, afirmou que processos clássicos de estabilização de solos
costumam ser de difícil aplicação a solos mal graduados e uniformes desprovidos
de finos, como os solos arenosos. Isto se deve ao fato de que a uniformidade das
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partículas destes solos dificulta a cimentação, devido ao maior volume de vazios e
ao menor número de contatos entre os grãos de solo.
Quispe (2013) reafirma que solos arenosos, com escassez de argila
coloidal, não reagem satisfatoriamente à cal; dessa forma, uma das alternativas é
utilizar cimento, mas como este pode ser uma solução muito cara, costuma-se
utilizar a cinza volante, que possui a função de substituir a fração fina (argila) do
solo, reagindo com a cal através das reações pozolânicas.
Um dos trabalhos mais significativos realizados é o de Mateos (1961 apud
Pinto, 1971), que ensaiou e descreveu fatores que afetam a estabilização dos solos
representativos do Estado de IOWA, nos EUA, com cinzas volantes da região.
Dentre estes fatores, podem-se citar tipos de cal, cinza e solo; efeito de diferentes
proporções de cal e cinza; relações entre umidade, densidade e resistência; efeitos
da energia de compactação e da temperatura de cura; influência da adição de
aditivos químicos e da demora na compactação depois de a mistura ser
umedecida; testes de congelamento e degelo, dentre outros.
Pinto (1971) utilizou em sua pesquisa misturas de areia com cinza volante
(10%, 17,5%, 25%) e cal dolomítica hidratada (6%). Foram adotadas duas
energias de compactação e três idades de cura (7, 14 e 28 dias), e foi analisada a
influência da temperatura de cura (7°C, 23°C, 40°C e 60°C) para a mistura com
17,5% de cinza. Os ensaios de resistência à compressão simples mostraram que os
teores ótimos de cinza volante, necessários para a obtenção de resistências
elevadas, estariam entre 15% e 25%, ou 30%. Além disso, foi observado um
aumento da resistência com a energia de compactação e com o prolongamento do
tempo de cura para as misturas. Vale destacar que corpos de prova curados a
elevadas temperaturas atingiram, em poucos dias, resistências bem superiores aos
curados em muitos dias à temperatura ambiente.
Dando prosseguimento à pesquisa de Pinto (1971), Nardi (1975) realizou
um estudo, em laboratório, da estabilização de um solo arenoso misturado à cinza
volante (13%) e cal hidratada cálcica (4%), e verificou o efeito da adição de
cimento portland (1%) e de brita (30%) na resistência da mistura. Foram
realizados ensaios de resistência à compressão simples e à compressão diametral,
através dos quais foi constatado um crescimento linear da resistência com o
tempo, que não só depende do esforço de compactação, mas também das dosagens
das misturas.
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Mallmann (1996) verificou o comportamento mecânico e físico da
estabilização de cinzas volante e pesada com cal dolomítica hidratada e areia,
curadas pelos processos de cura autoclave (149 a 188°C) e câmara à temperatura
constante (21°C). Os resultados dos ensaios de resistência à compressão simples
mostraram que, para a cura em autoclave, a resistência aumentou em comparação
aos corpos de prova curados à temperatura constante, a 7, 14, 28 e 60 dias de cura.
Também se observou um aumento da resistência com o aumento da energia de
moldagem, devido ao maior número de reações pozolânicas desenvolvidas com a
aproximação das partículas. A proporção da quantidade de cal e cinza na mistura
influenciou sobremaneira nos resultados dos ensaios e, em termos estatísticos,
verificou-se que a energia de moldagem e o tempo de cura são os fatores que
apresentam os maiores efeitos sobre os resultados de resistência, para ambos os
processos de cura.
Consoli et al (2001) realizaram ensaios de compressão não confinada e
ensaios de compressão triaxial drenados de um solo arenoso melhorado com cal
carbonática e cinza volante, no intuito de avaliar o seu comportamento tensão-
deformação. As mudanças no comportamento da mistura foram observadas
imediatamente após a mistura e a compactação, e após 28 dias de cura. Além
disso, buscou-se analisar a influência do teor de umidade e do peso específico
seco no comportamento da mistura, testando amostras moldadas no teor de
umidade ótimo, no lado seco e no lado úmido da curva de compactação obtida. De
acordo com os resultados, a adição de cal carbonática provocou, inicialmente, um
aumento do ângulo de atrito e da coesão, sendo que a máxima rigidez triaxial
ocorreu para as amostras moldadas no lado seco, enquanto a resistência máxima
ocorreu no teor de umidade ótima. Após 28 dias, as reações pozolânicas
induziram a um comportamento frágil e aumentaram ainda mais a resistência de
pico e a rigidez, sendo que ambas ocorreram no lado seco da curva de
compactação.
Rosa (2009) quantificou a influência das variáveis quantidade de cal,
quantidade de cinza volante, porosidade e tempo de cura sobre a resistência de um
solo arenoso artificialmente cimentado, verificando a adequação do uso da relação
vazios-cal na estimativa da resistência à compressão simples destas misturas. Os
resultados demonstraram que o aumento da quantidade de cal e cinza volante, da
massa específica aparente seca e do tempo de cura provocou o aumento da sua
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resistência à compressão simples. Esta aumenta linearmente com o aumento da
quantidade da cal (3% até 9%) e exponencialmente com a redução da porosidade
das misturas, o que assegura a adequabilidade da relação vazios/cal na estimativa
da resistência. O ganho de resistência com o aumento da massa específica
aparente seca do material compactado e do teor de cinza volante indica que a
efetividade da cimentação é maior nas misturas mais compactas e com maior
porcentagem de cinza volante (0% até 25%), devido à ocorrência de reações
pozolânicas.
Lopes (2011) estudou a aplicabilidade das cinzas volante e de fundo em
camadas de base de pavimentos rodoviários, através da mistura destas cinzas a um
solo areno-siltoso não laterítico. Foram realizados ensaios de caracterização física,
química, mecânica, e ensaios de solubilização e lixiviação. Os teores de cinza de
fundo foram 30% e 40%, e da cinza volante foram 10% e 20%, relacionados ao
peso do solo seco. Também foram realizados ensaios com a adição de 3% de cal.
As análises mecanísticas-empíricas com os valores de módulo resiliente
mostraram que é viável a utilização de cinzas como aditivo ao solo para utilização
em base de pavimentos de baixo volume de tráfego. Os ensaios triaxiais de cargas
repetidas demonstraram que a tensão confinante é mais influente no solo estudado
e que este comportamento não muda com a adição das cinzas. As análises dos
resultados de módulo de resiliência comprovaram a influência dos fatores tipo e
teor de cinza, tempo de cura e cal no módulo de resiliência, que apresentou
melhores resultados nas misturas com cinza volante e cal.
Junior (2011) estudou a aplicabilidade da relação volume de
vazios/volume de cal na estimativa da resistência à compressão simples e triaxial
para um solo areno-argiloso misturado com cal e cinza volante. Para isso, foram
realizados ensaios de compressão simples e triaxial. A adição de cal (3% a 11%)
promoveu ganhos de resistência nas misturas solo-cal e solo-cinza-cal,
verificando-se um aumento não-linear da resistência à compressão simples com o
aumento da quantidade de cal. Além disso, verificou-se que, independentemente
da quantidade de cal adicionada, a resistência aumentou potencialmente com a
redução da porosidade da mistura compactada. Em contrapartida, a taxa de ganho
de resistência não alterou consideravelmente com o aumento da massa específica
aparente seca. Quanto à resistência à compressão triaxial, constatou-se que quanto
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maior a cimentação, tensão confinante efetiva de ensaio, tempo de cura; e quanto
menor a relação vazios/cal, maior a resistência obtida.
Consoli et al (2011) desenvolveram um estudo com o objetivo de
quantificar a influência do período de cura (28, 60 e 90 dias de cura), teor de cal
(3 a 9%) , teor de cinza volante (0, 12,5 e 25%) e porosidade na resistência de um
solo arenoso misturado com cinza volante e cal; assim como avaliar o uso da
relação porosidade/teor volumétrico de cal na estimativa da resistência à
compressão não confinada. De acordo com os resultados, concluiu-se que quanto
maior o teor de cinza volante e quanto maior o período de cura, maior é a
resistência à compressão não confinada para um dado teor de cal. Em todas as
misturas solo-cinza-cal, sob todos os períodos de cura, a resistência aumentou
exponencialmente com a redução da porosidade, o que mostra ser a relação
porosidade/teor volumétrico de cal um parâmetro satisfatório na avaliação da
resistência da mistura em estudo.
Em outro estudo, Consoli et al (2011) também quantificaram a influência
dos teores de cinza volante (12,5 e 25%) e cal (3, 5, 7 e 9%), do tempo de cura
(28, 60 e 90 dias) e da porosidade na resistência de uma mistura composta por
solo arenoso, cinza volante e cal, avaliando o uso da proporção vazios/cal na
estimativa da resistência à compressão não confinada. Os ensaios mostraram que a
resistência aumenta linearmente com o teor de cal para as misturas, e
exponencialmente com a redução da porosidade para todas as misturas estudadas,
sendo a relação vazios/cal um bom parâmetro na avaliação da resistência do solo
em estudo. Ainda se pode destacar que houve um aumento da resistência com o
aumento do período de cura. Para 90 dias de cura, foi observado um aumento de
38% na resistência das misturas, evidenciando que os efeitos dos teores de cal e
cinza volante, do peso específico seco e suas interações são estatisticamente
significantes para as misturas submetidas a este período de cura.
2.6.3 Solo-cinza de RSU
Pesquisas sobre a utilização de cinzas de resíduos sólidos urbanos (RSU)
em processos de estabilização de solos são recentes quando comparadas aos
estudos realizados com cinzas de carvão mineral, devido ao fato de o número de
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usinas termoelétricas de RSU ser menor do que as que utilizam carvão (Vizcarra,
2010). Contudo, o comportamento relatado sobre os seus mecanismos de
estabilização pode ser comparado aos das cinzas de carvão, desde que o RSU seja
composto principalmente por matéria orgânica. Pode-se dizer que o estudo deste
tipo de cinza tem sido motivado pelos mesmos princípios, de reaproveitamento de
resíduos, busca por materiais de construção não convencionais e preservação de
jazidas de materiais naturais.
Ferreira et al (2003 apud Quispe, 2010) relatam que a cinza volante de
RSU pode ser aplicável a rodovias como material substituto de areia e/ou cimento
para bases e sub-bases estabilizadas com cimento. Estes autores ainda comentam
que uma aplicação potencial para este tipo de cinza está na estabilização do solo,
como um substituto de cal ou cimento.
A seguir, serão descritas as pesquisas de Vizcarra (2010), Quispe (2013) e
Szeliga (2014), que utilizaram cinzas provenientes da incineração de resíduos
sólidos urbanos.
Na pesquisa de Vizcarra (2010), foram realizadas misturas das cinzas
volante e de fundo de RSU (20% e 40%) com um solo argiloso não laterítico
regional, com a finalidade de avaliar sua aplicabilidade em camadas de base de
pavimentos. Para tal, foram executados ensaios de caracterização química, física e
mecânica destas misturas, bem como o dimensionamento mecanístico para uma
estrurura típica de pavimento. Os resultados demonstraram que a inserção de
cinza volante e cura prévia da mistura dobram o valor do módulo resiliente,
resultando na diminuição da espessura da camada de base em comparação ao solo
puro, para um mesmo nível de carregamento e mesmos critérios de
dimensionamento. Os resultados obtidos foram satisfatórios, sendo dependentes
do teor e do tipo de cinza utilizados, destacando o emprego positivo da cinza
volante de RSU para aplicação em camadas de base de pavimentos rodoviários.
Quispe (2013) realizou um estudo com misturas de um solo coluvionar
argiloso com os teores de 20%, 30% e 40% de cinza volante e cinza de fundo, sob
30 e 60 dias de cura, com o objetivo de avaliar a aplicabilidade das mesmas para
obras geotécnicas. Foram então realizados ensaios de caracterização física,
química e mecânica (compactação Proctor Normal e ensaios triaxiais consolidados
isotropicamente drenados) destas misturas. Os resultados mostraram que todas as
misturas solo-cinza apresentaram melhores parâmetros de resistência em
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comparação ao solo puro, sendo que as misturas com cinza volante obtiveram os
melhores resultados. Em contrapartida, para maiores teores de cinza volante,
houve uma diminuição da coesão. Com relação ao tempo de cura, em geral, houve
melhora do comportamento das misturas solo-cinza em comparação ao obtido sem
cura. As misturas com 40% de cinza volante e 30% de cinza de fundo
apresentaram as melhores características de resistência, podendo ser aplicadas a
uma ampla gama de obras geotécnicas.
Na pesquisa de Szeliga (2014), foram realizados ensaios triaxiais de
misturas com solo arenoso, cal e teores de 30% e 40% de cinzas volante e de
fundo, a diferentes períodos de cura, a fim de avaliar a sua aplicação para obras
geotécnicas. Para ambos os tipos de cinza, verificou-se que os melhores resultados
obtidos ocorreram para 40% de cinza. Para as misturas com cal, não foi possível
se estabelecer um padrão com relação aos períodos de cura estudados, sendo o
melhor resultado obtido para a mistura com 27% de cinza, a 60 dias de cura. A
execução de ensaios com corpos de prova pré-moldados para esta mesma
porcentagem, no mesmo tempo de cura, permitiu concluir que a técnica de
moldagem interfere na resistência do material, uma vez que, ao utilizar corpos de
prova pré-moldados, os resultados obtidos tendem a ser melhores do que os com
corpos de prova sem ser moldados.
2.7 Resistência ao cisalhamento
A resistência ao cisalhamento do solo pode ser definida como a máxima
tensão de cisalhamento que o solo pode suportar sem sofrer a ruptura, ou como a
tensão cisalhante no plano em que a ruptura estiver ocorrendo. Gerscovich (2010)
afirma que a resistência ao cisalhamento de um solo é função de dois
componentes, o embricamento e a resistência entre as partículas, sendo este
último dividido em mais dois componentes, que são a coesão e o ângulo de atrito.
O embricamento consiste no trabalho necessário para movimentar a
partícula de forma ascendente. No caso de um solo denso, como o utilizado por
Benedetti (2011) em sua pesquisa, há uma força adicional para superar o
embricamento entra as partículas, levando à ocorrência de uma expansão
volumétrica durante o ensaio, chamada de dilatância.
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A coesão pode ser dividida em coesão aparente, resultante das pressões
capilares da água contida nos solos, e coesão verdadeira, oriunda de pequenas
atrações entre as partículas que dependem da natureza dos solos ou sedimentos.
Para solos ou sedimentos com granulometria fina, o ângulo de atrito aumenta com
a redução da plasticidade, e para solos granulares, o ângulo de atrito depende da
forma e aspereza dos grãos, e do fato de a amostra ser bem ou mal graduada.
Atualmente, existem diversos métodos para se determinar a resistência ao
cisalhamento de um solo, no entanto, os mais utilizados incluem o ensaio de
cisalhamento direto e o ensaio triaxial. Como na presente pesquisa foi realizado o
ensaio de cisalhamento direto, apenas este será enfocado.
2.7.1 Ensaio de resistência ao cisalhamento
O ensaio de cisalhamento direto permite a determinação da resistência ao
cisalhamento do solo através da obtenção dos parâmetros coesão e ângulo de
atrito. Durante o ensaio, uma tensão normal pré-definida é aplicada ao corpo de
prova, e uma tensão cisalhante, que irá provocar a ruptura, é continuamente
aplicada e verificada, obtendo-se, assim, a tensão cisalhante máxima suportada
pelo solo.
Os parâmetros coesão e ângulo de atrito são agrupados pelo critério de
Mohr-Coulomb, expresso na equação eq. (2.6), e graficamente na Figura 2.9.
� = �´ + �´��ø´ eq. (2.6)
onde
� é a tensão cisalhante efetiva em kPa;
�´é a tensão normal efetiva em kPa;
��ø´ é a tangente do ângulo de atrito interno;
c´ é a coesão aparente.
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Figura 2.9: Representação gráfica do critério de ruptura de Mohr-Coulomb.
Como vantagens, este ensaio é simples e apresenta facilidade de execução.
Como desvantagens, Das (2007) aponta o fato de a ruptura ocorrer ao longo de
um plano pré-determinado, o que não é relevante para determinados casos; e ainda
ressalta que este ensaio não permite um controle de drenagem do corpo de prova,
já que a caixa não possui um sistema de vedação adequado e eficiente.
Ainda segundo este autor, o ensaio de cisalhamento pode ser realizado
com tensão controlada ou com deformação controlada. Nos ensaios com tensão
controlada, a força de cisalhamento é aplicada em incrementos iguais até que o
corpo de prova sofra ruptura; já nos ensaios com deformação controlada, uma taxa
constante de deslocamento cisalhante é aplicada a uma metade da caixa por um
motor que atua por meio de engrenagens. A vantagem do segundo método é que,
no caso de uma areia compacta, a resistência ao cisalhamento de pico (na ruptura)
e a resistência ao cisalhamento inferior (no ponto após a ruptura, chamado de
resistência última) podem ser observadas graficamente. Além disso, este método
modela melhor as situações reais de campo. A Figura 2.10 apresenta um esquema
do equipamento de cisalhamento direto com deformação controlada, o qual será
utilizado na presente pesquisa.
Figura 2.10: Esquema do equipamento do ensaio de cisalhamento direto com deformação controlada (Gerscovich, 2010 apud Benedetti, 2011).
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2.8 Considerações finais
Na revisão bibliográfica do presente estudo, foi relatada a participação do
carvão mineral na matriz energética brasileira, bem como a descrição dos resíduos
oriundos do processo de combustão do carvão mineral, que consistem em dois
tipos de cinza, a volante e a de fundo. Como nesta pesquisa é estudada a cinza
volante, a revisão enfoca as áreas de aplicação deste material, que é muito
utilizado no setor de construção, na fabricação de cimento pozolânico, por
exemplo; além de ser empregado como agente estabilizante de solos, dentre outros
fins. Esta pesquisa também aborda os tipos de processos de estabilização de solos,
que podem ser químico ou mecânico; e os processos de tratamento do solo com a
cal, bem como as reações desencadeadas entre ambos e os fatores que influenciam
no comportamento da mistura solo-cal, como tipo de solo, teor de cal, tipo e teor
de cinza, efeito da densidade e energia de compactação e do tempo de cura.
Também são abordadas as pesquisas realizadas com a cinza volante, reforçando o
emprego positivo deste material em misturas com solo-cal, seja em obras
geotécnicas, seja como revestimento de base de pavimentos, contribuindo para
uma destinação ambientalmente correta deste material. É importante destacar que
por se tratar de um resíduo dotado de variações em sua constituição, é
imprescindível a realização de ensaios de caráter ambiental de modo a verificar a
aplicabilidade segura do mesmo.
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3 Programa experimental 3.1 Considerações iniciais
O programa experimental deste trabalho consiste em duas etapas: na
primeira, inicialmente foram definidas as porcentagens de cinza adotadas para as
misturas com base em trabalhos realizados anteriormente, descritos na revisão
bibliográfica. Posteriormente, foram realizados ensaios de caracterização física
dos materiais (areia, argila, 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, também foram realizados ensaios com o
objetivo de determinar os índices de vazios, com base na densidade relativa da
areia correspondente a 50%, definida através da análise de trabalhos anteriores. A
umidade ótima adotada nos ensaios de cisalhamento da areia e das misturas foi
definida através da execução de ensaios de cisalhamento direto da areia a
diferentes umidades, tendo sido escolhida aquela cujo comportamento apresentou-
se melhor.
Na segunda etapa, foram realizados ensaios de caracterização mecânica
(ensaios de compactação e ensaios de cisalhamento direto). Os ensaios de
compactação foram realizados para todas as misturas com argila, a fim de se
determinar a umidade ótima e o peso específico seco máximo para a moldagem de
cada corpo de prova para o ensaio de cisalhamento direto.
Foi executada uma sequência de ensaios de cisalhamento direto para as
misturas solo-cinza e solo-cinza-cal, tendo sido adotada a cura apenas para as
misturas com areia e cal, por motivos de disponibilidade de tempo.
Na Tabela 3.1, encontra-se a descrição de todos os ensaios realizados.
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Tabela 3.1: Descrição dos ensaios.
Etapa Material Ensaio Quantidade*
Caracterização
física
Areia
Densidade real dos
grãos 3
Análise
granulométrica 1
Índice de vazios
máximo e mínimo 3
Cinza volante
Densidade real dos
grãos 3
Análise
granulométrica 1
Misturas com areia
e cinza
Densidade real dos
grãos 3
Análise
granulométrica 1
Índice de vazios
máximo e mínimo 3
Misturas com areia,
cinza e cal
Densidade real dos
grãos 3
Misturas com argila
e cinza
Densidade real dos
grãos 3
Análise
granulométrica 1
Misturas com argila,
cinza e cal
Densidade real dos
grãos 3
Caracterização
mecânica
Misturas com areia
e cinza Cisalhamento direto 3
Misturas com areia,
cinza e cal Cisalhamento direto 3
Misturas com argila
e cinza
Compactação 1
Cisalhamento direto 3
Misturas com argila,
cinza e cal
Compactação 1
Cisalhamento direto 3
*Quantidade de ensaios por material e/ou mistura.
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3.2 Materiais 3.2.1 Solo 3.2.1.1 Solo argiloso
O solo utilizado é um solo maduro, de origem coluvionar, argilo-arenoso,
não saturado, proveniente do Campo Experimental II da PUC-Rio (Soares, 2005).
O material foi retirado de uma profundidade de aproximadamente 2 metros a
partir da superfície da encosta. A Figura 3.1 mostra a localização do Campo
Experimental II, e a caracterização deste material está presente no Capítulo 4.
Cabe ressaltar que a escolha deste material foi feita em função de o local de
retirada ser de fácil acesso e de existir em muitos trabalhos anteriores sobre ele,
como os de Sertã (1986), Lins (1991), Daylac (1994), Beneveli (2002), Ramírez
(2012) e Quispe (2013).
Figura 3.1: Localização do Campo Experimental II da PUC-Rio (Soares, 2005).
De acordo com Sertã (1986), embora não existam afloramentos rochosos
no Campo Experimental, o embasamento local é constituído por um gnaisse
formado principalmente por minerais como quartzo, feldspato e biotita, e por
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minerais acessórios como a muscovita e a granada. Sua tonalidade é vermelha
com trechos amarelados, devido à presença de óxidos de ferro e alumínio
resultantes do processo de intemperismo dos minerais primários. A Figura 3.2
mostra o aspecto do solo em estudo.
Figura 3.2: Solo argiloso.
Baseando-se no perfil morfológico feito por Daylac (1994), mostrado na
Figura 3.3, o solo utilizado encontra-se na camada superior do perfil, conformado
por colúvio. No local da coleta, foi observada ainda a presença de alguns
pedregulhos de quartzo e uma grande quantidade de raízes.
Daylac (1994) também sintetizou os resultados da análise mineralógica do
solo do campo experimental, realizada por Sertã (1986). A Tabela 3.2 mostra a
mineralogia do solo a 3 m de profundidade. A presença de minerais como a
caulinita, a gibsita e a goetita, e o perfil morfológico apresentado revelam o
elevado grau de intemperismo do solo em estudo.
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Figura 3.3: Perfil morfológico do Campo Experimental da PUC-Rio (Daylac, 1994).
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Tabela 3.2: Mineralogia para a profundidade de 3m (Sertã, 1986).
Fração do solo Mineral Quantidade / observações
Pedregulho Quartzo
grãos arestados de coloração
transparente a leitosos
Granada alterada alguns fragmentos
Areia
Quartzo grãos arestados
Granada muito alterada correspondem a
aproximadamente 5% da amostra
total Agregados
Ferruginosos
Magnetita pequenos traços
Silte
Quartzo presença
Caulinita presença
Goetita presença
Argila Caulinita presença marcante
Goetita alguns traços
3.2.1.2 Areia
A areia foi coletada na Praia da Barra da Tijuca, localizada na zona oeste
da cidade do Rio de Janeiro/RJ. Foi escolhida uma areia de praia no intuito de
avaliar o comportamento mecânico de misturas com este material, analisando
individualmente o papel das cinzas e da cal na resistência das misturas, tendo em
vista que esta areia foi considerada material inerte.
O local da coleta foi escolhido em função da presença de uma areia de
granulometria fina, sendo ela realizada entre os postos 5 e 6 (Figura 3.4). O
material foi coletado a cerca de 40 cm de profundidade, evitando que eventuais
impurezas também fossem coletadas, e posteriormente, armazenado em sacos
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plásticos. A Figura 3.5 ilustra este solo, e a sua caracterização é apresentada no
Capítulo 4.
Figura 3.4: Localização do ponto de coleta de areia.
Figura 3.5: Areia.
3.2.2 Cinza volante
A cinza volante é originária do processo de queima do carvão mineral no
Complexo Termelétrico Jorge Lacerda, situado no município Capivari de Baixo,
no estado de Santa Catarina (Figura 3.6). Foi transportada para o Rio de Janeiro
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por meio da SATC – Associação Beneficente da Indústria Carbonífera de Santa
Catarina, e foi disposta em tonéis no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente
da PUC-Rio.
Figura 3.6: Localização do Complexo Termelétrico Jorge Lacerda (Leandro, 2005).
A caracterização da cinza volante está presente no Capítulo 4. Na Figura
3.7, podem ser observados com detalhe os aspectos desta cinza.
Figura 3.7: Cinza volante.
O Complexo Termelétrico Jorge Lacerda é considerado o maior complexo
termelétrico movido a carvão mineral da América Latina. Pertence à Companhia
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Tractebel Energia, que integra o Grupo Franco-Belga GDF-Suez e engloba um
conjunto de usinas termelétricas, como pode ser visto na Figura 3.8. A Figura 3.9
mostra a vista da área de depósito das cinzas desta termelétrica.
O complexo é composto pelas usinas termelétricas A, B e C com
capacidade de produção instalada de 857 Megawatts. De acordo com Pozzobon
(1999 apud Lopes, 2011), com base na classificação da Portaria 100/87 do
Conselho Nacional do Petróleo, as três utilizam o carvão mineral do tipo CE
4500, com baixo teor calorífico, e um elevado teor de cinzas. A Tabela 3.3
apresenta as especificações do carvão mineral utilizado.
Dentre as principais atividades envolvidas na geração de energia
termelétrica neste Complexo, destacam-se a mineração do carvão e seu transporte
até as usinas onde ocorre a geração de energia elétrica, gerando um abastecimento
das indústrias, residências e estabelecimentos comerciais em torno de 35%.
Dos resíduos produzidos da queima do carvão mineral, são produzidas
cerca de 70% de cinzas volantes, alocadas em silos e vendidas para indústrias de
cimento. Quanto à cinza de fundo, uma pequena parte está sendo utilizada em
áreas degradadas pela mineração de carvão; enquanto a maior parte gerada é
destinada às bacias de decantação (Ubaldo, 2005).
Figura 3.8: Usinas pertencentes à Companhia Tractebel (Tractebel Energia, 2010 apud Lopes, 2011).
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Figura 3.9: Vista geral do Complexo Jorge Lacerda (Tractebel Energia, 2010 apud Lopes, 2011).
Segundo as diretrizes do Anexo G da Norma NBR 10004 (2004), que
apresentam os valores máximos permitidos no ensaio de solubilização, a cinza
volante foi classificada como pertencente à Classe II A – Resíduo não inerte, já
que as concentrações de Alumínio, Fluoretos e Fenóis totais foram superiores a
estes valores.
Os resultados de Ubaldo (2005), que utilizou a mesma cinza em sua
pesquisa, também a enquadrou na Classe II A – Resíduo não inerte, pelo fato de a
mesma ter apresentado no ensaio de solubilização concentrações de Alumínio,
Cromo e Sulfatos acima das permitidas.
Apesar de a cinza volante ser classificada com um resíduo não inerte, isto
não inviabiliza a sua utilização como agente cimentante em misturas com o solo,
já que no ensaio de lixiviação, que representa a infiltração da água da chuva no
solo, todos os parâmetros analisados encontram-se dentro dos limites permitidos
pela norma. No entanto, Lopes (2011) sugeriu para estudos futuros a análise da
influência dos parâmetros que ultrapassam os limites da norma, para o solo e o
meio ambiente.
De acordo com a Resolução CONAMA 420 (2009), a concentração
máxima tolerável em reservatórios de água subterrânea para o alumínio é de
3500 µg/L, o que confirma o fato de que a concentração apresentada pela cinza
volante não causa dano à saúde humana.
4.3 Ensaios de caracterização mecânica 4.3.1 Solo argiloso 4.3.1.1 Ensaio de compactação
Os ensaios de compactação foram realizados para o solo puro, a cinza
volante e as misturas, com e sem a adição de cal, sob a energia Proctor normal. A
Tabela 4.16 apresenta um resumo dos valores de umidade ótima (wotm) e peso
específico seco máximo (γd máx) do solo, da cinza e das misturas. As curvas de
compactação das misturas sem e com a adição de cal estão dispostas nas Figuras
4.9 e 4.10.
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Tabela 4.16: Resultados dos ensaios de compactação para as misturas com solo argiloso.
Material/Mistura wotm (%) γd máx(g/cm³)
S 26,3 1,55
S85/CV15 24 1,55
S70/CV30 23,5 1,5
S85/CV12/C3 24 1,55
S70/CV27/C3 25,5 1,49
CV 22,8 1,925
Figura 4.9: Curvas de compactação do solo puro e das misturas sem a adição de cal.
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Figura 4.10: Curvas de compactação do solo puro e das misturas com a adição de cal.
Pode-se notar que ocorre uma redução do peso específico seco máximo
com o aumento do teor de cinza, tanto para as misturas sem cal, como para as
misturas com cal. Para as misturas com menores teores de cinza, o peso específico
é aproximadamente igual ao do solo puro, como pode ser visto na Figura 4.11.
Pode-se dizer que também ocorre uma redução da umidade ótima à medida que se
aumenta o teor de cinza, porém, na presença de cal, ela diminui com 12% de
cinza, mas volta a aumentar para um teor de 27% (Figura 4.12), o que explica
parte da queda de densidade.
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Figura 4.11: Variação do peso específico seco com o teor de cinza volante.
Figura 4.12: Variação da umidade ótima com o teor de cinza volante.
A Figura 4.13 mostra a curva de compactação da cinza volante. Ubaldo
(2005), ao realizar a curva de compactação para a mesma cinza (Figura 4.14),
encontrou valores de 11,8 KN/m³ e 29% para o peso específico seco máximo e a
umidade, respectivamente. Estes valores foram um pouco diferentes dos
encontrados na presente pesquisa, o que pode ser justificado pelo grande intervalo
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de tempo existente entre ambos e pelos fatores que podem influenciar nas
propriedades físico-químicas das cinzas.
Figura 4.13: Curva de compactação da cinza volante.
Figura 4.14: Curva de compactação da cinza volante do Complexo Jorge Lacerda (Ubaldo, 2005).
Com relação ao comportamento do solo argiloso, Ramírez (2012) afirma
que Beneveli (2002), em sua pesquisa, obteve o mesmo resultado para este
material, coletado entre os primeiros dois metros de profundidade do Campo
Experimental II da PUC-Rio. A Figura 4.15 mostra a curva de compactação
obtida por Beneveli.
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Figura 4.15: Curva de compactação Proctor normal obtida por Beneveli (2002 apud
Ramirez, 2012).
4.3.1.2 Ensaio de cisalhamento
Os ensaios de cisalhamento direto foram realizados para o solo puro, as
misturas com 15 e 30% de cinza volante, e as misturas com cal, sem cura. Os
corpos de prova foram moldados nas condições de umidade ótima e peso
específico seco máximo, determinadas nos ensaios de compactação. Os ensaios
foram realizados sob as tensões de 50, 200 e 300 kPa, a fim de se determinar seus
parâmetros de resistência ao cisalhamento (coesão e ângulo de atrito). Quanto ao
solo puro, foi observado no momento de finalização do ensaio que a tensão de
execução do ensaio foi de 160 kPa, ao invés de 200 kPa, devido a algum problema
gerado pelo equipamento. A Tabela 4.17 apresenta os dados específicos dos três
ensaios realizados para cada material.
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Tabela 4.17: Dados específicos dos ensaios de cisalhamento direto para misturas com solo argiloso.
Material/ mistura
Massa aplicada
(kg)
Tensão vertical aplicada
(kPa)
Velocidade da
engrenagem (mm/min)
Duração do ensaio (horas)
Intervalo de leitura
(min)
S 7 50
0,0819 3 0,17 30 160 58 300
S85/CV15 7 50
0,098 2,54 0,17 39 200 60 300
S70/CV30 7 50
0,174 1,43 0,17 39 200 60 300
S85/CV12/C3 7 50
0,393 0,63 0,17 39 200 60 300
S70/CV27/C3 7 50
0,098 2,54 0,17 39 200 60 300
Devido ao fato de o ensaio de cisalhamento direto ser sempre drenado, não
havendo controle da drenagem, ele deve ser executado lentamente, no intuito de
impedir o estabelecimento de poropressões nos poros da amostra. Vale ressaltar
que a condição drenada implica na total dissipação de poropressões durante o
cisalhamento, sendo que ela ocorre rapidamente em solos arenosos, devido a sua
alta permeabilidade; e no caso dos solos argilosos, ocorre lentamente, a uma baixa
velocidade de deformação. Contudo, comparando com os dados da areia, mais à
frente, os valores de velocidade de cisalhamento obtidos para as misturas foram
bem parecidos.
Em um ensaio de cisalhamento direto, realizam-se leituras de 3 medidas:
deslocamento horizontal, deslocamento vertical e força cisalhante. A partir delas,
são então calculadas as tensões cisalhantes e plotados os gráficos de tensão
cisalhante vs deslocamento horizontal.
4.3.1.2.1 Comportamento tensão cisalhante vs deslocamento horizontal
A Figura 4.16 mostra as curvas tensão cisalhante vs deslocamento
horizontal para o solo puro, sob as tensões de 50, 160 e 300 kPa.
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Figura 4.16: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para o solo puro.
As Figuras 4.17 a 4.20 mostram as curvas tensão cisalhante vs
deslocamento horizontal para as misturas S85/CV15, S70/CV30, S85/CV12/C3 e
S70/CV27/C3, respectivamente, submetidas às tensões de 50, 200 e 300 kPa.
Figura 4.17: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a mistura S85/CV15.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Te
nsã
o c
isa
lha
nte
(K
Pa
)
Deslocamento horizontal (mm)
50 kPa
160 kPa
300 kPa
0
20
40
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Deslocamento horizontal (mm)
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200 kPa
300 kpa
S85/CV15
S
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Figura 4.18: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a mistura S70/CV30.
Figura 4.19: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a mistura S85/CV12/C3.
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Deslocamento horizontal (mm)
50 kPa
200 kPa
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Deslocamento horizontal (mm)
50 kPa
200 kPa
300 kPa
S85/CV12/C3
S70/CV30
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Figura 4.20: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a mistura S70/CV27/C3.
4.3.1.2.2 Influência do teor de cinza
O comportamento da tensão cisalhante versus deslocamento horizontal
para o solo argiloso e as misturas com 15% e 30% de cinza volante (S85/CV15 e
S70/CV30) são apresentados e comparados na Figura 4.21.
Pode-se notar que para a tensão normal de 50 kPa, ambas as misturas
apresentaram um comportamento melhor do que o solo argiloso. Observa-se
claramente a ruptura da mistura S70/CV30, a 5 mm de deslocamento horizontal,
devido à formação de pico, seguida por uma queda na curva; o que não ocorre
com o solo puro, tampouco com a mistura com 15% de cinza. Neste caso, o
critério utilizado para determinação dos pontos de ruptura foi a observação de
uma constância nos valores de tensão cisalhante após um determinado tempo, não
só no gráfico, como também na planilha com os resultados dos ensaios. Para
deslocamentos inferiores a 6,6 mm, a mistura S70/CV30 apresenta um
comportamento melhor do que o solo puro e a mistura com 15% de cinza,
contudo, a 6,6 mm, as resistências das misturas se igualam e a mistura com 15%
passa a apresentar uma resistência maior quando submetida a este nível de tensão,
mantendo-se constante.
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Deslocamento horizontal (mm)
50 kPa
200 kPa
300 kPa
S70/CV27/C3
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Para a tensão normal de 160 kPa, até um deslocamento horizontal de 2,8
mm, o solo apresenta uma resistência maior do que as misturas, ensaiadas a 200
kPa, sendo que ambas revelam um comportamento similar, se encontrando neste
ponto. No entanto, para deslocamentos superiores, tanto para 15% de cinza, como
para 30%, as resistências obtidas são maiores do que a do solo puro, com destaque
para a mistura S85/CV15, que apresenta um comportamento melhor.
Para a tensão normal de 300 kPa, o solo puro e a mistura com 15% de
cinza apresentam resistências maiores que a mistura S70/CV30, sendo que o
comportamento do solo puro é ligeiramente melhor do que a mistura S85/CV15.
A 2 mm de deslocamento, suas resistências se igualam, quando então a mistura
S85/CV15passa a apresenta resistências maiores do que o solo puro, mantendo
certa constância com o acréscimo de deslocamento. A mistura contendo 30% de
cinza mantém um comportamento inferior aos demais materiais até alcançar um
deslocamento de 11,2 mm, quando passa a interceptar a curva do solo puro e a
tornar-se um pouco maior do que ele.
Desse modo, comparando as duas misturas, convém dizer que, de forma
geral, para deslocamentos superiores a 6 mm, aproximadamente, a mistura com
15% de cinza volante foi a que apresentou um melhor comportamento, tanto para
baixas como para altas tensões normais, o que pode ser atribuído à existência de
uma maior coesão entre as partículas desta mistura. Para tensões maiores, foi
observada uma tendência de as curvas de ambas as misturas interceptarem e
ultrapassarem os valores do solo puro, não só para baixos como também para altos
deslocamentos horizontais.
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Figura 4.21: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal do solo argiloso e misturas S70/CV30 e S85/CV15.
O comportamento da tensão cisalhante versus deslocamento horizontal
para o solo argiloso e as misturas com 3% de cal em substituição ao peso seco da
cinza volante (S85/CV12/C3 e S70/CV27/C3) são apresentados e comparados na
Figura 4.22.
Para a tensão normal de 50 kPa, o solo puro mantém um comportamento
ligeiramente melhor do que as misturas até um deslocamento de 2,4 mm. Para
deslocamentos superiores, a mistura S85/CV12/C3 atinge resistências maiores do
que o solo e a mistura com 27% de cinza. Pode-se observar a ausência de um pico
de ruptura bem definido.
Para a tensão normal de 160 kPa, o solo puro apresenta um
comportamento melhor do que a mistura com 27% de cinza (ensaiada a 200 kPa)
até um deslocamento de 4,4 mm, quando esta torna a ultrapassar o solo puro. Com
relação à mistura com 12% de cinza, também ensaiada a 200 kPa, o solo puro
apresenta resistências maiores até um deslocamento de 1,6 mm. Após este valor, a
mistura apresenta um ganho representativo de resistência, se destacando do solo
puro e da mistura S70/CV27/C3. Para deslocamentos baixos e elevados, a mistura
com 12% de cinza se apresenta melhor do que a mistura com 27% de cinza.
Para a tensão normal de 300 kPa, também se pode observar que o solo
puro apresenta um comportamento melhor do que a mistura com 12% de cinza até
3,2 mm de deslocamento horizontal, quando então esta torna a apresentar um
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ganho considerável de resistência, mantendo-se acima do solo puro e da mistura
com 27% de cinza. Quanto à mistura S70/CV27/C3, ela mantém-se inferior à
mistura com 12% de cinza e ao solo puro até 4,4 mm de deslocamento, contudo, a
partir deste ponto, ela passa a apresentar um comportamento melhor do que o solo
puro, mantendo-se inferior à mistura S85/CV12/C3.
Dessa forma, pode-se dizer que, a baixos deslocamentos horizontais, o
comportamento do solo puro é melhor do que o das duas misturas para todas as
tensões normais aplicadas. De modo geral, para um deslocamento horizontal
acima de aproximadamente 3 mm, a mistura com 12% de cinza é a que apresenta
melhor comportamento, para baixas e altas tensões normais, o que também pode
ser explicado por uma coesão mais significativa existente entre as partículas desta
mistura. Além disso, para todas as tensões, foi observada uma tendência de as
curvas de ambas as misturas interceptarem e ultrapassarem os valores do solo
puro, não só para baixos como também para médios deslocamentos horizontais.
Figura 4.22: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal das amostras S e misturas S85/CV12/C3 e S70/CV27/C3.
Conforme exposto anteriormente, com exceção da mistura S70/CV30, as
curvas tensão cisalhante vs deslocamento horizontal das demais misturas não
apresentaram picos de ruptura bem definidos. Dessa forma, para este caso os
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pontos de ruptura de cada curva foram determinados com base na observação de
uma constância dos valores de tensão cisalhante máxima após um determinado
tempo. Esta constância foi observada em torno de 12 mm de deslocamento, não só
para estas misturas como também para o solo puro, de onde foram extraídos os
valores das tensões normal e cisalhante. A Tabela 4.18 apresenta os dados das
tensões normal e cisalhante dos materiais.
Tabela 4.18: Dados de tensão normal e cisalhante no deslocamento dos materiais. Mistura σ (kPa) τmáx (kPa)
S
56,9 43,6
183,8 106,3
340 166,4
S85/CV15
51,2 68,8
205,6 143,3
307 173,8
S70/CV30
47,7 62,3
193,5 129,5
304 166,7
S85/CV12/C3
51,3 64,8
230,1 167,5
307 199
S70/CV27/C3
49,4 32
205,6 119,2
298 168,2
Segundo o critério de ruptura Mohr-Coulomb, ao se plotar os pares de
dados tensão cisalhante e tensão normal em um gráfico, obtém-se os parâmetros
de resistência desejados: coesão (c) e ângulo de atrito (ø). Com o objetivo de
avaliar a influência do teor de cinza nas misturas, as Figuras 4.23 e 4.24
apresentam as envoltórias de ruptura das misturas variando os teores de cinza, na
ausência e na presença de cal.
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Figura 4.23: Envoltórias de ruptura do solo puro e das misturas S85/CV15 e S70/CV30.
Figura 4.24: Envoltórias de ruptura do solo puro e das misturas S85/CV12/C3 e S70/CV27/C3.
Comparando as misturas com 15% e 30% de cinza, pode-se observar que
ambas possuem um comportamento melhor do que o solo puro, com destaque
para a mistura S85/CV15, que apresenta um ganho considerável na coesão, devido
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às características cimentantes conferidas pela cinza. Sendo assim, pode-se
concluir que, para efeitos de ganho de resistência e estabilidade, não é necessário
adicionar grandes quantidades de cinza ao solo. Com relação ao ângulo de atrito,
foi observada uma redução do mesmo com o aumento do teor de cinza. Atkinson
(1993 apud Benedetti, 2011) explica que isto se deve ao fato de, no caso de solos
ou sedimentos com granulometria fina, o ângulo de atrito diminuir com o aumento
da plasticidade, sendo, portanto, a cinza um material que contribui para o aumento
da plasticidade do solo.
Quanto às misturas com cal, pode-se dizer que a mistura S85/CV12/C3
obteve melhores parâmetros de resistência, mesmo com teor de cinza inferior ao
da mistura S70/CV30/C3, o que possivelmente sinaliza para um “teor ótimo” de
cinza volante para o solo estudado. Estudos futuros podem pesquisar mais teores
para “acertar” melhor o alvo, talvez em torno de 12% de cinza em peso.
4.3.1.2.3 Influência da adição de cal
O objetivo da adição de cal às misturas consiste em potencializar a
ocorrência de reações cimentantes com os minerais argílicos do solo e com a cinza
volante, melhorando os parâmetros de resistência do solo. Nas Figuras 4.25 e 4.26
são apresentados os gráficos comparativos das misturas com e sem cal, para os
mesmos teores de solo e cinza, a fim de verificar os efeitos da adição de cal ao
solo.
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Figura 4.25: Influência da cal nas misturas S85/CV12/C3 e S85/CV15.
Figura 4.26: Influência da cal nas misturas S70/CV27/C3 e S70/CV30.
Analisando as misturas S85/CV15 e S85/CV12/C3, pode-se dizer que,
apesar de a mistura S85/CV15 apresentar maior ganho de coesão, a mistura com
cal apresenta, de modo geral, um comportamento melhor. Não se pode dizer o
mesmo para a mistura S70/CV30, o que pode ter ocorrido devido ao baixo teor de
cal adicionado à mistura, dificultando a ocorrência das reações.
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A Tabela 4.19 apresenta os resultados obtidos para os parâmetros de
resistência do solo puro e das misturas.
Tabela 4.19: Parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo argiloso e das misturas.
Parâmetros S S85/CV15 S70/CV30 S85/CV12/C3 S70/CV27/C3
c (kPa) 21,8 50,3 44,9 39,1 5,4
ø(graus) 23,4 22,6 22,3 28 28,7
4.3.2 Areia
4.3.2.1
Ensaio de cisalhamento direto
Os ensaios de cisalhamento direto foram realizados para a areia, as
misturas com 15%, 30% e 40% de cinza volante; e para as misturas com 3% de
cal, em substituição ao peso seco das cinzas, sendo que estas últimas foram
submetidas a períodos de cura de 0, 30, 100, 125 e 140 dias. O material foi
compactado diretamente na caixa de cisalhamento, uma vez que a areia é um
material não coesivo, não sendo possível moldá-lo fora do equipamento. Para
cada mistura, foram realizados ensaios sob as tensões de 50, 150 e 300 kPa, a fim
de se determinar seus parâmetros de resistência ao cisalhamento. A Tabela 4.20
apresenta os dados específicos dos três ensaios realizados para cada material.
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Tabela 4.20: Dados específicos dos ensaios de cisalhamento direto para misturas com areia.
Material/ mistura
Massa aplicada
(kg)
Tensão vertical aplicada
(kPa)
Velocidade da
engrenagem (mm/min)
Duração do ensaio (horas)
Intervalo de leitura
(min)
A 7 50
0,393 0,63 0,17 28 150 60 300
A85/CV15 7 50
0,098 2,54 0,17 28 150 60 300
A70/CV30 7 50
0,393 0,63 0,17 28 150 60 300
A60/CV40 7 50
0,393 0,63 0,17 28 150 60 300
A85/CV12/C3 7 50
0,174 1,42 0,17 28 150 60 300
A70/CV27/C3 7 50
0,393 0,63 0,17 28 150 60 300
A60/CV37/C3 7 50
0,121 2,06 0,17 28 150 60 300
4.3.2.1.1 Comportamento tensão cisalhante vs deslocamento horizontal
A Figura 4.27 mostra as curvas tensão cisalhante vs deslocamento
horizontal para a areia, obtidas para as tensões de 50, 150 e 300 kPa.
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Figura 4.27: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a areia.
As Figuras 4.28 a 4.30 mostram as curvas tensão cisalhante vs
deslocamento horizontal para as misturas A85/CV15, A70/CV30 e A60/CV40
respectivamente, submetidas às tensões de 50, 150 e 300 kPa.
Figura 4.28: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a mistura A85/CV15.
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Deslocamento horizontal (mm)
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Deslocamento horizontal (mm)
50 kPa
150 kPa
300 kPa
A85/CV15
A
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Figura 4.29: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a mistura A70/CV30.
Figura 4.30: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a mistura A60/CV40.
As Figuras 4.31 e 4.32 mostram as curvas tensão cisalhante vs
deslocamento horizontal para a mistura A85/CV12/C3, a 0 e 30 dias de cura,
respectivamente, submetida às tensões de 50, 150 e 300 kPa.
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Deslocamento horizontal (mm)
50 kPa
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Deslocamento horizontal (mm)
50 kPa
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300 kPa
A70/CV30
A60/CV40
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Figura 4.31: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a mistura A85/CV12/C3 a 0 dias de cura.
Figura 4.32: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a mistura A85/CV12/C3 a 30 dias de cura.
As Figuras 4.33 a 4.37 mostram as curvas tensão cisalhante vs
deslocamento horizontal para a mistura A70/CV27/C3, a 0, 30, 100, 125 e 140
dias de cura, respectivamente, submetida às tensões de 50, 150 e 300 kPa.
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Deslocamento horizontal (mm)
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Deslocamento horizontal (mm)
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0d
A85/CV12/C3-
30d
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Figura 4.33: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a mistura A70/CV27/C3 a 0 dias de cura.
Figura 4.34: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a mistura A70/CV27/C3 a 30 dias de cura.
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Deslocamento horizontal (mm)
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Figura 4.35: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a mistura A70/CV27/C3 a 100 dias de cura.
Figura 4.36: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a mistura A70/CV27/C3 a 125 dias de cura.
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Deslocamento horizontal (mm)
50 kPa
150 kPa
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A70/CV27/C3-
100d
A70/CV27/C3-
125d
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Figura 4.37: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a mistura A70/CV27/C3 a 140 dias de cura.
As Figuras 4.38 a 4.42 mostram as curvas tensão cisalhante vs
deslocamento horizontal para a mistura A60/CV37/C3, a 0, 30, 100, 125 e 140
dias de cura, respectivamente, submetida às tensões de 50, 150 e 300 kPa.
Figura 4.38: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a mistura A60/CV37/C3 a 0 dias de cura.
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Deslocamento horizontal (mm)
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Deslocamento horizontal (mm)
50 kPa
150 kPa
300 kPa
A70/CV27/C3-
140d
A60/CV37/C3-
0d
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Figura 4.39: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a mistura A60/CV37/C3 a 30 dias de cura.
Figura 4.40: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a mistura A60/CV37/C3 a 100 dias de cura.
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Deslocamento horizontal (mm)
50 kPa
150 kPa
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20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Te
nsã
o c
isa
lha
nte
(K
Pa
)
Deslocamento horizontal (mm)
50 kPa
150 kPa
300 kPa
A60/CV37/C3-
30d
A60/CV37/C3-
100d
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Figura 4.41: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a mistura A60/CV37/C3 a 125 dias de cura.
Figura 4.42: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal para a mistura A60/CV37/C3 a 140 dias de cura.
4.3.2.1.2 Influência do teor de cinza
O comportamento da tensão cisalhante versus deslocamento horizontal
para a areia e as misturas com 15%, 30% e 40% de cinza volante são apresentados
e comparados na Figura 4.43.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Te
nsã
o c
isa
lha
nte
(K
Pa
)
Deslocamento horizontal (mm)
50 kPa
150 kPa
300 kPa
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Te
nsã
o c
isa
lha
nte
(K
Pa
)
Deslocamento horizontal(mm)
50 kPa
150 kPa
300 kPa
A60/CV37/C3-
125d
A60/CV37/C3-
140d
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123
Figura 4.43: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal da areia e das misturas com cinza.
Analisando as misturas areia-cinza, pode-se dizer que qualquer melhora no
seu comportamento mecânico deve-se apenas à cinza, visto que a areia é
considerada material inerte.
Para baixas tensões, o comportamento das misturas manteve-se semelhante
ao comportamento da areia. Já para tensões elevadas, a mistura com 15% de cinza
apresentou melhores resistências quando comparada às outras misturas e à areia.
Para a tensão de 150 kPa, verificou-se, para elevados deslocamentos, que a areia
apresentou-se melhor em relação às misturas.
O comportamento da tensão cisalhante versus deslocamento horizontal
para a areia e as misturas A85/CV12/C3, A70/CV27/C3 e A60/CV37/C3 a 0 dias
de cura, são apresentados e comparados na Figura 4.44.
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124
Figura 4.44: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal da areia e misturas A85/CV12/C3, A70/CV27/C3 e A60/CV37/C3 a 0 dias.
A análise da figura permite concluir que, em geral, o comportamento das
misturas com cal também se manteve semelhante ao comportamento da areia,
devido ao fato de a adição de cal ser de apenas 3%. A mistura A85/CV12/C3 foi a
que apresentou melhores resultados, coincidindo com o mesmo comportamento
apresentado pela mistura A85/CV15 a tensões mais elevadas.
Dessa forma, analisando as curvas tensão vs deslocamento horizontal das
misturas solo-cinza e solo-cinza-cal a 0 dias de cura, além das misturas a outros
períodos de cura, separadamente, constatou-se que elas não apresentaram pontos
de ruptura bem definidos, assim, estes também foram determinados com base na
observação de uma constância dos valores de tensão cisalhante máxima após um
determinado tempo. Assim como nas misturas com solo argiloso, esta constância
também foi observada em torno de 12 mm de deslocamento para as misturas com
areia. No entanto, com relação à areia pura, considerou-se um deslocamento
correspondente a 14 mm. A Tabela 4.21 apresenta os dados das tensões normal e
cisalhante no ponto correspondente ao deslocamento de 12 mm para as misturas; e
no ponto referente ao deslocamento de 14 mm para a areia.
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125
Tabela 4.21: Dados de tensão normal e cisalhante no deslocamento de 12 mm para as misturas, e no deslocamento de 14 mm para a areia.
Mistura σ (kPa) τmáx (kPa)
A
58,7 37,1
174,7 98,1
351,3 214
A85/CV15
57,3 35,2
170,7 96,6
343,5 189,6
A70/CV30
57,3 36,1
170,7 85,8
343,4 191,3
A60/CV40
57,4 31,5
170,7 81
343,5 198,1
A85/CV12/C3-0 d
57,3 34,6
170,7 101,6
343,4 195
A85/CV12/C3-30 d
57,3 36,4
170,7 100
343,4 186
A70/CV27/C3-0 d
57,3 18
170,7 83,6
343,5 194,6
A70/CV27/C3-30 d
57,3 39
170,7 87,6
343,6 171
A70/CV27/C3-100 d
57,3 36,4
170,7 92,8
343,6 186,5
A70/CV27/C3-125 d
57,3 47,1
170,7 113
343,4 197,3
A70/CV27/C3-140 d
57,4 39
170,7 105,3
351,3 219
A60/CV37/C3-0 d
57,3 30,2
170,7 82,1
343,4 179,3
A60/CV37/C3-30 d
57,3 41,5
170,7 100,5
343,5 214,3
A60/CV37/C3-100 d
57,3 32,9
170,7 86,6
343,6 163,2
A60/CV37/C3-125 d
57,3 32,5
170,7 97,8
343,4 207,5
A60/CV37/C3-140 d
57,3 35
170,7 100,7
343,4 192,1
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126
Com o objetivo de avaliar a influência do teor de cinza nas misturas, as
Figuras 4.45 a 4.49 apresentam as envoltórias de ruptura das misturas solo-cinza-
cal, nos mesmos tempos de cura.
Figura 4.45: Influência do teor de cinza volante nas misturas A85/CV12/C3, A70/CV27/C3 e A60/CV37/C3 no tempo de cura de 0 dias.
Figura 4.46: Influência do teor de cinza volante nas misturas A85/CV12/C3, A70/CV27/C3 e A60/CV37/C3 no tempo de cura de 30 dias.
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127
Figura 4.47: Influência do teor de cinza volante nas misturas A70/CV27/C3 e A60/CV37/C3 no tempo de cura de 100 dias.
Figura 4.48: Influência do teor de cinza volante nas misturas A70/CV27/C3 e A60/CV37/C3 no tempo de cura de 125 dias.
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128
Figura 4.49: Influência do teor de cinza volante nas misturas A70/CV27/C3 e A60/CV37/C3 no tempo de cura de 140 dias.
A 0 dias de cura, o comportamento da areia foi melhor do que o das
misturas, na medida em que se acredita que não houve tempo suficiente para a
estabilização química. Já a 30 dias de cura, a mistura com 37% de cinza apresenta
um resultado ligeiramente melhor do que a areia. A 100 dias de cura, quando era
esperado um incremento das reações pozolânicas, provocando melhora dos
parâmetros de resistência; a areia apresenta-se melhor do que as misturas. A 125
dias, a areia e a mistura com 37% de cinza apresentaram resultados semelhantes, e
a mistura A70/CV27/C3 passa a apresentar um comportamento melhor, que
permanece a 140 dias de cura. Dessa forma, pode-se observar que a mistura com
27% de cinza foi a que apresentou, no âmbito geral, melhores resultados,
entretanto, não foi observado um padrão nos resultados obtidos, uma vez que os
mesmos oscilaram de acordo com o período de cura, ao invés de melhorarem à
medida que a cura progredia.
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. No entanto, diante dos resultados obtidos, e 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
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129
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, sendo estes grumos um indicativo de uma
maior “adesão” entre as partículas. 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.
Na Figura 4.50, constam os gráficos com o comportamento das misturas
sem cal, o que proporciona a análise individual do papel das cinzas.
Figura 4.50: Influência do teor de cinza volante nas misturas A85/CV15, A70/CV30 e A60/CV40.
Nas misturas somente com cinza volante, sem adição de cal, a relação da
tensão cisalhante com a tensão normal mostrou-se semelhante para todas as
porcentagens de cinza utilizadas, o que é explicado pela similaridade existente
entre as curvas granulométricas dessas misturas. Este fato confirma que, ao se
adicionar somente cinza volante a este tipo de solo, não foi possível conferir a ele
alguma estabilização, e como os resultados foram inferiores à areia, não vale a
pena o uso deste material em substituição aos materiais convencionais.
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4.3.2.1.3 Influência da adição de cal
As Figuras 4.51 a 4.53 apresentam os gráficos comparativos das misturas
com e sem cal, para os mesmos teores de solo e cinza, no intuito de verificar os
efeitos da adição de cal às misturas.
Figura 4.51: Influência da cal nas misturas A85/CV12/C3 e A85/CV15 a 0 dias de cura.
Figura 4.52: Influência da cal nas misturas A70/CV27/C3 e A70/CV30 a 0 dias de cura.
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131
Figura 4.53: Influência da cal nas misturas A60/CV37/C3 e A60/CV40 a 0 dias de cura.
Comparando as misturas sem cal e com cal a 0 dias de cura, verificou-se
que as misturas com 12% e 15% de cinza apresentaram um ligeiro ganho de
coesão, contudo, devido à redução do ângulo de atrito, todas foram inferiores à
areia. Já com relação às misturas A70/CV30 e A70/CV27/C3, ambas
apresentaram comportamento semelhante, também inferior à areia, assim como as
misturas com 37% e 40% de cinza, que se mostraram piores do que a areia, o que
indica que, sem cura, não é recomendável o emprego destes materiais em
aplicações geotécnicas.
4.3.2.1.4 Influência do tempo de cura
A Figura 4.54 mostra a influência do tempo de cura sobre o
comportamento tensão cisalhante vs deslocamento horizontal da mistura
A85/CV12/C3, submetida a 0 e 30 dias de cura.
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Figura 4.54: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal da mistura A85/CV12/C3 a diferentes períodos de cura.
Para tensões baixas, o comportamento da mistura A85/CV12/C3 a 0 e 30
dias manteve-se bem similar à da areia. Já a tensões intermediárias, houve a
tendência de, a 0 e 30 dias de cura, esta mistura possuir resultados melhores do
que a areia, mas a altas deformações, interceptá-lo. Comparando entre si, a 0 dias
de cura, o comportamento obtido foi melhor do que a 30 dias.
Para tensões de 300 kPa, foi observada esta mesma tendência para a
mistura a 0 dias de cura, que se apresentou superior à areia, ao contrário da
mistura a 30 dias, que foi inferior à areia.
A Figura 4.55 mostra a influência do tempo de cura sobre o
comportamento tensão cisalhante vs deslocamento horizontal da mistura
A70/CV27/C3, submetida a 0, 30, 100, 125 e 140 dias de cura.
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133
Figura 4.55: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal da mistura A70/CV27/C3 a diferentes períodos de cura.
Para tensões da ordem de 50 kPa, os resultados de todas as misturas foram
superiores à areia, com exceção da mistura a 0 dias de cura. Destacou-se a mistura
submetida a 125 dias de cura.
Para tensões intermediárias, a 125 e 140 dias de cura, o comportamento
desta mistura é melhor do que o da areia, sendo que a de 125 dias foi a que
apresentou maior resistência.
Já a tensões elevadas, também a 125 e 140 dias, o comportamento da
mistura é bem semelhante, no entanto, para deslocamentos elevados, a de 125 dias
se aproxima da areia e a de 140 dias se destaca.
A Figura 4.56 mostra a influência do tempo de cura sobre o
comportamento tensão cisalhante vs deslocamento horizontal da mistura
A60/CV37/C3, submetida a 0, 30, 100, 125 e 140 dias de cura.
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Figura 4.56: Curvas tensão cisalhante x deslocamento horizontal da mistura A60/CV37/C3 a diferentes períodos de cura.
Para tensões de 50 kPa, a 30 e 140 dias, a mistura obtém melhores
resultados, comportando-se melhor do que a areia; já para tensões de 150 kPa, a
30, 125 e 140 dias, também se obtém um comportamento melhor do que a areia,
com uma tendência de, a altas deformações, as curvas interceptarem a areia. Para
tensões de 300 kPa, a mistura, quando submetida a estes mesmos períodos de
cura, também se comporta melhor do que a areia.
Com o objetivo de avaliar a influência do período de cura nas misturas, as
Figuras 4.57 a 4.59 apresentam as envoltórias de ruptura nos diferentes tempos de
cura, para cada mistura.
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Figura 4.57: Variação da tensão cisalhante vs tensão normal para a mistura A85/CV12/C3 para os diferentes tempos de cura.
Figura 4.58: Variação da tensão cisalhante vs tensão normal para a mistura A70/CV27/C3 para os diferentes tempos de cura.
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Figura 4.59: Variação da tensão cisalhante vs tensão normal para a mistura A60/CV37/C3 para os diferentes tempos de cura.
No caso da mistura A85/CV12/C3, o processo de cura provocou aumento
da coesão, contudo, houve uma redução do ângulo de atrito em relação à areia,
fazendo com que esta mantivesse um comportamento melhor.
Com relação à mistura com 27% de cinza, o gráfico mostra que há um
ganho de coesão ao longo do processo de cura, não sendo este, contudo,
proporcional aos dias de cura, quando se esperava que, quanto maior a cura, maior
fosse a ocorrência de reações pozolânicas e, consequentemente, melhores os
parâmetros de resistência. Esta falta de padrão nos resultados, já mencionada
anteriormente, pode ter ocorrido pela quebra dos grumos que se formaram ao
longo do processo de cura, ou pelo fato de a areia, por ser oriunda de região de
praia, possuir sal em sua composição química que pode ter reagido com os
componentes da cinza e da cal, inibindo o desempenho das reações pozolânicas.
Embora tenha havido este ganho de coesão, da mesma forma que na
mistura anterior, ocorre uma diminuição do ângulo de atrito em relação à areia
para períodos de cura distintos, exceto para a cura de 140 dias, que proporciona a
esta mistura um aumento de ambos os parâmetros de resistência, ainda que estes
permaneçam bem próximos aos da areia. Assim, pode-se dizer que o uso de
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137
misturas com 27% de cinza é aplicável em obras geotécnicas quando as mesmas
são submetidas a elevados períodos de cura.
Já para a mistura A60/CV37/C3, quando submetida a 125 dias de cura,
exibe um comportamento semelhante à areia; para outros períodos de cura, exibe
um ganho de coesão acompanhado de uma redução do ângulo de atrito, o que não
acontece para a cura de 30 dias, que provocou um ligeiro aumento de ambos os
parâmetros de resistência.
A Tabela 4.22 apresenta a síntese dos resultados obtidos para a areia e as
misturas.
Tabela 4.22: Parâmetros de resistência ao cisalhamento da areia e das misturas.
Material/Parâmetros c (kPa) ø (graus)
A 0 30,9
A85/CV15 4,3 28,3
A70/CV30 0 28,7
A60/CV40 0 29,1
A85/CV12/C3-0 d 3,8 29,2
A85/CV12/C3-30 d 8,2 27,5
A70/CV27/C3-0 d 0 28,6
A70/CV27/C3-30 d 10,9 24,8
A70/CV27/C3-100 d 5,1 27,7
A70/CV27/C3-125 d 19,7 27,6
A70/CV27/C3-140 d 2,5 31,5
A60/CV37/C3-0 d 0 27,2
A60/CV37/C3-30 d 2,8 31,3
A60/CV37/C3-100 d 7,6 24,4
A60/CV37/C3-125 d 0 30,8
A60/CV37/C3-140 d 5 28,7
4.4 Considerações sobre os resultados
A disparidade existente entre os resultados obtidos em amostras com solo
argiloso e areia permitiu confirmar o fato de o tratamento com a adição de cal ser
eficiente em solos argilosos, uma vez que o melhoramento das propriedades
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mecânicas do material está intimamente relacionado às reações que se
desenvolvem entre a cal e os minerais argílicos.
No entanto, na ausência de cal, as misturas de solo argiloso com cinza
também apresentaram um ganho significativo de resistência, refletida no ganho de
coesão, o que se explica pelas características cimentantes conferidas pela cinza.
Desse modo, a função da cal foi potencializar estas reações, melhorando os
parâmetros de resistência.
Vale ressaltar, contudo, que este incremento nas reações não foi observado
na mistura com maior teor de cinza (30%), o que pode ter ocorrido em função do
baixo teor de cal adicionado à mistura, havendo pouca quantidade de cal para
grande quantidade de cinza, dificultando, assim, a ocorrência das reações.
É importante destacar também que, comparando as misturas sem cal e com
cal, a resistência aumentou com o aumento da massa específica aparente seca
dessas misturas, o que também ocorreu no trabalho de Rosa (2009), que utilizou a
mesma cinza da presente pesquisa.
Com relação aos resultados obtidos com a areia, pode-se dizer que os
mesmos não foram tão satisfatórios como se esperava. A princípio, 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, como afirma Nardi (1975).
Dessa forma, o emprego da cinza volante nas misturas com areia foi
justamente substituir a fração fina do solo, auxiliando nas reações com a cal.
Contudo, como dito anteriormente, estas reações podem ter sido inibidas em
função da quebra dos grumos formados ao longo do processo de cura e de
possíveis reações do sal da areia com a cinza e a cal.
Devido à falta de padrão observada nos resultados obtidos com a cura, foi
difícil determinar um teor ótimo de cinza a ser utilizado. Ainda que tenha ocorrido
ganho de coesão das misturas a determinados dias de cura, este ganho veio
acompanhado de uma redução no ângulo de atrito, fazendo com que a areia
obtivesse um comportamento melhor. No entanto, o teor de 27%, sob a cura de
140 dias, proporcionou ao solo um aumento de ambos os parâmetros de
resistência, o que sinaliza que, para a ocorrência das reações pozolânicas para este
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139
tipo de material, é necessário tempo, podendo a resistência aumentar mesmo após
alguns anos.
Ao contrário do que foi observado, Rosa (2009) verificou um aumento
proporcional da resistência à compressão simples com o aumento do teor da cinza
volante. Para as misturas com teores mais elevados de cinza, a autora constatou
que o tempo de cura das misturas exerceu forte influência sobre a resistência dos
materiais, que aumentou com o aumento do tempo de cura, independentemente da
quantidade de cal e da massa específica aparente seca utilizada.
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5 Considerações finais
5.1 Conclusões
A partir dos resultados apresentados e analisados anteriormente, foi
possível chegar às conclusões abordadas neste item.
A adição de cinza volante e cal ao solo argiloso propiciou melhores
resultados do que quando adicionada à areia, devido às reações desencadeadas
entre a cal e os minerais argílicos.
A seguir, são apresentadas as conclusões relacionadas à adição de cinza
volante de carvão mineral aos solos utilizados na presente pesquisa:
• Através do sistema de classificação SUCS, o solo argiloso foi
classificado como sendo do tipo CH (argila arenosa de média
plasticidade), a areia como SP (areia mal graduada) e a cinza
volante como ML (silte de baixa plasticidade). Para as misturas
com areia, a classificação enquadrou-se no grupo SM (areia
siltosa).
• A cinza volante possui como principais componentes o silício,
alumínio e ferro. Os resultados dos ensaios de composição química
das misturas com areia mostraram que foi mantida a
representatividade dos elementos silício e alumínio. Já nas misturas
com solo argiloso, a representatividade de todos estes elementos foi
mantida, o que sugere que eles estejam presentes em grande
quantidade neste solo. Com relação à análise das misturas
submetidas ao processo de cura, foi apenas observado um aumento
das concentrações de silício, o que já indica a ocorrência de reações
pozolânicas. O teor de óxido de cálcio presente na cinza volante
está em torno de 2%, sendo, portanto inferior a 10%, ou seja,
insuficiente para a ocorrência de reações entre a cinza e o solo
argiloso.
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• Quanto aos ensaios de compactação, verificou-se que o teor de
cinza exerce influência sobre os parâmetros de compactação. De
modo geral, observou-se uma redução do peso específico seco
máximo e da umidade com a adição de cinza ao solo.
• As análises dos resultados dos ensaios de cisalhamento direto
comprovaram a influência já conhecida dos seguintes fatores: tipo
de solo, teor de cinza, teor de cal e tempo de cura.
• Quanto ao tipo de solo: os parâmetros de resistência obtidos
para as misturas com solo argiloso foram melhores do que os
obtidos para aquelas com areia, o que se deve, além das reações
entre a cal e a cinza, ao desenvolvimento de reações dos
minerais do solo argiloso com a cal, contribuindo para uma
maior cimentação do material.
• Quanto ao teor de cinza: para as misturas com solo argiloso,
verificou-se que o melhor comportamento obtido foi em torno
de 15%, para a mistura solo-cinza, e 12%, para a mistura solo-
cinza-cal. Para teores mais elevados, o ganho de resistência foi
menor, o que induz ao fato de que, para efeitos de estabilidade,
não é necessário adicionar grandes quantidades de cinza ao
solo. Para as misturas com areia, como não houve um aumento
proporcional da resistência com o aumento do teor de cinza
volante, foi difícil determinar um teor ótimo de cinza a ser
utilizado.
• Quanto ao teor de cal: para as misturas com solo argiloso, a
adição de cal foi benéfica para a mistura S85/CV15,
potencializando as reações pozolânicas; o que não ocorreu para
a mistura S70/CV30, o que pode ter acontecido devido ao baixo
teor de cal adicionado à mistura, havendo pouca quantidade de
cal para elevada quantidade de cinza, dificultando a ocorrência
das reações. Quanto às misturas com areia, de modo geral, a
adição de cal não produziu resultados satisfatórios, o que pode
ter ocorrido em função da quebra dos grumos formados ao
longo do processo de cura, ou da composição salina da areia,
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142
fazendo com que fossem desencadeadas reações entre o sal, a
cinza e a cal, inibindo o desenvolvimento das reações
pozolânicas.
• Quanto ao tempo de cura: devido à disponibilidade de tempo, a
cura foi adotada apenas para as misturas com areia. Observou-
se que, embora tenha ocorrido ganho de coesão das misturas a
determinados dias de cura, este ganho veio acompanhado de
uma redução no ângulo de atrito, fazendo com que o solo puro
obtivesse um comportamento melhor. No entanto, o teor de
27%, sob a cura de 140 dias, proporcionou ao solo um aumento
de ambos os parâmetros de resistência, o que sinaliza que, para
a ocorrência das reações pozolânicas para este tipo de material,
é necessário tempo, podendo a resistência aumentar mesmo
após alguns anos.
• Os resultados permitiram concluir que, ainda que o emprego da
cinza volante em misturas com o solo argiloso tenha se mostrado
mais satisfatório, este material também pode ser utilizado em
misturas com areia, desde que submetido a elevados períodos de
cura e que contenham uma porcentagem de cinza em torno do teor
ótimo encontrado, o que viabiliza o emprego positivo deste
material em aplicações geotécnicas, possibilitando uma destinação
ambientalmente correta deste resíduo e dando um fim mais nobre a
este material.
5.2 Sugestões para pesquisas futuras
A seguir, são citadas algumas sugestões para ampliar o conhecimento e
prosseguir com os estudos sobre estabilização de solos com a inserção de cinzas
de carvão mineral:
• Analisar o comportamento mecânico de misturas com outros tipos
de solo;
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• Analisar o comportamento mecânico de misturas com outros teores
de cinza volante;
• Analisar o comportamento mecânico de misturas com distintos
teores de cal não estudados, verificando os efeitos da cal no
comportamento mecânico e de estabilização do solo, por meio de
programa experimental mais aprofundado. Em seguida, comparar
os resultados obtidos com os das misturas solo-cinza-cal;
• Determinar a atividade pozolânica da cinza volante e avaliar
misturas areia-cinza-cal para maiores tempos de cura, a fim de se
estudar melhor a potencialidade de aplicação desta cinza
juntamente com a cal;
• 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;
• Analisar de forma mais detalhada as reações que ocorrem entre os
materiais estudados, com o objetivo de verificar a natureza da
estabilização existente neste novo material geotécnico, através de
ensaios de microscopia eletrônica;
• Avaliar o comportamento ambiental das misturas solo-cinza e solo-
cinza-cal, realizando ensaios de lixiviação e solubilização para as
misturas que apresentam melhores resultados, uma vez que os
resíduos foram classificados como não inertes;
• Realizar ensaios químicos na areia de praia utilizada, a fim de
verificar a existência de sal, que pode ter inibido os processos
cimentantes nas misturas estudadas; e analisar o comportamento
mecânico das misturas, empregando-se areia de rio em vez de areia
de praia;
• Realizar ensaios de difração de raios-X (DRX) no solo argiloso e
na cinza volante, a fim de saber se a sílica encontra-se no estado
amorfo ou cristalino, interferindo na ocorrência de reações
cimentantes;
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• Realizar ensaios de cisalhamento direto com os corpos de prova
pré-moldados, ao invés de moldá-los diretamente na caixa de
cisalhamento, evitando a quebra de grumos, de modo a avaliar o
novo comportamento mecânico das misturas;
• Realizar ensaios triaxiais, a fim de estudar melhor o
comportamento tensão-deformação das misturas;
• Desenvolver modelos de previsão de ruptura para análise numérica
que reproduzam o comportamento de solos misturados com cinzas
de carvão mineral para a simulação de obras geotécnicas.
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