Departamento de Engenharia Civil Análise do Comportamento de Solos Estabilizados com Cinzas de RSU para Aplicação em Obras Geotécnicas Aluna: Daniela Silva de Araújo Orientadora: Michéle Dal Toé Casagrande Co-Orientadora: Lucianna Szeliga Introdução Atualmente uns dos maiores problemas da sociedade são a gestão e a disposição final de resíduos sólidos urbanos (RSU). Estima-se que anualmente sejam produzidas de 2 a 3 bilhões de toneladas de lixo urbano em todo o mundo (IPT/CEMPRE, 2010), com destaque para países em desenvolvimento, locais onde o uso de lixões e aterros sanitários se apresenta como prática comum para destinação dos resíduos. Tais fatos são agravados por diversas problemáticas como: falta de áreas apropriadas para a destinação desses resíduos, conflitos de uso de solo e contaminação de recursos naturais como a água e solo, sendo esta consequência da prática indevida de aterros sanitários e lixões. A fim de se obter uma solução alternativa ecologicamente correta para estes problemas, o reuso e a reciclagem de materiais vêm sendo amplamente utilizados. Esta pesquisa propõe o uso de cinzas de resíduos sólidos urbanos como potencial material alternativo para uso em obras geotécnicas, sendo que estas cinzas são subprodutos de resíduos oriundos de aterros sanitários obtidos através da incineração em usinas geradoras de energia elétrica. Tal prática contribui para a redução do volume e do tratamento térmico do lixo. A utilização de materiais alternativos em obras geotécnicas contribui para a redução dos custos e do uso de recursos naturais. No caso de solos que não atendem totalmente às necessidades e exigências de um projeto geotécnico, estes materiais os modificam melhorando suas propriedades e assim, obtém-se um novo material com resistência e deformabilidade adequadas para os fins desejados em obras. Cinzas volantes e cinzas de fundo de RSU têm capacidade de agir como estabilizantes de solos, sendo utilizados em obras como camadas de aterros sanitários, aterros sobre solos moles e na estabilização de taludes, por exemplo. Sendo assim, a presente pesquisa visa oferecer uma melhor forma de interpretar e compreender o comportamento de um tipo de solo arenoso em misturas de cinzas de RSU, trazendo um melhor fim para o lixo urbano e contribuindo com o meio ambiente. Objetivos Esta pesquisa tem como principal objetivo determinar a viabilidade do uso de cinzas de RSU, oriundas da Usina Verde S.A., como possível agente estabilizante a ser aplicado em um solo arenoso. À partir de análises dos comportamentos físico, químico e mecânico do solo puro e de misturas com duas porcentagens de cinza de fundo e cinza volante (30% e 40%), almeja-se alcançar a melhoria dos parâmetros de resistência dos materiais. Além disso, deseja-se realizar estudos de misturas solo arenoso-cinza volante-cal para tempos de cura de 0, 60 e 90 dias.
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Análise do Comportamento de Solos Estabilizados com Cinzas ... · Mistura 1 70 30 - - CV 30 A 70 Mistura 2 60 40 - - CV 40 A 60 Mistura 3 70 - 30 - CF 30 A 70 Mistura 4 60 - 40 -
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Departamento de Engenharia Civil
Análise do Comportamento de Solos Estabilizados com Cinzas de RSU para
Aplicação em Obras Geotécnicas
Aluna: Daniela Silva de Araújo
Orientadora: Michéle Dal Toé Casagrande
Co-Orientadora: Lucianna Szeliga
Introdução
Atualmente uns dos maiores problemas da sociedade são a gestão e a disposição
final de resíduos sólidos urbanos (RSU). Estima-se que anualmente sejam produzidas
de 2 a 3 bilhões de toneladas de lixo urbano em todo o mundo (IPT/CEMPRE, 2010),
com destaque para países em desenvolvimento, locais onde o uso de lixões e aterros
sanitários se apresenta como prática comum para destinação dos resíduos. Tais fatos são
agravados por diversas problemáticas como: falta de áreas apropriadas para a destinação
desses resíduos, conflitos de uso de solo e contaminação de recursos naturais como a
água e solo, sendo esta consequência da prática indevida de aterros sanitários e lixões.
A fim de se obter uma solução alternativa ecologicamente correta para estes
problemas, o reuso e a reciclagem de materiais vêm sendo amplamente utilizados.
Esta pesquisa propõe o uso de cinzas de resíduos sólidos urbanos como potencial
material alternativo para uso em obras geotécnicas, sendo que estas cinzas são
subprodutos de resíduos oriundos de aterros sanitários obtidos através da incineração
em usinas geradoras de energia elétrica. Tal prática contribui para a redução do volume
e do tratamento térmico do lixo.
A utilização de materiais alternativos em obras geotécnicas contribui para a
redução dos custos e do uso de recursos naturais. No caso de solos que não atendem
totalmente às necessidades e exigências de um projeto geotécnico, estes materiais os
modificam melhorando suas propriedades e assim, obtém-se um novo material com
resistência e deformabilidade adequadas para os fins desejados em obras. Cinzas
volantes e cinzas de fundo de RSU têm capacidade de agir como estabilizantes de solos,
sendo utilizados em obras como camadas de aterros sanitários, aterros sobre solos moles
e na estabilização de taludes, por exemplo. Sendo assim, a presente pesquisa visa
oferecer uma melhor forma de interpretar e compreender o comportamento de um tipo
de solo arenoso em misturas de cinzas de RSU, trazendo um melhor fim para o lixo
urbano e contribuindo com o meio ambiente.
Objetivos
Esta pesquisa tem como principal objetivo determinar a viabilidade do uso de
cinzas de RSU, oriundas da Usina Verde S.A., como possível agente estabilizante a ser
aplicado em um solo arenoso.
À partir de análises dos comportamentos físico, químico e mecânico do solo puro
e de misturas com duas porcentagens de cinza de fundo e cinza volante (30% e 40%),
almeja-se alcançar a melhoria dos parâmetros de resistência dos materiais. Além disso,
deseja-se realizar estudos de misturas solo arenoso-cinza volante-cal para tempos de
cura de 0, 60 e 90 dias.
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O material estudado é composto de um solo arenoso sem fração fina que
geralmente não apresenta grande aumento em sua resistência quando apenas a cal é
adicionada. Sendo assim, a adição de cinza volante juntamente com a cal é uma possível
forma de tornar viáveis reações pozolânicas e estabilizar o solo estudado.
À partir do objetivo geral buscou-se atingir os seguintes objetivos específicos:
realização de ensaios normatizados de caracterização física e química do solo, das
cinzas de RSU e das misturas cinza-solo; a avaliação do comportamento mecânico do
solo puro, do solo misturado a diversos teores de cinza volante e de fundo e do solo
misturado com cinza volante e cal, sendo esta avaliação realizada através de ensaios
triaxiais consolidados isotropicamente drenados (CID) que fornecem parâmetros de
resistência ao cisalhamento dos materiais; a análise da influência exercida pelos tipos e
teores de cinzas acrescidas ao solo; a análise da influência exercida pela adição de cal e
pelo tempo de cura nas misturas areia-cinza volante-cal e, por fim, através dos
resultados, definir se existe viabilidade técnica e ambiental para o uso das misturas
utilizadas na pesquisa, obtendo-se um novo material a ser aplicado em obras
geotécnicas.
Metodologia
Foram realizados ensaios com misturas areia-cinza e areia-cinza-cal sendo estas
compostas por solo arenoso proveniente da praia da Barra da Tijuca, cinza volante,
cinza de fundo e cal. As porcentagens de cinzas foram variadas e adotou-se 3% de cal
nas misturas nas quais esta foi aplicada. As misturas com cal foram analisadas a fim de
se estabelecer o tipo de influência que o tempo de cura exercia sobre as propriedades
dos materiais, logo, para solo-cinza-cal foram adotados tempos de cura de 0, 60 e 90
dias.
Primeiro foram feitos ensaios de caracterização física do solo puro e das misturas
tendo como objetivo obter os índices físicos de todos os materiais estudados na pesquisa
e tornar evidente os parâmetros que podem ser correlacionados com o desempenho
mecânico dos mesmos. Posteriormente, à partir dos resultados dos ensaios de
caracterização mecânica foi analisado o comportamento dos materiais, sendo que estes
ensaios consistiram em ensaios triaxiais consolidados isotropicamente drenados (CID).
1 - Materiais Utilizados
Quatro materiais distintos foram utilizados: solo arenoso (A), cinza volante (CV),
cinza de fundo (CF) e cal. Estes materiais foram trabalhados puros e em misturas
obtidas com diferentes teores de cinzas e um teor de cal determinado de 3 %.
O solo arenoso (Figura 1.1) é proveniente da praia da Barra da Tijuca, cuja
localização se encontra na zona oeste da cidade do Rio de Janeiro (RJ). O material foi
coletado entre os postos 5 e 6, em frente ao condomínio Beton, à partir da escavação de
um buraco com aproximadamente 40 cm de profundidade. Isso foi feito com o intuito
de evitar que possíveis impurezas fossem coletadas juntamente com o solo, sendo que o
mesmo foi devidamente armazenado em sacos plásticos.
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Figura 1.1 - Solo arenoso utilizado no estudo
A cinza volante e a cinza de fundo (Figuras 1.2 e 1.3, respectivamente) foram
obtidas através da incineração do Resíduo Sólido Urbano (RSU) realizada no mês de
abril de 2013 na Usina Verde, que se encontra na Cidade Universitária da UFRJ, Ilha do
Fundão, Rio de Janeiro (RJ). Nas cinzas de fundo existia a presença de um tipo de
material mais grosseiro, além de restos de resíduos como fios de ferro, pilhas, azulejo,
entre outros. Sendo assim, a cinza de fundo foi destorroada e passada na peneira #4
(4,74 mm) antes que todos os ensaios fossem feitos. Além disso, tanto a cinza de fundo
quanto a cinza volante foram recebidas úmidas e armazenadas em sacolas plásticas.
Figura 1.2 - Cinza Volante de RSU
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Figura 1.3 - Cinza de Fundo de RSU
A Usina Verde é uma empresa brasileira de capital privado que traz soluções
ambientais para a destinação final de resíduos sólidos urbanos e industriais. O RSU
utilizado é coletado pela Companhia Municipal de Limpeza Urbana do Rio de Janeiro
(COMLURB) em bairros próximos à Ilha do Fundão. Após a coleta, o mesmo lixo é
levado para uma usina de triagem que se encontra no bairro do Caju (RJ), na qual ocorre
a separação do material que passará pela incineração. Ao chegar na Usina Verde, o lixo
passa por uma segunda triagem na qual segregam-se possíveis materiais recicláveis que
não tenham sido separados na primeira fase de triagem. Cerca de 5% dos resíduos são
reciclados ao longo deste processo e o restante é destinado à incineração.
As misturas utilizadas na pesquisa continham uma cal hidratada calcítica do tipo
CH-III, comercialmente conhecida como "Cal Hidratada Itaú", da Votorantim
Cimentos. É composta por um pó fino na forma de hidróxido de cálcio e magnésio,
produzida de acordo com a NBR 7175/2003 - Cal Hidratada para Argamassas. Na
Tabela 1.1 se encontram os dados técnicos fornecidos pelo fabricante, segundo as
exigências da norma. Tendo como base o princípio de que o lote comercial atende às
exigências da norma, não foi realizado nenhum ensaio de caracterização particular da
cal, sendo a amostra de cal obtida em Abril de 2013 em um saco de 20 kg. Tal amostra
foi utilizada ao longo de toda a pesquisa.
Tabela 1.1 - Exigências Físicas e Químicas da Cal (Fonte: Sandroni & Consoli, 2010)
Tipo da Cal CH I CH II CH III
Exigência Físicas
Finura (%
Retido
Acumulado)
Peneira 0,6mm
(máx) 0,50% 0,50% 0,50%
Peneira
0,075mm (máx) 10% 15% 15%
Retenção de Água (mín) 75% 75% 70%
Incorporação de Areia (mín) 3,00% 2,50% 2,20%
Estabilidade ausência de cavidades ou
protuberâncias
Plasticidade (mín) 110 110 110
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Na produção das misturas a serem usadas nos ensaios triaxiais foi utilizada água
proveniente da rede pública de abastecimento da cidade do Rio de Janeiro. Porém, nos
ensaios de caracterização física, usou-se água destilada a fim de atender às
especificações da norma.
1.1 - Misturas Solo- Cinza
O solo e as cinzas usados na pesquisa foram secados em estufa a 60° C e, logo em
seguida, armazenados em sacos plásticos vedados e guardados em uma câmara úmida.
A preparação das misturas solo-cinza ocorreu da seguinte forma: primeiro calculou-se a
quantidade de cada material individualmente em relação ao peso seco total que seria
usado. Depois da realização da mistura a seco, tais materiais passaram por ensaios de
caracterização física, química e mecânica que serão descritos mais à frente. Nos ensaios
mecânicos foi adicionada uma quantidade de água suficiente para a obtenção da
umidade determinada a ser utilizada no ensaio, e depois o mesmo material foi colocado
em sacos plásticos com a finalidade de se preservar a umidade. Foram utilizadas as
porcentagens de 30% e 40% de cinza volante e de cinza de fundo.
A determinação das porcentagens de cinzas foi baseada em pesquisas feitas por
Vizcarra (2010), que analisou de que forma as cinzas de RSU influenciam em mistura
com um solo regional submetido a um carregamento dinâmico e encontrou melhores
resultados ao usar 40 % de cinza volante. A determinação também foi baseada em
pesquisas feitas por Quispe (2013), que analisou a influência das cinzas misturadas a
um solo argiloso submetido a um carregamento estático e que encontrou melhores
resultados para a porcentagem de 40 % de cinza volante e de 30 % de cinza de fundo.
Com a realização de ensaios de cisalhamento direto no solo arenoso puro
apresentando 5, 10, 15 e 20 % de umidade, determinou-se a umidade a ser utilizada nos
ensaios. A melhor resistência do material foi obtida quando o mesmo possuía 10 % de
umidade e, com isso, esta porcentagem passou a ser utilizada em todas as misturas e no
solo puro.
1.2 - Misturas Solo- Cinza- Cal
Foi arbitrado o teor de cal de 3% em substituição ao peso seco das cinzas e a
realização dos ensaios e da preparação das misturas ocorreu de forma igual às misturas
solos-cinza. Seguem na Tabela 1.2 as siglas dos materiais usados no estudo:
Exigências Químicas
Anidrido
Carbônico (CO2)
Fábrica (máx) 5% 5% 13%
Depósito (máx) 7% 7% 15%
Óxidos de Cálcio e Magnésio não
hidratado calculado (CaO +MgO)
(máx)
10% 15% 15%
Óxidos totais na base de não
voláteis (CaOt + MgOt) (mín) 90 88 88
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Tabela 1.2 – Símbolos utilizados para os solos e misturas
Material/Mistura %
Solo
% Cinza
Volante
(CV)
% Cinza
de
Fundo
(CF)
Cal Símbolo
Solo Arenoso 100 - - - A100
Mistura 1 70 30 - - CV30A70
Mistura 2 60 40 - - CV40A60
Mistura 3 70 - 30 - CF30A70
Mistura 4 60 - 40 - CF40A60
Mistura 5 70 27 - 3 CV27Cal3A70
Mistura 6 70 27 - 3 CV27Cal3A70_PM
Para misturas com tempo de cura de 0, 60 e 90 dias adicionou-se as siglas T0, T60
e T90, respectivamente. Já para as misturas pré-moldadas, foi adicionada a sigla PM ao
seu respectivo símbolo.
2 - Métodos e Procedimentos de Ensaio
A seguir são apresentados os ensaios laboratoriais realizados ao longo da pesquisa
com o intuito de se obter uma caracterização física, química e mecânica do solo e das
misturas solo-cinza e solo-cinza-cal. Através de ensaios Triaxiais Consolidados
Isotropicamente Drenados parâmetros de resistência foram obtidos visando a avaliação
da aplicabilidade das cinzas volante e de fundo como estabilizantes do solo estudado.
a) Propriedades físicas e de classificação dos materiais: