Dayse Horta Diniz A INFLUÊNCIA DOS FINOS

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Transcrição

Dayse Horta Diniz A INFLUÊNCIA DOS FINOS
Dayse Horta Diniz
A INFLUÊNCIA DOS FINOS DE ESCÓRIA DE ACIARIA COMO
ESTABILIZANTE DE SOLOS PARA USO EM PAVIMENTOS
Dissertação de Mestrado
Dissertação apresentada ao Programa
de Pós-Graduação em Engenharia Civil
do
Centro
Federal
de
Educação
Tecnológica de Minas Gerais como
requisito parcial para a obtenção do
título de Mestre em Engenharia Civil.
Orientador: Professor Ricardo André Fiorotti Peixoto
Co-Orientador: Professor Flávio Renato de Góes Padula
Belo Horizonte, 29 maio de 2009
Todos os direitos autorais reservados. É proibida a
reprodução
total
ou
parcial
do
trabalho
sem
autorização da Instituição, do autor e do orientador.
Diniz, Dayse Horta
A Influência dos finos de escória de aciaria como
estabilizante para uso em pavimentos / Dayse Horta Diniz. Belo
Horizonte, 2009. 146p.
Dissertação (Mestrado) – Centro Federal de Educação
Tecnológica de Minas Gerais. Departamento de Engenharia
Civil, 2009.
Orientador: Ricardo André Fiorotti Peixoto
1. Escória aciaria (metalurgia); 2. Pavimentos; 3. Solos
5.Impacto
– Compactação;
4. Propriedades Mecânicas;
Ambiental – Avaliação.
I CEFET-MG/DEC/PPGEC
II Título
a
Dayse Horta Diniz
Este é o termo de aprovação da dissertação
A INFLUÊNCIA DOS FINOS DE ESCÓRIA DE ACIARIA COMO
ESTABILIZANTE DE SOLOS PARA USO EM PAVIMENTOS
Dissertação apresentada ao Programa de Pós
Graduação em Engenharia Civil do CEFET-MG como
requisito parcial para obtenção do título de Mestre em
Engenharia Civil
Prof. Ricardo André Fiorotti Peixoto
Orientador
Departamento de Engenharia Civil, CEFET-MG
Prof. Flávio Renato de Góes Padula
Co-Orientador
Departamento de Engenharia Civil, CEFET-MG
Prof. José Roberto de Oliveira
Departamento de Metalurgia e Materiais, CEFET-ES
Prof. Nilton da Silva Maia
Departamento de Engenharia Civil, CEFET-MG
Belo Horizonte, 29 maio de 2009.
iv
A meu marido e meus filhos, para quem,
neste período, não fui suficientemente mãe
nem esposa, mas que por me amarem tanto
sempre estiveram a meu lado, me apoiaram
e incentivaram, quer nos bons momentos,
quer nas tempestades, contribuindo com
muito carinho para que eu me tornasse
suficientemente profissional.
Muito Obrigada! Amo vocês!
v
AGRADECIMENTOS
Ao meu orientador, Professor Ricardo André Fiorotti Peixoto, pela incansável e
valiosa atenção, pelos conhecimentos transmitidos, pelo apoio, amizade, confiança e
dedicação depositados em mim, sem os quais este trabalho não seria realizado.
Ao meu marido e filhos, principais responsáveis pela conclusão deste trabalho, pelo
incentivo incondicional, paciência e compreensão constantes, apoio incansável,
interesse permanente, auxílio e sugestões ao longo de toda esta trajetória,
verdadeiros companheiros e amigos, exemplos de amor.
A todos os meus familiares, pelo imprescindível amor, apoio e incentivo, em especial
meus pais.
À engenheira, amiga, irmã e companheira Maria Estânia Mendonça Passos, excolega de CEFET, pelo constante incentivo, conselhos, disponibilidade para me
ouvir e esclarecer dúvidas, pela verdadeira amizade e presença constante.
Ao co-orientador prof. Flávio Renato de Góes Padula, pelo apoio, confiança e
valiosas discussões e sugestões.
Aos colegas Matheus Justino da Silva e Leandro da Silva de Souza pela amizade,
apoio técnico, companheirismo, profissionalismo e inestimável ajuda sem a qual este
trabalho não seria realizado.
Ao Grupo de Pesquisa Reciclos/CNPQ, especialmente aos colegas: Fiorotti, Kerry,
Thiago, Douglas, Marcela, Jussara e Cristiane, pelo apoio técnico, companheirismo,
profissionalismo e ajuda.
Aos colegas do mestrado pelo companheirismo, apoio, incentivo, pelas boas risadas
e novas amizades.
A todos vocês meus grandes e muitos amigos, que de alguma forma, direta ou
indiretamente auxiliaram na realização deste trabalho e sempre estiveram ao meu
lado (Sandra, Andréa, Sônia, Maristela, Júnia, ...) pela amizade, presença constante
em minha vida, incentivo e contribuição.
À CICLOMETAL pelo fornecimento das amostras da escória de aciaria.
À Arcelor Mital Tubarão – CST e à Fundação CEFETMINAS pelo financiamento e
apoio técnico administrativo, que tornaram possível o desenvolvimento desta
pesquisa.
À empresa Holcim S.A. pelo fornecimento das amostras de cimento Pavifort e pela
execução dos ensaios de granulometria e microscopia da escória.
E finalmente, não poderia deixar de agradecer: a Deus, por me guiar, ajudar a
crescer, acreditar e superar obstáculos.
A todos e aos que me ajudaram, espero ter o privilégio de estar sempre construindo
uma vida melhor ao lado de vocês.
Um forte abraço a todos e muito obrigada,
Dayse Horta Diniz
29 Maio de 2009
vi
CONTEÚDO
Página
ÍNDICE
vii
LISTA DE FIGURAS
xii
LISTA DE TABELAS
xv
LISTA DE SÍMBOLOS
xvii
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
xviii
APÊNDICE
xx
ANEXOS
xxi
RESUMO
xxii
ABSTRACT
xxiii
vii
Página
1 – INTRODUÇÃO ..........................................................................
1
1.1. Objetivo Geral ..............................................................
4
1.2. Objetivos Específicos ...................................................
4
1.3. Estrutura da Dissertação
5
1.3. Justificativa ...................................................................
5
2 – REVISÃO DE LITERATURA ....................................................
7
2.1. A Siderurgia no Brasil ...................................................
7
2.1.1. Breve Histórico do Processo .........................
7
2.1.2. A Produção do Aço e sua Importância para a
Economia do País ....................................................
2.1.3. Escória de Aciaria ..........................................
2.1.4. Utilização de Escória de Aciaria como
Matéria-prima em Obras de Engenharia Rodoviária
2.2. A Malha Rodoviária Brasileira ......................................
2.2.1. Malha Rodoviária de Minas Gerais ..............
2.2.2. Pavimento rodoviário do ponto de vista
estrutural e funcional ..............................................
10
12
17
19
20
21
2.3. Compactação do Solo ..................................................
23
2.3.1. O Ensaio de compactação ............................
25
viii
2.3.2. A Influência das Características dos Solos
no Ensaio de compactação .....................................
25
2.3.3. A Influência da Energia de Compactação .....
26
2.3.4. Expansão .......................................................
26
2.3.5. CBR – Califórnia Bearing Ratio .....................
27
2.4. Estabilização de Solos ................................................
27
2.4.1. Mecanismos de Estabilização de Solos ..........
28
2.4.1.1.
Estabilização
Mecânica
ou
Estabilização por Compactação ...................
28
2.4.1.2. Estabilização Granulométrica ........
29
2.4.1.3. Estabilização Química ...................
29
2.4.2. Estabilização Solo-cimento ............................
30
2.4.2.1. A dosagem do solo-cimento ............
31
2.4.2.2. Procedimentos de dosagem ...........
31
2.4.3. Estabilização Solo-cal ....................................
33
2.4.3.1. Fatores que influem no processo
34
de estabilização dos solos com cal .........................
2.4.4. Estabilização Solo-escória .............................
34
2.5. Resistência à Compressão Simples ...........................
35
2.6. Resistência à Tração por Compressão Diametral ......
36
2.7.Construção e Desenvolvimento Sustentável ...............
38
2.8. Estatística ...................................................................
39
ix
3. MATERIAIS E MÉTODOS .........................................................
40
3.1. Materiais .....................................................................
40
3.1.1. Solo ..................................................................
40
3.1.2. Água .................................................................
41
3.1.3. Escória de Aciaria ............................................
42
3.1.4. Cal Hidratada ...................................................
43
3.1.5. Cimento Pavifort ..............................................
43
3.2. Métodos ......................................................................
44
3.2.1. Caracterização Geotécnica do Solo ................
44
3.2.2. Caracterização da Escória de Aciaria..............
44
3.2.3. Caracterização Cal Hidratada .........................
45
3.2.4. Caracterização Cimento Portland....................
45
3.2.5. Caracterização da Água ..................................
46
3.2.6. Compactação ..............................................
46
3.2.6.1. Etapa 1 ................................................
46
3.2.6.2. Etapa 2 ................................................
46
3.2.6.3. Etapa 3 ................................................
47
3.2.7. Expansão e CBR .........................................
48
3.2.8. Moldagem dos Corpos-de-Prova ....................
50
3.2.8.1. Misturas de solo com um estabilizante
50
3.2.8.2.
Misturas
de
solo
com
dois
estabilizante .....................................................
51
x
3.2.9. Resistência Mecânica .....................................
53
3.2.10. Ensaios Ambientais........................................
54
3.2.11. Tratamento Estatístico...................................
54
3.2.11.1. Resistência á compressão simples e
à tração por compressão diametral ...........................
55
3.2.12. Inventário dos ensaios .........................
55
4. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS................
57
4.1. Caracterização do solo .................................................
57
4.1.1. Análise granulométrica do Solo......................
57
4.1.2. Limites Físicos de Atterberg e Massa
Específica ................................................................
58
4.1.3. Classificação do solo .....................................
59
4.2. Caracterização da Escória de Aciaria ..........................
59
4.3. Compactação ...............................................................
61
4.4. Expansão .....................................................................
63
4.5. CBR ..............................................................................
67
4.6. Resistência Mecânica ..................................................
70
4.6.1. Resistência á Compressão Simples ..............
70
4.6.2. Resistência à Tração por Compressão
Diametral .................................................................
73
4.7. Ensaios de caracterização ambiental .........................
76
4.8. Tratamento Estatístico ................................................
78
4.8.1. Resistência à compressão simples: 4
misturas ..................................................................
78
xi
4.8.2. Resistência à compressão diametral: 4
misturas ..................................................................
4.8.3. Resistência à compressão diametral: 8
misturas ..................................................................
4.8.4. Resistência à compressão simples: 8
misturas ..................................................................
80
82
83
5. CONCLUSÕES ...........................................................................
85
5.1. Contribuição para trabalhos futuros ............................
88
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..........................................
89
APÊNDICE .............................................................................
97
ANEXOS ................................................................................
117
xii
LISTA DE FIGURAS
Página
Figura 2.1
Produção Brasileira de Aço Bruto
12
Figura 2.2
Fluxograma esquemático do processo de
beneficiamento de escória
13
Figura 2.3
Ensaio de compressão diametral
37
Figura 3.1
Jazida de coleta do saibro amarelo
40
Figura 3.2
Amostra de saibro,
preparada para secar
Figura 3.3
O fino de escória de aciaria espalhado para
secagem
43
Figura 3.4
Acréscimo de umidade ás amostras
47
Figura 3.5
Ensaio de compactação
47
Figura 3.6
Arrasamento do volume do cilindro
48
Figura 3.7
Equipamento
expansão
Figura 3.8
Cilindros no tanque de saturação
49
Figura 3.9
Ensaio de CBR
49
Figura 3.10
Moldagem e extração do CP
50
Figura 3.11
Preparo da misturas e homogeneização das
amostras para moldagem dos corpos-de-prova
52
Figura 3.12
Cura dos CP ao ar
52
Figura 3.13
Capeamento dos CP
53
Figura 3.14
Prensa para ensaio
compressão simples
Figura 3.15
Ensaio de resistência à tração por compressão
diametral
54
Figura 4.1
Curva granulométrica por peneiramento
57
Figura 4.2
Curva granulométrica por sedimentação
58
Figura 4.3
Curva da granulometria laser do fino de escória
60
Figura 4.4
Compactação do solo
61
em
necessário
local
ao
de
coberto,
ensaio
resistência
de
à
41
48
53
xiii
Figura 4.5
Massa específica aparente máxima
diferentes teores de estabilizante
Figura 4.6
Umidade ótima para diferentes teores de
estabilizante
63
Figura 4.7
Variação da expansão X umidade para o solo
puro
63
Figura 4.8
Variação da expansão X umidade para as
misturas solo-cal
64
Figura 4.9
Variação da expansão X umidade para as
misturas solo-escória
64
Figura 4.10
Variação da expansão X umidade para as
misturas solo-Pavifort
65
Figura 4.11
Variação da expansão X umidade para as
misturas solo-escória-cal e solo-escóriaPavifort
65
Figura 4.12
Expansão na umidade ótima, para diferentes
teores de estabilizante
66
Figura 4.13
Variação do CBR X umidade do solo puro
67
Figura 4.14
Variação do CBR X umidade para as misturas
solo-cal
68
Figura 4.15
Variação do CBR X umidade para as misturas
solo-escória
68
Figura 4.16
Variação do CBR X umidade para as misturas
solo-Pavifort
68
Figura 4.17
Variação do CBR X umidade para as misturas
solo-escória-cal e solo-escória-Pavifort
69
Figura 4.18
CBR na umidade ótima, para diferentes teores
de estabilizante
69
Figura 4.19
Ruptura de CP de misturas de solo com 10%
de estabilizantes
71
Figura 4.20
Resistência à compressão
misturas com 1 estabilizante
simples
para
71
Figura 4.21
Resistência à compressão
misturas com 2 estabilizante
simples
para
Figura 4.22
Ruptura do CP solo + 15% escória + 5% cal
para
62
71
72
xiv
Figura 4.23
Ruptura do CP solo + 15% escória + 5%
Pavifort
72
Figura 4.24
Ruptura do CP solo + 20% escória + 5% cal
73
Figura 4.25
Ruptura do CP solo + 20% escória + 5%
Pavifort
73
Figura 4.26
Ruptura do CP de misturas de solo com 10%
de estabilizantes
74
Figura 4.27
Resistência à tração por compressão diametral
das mistura com 1 estabilizante
74
Figura 4.28
Resistência à tração por compressão diametral
das mistura com 2 estabilizante
75
Figura 4.29
Ruptura do CP solo + 20% escória + 5%
Pavifort
75
Figura 4.30
Gráfico de efeitos principais: resistência a
compressão simples – 4 misturas
78
Figura 4.31
Validação do modelo: 4 misturas
79
Figura 4.32
Gráfico de efeitos principais: resistência a
compressão diametral – 4 misturas
80
Figura 4.33
Validação do modelo: 4 misturas
81
Figura 4.34
Gráfico de efeitos principais: resistência a
compressão simples – 8 misturas
82
Figura 4.35
Validação do modelo: 8 misturas
83
Figura 4.36
Gráfico de efeitos principais: resistência a
compressão diametral – 8 misturas
84
Figura 4.37
Validação do modelo: 8 misturas
85
xv
LISTA DE TABELAS
Página
Tabela 2.1
Produção de aço bruto por processo de refino,
no Brasil
9
Tabela 2.2
Tipos de fornos das siderúrgicas brasileiras
9
Tabela 2.3
Relação das Aciarias Brasileiras que utilizam
convertedor a oxigênio
11
Tabela 2.4
Produção Brasileira – 80% por convertedor a
oxigênio e 20% por forno elétrico
11
Tabela 2.5
Características da escória de aciaria
14
Tabela 2.6
Faixa de composição química típica da escória
LD no Brasil
15
Tabela 2.7
Composições das escórias de aciaria elétrica
15
Tabela 2.8
Malha rodoviária do Brasil
20
Tabela 2.9
Malha rodoviária de Minas Gerais
20
Tabela 2.10
O estado geral das rodovias mineiras
21
Tabela 2.11
Teor de cimento, segundo NBR 12253/90
32
Tabela 3.1
Parâmetros físicos da cal hidratada CHI
45
Tabela 3.2
Composição química típica
físicos do Pavifort - Holcin
45
Tabela 3.3
Parâmetros de qualidade da água - período de
maio 2008
46
Tabela 3.4
Demonstrativo de ensaios executados
56
Tabela 4.1
Parâmetros geotécnicos
58
Tabela 4.2
Classificação do solo
59
Tabela 4.3
Caracterização química da escória de aciaria
59
Tabela 4.4
Caracterização física da escória de aciaria
60
Tabela 4.5
Análise química no extrato lixiviado das
misturas
76
Tabela 4.6
Análise química no extrato solubilizado das
misturas
77
Tabela 4.7
Classificação das misturas
77
e
parâmetros
xvi
Tabela 4.8
Resultado das ANOVA: 4 misturas resistência
a compressão simples
78
Tabela 4.9
Resultado das ANOVA: 4 misturas resistência
a compressão diametral
80
Tabela 4.10
Resultado das ANOVA: 8 misturas resistência
a compressão simples
82
Tabela 4.14
Resultado das ANOVA: 8 misturas resistência
a compressão diametral
84
xvii
LISTA DE SÍMBOLOS
γS
Massa Específica Sólida
γd màx
Massa Específica Aparente Máxima Seca
Wot
Umidade Ótima
#
Malha da peneira
Al2O3
Óxido de alumínio (alumina)
CaO
Óxido de cálcio (cal)
CaCO3
Carbonato de cálcio ou calcita
CaSiO3
Silicato de cálcio
CaFe2O4
Ferrita calcita
Ca(OH)2
Hidróxido de cálcio ou Cal hidratada
C2S
Silicato dicálcio ou dicálcico (2CaO.SiO2)
C3S
Silicato tricálcio ou tricálcico (3CaO.SiO2)
Fe
Ferro
FeO
Óxido de ferro
Fe2O3
Hematita
H2O
Água
MgO
Óxido de magnésio ou periclásio (magnésia)
Mg(OH) 2
Hidróxido de magnésio ou brucita
MnO
Óxido de manganês
pH
Indicador de pH
P2O5
Pentóxido de fósforo
RCs
Resistência à compressão simples
RCt
Resistência á tração por compressão diametral
S
Enxofre
Si
Silício
SiO2
Dióxido de silício (sílica)
xviii
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
AASHO
American Association of State Highway Officials
AASHTO
American Association of State Highway and Transportation
Officials
ABCP
Associação Brasileira de Cimento Portland
ABNT
Associação Brasileira de Normas Técnicas
ABEDA
Associação Brasileira de Empresas Distribuidoras de Asfalto
ASTM
American Society for Testing and Materials, Philadelphia
(USA)
AÇOMINAS Aços Minas S.A.
BOF
Blast Oxygen Furnace
CAP
Concreto Asfáltico de Petróleo
CBR
California Bearing Ratio – (Índice Suporte Califórnia)
CEFET-MG
Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais
CNT
Confederação Nacional do Transporte
CP
Corpo-de-prova
CSN
Companhia Siderúrgica Nacional
CST
Grupo Arcelor
DNER
Departamento Nacional de Estradas de Rodagem
DNIT
Departamento Nacional de Infra-estrutura de Transportes
DRX
Difração de Raios X
EAF
Eletric Arc Furnace
EM
Especificação de Material
HRB
Highway Recearch Board
IBS
Instituto Brasileiro de Siderurgia
IISI
International Iron and Steel Institute
IG
Índice de Grupo
IP
Índice de Plasticidade
IPR
Instituto de Pesquisas Rodoviárias
xix
IPT
Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo
LabCIM
Laboratório de Ciências dos Materiais
LabMEC
Laboratório de Materiais e Estruturas de Concreto
LabSolos
Laboratório de Solos
LD
Linz e Donawitz
LL
Limite de Liquidez
LP
Limite de Plasticidade
NBR
Norma Brasileira Registrada
NM
Norma Mercosul
ME
Método de Ensaio
MMQ
Método dos Mínimos Quadrados
OH
Forno Siemens-Martins (Open Heart)
PAC
Programa de Aceleração do Crescimento
PTM
Pennsylvania Testing Method
USCS
Unifield Soil Classification System
USIMINAS
Usinas Siderúrgicas de Minas Gerais
xx
APÊNDICE
Página
Apêndice 1
Ensaio de granulometria por peneiramento
98
Apêndice 2
Ensaio de granulometria por sedimentação
99
Apêndice 3
Características físicas do fino de escória de
aciaria
100
Apêndice 4
Compactação do solo e das misturas
101
Apêndice 5
Expansão do solo e das misturas
105
Apêndice 6
CBR do solo e das misturas
109
Apêndice 7
Resumo de resistência à compressão simples
113
Apêndice 8
Resumo de resistência á tração por compressão
diametral
114
Apêndice 9
Tratamento estatístico
115
Apêndice 10
xxi
ANEXO
Página
Anexo 1
Caracterização química e granulometria laser da
escória
Anexo 2
Ensaios ambientais
118
119
xxii
RESUMO
A preocupação com o meio ambiente e a escassez de recursos naturais têm
levado à busca por alternativas mais sustentáveis, na indústria da construção
civil. O presente trabalho propõe desenvolver o estudo da avaliação da influência
de finos de escória de aciaria como estabilizante em misturas para uso em
camadas de pavimentos, dado o grande déficit de rodovias pavimentadas no
Brasil. A redução dos resíduos industriais gerados vem se tornando uma
exigência constante. A preservação dos recursos naturais, a redução do
consumo de energia, a falta de espaço para disposição dos resíduos e a
degradação ambiental, tornam a reciclagem e a reutilização destes resíduos uma
alternativa atraente. Além dos benefícios ambientais, o reaproveitamento deste
resíduo industrial pela construção civil, pode diminuir o custo da construção e a
melhoria das características de materiais de construção. Dessa forma, este
trabalho apresenta um estudo do uso de estabilizantes em misturas de solo para
utilização em pavimentos, com enfoque ao uso de finos de escória de aciaria. A
metodologia adotada foi um comparativo das características mecânicas. Utilizouse para a análise os resultados dos ensaios de massa específica aparente
máxima seca, expansibilidade, CBR, resistência à compressão simples e
resistência à tração por compressão diametral, para os períodos de cura ao ar
de 7, 28 e 56 dias para o solo puro, solo-cal, solo-escória de aciaria e soloPavifort. Os resultados obtidos apontam para a viabilidade da utilização de
finos de escória de aciaria como estabilizante em misturas de solo para
utilização em camadas de pavimentos.
PALAVRAS CHAVE: Escória de aciaria, pavimentação rodoviária, compactação,
CBR, resistência mecânica.
xxiii
ABSTRACT
The concern with the environment and the scarcity of natural resources has led to
the search for more sustainable alternatives in the civil construction industry. The
present work proposes to develop the study of the evaluation of the influence of
the use of fine of steel slag as stabilizer in mixtures for use in infrastructure of
road bases, due to the large deficit of pavement road in Brazil. The reduction of
industrial waste produced has become a constant requirement. The preservation
of the natural resources, the reduction of the energy consumption, the lack of
space for disposal of waste and its environmental contamination become the
recycling and the reuse of these wastes an attractive alternative. Moreover
environmental benefits, the reuse of industrial wastes in the civil construction can
decrease the cost of the construction and improvement the characteristics of
construction materials. Thereby, this work presents a study of the use of
stabilizers in soil mixtures for use in infrastructure of road bases, with a focus on
the use of fine of steel slag. The adopted methodology was a comparative of the
mechanical characteristics. It was used for the analysis the results of apparent
maximum dry specific gravity, expansibility, CBR, compressive strength and split
tensile strength tests, at air curing time of 7, 28 and 56 days for pure soil, soillime, soil-steel slag and soil-Pavifort. The results showed the viability of the use
of fine of steel slag as stabilizers in soil mixtures for use in infrastructure of road
bases.
KEYWORDS: Steel slag, pavement road, compacting, CBR, mechanic
resistance
1
1 - INTRODUÇÃO
Segundo dados do Boletim Estatístico da Confederação Nacional do Transporte,
CNT (2008), a malha rodoviária pavimentada nacional é composta por uma rede
de 73.009km de rodovias federais, 24.162km de estaduais coincidentes,
208.319km de estaduais e 1.297.641km de municipais, totalizando 1.603.131km.
A pesquisa também revela que da malha nacional analisada, 74,2% estão de
regular a péssimo estado de conservação e em Minas Gerais este percentual
atinge 63,3%.
A competitividade do setor produtivo nacional perde assim muito no quesito infraestrutura de transporte, visto que nossa matriz modal apresenta como principal
meio de escoamento de produção o rodoviário, que responde por 61,2% do total,
e como o mesmo não se apresenta em condições de atender às necessidades
do transporte nacional, fica prejudicada e onerada toda a cadeia produtiva,
logística interna e de exportação.
Isto demanda e propicia ambiente favorável ao desenvolvimento de estudos e
pesquisas, bem como a busca de alternativas de novos materiais que
apresentem potencial para viabilizarem obras no ritmo, custo e qualidade
necessários, devendo-se nesta busca de alternativas e inovação considerar-se
alguns desafios e paradigmas relevantes, destacando-se:
•
Redução de custo e melhoria de qualidade dos pavimentos,
•
Utilização de passivos ambientais produzidos pelas indústrias,
•
Compatibilização da preservação ambiental com a necessidade por
expansão de infra-estrutura,
•
Proposição de inovações no setor da construção civil por meio de
investimentos atrelados ao desenvolvimento de pesquisas.
Pouca coisa foi feita nas últimas décadas e as condições de nossas vias e
rodovias são preocupantes, mais que isso, a melhoria das condições de
transporte no Brasil são urgentes e inadiáveis. Vale lembrar que a oferta
satisfatória de rodovias, sustenta as demandas do potencial de crescimento
econômico. Assim as rodovias devem ser entendidas como um patrimônio, que
necessita não só manutenção, como também expansão, uma vez que a
demanda por este tipo de infra-estrutura de transportes é sempre crescente.
2
É senso comum entre usuários e técnicos que algumas centenas de milhares de
quilômetros neste país, necessitam com urgência, de serviços de infra-estrutura
de
pavimentação,
tanto
de
implantação
do
pavimento
tecnicamente
recomendado quanto de restauração e recomposição. Cerca de 90% das
rodovias brasileiras são não pavimentadas e entre os diversos métodos de
melhoria de qualidade dos materiais terrosos empregados, ou para suprir a
dificuldade de obtenção dos materiais ou ainda preservar o meio ambiente,
destaca-se a estabilização química como alternativa viável em todos os
aspectos.
A preocupação com o meio ambiente e a escassez de recursos naturais leva à
busca por alternativas mais sustentáveis na indústria da construção civil. Nesta
busca, estudar o uso de finos de escória de aciaria, um dos subprodutos de
grande volume gerado nas indústrias beneficiadoras de produtos siderúrgicos,
com milhares de toneladas descartadas a cada ano, é de grande importância.
Transformar a escória de aciaria (resíduo ou subproduto sólido, originado do
processo de produção do aço) em fonte alternativa de matéria-prima dentro da
infra-estrutura de pavimentos constitui um desafio para o meio técnico científico.
Neste sentido, incorporar escória de aciaria em misturas de solos estabilizados
para aplicação em camadas de pavimentos é uma das alternativas que se
apresentam.
O uso deste resíduo, além de redução de custos para a estabilização de
misturas, abre espaço para pesquisas no campo da sustentabilidade
possibilitando o tratamento de dois passivos ambientais importantes: o
aproveitamento dos resíduos da siderurgia e diminuição da necessidade de
exploração de jazidas, pelas construtoras de rodovias. Segundo o Instituto de
Pesquisas Rodoviárias - IPR, “A utilização dessa escória deve seguir padrões
ambientais e estruturais estabelecidos internacionalmente, cuja ausência
impossibilita o aproveitamento na construção”.
Estudos de utilização de solo-cimento e solo-cal em misturas para estabilização
de solos empregadas em obras de infra-estrutura de pavimentos cresceram a
partir da década de 80, já estando técnica e conhecimentos específicos bem
difundidos, chegando então o momento de se estudar a viabilidade de
incorporação deste novo material aglomerante, o pó de escória de aciaria.
3
Segundo Cincotto et al. (1992), a composição química, o resfriamento e a finura
são fatores determinantes na capacidade aglomerante da escória, bem como o
pH do meio. A partir daí vários autores publicaram sobre o tema.
Machado (2000) estudou sobre a expansibilidade das escórias de aciaria, França
(2003), sobre a estabilização química de solos para fins rodoviários, Ferreira et
al. (2005), o desempenho físico-químico de solo argiloso estabilizado com cal e
silicato de sódio visando aplicação em construção rural e recentemente Peixoto
et al. (2007) estudaram o uso de escória de aciaria como agregado de concreto
de cimento Portland em pavimentação.
Segundo dados IBS (2009) a indústria siderúrgica gera de subproduto da
fabricação do aço, cerca de 5,7 x 103 toneladas de escória por ano, o que
representa cerca de 158.000 toneladas, diariamente. Neste particular, a busca
de tecnologias que visem o reaproveitamento desses resíduos reveste-se de
grande importância, pois possibilita a compatibilização da produção do aço com
outras atividades, eliminando o passivo ambiental gerado pelo acúmulo de
escória nos pátios das siderúrgicas. No que se refere à utilização desses
subprodutos na construção civil, a questão está a merecer estudos
aprofundados para que se conheçam não só a sua composição química, mas,
também, sua interação com o solo, pois escória de aciaria tende a expandir
quando exposta à umidade, a menos que seja previamente envelhecida com
água.
Padula et al. (2007) destacam o uso de escória de aciaria como substituto de
agregados naturais como rochas britadas, areias e cascalhos, minimizando os
impactos ambientais e possibilitando a viabilização de obras de engenharia de
baixo custo por apresentar grande versatilidade de aplicações.
O processo de beneficiamento e transformação da escória de aciaria em
agregado de escória produz uma quantidade extremamente elevada de finos
(pó), que ficam retidos nos filtros de manga, e sendo posteriormente empilhados
nos pátios das beneficiadoras criando volumes e passivos a serem descartados.
Assim o uso de fino de escória de aciaria em estabilização de misturas para
aplicação em camadas de pavimentos, pode contribuir para a sustentabilidade
na área.
Jonh (2000) destaca que a construção civil é, certamente, em qualquer
economia, a maior consumidora de recursos naturais. Assim, a utilização de
resíduos de siderurgia na construção civil, é uma ferramenta importante no
4
aumento da sustentabilidade da construção civil, contribuindo para a diminuição
da extração de matérias-primas naturais, para a manutenção de um ambiente
saudável e a redução dos custos dos pavimentos.
Para Villibor et al. (2007), o déficit de pavimentação no país é muito grave, por
isto a grande necessidade e importância do desenvolvimento de novas
tecnologias de pavimentação que melhorem a qualidade e minimizem custos de
implantação.
1.1. Objetivo Geral
O objetivo da pesquisa proposta é avaliar experimentalmente a influência do uso
dos finos de escória de aciaria, como aditivo estabilizante em misturas de solos
para uso em pavimentos.
1.2. Objetivos Específicos
a) Estudar as características físicas e os parâmetros de compactação das
diferentes misturas estabilizadas com finos de escória de aciaria, cal
hidratada e Pavifort;
b) Estudar as diferentes misturas estabilizadas com finos de escória de
aciaria, cal hidratada e Pavifort, segundo variações dos teores de
adição de estabilizantes;
c) Avaliar o efeito da adição de finos de escória de aciaria, cal hidratada e
Pavifort, nos parâmetros de expansibilidade, das diferentes misturas de
solo estabilizado;
d) Avaliar o efeito da adição de finos de escória de aciaria, cal hidratada e
Pavifort, nos parâmetros de CBR, das diferentes misturas de solo
estabilizado;
e) Avaliar o efeito da adição de finos de escória de aciaria, cal hidratada e
Pavifort, em solo, relacionados às propriedades mecânicas de
resistência à compressão simples e resistência à tração por compressão
diametral em diferentes misturas e idades;
f)
Avaliar o impacto ambiental gerado pela utilização das misturas solo-cal,
solo-escória e solo-Pavifort como infra-estrutura de rodovias.
5
1.3 Estrutura da Dissertação
A presente dissertação é dividida em 6 capítulos:
Capítulo 1 – introdução à pesquisa, apresentação de objetivos e justificativa.
Capítulo 2 - Revisão da literatura onde são relacionados aspectos da
siderurgia no Brasil, processos de geração de escória de aciaria e sua
utilização na construção civil, bem como o panorama do sistema rodoviário
brasileiro. Apresenta-se ainda uma revisão sobre os diversos processos de
estabilização de solo e os métodos de ensaio de caracterização,
compactação, expansão, CBR, resistência à compressão simples e
resistência à compressão diametral.
Capítulo 3 Métodos – Descreve procedimentos utilizados para a condução
dos experimentos relacionados neste trabalho; bem como ações necessárias
para a execução dos objetivos propostos, obtenção de resultados sua
análise e discussão. Descrevem-se ainda materiais utilizados nos modelos
propostos.
Capítulo 4 – Apresentação e análise dos resultados obtidos dos ensaios
realizados com o solo e as misturas durante todo o desenvolvimento do
experimento com vista à sua utilização em pavimentos.
Capítulo 5 – Conclusões obtidas a partir desta pesquisa e sugestão para
trabalhos futuros.
Capítulo 6 – Referências bibliográficas consultadas durante a pesquisa.
1.4 Justificativa
Ressalta-se a importância do tema, face à extensão e potencial do pólo industrial
siderúrgico que do processo de produção de aço gera por ano 5.776 x 103
toneladas de resíduos e passivos representados pelas pilhas de escória
resultantes. Tal material precisa e pode ser aplicado em conformidade com a
necessidade da expansão de infra-estrutura de rodovias e a preservação
ambiental. Sua utilização como matéria-prima em obras de engenharia rodoviária
é de extrema importância uma vez que apenas sob jurisdição municipal
1,43x106km de rodovias necessitam pavimentação para escoamento da
produção industrial, a agrícola e de pessoas (DNIT, 2009).
6
Um dos mais importantes campos de aplicação da escória de aciaria é o seu
emprego como agregado na pavimentação rodoviária. Neste contexto a escória
de aciaria vem sendo utilizada como infra-estrutura de pavimentos, porém
problemas relacionados à sua expansão e estabilização além de práticas
inadequadas de uso que implicam em restrições quanto à sua utilização
(RAPOSO, 2005).
O produto solo-cimento pode ser definido como uma mistura de solo pulverizado,
cimento Portland e água que, sob compactação a um teor de umidade ótima,
forma um material estruturalmente resistente, estável, durável e de baixo custo
(FREIRE 1976).
Nos últimos anos diversas pesquisas têm sido realizadas visando à redução do
custo, de solos estabilizados, através da substituição total ou parcial do cimento
Portland por diversas adições minerais, tais como: cal, sílica ativa, metacaulinita
e cinza volante.
Misturas de solo estabilizadas com cimento e adições minerais que contenham
percentuais de sílica e alumina amorfas possuem melhores propriedades
mecânicas.
Esse
incremento
nas
propriedades
mecânicas
deve-se
à
combinação destes elementos com a cal oriunda da hidratação do cimento
(DALLACORT, 2002).
O estudo da influência dos finos de escória de aciaria como ligante em misturas
para uso em infra-estrutura de pavimentos, vai de encontro às ações do milênio,
no que tange a sustentabilidade e eficiência ambiental do sistema – extração;
industrialização; passivo; reaproveitamento – utilização em um ciclo fechado.
Desta forma, a adição de finos de escória de aciaria pode representar
possibilidade de incremento das propriedades mecânicas de solo estabilizadas.
7
2. REVISÃO DE LITERATURA
Este capítulo apresenta uma revisão bibliográfica que expõe sobre a siderurgia
no Brasil, o processo de geração de escória de aciaria, sua utilização, o sistema
rodoviário brasileiro, os diversos processos de estabilização de solo, ensaios de
caracterização, compactação, expansão, CBR, resistência à compressão
(simples e diametral) e construção sustentável.
2.1. A siderurgia no Brasil
Esta seção apresenta um breve histórico sobre a siderurgia no Brasil, a
produção do aço e sua importância econômica, o processo de geração da
escória de aciaria e sua aplicação como matéria prima.
2.1.1. Breve histórico do processo
Siderurgia se refere ao conjunto de técnicas industriais voltadas à obtenção e
tratamento para a fabricação do ferro e do aço. O aço é uma liga metálica de
múltiplas aplicações industriais, cujos componentes principais são o ferro e o
carbono, que em quantidades variáveis lhe confere propriedades específicas. A
produção de aço cresce juntamente com seu consumo, proporcionalmente ao
desenvolvimento econômico do país, à construção civil, à execução de obras
públicas, à instalação de meios de comunicação e à produção de equipamentos
utilizados na exploração das riquezas necessárias ao bem-estar da população.
Atualmente fabrica-se o aço pelo processo de carbonização do ferro-gusa, no
sistema Bessemer. A operação elimina o carbono, que se combina com o
oxigênio do ar; no sistema Siemens-Martin, a oxidação se processa pela
aplicação de ar pré-aquecido com os gases desprendidos do alto-forno. Por
trabalhar com temperaturas muito elevadas, o método permite a fusão da sucata
e seu aproveitamento, o que é ponto positivo no aspecto da reciclagem e
sustentabilidade do processo.
Segundo Rizzo (2006), a partir de 1856, iniciou-se na Inglaterra a utilização do
oxigênio puro para a transformação do ferro-gusa líquido em aço por meio da
utilização do sistema desenvolvido por Sir Henry Bessemer, processo
pneumático com a exclusão do nitrogênio do ar soprado nos convertedores.
8
O convertedor Bessemer consiste de uma carcaça de chapas de aço, em
formato cilíndrico, dotada de rotação e fundo destacável, contendo ventaneiras
de material refratário. Este processo aumentou em 200 vezes a produção do aço
em comparação com sistemas anteriores. O desenvolvimento do processo
apresentou alguns problemas. Na Inglaterra, por exemplo, o processo fracassou,
pois o ferro-gusa apresentava elevado teor de fósforo que, não sendo eliminado
na etapa de elaboração, tornava o aço frágil. Em 1878, Sidney G. Thomas,
aplicou algumas alterações na tecnologia do convertedor Bessemer em ferros
gusa de alto teor de fósforo através da utilização de revestimento dolomítico
calcinado. No caso do convertedor Thomas, o ferro-gusa líquido empregado
deve ter preferencialmente de baixo teor de silício, Si e enxofre, S e ser
fisicamente quente. O baixo teor de Si é necessário porque o silício do banho
ataca as paredes do convertedor que são de tijolos de dolomita e também
porque elevados teores de Si, no começo do sopro, provocam a formação de
uma escória espumante, dispersa no meio do banho e projetada para fora do
forno na etapa de sopro. Um baixo teor de S é importante porque este elemento
é nocivo à composição do aço e difícil de ser retirado no convertedor. Com a
produção das primeiras unidades industriais de oxigênio no final do século XIX, o
interesse pela sua utilização na siderurgia se acentuou. Em 1930, o oxigênio era
utilizado para o enriquecimento do ar soprado em alto-fornos e em
convertedores Bessemer.
O ano de 1952 marca o nascimento do processo de refino em convertedores a
oxigênio, LD que recebeu este nome em homenagem as duas cidades
austríacas, Linz e Donawitz, que iniciaram este processo. A partir desta data o
tamanho dos convertedores aumentou gradativamente em uma série de outras
usinas em todo o mundo. Em agosto de 1954 a Usina de Dominium Fourdries
em Hamiton, Canadá, entrou em operação, sendo a primeira Aciaria a oxigênio
fora da Áustria, e em dezembro do mesmo ano a Mclouth Steel Coorporation nos
EUA. Em 1957, outras usinas entraram em operação, destacam-se: BelgoMineira (João Monlevade - Brasil), Jones and Laughlin (Aliquipa - USA), Nippon
Steel (Japão), Krupp (Alemanha).
Quanto ao processo de refino, a fabricação do aço pode ser dividida em 3
grandes grupos: LD (Linz-Donawitz) ou BOF (Blast Oxygen Furnace) que utiliza
o conversor a oxigênio, elétrico ou EAF (Eletric Arc Furnace) que utiliza o forno
de arco elétrico e OH (Open Heart) que utiliza o forno Siemens-Martin. A
produção do aço no Brasil, é cerca de 80% pelo processo LD, cerca de 20% pelo
9
processo que utiliza forno arco elétrico e apenas 1,9% pelo forno SiemensMartin. A Tabela 2.1, extraída do Instituto Brasileiro de Siderurgia, apresenta a
produção do aço bruto no Brasil dividido pelo processo de refino.
Tabela 2.1 – Produção de aço bruto por processo de refino, no Brasil. Fonte: IBS, 2009.
106 toneladas
Forno de Refino
Oxigênio (LD / BOF)
43,8
Conversor a oxigênio
Elétrico (EAF)
29,8
Arco elétrico
Processos de aciaria
O aço é uma substância, flexível e resistente. Sua composição química varia de
acordo com a finalidade a que é destinado: para artefatos que requerem
durabilidade, aço-silício-manganês é o tipo indicado; para resistência a choque,
aço-níquel; contra a corrosão, aço inoxidável; o que melhor reage ao desgaste é
o aço-cromovanádio, etc. conforme Rizzo (2006).
A Tabela 2.2 informa os modelos de fornos utilizados pelas principais
siderúrgicas brasileiras e o autor destaca que a maior parte da literatura
publicada sobre a utilização de escórias de aciaria faz distinção entre os tipos de
fornos utilizados pelas indústrias siderúrgicas na produção do aço.
Tabela 2.2 - Tipos de fornos das siderúrgicas brasileiras. Fonte: RODHE, 2002 citado por
CASTELO BRANCO, 2004, p. 7.
Tipo de Forno
Empresa
Acesita S.A.
Aço Minas Gerais S.A.
Aços Villares S.A.
Cia. Sidegúrgica Belgo Mineira
Cia. Sidegúrgica Nacional (CSN)
Cia. Sidegúrgica Paulista
(COSIPA)
Cia. Sidegúrgica Tubarão (CST)
Localização
LD / BOF
Conversor a
oxigênio
EAF
Forno de arco
elétrico
MG
X
X
MG/SP
X
SP
X
MG/SP/ES
RJ
X
X
SP
X
ES
MG/PE/RS/PR/CE
/BA
RJ
X
X
MG
X
Vllourec & Mannesman Tubes –
V&M do Brasil S.A
MG
X
Villares Metais S.A.
SP
Gerdau S.A.
Sidegúrgica Barra Mansa S.A.
Usinas Sidegúrgicas de Minas
Gerais S.A. (USIMINAS)
X
X
X
X
10
2.1.2. A produção do aço e sua importância para a economia do país
O Congresso Internacional de Geologia de Estocolmo, realizado em 1910,
publicou estatísticas sobre as reservas de minério de ferro brasileiras que
despertaram a atenção das nações industrializadas. Até o final da década de
1930, prevaleceu no Brasil, a exportação do minério bruto sobre a
industrialização.
Durante a segunda guerra mundial, o Brasil contava com 11 pequenas usinas
siderúrgicas que produziam pouco mais de 90.000 toneladas de aço por ano.
Quase metade dessa produção vinha da Companhia Siderúrgica Belgo-Mineira,
localizada em João Monlevade, MG. Em 1941, em Volta Redonda – RJ foi criada
a Companhia Siderúrgica Nacional (CSN), sua construção foi negociada com os
Estados Unidos durante a guerra, em troca de uso de bases militares no
Nordeste. Outra usina siderúrgica, a Companhia Siderúrgica Tubarão (CST),
entrou em funcionamento apenas em 1983, e dois anos mais tarde, em 1985, foi
inaugurada a Aço Minas SA (Açominas).
Durante a década de 1990 a indústria siderúrgica brasileira enfrentou graves
problemas e o déficit acumulado do setor provocou uma contenção salarial que
gerou repetidas greves, a mais séria delas ocorrida em 1988 na CSN. A partir de
1991, o governo federal iniciou o processo de privatização da maior parte das
usinas siderúrgicas. A primeira a passar ao controle privado foi a USIMINAS –
Ipatinga, MG, seguida da CST – Tubarão, ES em 1992, a ACESITA – Timóteo,
MG, e em 1993 a CSN – Volta Redonda, RJ. O Brasil está entre os dez maiores
produtores de aço bruto do mundo, com 3,7% da produção mundial, É também,
o maior produtor da América Latina sendo sua produção 52,5% dados coletados
do Instituto Brasileiro de Siderurgia – IBS em 2009.
O processo LD entrou em funcionamento, no Brasil, em 1957, através da
Companhia Siderúrgica Belgo-Mineira, em João Monlevade, em 1963, nas
Usinas da Companhia Siderúrgica Mannesmann, em Belo Horizonte e
Intendente Câmara e na Usiminas, em Ipatinga, todas em Minas Gerais. Em
1965 entrou em operação a aciaria da COSIPA em Cubatão-SP. A partir desta
data o crescimento da produção de aço em Minas Gerais com convertedores a
oxigênio foi de: em 1979 - 8,8 milhões t/ano, em 1996 - 18,0 milhões t/ano e em
2005 - próximo dos 23,6 milhões t/ano: para uma produção total brasileira de aço
de 31,2 milhões t/ano em 2005, conforme mostram as Tabelas 2.3 e 2.4.
11
Tabela 2.3 – Relação das Aciarias Brasileiras que utilizam convertedor a oxigênio - ano base
2006. Fonte: RIZZO, 2006, p.117.
Empresa
Localização
Cia. Sidegúrgica Belgo-Mineira
João Monlevade – MG
Nº de fornos e
Capacidade (t)*
2 x 112
Ipatinga - MG
1 x 84
USIMINAS
1 x 180
COSIPA
Piaçaguera – SP
1 x 170
Timóteo – MG
1 x 80
Cia. Aços espaciais Itabira –
ACESITA
1 x 80
Cia. Sidegúrgica Nacional – CSN
Gerdau-Barão
Cia. Sidegúrgica Mannesman
Volta Redonda – RJ
3 x 225
Barão de Cocais – MG
1 x 32
Belo Horizonte – MG
1 x 80
Serra - ES
2 x 315
Ouro Branco - MG
2 x 200
Cia. Sidegúrgica Tubarão – CST
GERDAU-AÇOMINAS
*Refere-se á capacidade do equipamento quando da instalação do mesmo.
Tabela 2.4 – Produção Brasileira de Aço Bruto por Unidade de Produção – 80% convertedor
a oxigênio e 20% forno elétrico. Fonte: RIZZO, 2006, p. 117, IBS, IISI, IBGE, 2006.
Empresas
Produção Brasileira de aço Bruto (Unidade: 1.000 toneladas)
2005
2001
2002
2003
2004
Produção Capacidade
Gerdau
5.826
5.999
6.976
7.284*
6.910
8.840
CSN
4.048
5.107
5.318
5.518
5.201
6.000
CST
4.784
4.904
4.812
4.958
4.850
5.300
Usiminas
4.620
4574
4.524
4.738
8.661
5.000
COSIPA
2.460
3.873
4.097
4.213
Belgo-Mineira
2.668
2.827
2.889
3.250
3.272
3.800
Acesita
780
709
749
835
750
830
Aço Villares
508
595
661
816
680
870
V & M do Brasil
500
500
551
611
592
570
Barra Mansa
392
387
421
564
579
600
Villares Metais
94
105
113
122
133
130
MWL Brasil
31
24
36
-
-
-
21.717
29604
31.147
32.909
31.631
36.440
Açominas
TOTAL
4.500
NOTA: Produção de aço Bruto = Lingotes + Produtos de lingotamento contínuo + Aço para
fundição.
* A Açominas foi responsável por cerca de 3.000 x 10³ toneladas neste ano.
A figura 2.1 apresenta a evolução da produção anual de aço bruto no Brasil no
período compreendido entre 2001 e 2008, segundo dados do IBS, 2009.
12
36.000
34.000
Toneladas
32.000
30.000
28.000
26.000
24.000
22.000
20.000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
Ano
Figura 2.1 – Produção Brasileira de Aço Bruto – 80% convertedor a oxigênio e 20% forno
elétrico. Fonte: IBS, 2009.
2.1.3. Escória de aciaria
Segundo Rizzo (2006), a escória é um resíduo importante gerado em grandes
quantidades do processo de elaboração do aço nos convertedores LD. Em 2008,
a produção brasileira de aço bruto por processo de aciaria e lingotamento foi de
30.106 toneladas (IBS, 2008). Cada tonelada de aço produzido gera de 70 a
170kg de escória. Se considerarmos uma média de 120kg/t e a produção
nacional de 30.106 toneladas de aço empregando-se convertedores (dados de
2008), a geração de escória por ano, é de aproximadamente 3,6.106 toneladas.
A escória de aciaria é classificada segundo a norma ABNT NBR 10.004/2004
Resíduos sólidos: Classificação, como um resíduo da classe II - não inerte.
Após todo o processo de fabricação do aço, a escória é vertida para um pote
apropriado e é transportada até o pátio, onde é basculada em baias de
resfriamento. O resfriamento é feito por bicos de aspersão de água ou através de
jatos de água de mangueiras, e devido ao choque térmico, ela é fragmentada.
Depois de resfriada é transportada para um pátio de beneficiamento e estocada
em pilhas. Em seguida, no processamento mais convencional, a escória passa
por um processo de britagem, peneiramento, separação magnética da parte
metálica existente e através de correias transportadoras, estocadas em pilhas,
por faixa granulométrica conforme apresentado na Figura 2.1. A granulometria
de britagem da escória depende da sua aplicação.
13
Figura 2.2 - Fluxograma esquemático do processo de beneficiamento de escória. Fonte;
RIZZO, 2006, p. 99.
A escória de aciaria é basicamente constituída por uma mistura de óxidos de
cálcio e de magnésio, silicatos de cálcio, ferro. As limitações encontradas no
material são basicamente: heterogeneidade; alto teor de cal livre e a ausência de
atividade hidráulica. As tecnologias de produção de aço mais difundidas geram
escórias LD, produzidas por fornos de arco elétrico e por convertedores de
oxigênio.
Adicionalmente, possuem uma elevada variação em sua composição química e
mineralógica, em função da matéria-prima empregada, do processo de produção
e do tipo de aço. As variações na composição química da escória de aciaria, são
conseqüências das variações ocorridas no processo de refino do aço, na sua
forma de resfriamento e no seu processo de armazenagem.
O tipo de resfriamento da escória também interfere no seu potencial de
utilização. Escórias resfriadas ao ar são utilizadas, principalmente, como
agregados para construção de estradas e em lastros de ferrovias. Já as escórias
resfriadas bruscamente são potencialmente utilizadas como agregado em
concreto, aterro, fabricação de artefatos de concreto, adições em concreto de
cimento Portland, concreto leve e matéria-prima para produção do cimento
(GEYER, 2001).
Segundo Machado (2000) e Rizzo (2006), as escórias de aciaria podem ser
utilizadas na construção civil em diversos fins, como:
• Estabilização de solos, por apresentar maior rugosidade superficial, excelente
índice de forma, maior angulosidade, maior resistência ao desgaste e aumento
da resistência dos solos.
14
• Matéria-prima para produção de cimento, devido à presença dos silicatos
dicálcico e tricálcico que tornam o material com composição química muito
parecida com o clinquer usado na produção do cimento Portland.
• Agregado na produção de concreto, por possuir grande durabilidade e alta
resistência à compressão e à abrasão. Masuero et al. (2000) avaliou a adição
de 20,0% de escória de aciaria elétrica em concreto. O resultado mostrou que as
propriedades mecânicas (resistência à compressão e resistência à tração na
flexão) foram superiores para o concreto com adição de escória de aciaria em
relação ao concreto convencional. Houve redução do consumo de cimento para
o concreto produzido com escória de aciaria. Peixoto et al. (2008), avaliou o
concreto produzido com agregado de escória que apresentaram desempenho
semelhante ao concreto produzido com agregado natural para resistências
mecânicas, massa específica, absorção e estabilidade dimensional idênticas.
• Construção de lastros no leito de ferrovias, devido a sua alta massa específica.
A escória deve apresentar baixa condutividade, impedindo a formação de
fagulhas no caso de transporte de cargas inflamáveis.
• Utilização em base e sub-base de pavimentos rodoviários e como agregados
na confecção de misturas asfálticas.
• Outros fins, tais como: execução de aterros, construção de peças de quebramar, contenção sendo utilizada na fabricação de gabiões, etc.
Características físicas – Segundo Machado (2000) citado por Castelo Branco
(2004) os agregados de escória de aciaria apresentam maior rugosidade
superficial, excelentes índice de forma, maior angulosidade, menor resistência
ao desgaste e alto coeficiente de atrito quando comparados com agregados
convencionais.
As
características
típicas
de
escórias
de
aciaria
apresentadas na Tabela 2.5.
Tabela 2.5 - Características das escórias de aciaria. Fonte: CASTELO BRANCO, 2004.
Características
Densidade aparente
Porosidade (%)
Abrasão Los Angeles (%)
Valor
3,2 – 3,6
.3
20 – 25
Durabilidade ao Sulfato de Sódio (%)
< 12
Dureza
6–7
ISC (%)
> 300
Polaridade
Teor de ligante (%), misturas densas
Alcalina (pH 8 – 10)
> 6,5
são
15
Características químicas - A composição química típica de uma escória de
aciaria proveniente do convertedor a oxigênio é apresentada na Tabela 2.6.
Tabela 2.6 - Faixa de composição química típica da escória LD no Brasil. Fonte: CASTELO
BRANCO, 2004, p.9.
Composto
Quantidade (%)
CaO
MgO
SiO2
Al2O3
FeO
MnO
6 – 45
1–9
7 - 16
1–4
8 - 30
3–7
Segundo Jonh (2003), dentre as impurezas do processo que formam a escória
estão os silicatos de cálcio (CaSiO3), dióxido de silício (SiO2), ferrita calcita
(CaFe2O4), óxido de magnésio (MgO) e outros. Os altos teores de CaO e MgO
livres, presentes na escória, devem ao fato de que, depois que o fósforo e o
silício se oxidam, estes elementos precipitam porque ultrapassam os limites de
solubilidade da escória fundida. As composições típicas de algumas escórias de
aciaria elétrica no mundo podem ser vistas nas Tabelas 2.7.
Tabela 2.7 - Composições das escórias de aciaria elétrica. Fonte: MASUERO et al., 2000.
País
Geração
CaO
MgO
SiO2
Al2O3
FeO
MnO
P2O5
S
Kg/ton
(%)
(%)
(%)
(%)
(%)
(%)
(%)
(%)
Brasil
150
33
10
18
6
30
5
0,9
0,1
Japão
127
40
4
25
5
19
7
-
0,06
Suécia
100
46
5
11
5
28
4
0,7
-
EUA
160
41
10
17
8
18
4
0,6
0,2
Alemanha
120
32
10
15
4
31
4
1,4
0,1
Itália
120
41
8
14
7
20
6
0,9
0,1
Segundo Rizzo (2006) nas transformações, seja por hidratação, carbonatação ou
por oxidação, ocorre um significativo aumento de volume em relação às
dimensões
originais
do
cristal.
Este
fenômeno,
associado
com
as
transformações alotrópicas do C2S, conduz à expansão destrutiva na escória de
aciaria.
A principal limitação no uso dessa escória, é a sua elevada instabilidade
volumétrica (expansão), provocada pela hidratação dos óxidos de magnésio
(MgO) e cálcio (CaO) que em contato com água, resultam em reações
16
expansivas. Outra fonte potencial de expansão da escória é a mudança nas
formas alotrópicas do silicato dicálcico ou ortosilicato de cálcio (2CaO2.SiO2 ou
usando a simbologia C2S).
Uma forma de reduzir este inconveniente pode ser o armazenamento da escória
em pilhas de envelhecimento por longo tempo, porém este processo demanda
muito espaço e muito tempo. A escória pode ser considerada curada ou
estabilizada após um período de tempo mínimo de seis meses, podendo ser
reduzido em função do grau de expansão almejada para uma determinada
aplicação ou a utilização de métodos especiais de cura. Já SEKI (1986)
considera que as escórias de aciaria podem ter este tempo de estabilização
reduzido para três meses quando expostas às intempéries. Existem pesquisas
em andamento buscando processos para acelerar a estabilização da escória e
evitar suas restrições do mercado.
A estabilização da escória de aciaria está diretamente associada à formação de
elementos estáveis, seja por hidratação do CaO e MgO ou carbonatação dos
produtos hidratados gerados por estes óxidos. Segundo Machado (2000), o
tempo de estocagem da escória em pilhas, ou tempo de envelhecimento da
escória em ambiente com umidade, é o principal fator que influencia na
estabilização dos óxidos reativos (CaO e MgO). O tempo necessário para a
estabilização
depende
fundamentalmente
da:
composição
química
e
granulométrica da escória, temperatura e umidade do ambiente, tamanho e
aeração das pilhas.
A literatura pesquisada não indica métodos seguros para a estabilização da
escória, necessitando-se assim de estudos que definam métodos confiáveis.
17
2.1.4. Utilização da escória de aciaria como matéria-prima em obras
de engenharia rodoviária
O grande volume de escória de aciaria, gerados nos processos convencionais de
produção do aço exige que a indústria siderúrgica invista em pesquisas de forma
a buscar aplicação em novas tecnologias. Apesar de sua utilização como
fertilizantes, enriquecendo o solo com adição de fósforo, não é possível utilizar
todos os tipos de escória resultantes dos processos de fabricação do aço. Dentre
os possíveis consumidores encontra-se a construção civil por se tratar de um
setor com alto grau de aplicação de produtos naturais tornando-se necessário
buscar alternativas de materiais visando minimizar a extração predatória e
prejuízo à natureza.
As escórias de aciaria podem ser aplicadas na engenharia rodoviária como
agregado para concreto asfáltico, base e sub-base de estradas e estabilização
de solos (PIRET e DRALANTES,1984).
Dados do IBS (1998) indicaram que 44% da escória gerada em aciarias eram
destinadas à base e sub-base de rodovias.
Para Machado (2000), a aplicação da escória de aciaria como camada inferior
em estradas, ou mesmo como agregado na mistura asfáltica é a principal opção
de reciclagem, mas alerta da elevada variabilidade decorrente tanto do processo
de produção quanto da matéria prima utilizada, o que leva muitas vezes ao não
atendimento aos critérios de qualidade exigidos. Para o autor é claro que a
limitação da escória de aciaria em seu campo de aplicação é devido a sua alta
variação volumétrica devido à presença do MgO.
Segundo a norma DNER - Departamento Nacional de Estradas de Rodagem,
EM 262/1994, Escórias de aciaria para pavimentos rodoviários, deve obedecer
aos seguintes limites (para uso como agregado):
• Máximo de 3,0% de expansão,
• Estarem isentas de impurezas orgânicas, contaminação com escórias
de alto forno, solos e outros materiais,
• Granulometria: 40,0% até 12,7mm e 60,0% entre 12,7 e 50,8mm de
abertura nominal e atender a granulometria de projeto,
• Absorção de água: 1,0% a 2,0% em peso,
• Massa específica: 3,0 a 3,5 g/cm3,
18
• Massa unitária: 1,5 a 1,7 kg/dm3,
• Desgaste por abrasão Los Angeles: no máximo igual a 25,0% para subbase, base e revestimento,
• Durabilidade ao sulfato de sódio: 0,0% a 5,0%, em 5 ciclos.
Nesta norma o DNER, não especifica o tipo de processo de refino utilizado na
fabricação do aço que será responsável pela geração da escória. A norma ABNT
EB – 2103 (1994), materiais para sub-base ou base de pavimentos estabilizados
granulometricamente, especifica que para utilização em sub-base e base de
pavimentos a expansão da escória, utilizando o método PTM 130/78, deve ser
no máximo igual a 1,0% e 0,5%.
Em estudos realizados para concreto a variação dimensional de 0,30% já é dita
como deletéria ao concreto, (GAMINO, 2000).
O uso de escória em pavimentação rodoviária já foi normatizado em outros
países, como a França, que especificou mistura da escória com agregados
comuns ou com cal hidratada (Ca(OH)2), para uso em construções de base ou
sub-base de pavimentos. Cerca de 65,0% das rodovias francesas utilizam este
material. A África do Sul utiliza em seus pavimentos, mistura de escória com cal
na proporção de 4:1, (ROHDE, 2002).
Na atualidade, o uso da escória de aciaria encontra-se mais concentrado na
construção de bases para pavimentos e uso como agregado em misturas de
solos e principalmente em misturas de concreto asfáltico. Esta utilização é
encontrada nos Estados Unidos, Inglaterra, Japão e Canadá, particularmente em
áreas próximas á produção do aço, para a minimização dos custos de transporte
do material.
A reciclagem da escória de aciaria é de grande interesse para a construção civil,
pois pode ser usadas na produção de cimento, como substituto parcial de
clinquer Portland, como também na função bases e sub-bases de pavimentos ou
ainda como agregados artificiais puros. O problema mais comum da escória é a
expansibilidade de seus óxidos, o que limita seu uso. É por esta razão que
existem muitas pesquisas sobre a expansibilidade e novas destinações para a
escória.
Paralelo a isto a reciclagem de escória de aciaria, e sua utilização em grandes
volumes na construção civil, interessa ao mercado e à sociedade na medida em
que a preocupação com o meio ambiente e a escassez de recursos naturais,
19
amplamente discutida na atualidade, têm mobilizado a opinião pública e levado à
busca por alternativas mais sustentáveis. Sendo a indústria da construção civil
sabidamente um dos setores industriais onde se concentram as maiores taxas
de exploração e consumo de matérias-primas naturais em seus processos,
provocando grande impacto ao meio ambiente.
O estudo da viabilidade técnica e econômica da utilização do resíduo sólido de
siderurgia, escória de aciaria, como subproduto, ou ainda, como matéria-prima
em processos de construção civil, está condicionada, também, ao custo de
reciclagem, que deve ser igual ou inferior ao custo total para descartá-lo
adequadamente.
A utilização da escória de aciaria pode trazer benefícios:
• Ambientais: reduzindo as áreas destinadas à deposição da escória e ao
mesmo tempo reduzindo a degradação ambiental provocada pela extração de
agregados naturais. Sendo pertinente ainda contabilizar custos ambientais que
se economizam com: a remoção e estocagem da camada vegetal, as obras de
proteção ambiental das áreas de bota-fora, o transporte do material utilizável, a
recuperação ambiental das áreas degradadas e os custos burocráticos junto aos
órgãos ambientais e governamentais Geyer (2001).
• Técnicos: por apresentar maior rugosidade superficial, excelente índice de
forma, maior angulosidade, maior resistência ao desgaste e aumento da
resistência dos solos. Possui alto coeficiente de atrito o que confere ao
pavimento qualidades antiderrapantes Machado (2000).
• Econômicos: Rohde (2002) cita que a demanda por agregados para
construção civil é muito significativa. Um terço desta demanda está ligada à
construção de estradas. A escória é ideal para utilização em zonas urbanas,
próximas á usinas siderúrgicas, pois apresenta um custo inferior ao da brita, até
certa distância média de transporte. Para distâncias de até 80km para utilização
em pavimentação rodoviária e até 150km para utilização como lastro de
ferrovias, LIMA et al. (1993) acreditam que o uso da escória de aciaria é
competitivo.
2.2. A malha rodoviária brasileira
A malha rodoviária nacional apresenta uma extensão da ordem de 1.603.131km,
com 12,2% pavimentados. Desse total, 95,4% enquadram-se na categoria de
20
rodovias estaduais, municipais e vicinais, dos quais apenas 8,6% encontram-se
pavimentada, conforme mostra a Tabela 2.8.
Tabela 2.8 – Malha Rodoviária do Brasil – extensão em Km. Fonte: CNT, 2008.
Jurisdição
Federal
Estadual coincidente
Estadual
Municipal
Total
Pavimentada
58.152
17.016
98.377
22.735
196.280
Não Pavimentada
14.857
7.147
109.942
1.274.906
1.406.851
Total
73.009
24.162
208.319
1.297.641
1.603.131
Os dados indicam que as condições de nossas rodovias são preocupantes, mais
que isso, a melhoria das condições de transporte no Brasil são urgentes e
inadiáveis. A melhoria na pavimentação rodoviária brasileira envolve certamente
algumas centenas de milhares de quilômetros.
Ao analisar o total da malha rodoviária pavimentada, de 196.280km que
representa 12,2% do total nacional em comparação com 1.406.851km não
pavimentados, que representam 87,7% do total nacional, observa-se que há
uma grande demanda por novas rodovias pavimentadas no Brasil.
Ainda segundo Bernicci (2008), aproximadamente 60% do transporte de carga
nacional é realizado pelo modal rodoviário, sendo o restante distribuído por 21%
ferroviário, 14% aquaviário, 5% dutoviátio e apenas 1% aéreo. Destaca também
que 96% dos passageiros circulam pelo modal rodoviário.
2.2.1. Malha rodoviária de Minas Gerais
Segundo dados do Departamento de Estradas de Rodagem de Minas Gerais,
DER-MG o estado possui 25.223km de rodovias, sendo este montante 8378km
não pavimentados; 33,2% do total de rodovias, conforme a Tabela 2.9.
Tabela 2.9 – Malha Rodoviária de Minas Gerais – Fonte: DER-MG, 2009.
Jurisdição
Federais Delegadas
Estaduais
Total
Federal (DNIT)
Total Geral
Estadual (DERMG)
Extensão em Km
Não
Pavimenta
Pavimenta
da
da
2.252
408
14.593
7.970
16.845
8.378
8.149
741
24.994
9.092
Total
2.660
22.563
25.223
8.863
34.086
21
Segundo dados da Secretaria de Transporte e Obras Públicas do Estado de
Minas Gerais, em 2007 o governo através dos programas ProMG e Proacesso,
investiu R$ 1,1 bilhão e em 2008 R$ 1,2 bilhão em obras nas rodovias mineiras.
O programa prevê até o final de 2011 a execução de 5.515km de rodovias, que
beneficiará de forma direta cerca de 1,5 milhões de pessoas, sendo que até
outubro de 2008, 2.116km já haviam sido pavimentadas.
A tabela 2.10 apresenta a avaliação realizada pela Confederação Nacional do
Transporte – CNT (2007) sobre o estado geral das rodovias mineiras.
Tabela 2.10 – Estado Geral das Rodovias Mineiras – Fonte: CNT, 2007.
Estado Geral
Ótimo
Bom
Regular
Ruim
Péssimo
Total
Extensão Avaliada
Km
689
1.478
6.072
3.692
1.553
13.484
%
5,1
11,0
45,0
27,4
11,5
100
Segundo Padula et al. (2007) é na engenharia rodoviária que a escória de
aciaria encontra sua mais relevante aplicação, pois para cada quilômetro de
rodovia pavimentada podem ser gastos até 4.000m3 quando utiliza-se este
agregado. Desta forma, pavimentar 1% do total da malha rodoviária mineira não
pavimentada, representa aproximadamente 900km de rodovias. Considerando
um consumo médio de agregado de 4.000m3/km, o consumo total necessário
para esta construção será de cerca de 3,6.106 toneladas de escoria (agregado)
de aciaria, considerando sua massa unitária 1,70t/m3. Deve-se ainda levar em
consideração que, da atual malha rodoviária estadual, cerca de 40% está de
ruim a péssimo estado de conservação necessitando de restauração urgente, o
que acresce a demanda de mais uma quantidade considerável de toneladas de
escória de aciaria.
2.2.3. Pavimento rodoviário do ponto de vista estrutural e funcional
Pavimento é uma estrutura de múltiplas camadas de espessuras finitas,
construída sobre a superfície final de terraplenagem, destinadas técnica e
economicamente a resistir esforços oriundos do tráfego de veículos e do clima, e
propiciar aos usuários melhoria nas condições de rolamento, conforto economia
e segurança (ABEDA, 2008).
22
O pavimento rodoviário, tradicionalmente pode ser: rígido e flexível. Mais
recentemente, Bernucci et al. (2008), indicam a tendência em adotar a
nomenclatura: pavimento de concreto de cimento Portland e pavimento asfáltico,
indicando desta forma, o tipo de revestimento do pavimento.
Assim cabe relembrar alguns conceitos importantes sobre pavimentação. Obras
de
pavimentação
rodoviária
também
chamada
de
superestrutura
são
constituídas por um sistema de camadas de espessuras finitas, assente sobre o
terreno de fundação, considerado como espaço semi- infinito e designado de
subleito, SENÇO (1997).
Segundo SANTANA (1993), Pavimento é uma estrutura construída sobre a
superfície obtida pelos serviços de terraplanagem com a função principal de
fornecer ao usuário segurança e conforto, obtidos sob o ponto de vista da
engenharia, com a máxima qualidade e o mínimo custo.
Para SOUZA (1980), Pavimento é uma estrutura construída após a
terraplanagem por meio de camadas de vários materiais de diferentes
características de resistência e deformabilidade. Esta estrutura assim constituída
apresenta um elevado grau de complexidade no que se refere ao cálculo das
tensões e deformações.
Segundo a NBR-7207/82 da ABNT: "O pavimento é uma estrutura construída
após terraplenagem e destinada, econômica e simultaneamente, em seu
conjunto, a: resistir e distribuir ao subleito os esforços verticais produzidos pelo
tráfego; melhorar as condições de rolamento quanto à comodidade e segurança;
resistir aos esforços horizontais que nela atuam, tornando mais durável a
superfície de rolamento”.
Nomenclatura da seção transversal das camadas e componentes principais que
compõem a seção típica de pavimento rodoviário.
Subleito: É o terreno de fundação onde será apoiado todo o pavimento.
Considerado e estudado até as profundidades em que atuam significativamente
as cargas impostas pelo tráfego (em média de 0,60 a 1,50 m de profundidade).
Se o CBR do subleito for < 2% , substituir por um material melhor, (2% ≤ CBR ≥
20) até pelo menos 1,00 metro de profundidade. Expansão medida no ensaio de
CBR ≤ 2%. Se o CBR do material do subleito for ≥ 20% , este usar como subbase.
23
Regularização do subleito (nivelamento): É a operação destinada a conformar o
leito, transversal e longitudinalmente. Poderá ou não existir, dependendo das
condições do leito. Compreende cortes e/ou aterros uma espessura de até 20
cm.
Reforço do subleito: É a camada de espessura constante transversalmente e
variável longitudinalmente, de acordo com o dimensionamento do pavimento,
fazendo parte integrante deste e que, por circunstâncias técnico econômicas,
será executada sobre o subleito regularizado. Serve para melhorar as qualidades
do subleito e regularizar a espessura da sub-base. O material usado deve
apresentar CBR maior que o do subleito e expansão ≤ 1%.
Sub-base: Camada complementar à base. Usada quando não for aconselhável
executar a base diretamente sobre o leito regularizado ou sobre o reforço, por
circunstâncias técnico-econômicas. Usada para regularizar a espessura da base.
Deve apresentar CBR ≤ 20%, IG = 0 e expansão ≤ 1%(medida com sobrecarga
de 10 libras).
Base: Camada destinada a resistir e distribuir ao subleito, os esforços oriundos
do tráfego e sobre a qual se construirá o revestimento. Deve apresentar CBR ≥
80%, expansão ≤ 0,5% (medida com sobrecarga de 10 libras), LL ≤ 25% e IP ≤
6%.
As diversas camadas que compõem a estrutura do pavimento têm a função de
atenuar os efeitos da tensão vertical aplicada na superfície, de tal forma que o
subleito receba uma parcela mínima desta tensão.
2.3. COMPACTAÇÃO DO SOLO
Entende-se por compactação o processo que visa melhorar as propriedades do
solo, através da redução dos espaços vazios por meio de equipamento com uma
determinada energia mecânica, objetivando sua densificação, Pinto (2002). A
compactação promove o aumento de contato entre os grãos e torna o aterro
homogêneo, estável e resistente, aumentando também sua resistência ao
cisalhamento e capacidade de suporte, retratada através do ensaio de CBR.
Outro aspecto importante é que a compactação reduz a permeabilidade, a
expansão do solo.
A compactação é empregada em diversas obras de engenharia e em particular
na pavimentação rodoviária, objeto de estudo deste trabalho. O tipo de solo
24
disponível dita o processo de compactação a ser empregado, definindo a massa
específica a ser atingida e seu teor ótimo de umidade, buscando reduzir os
vazios, a permeabilidade e futuros recalques e aumentar a rigidez e a resistência
do solo.
Credita-se o início da técnica de compactação ao engenheiro norte-americano
Proctor (1933), que mostrou que ao se aplicar certa energia de compactação a
um solo, sua massa específica varia em função da umidade em que o solo se
encontre. Quando se compacta um solo com umidade baixa, o atrito entre os
grãos é muito alto e não se consegue uma redução significativa dos vazios e
consequentemente da massa específica. Aumentando a umidade do solo, a
água provoca certo efeito lubrificante entre os grãos, promovendo maior
acomodação e uma estrutura mais compacta. A partir de certo teor de umidade,
o mecanismo da compactação não consegue mais reduzir os vazios de ar, pois o
solo já apresenta um grau de saturação elevado e o ar existente entre os grãos
está envolvo por água. Executando, portanto, o ensaio de compactação para um
solo, com teores crescentes de umidade determina-se sua variação de massa
específica. O ensaio deve ser executado para cinco teores crescentes de
umidade. Para cada teor de umidade determinado pelo método da estufa,
calcula-se a correspondente massa específica aparente seca. Com os resultados
encontrados traça-se a curva de compactação: teor de umidade X massa
específica aparente seca. Geralmente os dois pontos ascendentes do ramo seco
constituem uma reta e os dois últimos pontos descendentes do ramo úmido,
outra reta. Une-se o ponto intermediário por uma curva tangente às retas,
formando uma parábola, Pinto (2002).
A maior ou menor eficiência do efeito da compactação na massa específica
aparente do solo é a influência direta da umidade em relação ao atrito existente
entre as suas partículas. Segundo Joacy Junior (2005), a adição de água ao solo
reduz as forças capilares e a resistência ao atrito e ao cisalhamento do solo.
Para umidades muito baixas, o atrito é muito alto e prejudica a redução dos
vazios. À medida que se aumenta o teor de umidade, ocorre um efeito de
lubrificação entre os grãos, facilitando a saída do ar. A partir de um determinado
teor de umidade, a água impede a expulsão do ar, não reduz o atrito e nem
influencia no rearranjo das partículas do solo, fazendo com que a compactação
não tenha mais eficiência no aumento da massa específica.
Há, portanto, para uma dada energia, uma densidade máxima que é obtida para
certo teor de umidade, denominado ótimo, onde se configura uma relação ideal
25
entre água, ar e solo no processo de compactação. Os resultados de teor de
umidade ótimo e massa específica aparente seca máxima são obtidos pelo
ponto máximo de inflexão da curva de compactação, referente a uma
determinada energia de compactação aplicada.
2.3.1. O Ensaio de Compactação
O ensaio original para determinação da umidade ótima e da massa específica
aparente máxima de um solo, ensaio de Proctor Standard (Proctor Normal),
consiste em compactar o solo num molde cilíndrico padrão, com teores
crescentes de umidade. A compactação é feita aplicando-se um determinado
número de golpes em cada camada, com um soquete de dimensões, peso e
altura de queda especificada. Conforme a Equação (1) observa-se, que para
mudar a energia de compactação nos ensaios preconizados pela ABNT, basta
alterar somente os números de golpes por camada, permanecendo os demais
parâmetros os mesmos. A energia de compactação é definida pela Equação (1):
Ec =
M .H .Ng .Nc
V
(Equação 1)
onde:
E c = energia de compactação em Kg.m/m3;
M = massa do soquete em kg;
H = altura de queda do soquete em m;
Ng = número de golpes por camada;
Nc = número de camadas;
V = volume de solo compactado em m3.
A norma ABNT, NBR 7182/86 especifica três energias de compactação: Normal,
Intermediária e Modificada.
2.3.2. Influência das características dos solos no ensaio de
compactação
O comportamento de um determinado material, após a compactação, depende,
fundamentalmente, da natureza do solo. Materiais granulares têm um
comportamento diferente em relação aos materiais coesivos, quando submetidos
aos mesmos esforços de compactação e a um determinado teor de umidade.
26
Solos coesivos quando compactados, exibem uma influência marcante na
orientação das partículas, resistência, permeabilidade e compressibilidade em
função de uma maior variação do teor de umidade. Os solos não coesivos têm a
massa específica aparente significativamente alterada, mesmo para pequenas
variações do teor de umidade.
2.3.3. Influência da energia de compactação
Segundo Pinto (2002) a massa específica aparente seca máxima e a umidade
ótima determinada no ensaio de compactação dependem da energia aplicada. O
aumento da energia de compactação resulta em uma massa específica aparente
seca máxima maior e a uma umidade ótima menor, proporcionando um
deslocamento da curva de compactação para a esquerda. Portanto, quanto
maior a energia de compactação aplicada tanto maior a massa específica
aparente máxima e tanto menor sua umidade ótima.
Solos de naturezas diferentes, quando compactados com uma mesma energia
de compactação, apresentam curvas características a cada tipo de material. As
areias, por exemplo, possuem maior massa específica aparente máxima e
menor umidade ótima do que as argilas, que apresentam curva de compactação
com um máximo de massa específica aparente, bem mais definida.
2.3.4. Expansão
Segundo Campos e Burgos (2004) a expansão dos solos reflete-se pela
variação volumétrica. Apoiar estruturas sobre camadas de solos expansivos
propicia uma série de ações indesejáveis resultantes da expansão devida à
presença de umidade, bem como das variações de volumes associados, que
podem provocar o levantamento ou a contração das camadas do pavimento.
Quando os solos expansivos não são tratados de forma adequada nas etapas de
projeto e execução da construção, podem causar sérios danos às obras de
engenharia. A compreensão destes fatores é de grande importância para tomar
medidas que minimizem ou anulem os seus efeitos negativos. O fenômeno de
expansão dos solos envolve um conjunto de fatores que influenciam e interagem
entre si, tais como a composição das argilas e fatores ambientais. Com relação
aos fatores ambientais que levam à expansão dos solos os principais são: a
variação da umidade e a variação do nível freático em campo, às chuvas.
27
A determinação da expansão do solo está descrito na norma NBR 9895/87. O
ensaio que expressa o percentual de variação volumétrica de uma amostra é
executado em corpos-de-prova compactados submetidos à saturação por
capilaridade durante um período de 4 dias, com leituras a cada 24 horas.
2.3.5. CBR - California Bearing Ratio
Conhecido no Brasil, como ensaio de determinação do Índice Suporte Califórnia
NBR 9895/87. É um ensaio que expressa a razão entre resistência à penetração
de um pistão padrão a uma penetração pré-definida, na amostra que se deseja
ensaiar, e a pressão para a mesma penetração numa amostra padrão de pedra
britada. A resistência à penetração no ensaio de CBR é relacionada à resistência
padrão e determinada somente para as penetrações e 2,54 e 5,08mm do pistão
padrão, executado no corpo-de-prova após 4 dias de saturação. Esse método
gera discussões quanto à sua aplicação no Brasil, em virtude das diferenças
geotécnicas existentes entre os solos de clima tropical e os solos de clima
temperado, para os quais os procedimentos foram desenvolvidos Joacy Junior
(2005).
Segundo Senço (1997), o CBR é um índice que busca caracterizar o
comportamento mecânico de materiais granulares por comparação com um
material de referência (brita graduada). Os principais fatores que afetam os
resultados de CBR são: massa específica aparente, a umidade e a textura dos
solos. O ensaio é realizado após saturar o solo por 4 dias. Retira-se os cilindros
do tanque de saturação 15 minutos antes de ensaiar para escorrer o excesso de
água.
O efeito de expansão, durante o período de saturação, não tem grande
influência nos valores de CBR para os solos granulares, em contrapartida, os
solos finos, coesivos, são bastante afetados pelo fenômeno da expansão.
2.4. Estabilização de solos
Sob o ponto de vista da engenharia, o solo desempenha várias funções, ora
como sustentação de obras (fundações), ora como materiais de construção
(aterros, barragens, pavimentos, tijolos etc.). Independente do uso, apresentar
certas propriedades químicas, físicas e mecânicas relacionadas à estabilidade
28
volumétrica, resistência e durabilidade é fundamental, caso contrário a
alternativa é promover a sua estabilização (FERREIRA et al., 2005).
Segundo Houben e Guillaud (1994), o termo estabilização de solo corresponde a
qualquer processo natural ou artificial, pelo qual um solo, sob o efeito de cargas
aplicadas, se torna mais resistente à deformação e ao deslocamento, do que o
solo original. O processo de estabilização consiste em modificar as
características do sistema solo-água-ar com o objetivo de obter propriedades de
longa duração para uma aplicação específica.
2.4.1. Mecanismos de Estabilização de Solos
Segundo Vieira (1994), no Brasil, o principal problema enfrentado na construção
de estradas é a escassez de solos com resistência adequada e a durabilidade
da superfície de rolamento, o que leva à necessidade de aplicação de técnicas
de estabilização para conferir-lhes as características de resistência mecânica
solicitadas no projeto.
Dentre outros conceitos de estabilização de solos pode ser citado aquele que
considera como sendo conferir ao solo, a capacidade de resistir e suportar as
cargas e os esforços induzidos pelo tráfego normalmente aplicados sobre o
pavimento e também às ações erosivas de agentes naturais sob as condições
mais adversas de solicitação consideradas no projeto. A estabilização
compreende todos os processos naturais e artificiais aplicados aos solos,
objetivando melhorar suas características de resistência mecânica, bem como
garantir a constância destas melhorias no tempo de vida útil das obras de
engenharia.
Essencialmente, a estabilização de um solo consiste do estudo de sua
resistência e da complementação da resistência necessária. Vários são os
métodos de estabilização de solos. O critério para a classificação dos métodos
de estabilização normalmente se refere à natureza da energia transmitida ao
solo, como exemplo abordaremos os principais tipos de estabilização: mecânica,
granulométrica e química.
2.4.1.1 Estabilização Mecânica ou Estabilização por Compactação
O método objetiva transmitir ao solo ou à mistura de solos utilizados na camada
do pavimento rodoviário uma condição de densificação máxima, de modo a
29
minimizar o volume de vazios existente no material relacionada a uma umidade
ótima e à energia de compactação especificada.
2.4.1.2. Estabilização Granulométrica
Os projetos de misturas de solos e/ou agregados são muito utilizados na
execução de base e sub-base de pavimentos. Entretanto, os materiais
fornecidos
por
jazidas
em
geral
não
apresentam
individualmente
as
características requeridas, sendo necessário um processo de mistura de
materiais, de modo que o produto resultante seja adequado às necessidades
apresentadas pela obra.
A estabilização granulométrica consiste no emprego da mistura de dois ou mais
materiais, de modo a se enquadrarem dentro de determinadas especificações. O
método altera as propriedades dos solos através da adição e/ou retirada de
partículas de solo de modo a atender a faixa granulométrica e densidade
máxima exigida. A boa prática recomenda que a granulometria esteja na média
entre os limites mínimo e máximo estabelecidos.
Existem muitos métodos de mistura de materiais, que tem como objetivo
construir um material ideal que seja uma mistura adequada, para tal destacamse alguns processos de cálculo, quais sejam: o método analítico, o método das
tentativas, o método algébrico, os métodos matemáticos e suas variações e os
métodos gráficos: como o método de Rothfuchs ou método das áreas
balanceadas, Souza (1980) e Senço (1997). Por serem os métodos tradicionais
morosos e envolverem extensos cálculos interativos, Greco e Greco (2007)
propuseram um método alternativo para o projeto de misturas de materiais,
método matricial – Método dos Mínimos Quadrados (MMQ), que fornece, a partir
das curvas granulométricas dos materiais disponíveis, as proporções ótimas de
tais materiais na mistura.
2.4.1.3. Estabilização Química
De acordo com Fang (1991) dentre os inúmeros processos de estabilização de
solos, o que mostrou maior eficiência é o da estabilização química. Neste
método, tanto as interações química, quanto as físico-químicas e físicas,
ocorrem durante o processo de estabilização.
30
Atualmente muitos são os métodos de estabilização química, dentre os quais
destacam a estabilização solo-cimento, solo-cal, solo-betume, solo-resina, solocinza volante, solo-escória de alto forno, estabilização com sais (cloretos),
aluminatos, sulfatos, óxidos, cinza pozolânica e restos de atividades agrícolas
como palha de arroz bagaço de cana e outros materiais vegetais como alcatrão
de eucalipto.
2.4.2. Estabilização solo-cimento
No Brasil, o solo-cimento é utilizado em pavimentação desde 1940. São mais de
50 anos de experiência brasileira com a tecnologia do solo-cimento. A
estabilização solo-cimento é o produto obtido pela compactação e cura de uma
mistura de solo, cimento e água, de modo a satisfazer a critérios de estabilidade
e durabilidade exigidos.
Segundo Maragon e Marques (2000) processo de estabilização do solo-cimento
ocorre a partir do desenvolvimento de reações químicas que são geradas na
hidratação do cimento. Durante o processo de estabilização do solo-cimento,
ocorrem dois tipos de reações: as reações de hidratação do cimento e as
reações entre os argilominerais e a cal liberada na hidratação do cimento (C3S,
β-C2S, C3A, C4AF + H2O). Estas reações podem ser exemplificadas da seguinte
forma:
Reações de hidratação do cimento
C3S + H2O → C3S2Hx (gel hidratado) + Ca(OH)2
Ca(OH)2 → Ca++ + 2(OH)Se o pH da mistura abaixar: C3S2Hx → CSH + Cal
Reações entre a cal gerada na hidratação e os argilominerais do solo:
Ca++ + 2(OH)- + SiO2 (Sílica do solo) → CSH
Ca++ + 2(OH)- + Al2O3 (Alumina do solo) → CAH
As últimas reações são chamadas pozolânicas e ocorrem em velocidade mais
lenta. O CSH é um composto cimentante semelhante ao C3S2Hx.
Segundo os mesmos autores, nos solos argilosos a reação da cal gerada na
hidratação e os argilominerais ocasionam uma queda no PH da mistura,
prejudicando o endurecimento do cimento, mas é possível ocorrerem reações
sucessivas, porém as reações de hidratação do cimento são as mais importantes
31
e respondem pela maior parte da resistência final alcançada para a mistura. Nos
solos argilosos a resistência devido às reações pozolânicas se dá à custa de um
decréscimo de contribuição da matriz cimentante. Já nos solos granulares
desenvolvem-se vínculos de coesão nos pontos de contato entre os grãos,
semelhante ao concreto, porém o ligante não preenche todos os espaços.
2.4.2.1. A dosagem do solo-cimento
Dosagem de solo-cimento é uma seqüência de ensaios realizados com uma
mistura de solo-cimento e água, seguida de interpretação dos resultados por
meio de critérios pré-estabelecidos.
Em 1941, a Associação Brasileira de Cimento Portland, ABCP publicou métodos
análogos aos publicados em 1944 e 1945 pela American Society for Testing and
Material, ASTM e American Association of State Highway Officials, AASHO
respectivamente. Em 1962, foram feitas algumas alterações, dando origem à
chamada Norma Simplificada de Dosagem Solo-Cimento. Em 1990, após
estudos pela Associação Brasileira de Normas Técnicas - ABNT surgiu a nova
norma de dosagem de mistura solo-cimento, designada Solo-cimento: dosagem
para emprego como camada de pavimento (NBR 12.253).
Segundo a mesma norma os solos utilizados como base e sub-base de
pavimento em solo-cimento são restritos aos tipos A1, A2, A3 e A4, conforme
sistema de classificação da Highway Research Board - HRB. Os solos siltosos e
argilosos foram descartados por dificuldades no processo de execução e por
requererem teores elevados de cimento, o que elevaria o custo da obra,
tornando-se assim fator indesejado.
2.4.2.2 - Procedimentos de dosagem
Para a realização da dosagem são realizados os seguintes ensaios:
a) Ensaios preliminares do solo - Identificação e classificação, utilizando a
classificação HRB de solos dos grupos A1, A2, A3 e A4;
b) Escolha do teor de cimento para ensaio de compactação - Recomendado para
uso quando não se tenham experiências anteriores com o solo em questão,
conforme Tabela 2.11, apresentada a seguir.
32
Tabela 2.11 - Teor de cimento, segundo NBR 12253/90.
Classificação do solo
A1-a
A1-b
A2
A3
A4
Teor de Cimento.
Sugerido em Massa ( % )
5
6
7
9
10
c) Ensaio de compactação - O ensaio de compactação tem como objetivo
determinar a massa específica aparente seca máxima e a umidade ótima para a
mistura, segundo a norma NBR 7182/1986;
d) Ensaio de resistência à compressão simples - Moldagem de no mínimo 3
corpos de prova para o teor de cimento estabelecido no ensaio de compactação
para a execução do ensaio de resistência à compressão simples segundo a NBR
12025/90. Após a moldagem os corpos de prova devem ser submetidos ao
período de cura.
O teor de cimento a ser adotado, capaz de estabilizar uma camada de pavimento
através de uma mistura solo-cimento, será o menor dos teores que forneça
resistência média à compressão simples aos 7 dias igual ou superior a 2,1MPa.
O valor de 2.1MPa foi fixado por ser um número já consagrado no meio
rodoviário devido ao bom desempenho dos pavimentos conseguido com solos
estudados com este valor de resistência.
A estabilização química por envolver aspectos físico-químicos do cimento e do
solo, é influenciada por inúmeros fatores:
a) Tipo de solo: todo solo pode ser estabilizado quimicamente com cimento,
porém os solos arenosos são mais eficientes ao cimento que os argilosos
por exigirem menores teores de cimento;
b) Presença de materiais nocivos no solo: a presença de matéria orgânica
no solo afeta a hidratação do cimento devido à absorção dos íons de
cálcio gerado, resultando uma queda no PH da mistura;
c) Teor de cimento: a resistência da mistura solo-cimento aumenta
linearmente com o teor de cimento, para um mesmo tipo de solo;
d) Teor de umidade da mistura: assim como nos solos naturais, as misturas
solo-cimento exigem um teor de umidade que conduza a uma massa
específica aparente seca máxima, para uma dada energia de
compactação. O acréscimo de cimento ao solo produz um acréscimo no
33
teor de umidade e um decréscimo na massa específica seca máxima,
devido à ação floculante do cimento;
e) Tempo e condições de cura: como no concreto, a mistura solo-cimento
ganha resistência por processo de cimentação das partículas durante
vários meses ou anos, sendo maior até os 28 dias iniciais.
2.4.3. Estabilização solo-cal
A estabilização com a cal é uma prática milenar, existem referências de uso da
cal para construção de pavimentos pelos romanos há dois mil anos (HERRIN e
MITCHELL, 1961). Na atualidade, entretanto, seu estudo data de 1955 nos
Estados Unidos da América, no estado do Texas, segundo Diamond e Kinter,
(1965). A partir desta data, a estabilização solo-cal tomou grande impulso e é
estudada em vários países do mundo, podendo citar como referência Thompson
(1966). No Brasil estudos sobre o uso de solo cimento e de misturas
estabilizadas de solo-cal em obras de infra-estrutura rodoviária cresceram a
partir da década de 80, com Lima (1981).
A mistura solo-cal tem como principais funções a melhoria permanente das
características do solo, o aumento a resistência à ação da água, a melhoria do
poder de suporte e a melhoria da trabalhabilidade de solos argilosos.
A estabilização com a cal é o método mais comumente utilizado principalmente
para solos argilosos, pois o cálcio ataca quimicamente as argilas e até mesmo o
quartzo, resultando na formação de silicatos e aluminatos hidratados de cálcio,
de notável capacidade cimentante. Ao misturar a cal ao solo em condições
ótimas de massa específica aparente seca máxima e umidade ótima, ocorrem
reações químicas que provocam alterações físico-químicas tais como: a redução
do índice de plasticidade e do limite de liquidez da mistura em relação ao solo; o
aumento do limite de plasticidade da mistura em relação ao solo; a redução na
porcentagem da fração de solo passante na peneira n°80 (0,42mm); a redução
na contração linear e expansão em relação ao solo; a melhor trabalhabilidade da
mistura pela aceleração da desintegração dos torrões de argila durante a
pulverização promovida pela ação da água e da cal e o aumento da resistência à
compressão, estabilidade e durabilidade do sistema solo-cal. Tais reações
resultam assim em alterações geotécnicas importantes e amplamente
favoráveis. (GUIMARÃES, 1992).
34
Na mistura solo-cal, ocorrem vários tipos de reações, ressaltando as mais
importantes como sendo; a troca catiônica, a floculação e aglomeração que se
processam rapidamente e produzem alterações imediatas na plasticidade e na
resistência da mistura e as reações pozolânicas, que responsáveis pela
formação dos agentes de cimentação, que segundo Lima et. al. (1993) resultam
no aumento da resistência e durabilidade da mistura.
2.4.3.1. Fatores que influenciam no processo de estabilização dos solos com cal
a) Tipo de cal empregado: Emprega-se tanto cal virgem quanto cal
hidratada, sendo a calcítica hidratada a mais referenciada;
b) Tipo de solo: Solos finos (argilosos) respondem melhor à estabilização
solo-cal que solos granulares por possuir maior superfície específica, o
que refletirá em reações mais intensas entre a cal e o solo;
c) Tempo de cura: Pequenos ganhos de resistência nas primeiras idades
e um maior ganho para idades maiores;
d) Influência da temperatura: O aumento de resistência evolui mais
rapidamente com o aumento da temperatura de cura.
Não existe no Brasil metodologia normalizada para dosagem e dimensionamento
de misturas solo-cal como há para solo-cimento. A avaliação da dosagem
adequada da mistura é determinada pela capacidade de suporte das misturas
solo-cal, feita mediante o ensaio de CBR – NBR 9895/87. Normalmente são
utilizados procedimentos de dosagem experimentais.
2.4.4. – Estabilização solo-escória
Os estudos científicos, pesquisas e experimentos sobre estabilização química
utilizando resíduos industriais, são poucos e recentes em todo o mundo,
havendo uma demanda crescente por resultados, especialmente em função dos
danos ambientais provocados pelos passivos industriais e pelas possibilidades
de se diminuírem as pressões sobre novas explorações e extrações de insumos.
No Brasil, em termos práticos, a escória é utilizada na pavimentação em
substituição ao agregado natural já havendo notícias de emprego de escória
granulada de alto forno ou escória de aciaria no processo de estabilização
granulométrica na metodologia tradicional, Velten et al. (2006).
35
Rohde (2002) concluiu em seu estudo que a escória de aciaria elétrica pode ser
empregada como material para pavimentação. Determinou as características
mecânicas do agregado através de ensaios de granulometria, durabilidade ao
sulfato de sódio, abrasão no equipamento de Los Angeles, compactação, índice
de suporte Califórnia e módulo de resiliência. No trabalho observou-se a
necessidade de corrigir a granulometria da escória, o que melhorou
significativamente a capacidade de suporte e a trabalhabilidade do material.
Após a correção granulométrica, a escória apresentou módulos de resiliência
superiores aos de materiais granulares tradicionais, resultando em pavimentos
mais esbeltos e econômicos. Avaliou ainda a possibilidade de melhorar as
características
da
escória
adicionando
outros
resíduos
industriais.
Diferentemente de outros autores ela concluiu que o tempo de estocagem
mínimo para liberação do agregado é 4 meses.
Castelo Branco (2004) avaliou a mistura asfáltica com escória de aciaria como
agregado. Estas misturas foram caracterizadas mecanicamente através dos
ensaios de resistência à tração estática por compressão diametral, módulo de
resiliência, fadiga por compressão diametral a tensão controlada e resistência à
tração retida por umidade induzida. Os resultados foram comparados com os
obtidos para uma mistura dosada com brita de origem granítica, areia de campo,
pó de pedra, filer mineral e cimento asfáltico de petróleo (CAP). A escória de
aciaria apresentou possibilidade de uso em revestimentos asfálticos, sendo a
expansibilidade da escória avaliada através do método PTM 130/78.
Parente et al (2003); Santos Neto e Barroso (2008) concluíram que o solo puro,
na região de Fortaleza, não tinha aplicação para fins rodoviários, mas depois
que misturado a 50% de escória, ele apresentou potencial para o uso em subbase de pavimentos.
Especificamente sobre a estabilização química solo-escória, não foram
encontrados trabalhos anteriores sobre a utilização do fino de escória de aciaria
a referenciar os estudos.
2.5. Resistência à compressão simples
A resistência à compressão simples (σC) expressa em MPa, é determinada
individualmente para cada corpo-de-prova, através da razão entre sua carga de
ruptura (N) e a área de sua seção transversal (mm²), e expressa pela média de
suas repetições. Sua determinação é especificada por norma ABNT, NBR
36
12025/1990 que descreve o procedimento de ensaio para corpos-de-prova de
solo-cimento.
A resistência à compressão simples é expressa pela Equação (2).
σc =
P
A
(Equação 2)
onde:
σC
P
A
= resistência à compressão;
= carga de ruptura (máxima) obtida no ensaio ;
= área do corpo-de-prova.
O equipamento deve conter dois pratos de aço com espessuras suficientes para
evitar deformação durante o ensaio. No caso de prensas verticais, o prato
superior deve assentar-se em rótula esférica e o prato inferior deve ser um bloco
rígido e plano. O prato de carga assentado na rótula esférica deve poder rodar
livremente e girar ângulos menores que 4º, em todas as direções permitindo o
perfeito assentamento sobre a superfície do CP a ser ensaiado. Durante todo
ensaio é necessário carregamento contínuo e sem choques.
Para a realização do ensaio as bases dos CP devem ser verificadas quanto ao
nivelamento e horizontalidade e capeadas com gesso ou mistura de enxofre e
caolin.
2.6. Resistência à tração por compressão diametral
O ensaio para a determinação da resistência à tração (σT) por compressão
diametral é um método brasileiro, desenvolvido pelo professor Lobo Carneiro. É
um ensaio de compressão, com forças aplicadas na direção diametral para
determinação indireta da resistência à tração Carneiro, 1943.
O ensaio consiste na aplicação de duas forças de compressão diametralmente
opostas em um cilindro, ao longo do seu diâmetro. Estas forças geram tensões
de tração uniformes e perpendiculares ao longo de todo o diâmetro do corpo-deprova.
É um ensaio de grande facilidade e rapidez, além da praticidade, realizado com
o mesmo corpo-de-prova cilíndrico utilizado para o ensaio de resistência à
compressão direta e o mesmo equipamento.
37
A Figura 2.3, ilustra o ensaio em que Lobo Carneiro ensaiando corpos-de-prova
de concreto, notou que ele se rompeu de uma maneira totalmente diferente do
aço. Por isto a idéia de propor um método específico para a determinação da
resistência à tração dos concretos. Método que hoje é utilizado para concreto,
argamassas e misturas de solo-cimento, solo-cal e outros.
Figura 2.3 – Ensaio de compressão diametral
Segundo Falcão e Soares (2002), as trincas são os principais defeitos
encontrados nos pavimentos brasileiros, que são resultantes do processo de
fadiga. Um dos parâmetros mecânicos capaz de avaliar o fenômeno é a
resistência à tração, analisada por meio do ensaio de compressão diametral de
corpos-de-prova cilíndricos.
Um cilindro carregado diametralmente por cargas de compressão concentradas,
gera uma tensão de tração uniforme perpendicular ao diâmetro do corpo-deprova, como apresentado na Figura 2.2. A resistência à tração por compressão
diametral é calculada pela Equação (3):
σT =
2 .P
π .D.L
onde:
σT
= resistência à tração;
P = carga de ruptura (máxima) obtida no ensaio;
D = diâmetro do corpo-de-prova;
L = largura do corpo-de-prova.
(Equação 3)
38
2.7. Construção e desenvolvimento sustentável
Para a indústria de uma forma geral, o significado de desenvolvimento
econômico está atrelado à transformação do ambiente natural em ambiente
construído adequado ao desenvolvimento e visando melhorar a qualidade de
vida da população. O modelo de desenvolvimento predominante na construção
civil, baseado na extração maciça de recursos naturais e geração de resíduos,
transforma-se, na busca pela sustentabilidade. A natureza adquire mais
importância e marcos regulatórios são construídos para protegê-la. Os limites de
poluição gerada são mais rigorosos, preservar os recursos naturais, conter o
ritmo da extração dos recursos e diminuir a geração de resíduos sob a
percepção dos efeitos das alterações do meio ambiente sobre o homem e a
natureza em geral, é chamado de paradigma ecológico por Liddle (1994). Nos
últimos tempos é cada vez maior preocupação com a deposição de resíduos
industriais e os impactos causados com sua utilização. Praticamente todas as
atividades industriais e construções com resíduos são consideradas aceitáveis e
incentivadas desde que seus índices de poluição e/ou contaminação não
extrapolem os limites estabelecidos pela norma brasileira de resíduos, NBR
10.004/2004.
A análise ambiental baseia-se principalmente no risco da utilização dos resíduos
provocarem impacto direto ao meio ambiente, como por exemplo, a poluição do
ar, a contaminação do subsolo e da água por lixiviação ou arraste, dessorção em
meio líquido de elementos poluentes tais como metais pesados ou substâncias
tóxicas para o meio ambiente.
É comum a presença de metais pesados, devendo os valores encontrados não
excederem aos valores limites máximos previstos nas normas ambientais
brasileiras NBR 10.004/2004.
Segundo Van Der Sloot (1996) o ensaio de lixiviação dos contaminantes dos
resíduos é muito importante para a avaliação da utilização dos mesmos, o
potencial de risco de contaminação ao ambiente bem como sua influência
quando empregados em materiais cimentícios, pois podem provocar efeitos
deletérios na resistência e durabilidade de sistemas aglomerantes, maximizados
com o aumento de sua concentração.
Segundo a norma NBR 10.005/2004, o ensaio de lixiviação de resíduos é o
processo de determinação da capacidade de liberação de substâncias orgânicas
e inorgânicas através da dissolução em meio extrator e tem os seguintes
39
objetivos: avaliar o risco potencial de contaminação do lençol d’água
subterrâneo; classificar os resíduos em perigosos ou não; avaliar o potencial de
lixiviação de poluentes provenientes de resíduos sob determinadas condições
ambientais; fornecer um extrato representativo do lixiviado produzido por um
resíduo em campo e identificar o apropriado gerenciamento do resíduo. A NBR
10.005/2004 é no Brasil o protocolo de lixiviação existente, visando a
classificação de resíduos em inertes e não inertes, perigosos e não perigosos.
2.8. ESTATÍSTICA
Segundo Werkema (1996) “um experimento é um procedimento no qual
alterações propositais são feitas nas variáveis de entrada de um processo ou
sistema, de modo que se possam avaliar as possíveis alterações sofridas pela
variável resposta”. Para a realização de um planejamento e análise de
experimento, é necessário a definição de variável resposta, variável dependente
ou explicativa e blocos. “Blocos são conjuntos homogêneos de unidades
experimentais”. “Em muitas situações experimentais é necessário planejar o
experimento de forma que a variabilidade resultante da presença de fatores
perturbadores conhecidos, sobre os quais não existe interesse, possa ser
sistematicamente controlada e avaliada”.
Um ponto importante nesse estudo, é que o número de réplicas em cada uma
das combinações do tipo de mistura e o tempo de cura é diferente. “Uma réplica
é uma repetição do experimento sob as mesmas condições experimentais”.
Assim, segundo Montgomery (2005) se configura por uma Análise de
Experimentos Fatoriais em Blocos Completos Desbalanceados.
40
3. MATERIAIS E MÉTODOS
Este capítulo tem por objetivo apresentar e identificar todos os materiais
utilizados neste estudo além de apresentar as metodologias utilizadas para os
ensaios de caracterização, compactação, expansão, CBR, resistência à
compressão simples, resistência à tração por compressão diametral e os ensaios
referentes às análises ambientais.
3.1. Materiais
3.1.1. Solo
Para o experimental, utilizou-se um solo, proveniente de uma jazida localizada
às margens do anel rodoviário de Belo Horizonte, altura do km 4,5 – Engenho
Nogueira. A jazida, conforme Figura 3.1, destinou-se ao uso na obra de
Revitalização da Vila São José no bairro Alípio de Melo, para regularização de
subleito, dentro do Programa de Aceleração do Crescimento do Governo Federal
(PAC).
Figura 3.1 – Jazida de coleta do saibro amarelo.
Foram coletados cerca de 1.200kg do solo, no mês de fevereiro de 2008, que foi
levado ao CEFET-MG e preparado para secar em local coberto, à sombra, sobre
41
lona plástica, conforme Figura 3.2. A cada dois dias, o solo foi revirado por um
período de um mês, até secagem.
Figura 3.2 – Amostra do saibro amarelo, em local coberto, preparada para secar.
Após a secagem, o solo foi totalmente destorroado, peneirado na peneira de
número 4, abertura de 4,8mm, com 100% do material passante por esta peneira,
destorroado e peneirado, todo o material foi acondicionado em recipientes
herméticos de 200 litros, de modo a evitar umidade e contaminações com outros
materiais.
Foram retiradas três amostras representativas para a realização dos ensaios de
caracterização do solo. Todos os ensaios foram realizados segundo as normas
da ABNT. Análise granulométrica NBR 7181/1984, determinação dos limites de
liquidez NBR 6459/1984, limite de plasticidade NBR 7180/1984 e massa
específica dos grãos NBR 6508/1984.
3.1.2. Água
A água utilizada nos procedimentos experimentais da pesquisa foi a que
abastece o laboratório de matérias e estrutura - LabMEC e os demais
laboratórios do CEFET-MG, proveniente da Companhia de Saneamento de
Minas Gerais, COPASA empresa responsável pelo tratamento e distribuição de
água potável à região metropolitana de Belo Horizonte.
42
3.1.3. Escória de aciaria
A escória utilizada neste trabalho experimental consiste de um resíduo
proveniente de processo LD, recuperada em filtros de manga, sob a forma de
particulado retido do processo de segregação magnética.
A escória de aciaria utilizada neste programa experimental, passa por um
processo de segregação magnética especializada. Recebe a escória bruta
(metálicos + não metálicos) da siderurgia e em processamento industrial próprio,
segrega frações metálicas (reutilizada pela siderúrgica) e não metálicas (utilizada
como “matéria prima” para “projeto de pesquisa”), além de submeter-se a
estabilização e inertização, que tem por finalidade neutralizar os efeitos
prejudiciais da expansão de elementos como o óxido de cálcio (CaO) e o óxido
de magnésio (MgO).
As elevadas porcentagens de óxido de ferro (FeO), são recuperadas em
processo especialista o que justifica recobrar o metal, atividade essa que
viabiliza economicamente o processo de reciclagem.
A fração metálica recuperada é constituída essencialmente por aço sendo
reconduzida ao processo siderúrgico sob a forma de matérias primas reciclada.
A escória de aciaria utilizada nesta pesquisa foi gerada pelo Grupo Arcelor Mital
Tubarão – CST e beneficiada pela empresa CICLOMETAL em Itaúna - MG. O
processo de refino de aço utilizado na Arcelor é através de convertedor do tipo
LD.
Este material foi embalado em sacos plásticos e acondicionado em recipientes
herméticos. O material foi transportado da cidade de Itaúna - MG, para o
CEFET-MG em Belo Horizonte onde foi utilizado ao longo do período da
pesquisa.
O fino de escória foi espalhado, dentro do laboratório de estruturas do CEFETMG, sobre lona plástica, revirado diariamente durante 5 dias, até completa
secagem, como apresentado na Figura 3.3. Após procedimento de secagem
este material foi novamente embalado em sacos plásticos e acondicionado em
recipientes plásticos herméticos e etiquetados.
43
Figura 3.3 – O fino de escória de aciaria espalhado para secagem.
3.1.4. Cal hidratada
Foi utilizada na pesquisa a cal hidratada aditivada - CHI, MASSICAL, da indústria
de calcinação ICAL. Produto indicado para o preparo de argamassas e
estabilização química de misturas de solo. Elaborada com uma composição
rigorosamente controlada de hidróxido de cálcio + magnésio + aditivos,
atendendo a norma ABNT NBR 7175. Facilmente encontrada no mercado em
sacos de 20kg.
Este material foi acondicionado em recipientes plásticos hermeticamente
fechados
de
modo
a
conservar/preservar
suas
características,
evitar
contaminações e/ou alterações de umidade e devidamente etiquetado.
3.1.5. Cimento Pavifort

Foi utilizado o cimento Pavifort da marca Holcim, que é um aglutinante
desenvolvido especialmente para aplicações em base, sub-base e subleito de
pavimentos.
O cimento Pavifort foi acondicionado em recipientes plásticos hermeticamente
fechados
de
modo
a
conservar/preservar
suas
características,
contaminações e/ou alterações de umidade e devidamente etiquetado.
evitar
44
As amostras de cimento Pavifort utilizadas inicialmente para o experimento
apresentaram problemas; presença de grumos no interior das embalagens.
Essas amostras foram descartadas.
O segundo lote de amostras, apresentou o mesmo problema. Adotou-se o
procedimento de peneiramento de toda a amostra de cimento a fim de
separarem-se os grumos do restante do material.
O cimento peneirado foi acondicionado em recipientes plásticos hermeticamente
fechados
de
modo
a
conservar/preservar
suas
características,
evitar
contaminações e/ou alterações de umidade e devidamente etiquetado.
3.2. Métodos
Todos os procedimentos adotados durante o trabalho experimental seguiram o
prescrito pela Associação Brasileira de Normas Técnicas, ABNT e Departamento
Nacional de Transporte e Trânsito, DNIT.
3.2.1. Caracterização geotécnica do solo
A caracterização do solo foi realizada de acordo com as prescrições ABNT, a
saber: Granulometria NBR 7181/84, Limite de Liquidez NBR 6459/84, Limite de
Plasticidade NBR 7180/84, Massa Específica NBR 6508/84.
3.2.2. Caracterização da Escória de Aciaria
Os ensaios para a determinação das características físicas da escória de aciaria
em pó, por não haver procedimentos específicos para estes materiais, foram
realizados segundo as normas e procedimentos utilizados para ensaios de
cimento e solos. A massa específica da escória foi realizada pelo procedimento
do picnômetro utilizado para solos, conforme ABNT NBR 6508/84, os demais
procedimentos seguiram as especificações da ABNT para cimento, sendo:
determinação da finura por meio da peneira 0,075mm, NBR 11.579/91, da água
da pasta de consistência normal NM 43/03, e determinação dos tempos de pega
NM 65/03.
45
3.2.3. Caracterização da Cal Hidratada
Foram utilizados os parâmetros e características fornecidas pelo fabricante,
conforme mostra a Tabela 3.1.
Tabela 3.1 - Parâmetros físicos da cal hidratada CHI.
Dados Técnicos
Resultados
Óxidos não hidratados
0
Incorporação de areia
> 4,0
2
Blaine
7200 cm /g
Massa unitária
1,73 a 1,80
Retenção de água
> 80%
Plasticidade
> 120%
Retido na peneira 30
< 0,5
Retido na peneira 200
< 0,7
Massa específica
Não informada
Tempo de pega
180min
Finura
Não informada
3.2.4. Caracterização do Cimento Pavifort
Foram utilizados os parâmetros e características fornecidas pelo fabricante,
conforme mostra a Tabela 3.2.
Tabela 3.2 - Composição química típica e parâmetros físicos do Pavifort - Holcin.
Composição
Química
SiO2
Teor Médio
(%)
30 – 35
Característica Físicas
Resultados
3
2,960
1,280
Massa específica dos grãos (g/cm )
3
Al2O3
10 – 13
Massa específica aparente (g/cm )
Fe2O3
0,5 – 3,0
Finura pela peneira 200 (%)
7,8
CaO
42,5 – 45,5
Tempo de trabalhabilidade (h)
5-7
MgO
5–7
46
3.2.5. Caracterização da Água
A caracterização da água utilizada refere-se aos dados técnicos fornecidos pela
COPASA (Companhia de Saneamento de Minas Gerais), disponibilizada no site
da empresa, conforme mostra a Tabela 3.3.
Tabela 3.3 - Parâmetros de qualidade da água - período de maio 2008.
Parâmetro
Unidade
Valor Médio
Limites
Cloro
mg/L Cl
UH
0,89
0,09
0,2 a 2
15
mg/L F
0,76
0,6 a 0,85
UT
-
0,41
8,27
5
6 a 9,5
Cor
Fluoreto
Turbidez
pH
3.2.6. Compactação
As análises para a determinação do comportamento mecânico do solo puro e
das misturas solo-escória, solo-cal e solo-Pavifort, desenvolveram-se segundo
as etapas apresentadas a seguir:
3.2.6.1. Etapa 1
Compactação, expansão e CBR, para todas as misturas com um estabilizante,
ou seja, o solo puro e os diferentes percentuais de adição dos três finos
estabilizantes; 5, 10, 15 e 20% de escória, cal e Pavifort, em relação à massa
do solo seco e para as misturas com dois estabilizantes solo-15%escória
acrescentando 5% de cal e 5% de Pavifort; solo-20%escória acrescentando
5% de cal e 5% de Pavifort.
3.2.6.2. Etapa 2
Ensaios de resistência mecânica (compressão simples de compressão
diametral) para o solo e para as misturas com 10% de adição de fino
estabilizante.
47
3.2.6.3. Etapa 3
Ensaios de compressão simples de compressão diametral para todas as
misturas produzidas.
Os ensaios de compactação foram realizados com a energia de compactação do
Proctor Intermediário, conforme especificado pela ABNT - NBR 7182/86, que
indica, segundo Pinto (2002), uma energia de compactação de 12,632kg/cm2.
As Figuras 3.4; 3.5 e 3.6 ilustram os procedimentos de compactação realizados.
Figura 3.4 – Acréscimo de umidade às amostras.
Figura 3.5 – Ensaios de compactação.
48
Figura 3.6 – Arrasamento do volume do cilindro compactado.
3.2.7. Expansão e CBR
Após o ensaio de compactação, todos os cilindros foram conduzidos para os
ensaios de expansão e CBR, realizados segundo o prescrito pela NBR 9.895/87.
Sobre o solo compactado foi colocado um prato perfurado com haste ajustável e
um par de sobrecargas de 4,536kg. Em seguida os cilindros foram levados para
o tanque de saturação onde receberam um tripé portando um extensômetro de
resolução de 0,01mm.
A Figura 3.7 apresenta os equipamentos utilizados nos ensaios de expansão e
CBR, conduzidos para todas as amostras.
Figura 3.7 – Equipamentos necessários ao ensaio de expansão.
49
Os cilindros permanecem no tanque de saturação durante um período de 4 dias
com leituras feitas a cada 24 horas conforme especificado pela NBR 9895/87 e
ME 049/94, conforme Figura 3.8.
Figura 3.8 – Cilindros no tanque de saturação.
Após 4 dias de saturação, os cilindros são retirados do tanque 30 minutos antes
do ensaio de CBR, para escorrer o excesso de água. Os ensaios de CBR foram
realizados para todos os corpos de prova em prensa automática e micro
processada, marca SOLOTEST, com célula de carga de 5.000Kgf, conforme
Figura 3.9.
Figura 3.9 – Ensaio de CBR.
50
3.2.8. Moldagem dos corpos-de-prova
Os corpos-de-prova para análise das propriedades mecânicas de resistência à
compressão simples e resistência à tração por compressão diametral, num total
de 240, foram moldados segundo prescrições da NBR 12.024/90 Solo-cimento:
Moldagem e cura de corpos-de-prova cilíndricos, conforme Figura 3.10,
apresentada a seguir.
Figura 3.10 – Moldagem e extração dos CP.
3.2.8.1. Misturas de solo com um estabilizante
As misturas de solo com um estabilizante foram realizadas da seguinte forma:
•
30 corpos-de-prova compactados na umidade ótima, do solo puro, sendo
15 para resistência à compressão simples (5 para cada idade; 7, 28 e 56
dias) e 15 para resistência à tração por compressão diametral (5 para
cada idade; 7, 28 e 56 dias);
•
30 corpos-de-prova compactados na umidade ótima, da mistura solo +
10% de cal, sendo 15 para resistência à compressão simples (5 para
cada idade; 7, 28 e 56 dias) e 15 para resistência à tração por
compressão diametral (5 para cada idade; 7, 28 e 56 dias);
•
30 corpos-de-prova compactados na umidade ótima, da mistura solo +
10% de fino de escória de aciaria, sendo 15 para resistência à
compressão simples (5 para cada idade; 7, 28 e 56 dias) e 15 para
resistência à tração por compressão diametral (5 para cada idade; 7, 28 e
56 dias);
•
30 corpos-de-prova compactados na umidade ótima, da mistura solo +
10% de cimento Pavifort, sendo 15 para resistência à compressão
51
simples (5 para cada idade; 7, 28 e 56 dias) e 15 para resistência à
tração por compressão diametral (5 para cada idade; 7, 28 e 56 dias).
3.2.8.2. Misturas de solo com dois estabilizantes
As misturas de solo com dois estabilizantes foram realizadas da seguinte forma:
•
30 corpos-de-prova compactados na umidade ótima, da mistura solo +
15% de fino de escória de aciaria + 5% de cal, sendo 15 para resistência
à compressão simples (5 para cada idade; 7, 28 e 56 dias) e 15 para
resistência à tração por compressão diametral (5 para cada idade; 7, 28 e
56 dias);
•
30 corpos-de-prova compactados na umidade ótima, da mistura solo +
15% de fino de escória de aciaria + 5% de cimento Pavifort, sendo 15
para resistência à compressão simples (5 para cada idade; 7, 28 e 56
dias) e 15 para resistência à tração por compressão diametral (5 para
cada idade; 7, 28 e 56 dias);
•
30 corpos-de-prova compactados na umidade ótima, da mistura solo +
20% de fino de escória de aciaria + 5% de cal, sendo 15 para resistência
à compressão simples (5 para cada idade; 7, 28 e 56 dias) e 15 para
resistência à tração por compressão diametral (5 para cada idade; 7, 28 e
56 dias);
•
30 corpos-de-prova compactados na umidade ótima, da mistura solo +
20% de fino de escória de aciaria + 5% de cimento Pavifort, sendo 15
para resistência à compressão simples (5 para cada idade; 7, 28 e 56
dias) e 15 para resistência à tração por compressão diametral (5 para
cada idade; 7, 28 e 56 dias);
As misturas de solo com um estabilizante, foram preparadas com uma porção de
10% do estabilizante, 6kg, para cada porção de solo de 60kg. Para a moldagem
dos 30 CP de cada mistura somariam 66Kg de material a ser homogeneizado, o
que não seria tarefa fácil. Optou-se por dividir em 4 vezes, com preparo de
16,5kg/vez. Para as análises das misturas com dois estabilizantes optou-se por
produzir traços com maiores teores de escória de aciaria; a fim de aumentar o
consumo e conseqüentemente a adequada disposição.
52
Todas as misturas foram cuidadosamente preparadas, pelo mesmo operador, de
forma que fossem literalmente idênticas, com precisão de massa de material, de
água, obtendo a mesma compactação e controle de umidade, conforme Figura
3.11.
Figura 3.11 – Preparo da mistura e homogeneização das amostras para moldagem dos
corpos-de-prova.
Como se trata de estudo de misturas a ser utilizadas em camadas de
pavimentos, optou-se por submeter os CP à cura ao ar, partindo da premissa de
que no campo, após a compactação, a cura se dá ao ar, conforme Figura 3.12.
Figura 3.12 – Cura dos CP ao ar
As amostras foram compactadas em cilindros pequenos, com 10,0cm ± 0,05 de
diâmetro interno e 12,73cm ± 0,03 de altura, sendo um volume de
aproximadamente 1000cm3 ± 10. De acordo com Pinto (2002) neste caso, para
manter a energia de compactação constante, uma vez que o volume foi reduzido
o número de golpes é alterado. A partir da Equação (1), foi calculado o número
de golpes necessários para compactar os corpos-de-prova com base de 10cm
na energia do Proctor Intermediário. Todos os corpos-de-prova foram moldados
na umidade ótima determinada pelo ensaio de compactação.
53
Após a compactação dos corpos-de-prova, os mesmos foram submetidos à cura
ao ar, pelo período de 7; 28 e 56dias.
3.2.9. Resistência Mecânica
Para a determinação da resistência à compressão simples utilizou-se 5 corposde-prova, para cada idade, conforme prevê a norma, ABNT NBR 12025/90 - Solo
cimento: Compressão simples de corpos de prova cilíndricos. Adotou-se esta
norma, pois todas as misturas foram executadas com material estabilizante de
finura compatível com a do cimento.
Todos os corpos-de-prova foram capeados com enxofre, seguindo os cuidados
de nivelamento e horizontalidade como recomenda a normalização. A Figura
3.13 ilustra esta etapa.
Figura 3.13 – Capeamento de corpos-de-prova.
Os ensaios de resistência à compressão simples, Figura 3.14, foram realizados
na máquina universal de ensaios, marca EMIC, automática e micro processada,
com capacidade para até 200tf, devidamente aferida e calibrada, conforme
descreve a NBR 12095/1990.
Figura 3.14 – Prensa para resistência à compressão simples, LabCIM - CEFET-MG.
54
Para a determinação da resistência à tração por compressão diametral utilizouse também 5 corpos-de-prova, para cada idade, conforme recomenda a norma,
NBR 7.222/94 - Argamassa e concretos: determinação da resistência à tração
por compressão diametral de corpos-de-prova cilíndricos, de forma adaptada,
pois não se dispõe de norma brasileira específica para sua determinação em
misturas de solos. Os ensaios de resistência à tração por compressão diametral,
conforme apresenta a figura 3.15, foram realizados na máquina universal de
ensaios, marca EMIC, automática e micro processada, com capacidade para até
200tf, devidamente aferida e calibrada, conforme descreve a NBR 7.222/94.
Figura 3.15 – Ensaios de tração por compressão diametral, LabCIM - CEFET-MG.
3.2.10. Ensaios Ambientais
A metodologia adotada para a classificação das misturas em estudo foi realizada
de acordo com A NBR 10.004/2004, norma de classificação de resíduos sólidos
que indica a realização dos ensaios de lixiviação NBR 10.005/2004 e
solubilização NBR 10.006/2004.
3.2.11. Tratamento Estatístico dos Dados
A metodologia escolhida para a análise dos dados foi a de “planejamento e
análise de experimentos”, utilizando-se como ferramenta, o software MINITAB.
Neste estudo as variáveis respostas utilizadas foram: resistência à compressão
simples e resistência à tração por compressão diametral, analisadas
separadamente. A variável dependente ou explicativa foi o tipo de mistura e os
blocos foram os períodos de cura das misturas.
55
Para esse experimento tornou-se necessário a utilização de experimentos
fatoriais em blocos. Como nesse estudo o impacto dos dias de cura das misturas
é conhecido, deseja-se controlar este efeito para representar uma situação mais
realista da resistência para as várias misturas utilizadas, sem que o tempo de
cura influencie os resultados do experimento. Assim, trabalhou-se com todas as
misturas em três tempos diferentes, 7, 28 e 56 dias.
Um ponto importante nesse estudo, é que o número de réplicas em cada uma
das combinações do tipo de misturas são os diferentes tempos de cura.
3.2.11.1. Resistência à compressão simples e resistência à tração por
compressão diametral
Foram analisados os resultados do planejamento de experimentos para a
variável resposta tensão de ruptura dos ensaios de resistência à compressão
simples e resistência à tração por compressão diametral, considerando misturas
de solo com diferentes teores de estabilizantes. Para determinar se existem
diferenças entre as misturas, foi criada a tabela a partir da análise de variância
dos resultados do experimento.
A partir da análise da tabela, observa-se se há mistura diferente, objetivando
descobrir qual a mistura que nos proporciona uma maior resistência à
compressão, a partir dos gráficos de efeitos principais. Como esta análise é um
tanto quanto subjetiva, para avaliar se estas diferenças são estatisticamente
significativas, utilizou-se a técnica de comparações múltiplas de Tukey.
Para validar os resultados encontrados, utilizou-se a avaliação das suposições
iniciais feitas sobre o modelo, de variância constante, independência e
normalidade dos resíduos do modelo. Para tanto, construiu-se os gráficos de
resíduos x valores ajustados x ordem de execução do experimento e o gráfico de
probabilidade normal com o teste de normalidade de Ryan Joiner.
3.2.12. Inventário de ensaios
Para melhor visualização dos experimentos desta pesquisa, elaborou-se a um
inventário de todos os ensaios realizados: compactação, umidade, expansão,
CBR, moldagem de corpos-de-prova, umidade dos corpos-de-prova, resistência
56
à compressão simples e resistência à tração por compressão diametral,
conforme apresenta a tabela 3.4.
Tabela 3.4 – Inventário de ensaios executados.
Número de ensaios executados
Amostras
% de
Moldagem
Umidade
de CP
de CP
10
30
5
5
20
10
5
10
20
5
5
Solo
Escória
RCs
RCt
10
5
5
-
-
-
-
10
30
10
3
3
5
5
-
-
3
3
10
5
5
-
-
3
3
5
10
5
5
-
-
-
-
10
5
10
5
5
30
10
5
3
15
5
10
5
5
-
-
3
2
20
5
10
5
5
-
-
-
-
5
5
10
5
5
-
-
-
-
10
5
10
5
5
30
10
5
3
15
5
10
5
5
-
-
-
-
20
5
10
5
5
-
-
-
-
Solo + 5%
5
5
10
5
5
24
8
3
3
Cal
10
5
10
5
5
24
8
3
3
15
5
10
5
5
24
8
3
3
20
5
10
5
5
24
8
3
2
-
95
190
95
95
216
72
39
33
Compactação
Umidade
Expansão
CBR
100
10
20
10
5
5
10
10
10
15
adição
Solo Puro
Solo Cal
Solo
Pavifort

Solo + 5%
Pavifort
Total

57
4. Resultados – Análise e discussões
Neste capítulo, são analisados e discutidos os resultados encontrados.
4.1. Caracterização do solo
Todos os resultados aqui descritos são provenientes dos ensaios de
caracterização do solo estudado realizados nos laboratórios do CEFET-MG.
4.1.1. Análise Granulométrica do Solo
As análises granulométricas por peneiramento e sedimentação indicam ser o
solo, um SILTE ARENOSO de cor amarela, denominado SAIBRO AMARELO.
Este tipo de solo, essencialmente arenoso apresenta parâmetros físicos ideais
para estabilização química com cimento, ABCP (1986) e ABNT NBR
12.253/1990.
A Figura 4.1 apresenta as curvas granulométricas do ensaio de granulometria
por peneiramento.
Figura 4.1 - Curvas granulométricas do ensaio de peneiramento.
O ensaio de sedimentação determinou da fração fina, passada na peneira 200,
cerca de 38% de silte e 7% de argila, conforme Figura 4.2.
58
Figura 4.2 - Curvas granulométricas do ensaio de sedimentação.
4.1.2. Limites Físicos de Atterberg e Massa Específica
Os resultados encontrados para as determinações dos limites físicos do solo
indicaram IP =NP. Os valores encontrados indicam material não plástico, de
constituição essencialmente granular. Solos granulares possuem afinidade a
processos de estabilização química com cimento, superiores aos solos coesivos
Maragon e Marques (2000).
A massa específica média determinada foi de 2,795g/cm3.
A Tabela 4.1 apresenta os resultados dos ensaios de caracterização geotécnica
do solo realizados no LabSolos do CEFET-MG.
Tabela 4.1 – Parâmetros geotécnicos.
Caracterização dos solos
Amostra 1
Amostra 2
Amostra 3
2,793
2,795
2,795
Massa específica aparente (g/cm )
1,435
1,428
1,439
Limite de liquidez
33,9
33,5
33,5
Limite de plasticidade
NP
NP
NP
Índice de plasticidade
NP
NP
NP
3
Massa específica dos grãos (g/cm )
3
Granulometria
peneiras
% Passa
4,8 mm
100
100
100
2,0 mm
99,2
99,5
99,3
0,42 mm
70,6
69,9
69,6
0,075 mm
46,8
45,9
45,2
59
4.1.3. Classificação do solo
O solo caracterizado como SAIBRO AMARELO recebeu classificação A-4,
segundo padronização HRB (Bureau of Public Roads) conforme apresenta a
Tabela 4.2.
Tabela 4.2 - Classificação do solo.
Classificação
% < 0,075mm
LL
IP
IG
HRB
UNIFICADA
Amostra 1
46,8
33,9
NP
3
A-4
SM
Amostra 2
45,2
33,5
NP
3
A-4
SM
Amostra 3
45,9
33,7
NP
3
A-4
SM
O solo em estudo foi classificado como areia siltosa pelo Sistema Unificado de
Classificação - USCS (Unified Soil Classification System) e também pelo Sistema
de Classificação da American Association of State Highway and Transportation
Officials - AASTHTO (também conhecido como sistema rodoviário de
classificação HRB), que sugere material suscetível de ser empregado em subleito
de estradas, prevendo para amostras que se enquadram neste grupo e possui
índice grupo, IG = 0 (solos granulares), um comportamento de excelente a bom.
4.2. Caracterização da Escória de Aciaria
A escória utilizada apresentou as características químicas conforme apresenta a
Tabela 4.3.
Tabela 4.3 – Caracterização química da escória de aciaria.
Componentes
FeO
Al2O3
SiO2
CaO
MgO
SiO3
Concentração(%)
17,44
3,55
17,22
35,97
10,01
0,35
PF 1000º (perda de massa
ao fogo)
12,94
RI (resíduos
insolúveis)
5,72
Na análise através de difração laser pode-se observar que os valores
encontrados para escória CST, enquadram-se aos limites estabelecidos na
composição típica, exceto para o SiO2; que apresentou-se ligeiramente acima
dos limites típicos.
60
A granulometria laser foi executada pela Holcim, e pode ser observada na figura
4.3. Trata-se de um material fino que apresenta 100% de partículas menores que
100µm.
100
90
80
% passa
70
60
50
40
30
20
10
0
0,1
1
10
100
1000
-6
Diâmetro dos grãos (10 m)
Figura 4.3 - Granulométrica laser do fino de escória.
Cerca de 20% da escória de aciaria apresentou diâmetro menor que 0,15µm
responsável pela contribuição do efeito filler á mistura. Esta característica pode
ser responsável pelo elevado valor de massa específica aparente máxima seca
atingida pela mistura solo + 10% de escória. A contribuição ao efeito filler,
possibilita um maior agrupamento de grãos para a mesma energia de
compactação, o que permite uma máxima redução no índice de vazios,
resultando em maiores valores de CBR.
A escória de aciaria apresentou módulo de finura 6,72; enquanto o cimento
Pavifort apresentou 7,8. Os resultados dos ensaios de caracterização física
estão apresentados na Tabela 4.4.
Tabela 4.4 – Caracterização física da escória de aciaria.
3
Massa específica dos grãos (g/cm )
3
3,166
Massa unitária (g/cm )
1,368
Finura pela peneira 200 (%)
6,72
Início de pega (h)
22
2
Superfície específica (m /g)
1,71
61
Os valores de massa especifica dos grãos e massa unitária apresentam-se
inferiores aos limites indicados por castelo Branco (2004). A redução destes
valores deve-se ao tratamento especializado para segregação das frações
metálicas a que foram submetidas esta escória.
A escória de aciaria apresentou valores de massa específica e massa unitária
7% maiores que o cimento Pavifort, devidamente explicado pela maior
concentração de Fe e Mg.
Observou-se ainda, relativa atividade aglutinante desenvolvida pela escória, com
a detecção de pega. Atribui-se à hidratação do CaO; na forma do Ca(OH)2, a
atividade química observada.
Desta forma, seus grãos podem preencher os vazios entre as partículas maiores
do solo e/ou cimento aumentando a compacidade do solo e, conseqüentemente,
sua resistência.
4.3 Compactação
A massa específica aparente máxima seca para o solo foi de 1,840g/cm3 e
umidade ótima de 13,0% conforme Figura 4.4.
Massa Espacífica Seca (g/cm2)
1,860
1,840
1,820
1,800
1,780
1,760
1,740
1,720
1,700
1,680
8,00
9,00
10,00
11,00
12,00
13,00
14,00
15,00
16,00
17,00
18,00
Teor de um idade (%)
Figura 4.4 – Compactação do solo.
Conforme observa-se na Figura 4.5, o acréscimo percentual dos estabilizantes
não contribuiu para o respectivo aumento de massa específica das misturas,
exceto para o teor de 10%; em todas as adições.
1,760
Solo + 20%Escória + 5%Pavifort
1,720
Solo + 20%Escória + 5%Cal
1,760
1,700
1,780
Solo + 20%Pavifort
Solo + 15%Escória + 5%Cal
1,800
Solo + 15%Escória + 5%Pavifort
ESTABILIZANTE (% )
Solo + 15%Pavifort
1,840
Solo + 10%Pavifort
1,790
1,730
Solo + 20%Escória
Solo + 5%Pavifort
1,740
Solo + 15%Escória
1,860
Solo + 10%Escória
1,770
1,670
Solo + 20%Cal
Solo + 5%Escória
1,680
1,740
Solo + 10%Cal
Solo + 15%Cal
1,740
Solo + 5%Cal
Solo Puro
1,950
1,900
1,850
1,800
1,750
1,700
1,650
1,600
1,550
1,500
1,840
3
MASSA ESPECÍFICA MÁXIM SECA (g/cm)
62
Figura 4.5 – Massa Específica Aparente Máxima para diferentes teores de estabilizante.
Para as misturas com um estabilizante, houve um aumento da massa específica
entre os teores de 5 e 10% de adição do estabilizante.
O fato deve-se ao aumento da finura das misturas em função do acréscimo das
adições e conseqüente aumento da necessidade de água de dosagem.
Independente do tipo de estabilizante, o teor de 10% corresponde à maior
massa específica aparente máxima seca alcançada pelas misturas, conforme
pode ser observado pela figura 4.4.
Para a adição de dois estabilizantes ao solo sua massa específica aparente
máxima seca cai quando comparada ao solo puro. O aumento na adição do teor
de escória para um mesmo teor de cal, promove um aumento da massa
específica aparente máxima seca. Já para o aumento na adição do teor de
escória para um mesmo teor de Pavifort, não altera o resultado da massa
específica aparente máxima seca.
Quanto à umidade ótima, onde constatou-se que o acréscimo no percentual de
estabilizante não significa aumento da umidade ótima das misturas, devido às
características de cada estabilizante, como pode ser observado na Figura 4.6 a
seguir.
ESTABILIZANTE (% )
Solo + 20%Escória + 5%Cal
16,1
Solo + 20%Escória + 5%Pavifort
14,8
15,3
16,3
Solo + 15%Escória + 5%Cal
Solo + 15%Escória + 5%Pavifort
15,8
Solo + 20%Pavifort
15,0
Solo + 15%Pavifort
13,6
Solo + 10%Pavifort
15,8
Solo + 5%Pavifort
15,0
Solo + 20%Escória
Solo + 10%Escória
Solo + 15%Escória
12,6
14,0
Solo + 5%Escória
Solo + 20%Cal
Solo + 15%Cal
13,8
18,5
14,5
15,8
Solo + 10%Cal
14,6
Solo + 5%Cal
13,0
20,0
19,0
18,0
17,0
16,0
15,0
14,0
13,0
12,0
11,0
10,0
Solo Puro
UMIDADE (%)
63
Figura 4.6 – Umidade Ótima para os diferentes teores de estabilizante.
Os resultados observados apontam em relação à umidade ótima, que acréscimo
no percentual de estabilizante não significou o respectivo aumento da umidade
ótima das misturas, devido ás características de cada estabilizante.
A adição de dois estabilizantes ao solo aumenta a umidade ótima das misturas
quando comparadas ao solo puro. O aumento na adição do teor de escória para
um mesmo teor de cal reduz sua umidade ótima, enquanto que para o aumento
na adição do teor de escória para um mesmo teor de Pavifort, aumenta sua
umidade ótima.
4.4 Expansão
A expansão foi determinada para cada ponto de compactação e para cada
estabilizante através da curva de expansão X umidade. O gráfico da Figura 4.7,
TEOR DE UMIDADE (%)
Figura 4.7 – Variação da expansão x umidade para o solo puro.
20,0
19,0
18,0
17,0
16,0
15,0
14,0
13,0
12,0
11,0
10,0
9,0
8,0
7,0
4,00
3,50
3,00
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
6,0
EXPANSÃO(%)
apresenta a expansão de cada corpo-de-prova para o solo puro.
64
O gráfico da Figura 4.8, apresenta a expansão de cada corpo-de-prova para as
misturas solo-cal.
SOLO +5%Cal
0,50
EXPANSÃO (%)
SOLO +10%Cal
SOLO +15%Cal
SOLO +20%Cal
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0
11,0
12,0
13,0
14,0
15,0
16,0
17,0
18,0
19,0
20,0
21,0
22,0
23,0
24,0
25,0
26,0
0,00
TEOR DE UMIDADE (% )
Figura 4.8 – Variação da expansão x umidade para as misturas solo-cal.
O gráfico da Figura 4.9 apresenta a expansão de cada corpo-de-prova para as
4,00
3,50
3,00
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
5%Escória
10%Escória
15%Escória
23,0
21,0
19,0
17,0
15,0
13,0
11,0
9,0
7,0
20%Escória
5,0
E X P A N S Ã O(% )
misturas solo-escória.
TEOR DE UMIDADE (%)
Figura 4.9 – Variação da expansão x umidade para as misturas solo-escória.
O gráfico da Figura 4.10 apresenta a expansão de cada corpo-de-prova para as
misturas solo-Pavifort.
65
Solo + 5%Pavifort
EXPANSÃO (%)
2,00
Solo + 10%Pavifort
Solo + 15%Pavifort
1,50
Solo + 20%Pavifort
1,00
0,50
20,0
19,0
18,0
17,0
16,0
15,0
14,0
13,0
12,0
11,0
10,0
9,0
8,0
7,0
6,0
0,00
TEOR DE UMIDADE (%)
Figura 4.10 – Variação da expansão x umidade para as misturas solo- solo-Pavifort.
O gráfico da Figura 4.11 apresenta a expansão de cada corpo-de-prova para as
misturas solo-escória-cal e solo-escória-Pavifort.
Solo + 15%Escória + 5%Cal
Solo + 20%Escória + 5%Cal
0,50
EXPANSÃO (%)
Solo + 15%Escória + 5%Pavifort
Solo + 20%Escória + 5%Pavifort
23,0
22,0
21,0
20,0
19,0
18,0
17,0
16,0
15,0
14,0
13,0
12,0
11,0
10,0
9,0
8,0
7,0
6,0
0,00
TEOR DE UMIDADE (% )
Figura 4.11 – Variação da expansão x umidade para as misturas solo-escória-cal e soloescória-Pavifort.
A partir dos dados plotados nos gráficos, expansão X umidade, das figuras 4.7 a
4.11, determinou-se a expansão correspondente à umidade ótima para cada teor
de adição de estabilizante.
66
A expansão das misturas, na umidade ótima, para diferentes teores de
estabilizantes, indica que o acréscimo no percentual de estabilizante contribui
para a redução da expansão das misturas, conforme Figura 4.12.
0,25
Solo + 20%Escória + 5%Cal
Solo + 20%Escória + 5%Pavifort 0,18
ESTABILIZANTE (% )
Solo + 15%Escória + 5%Pavifort 0,17
0,29
Solo + 15%Escória + 5%Cal
Solo + 20%Pavifort 0,02
Solo + 15%Pavifort 0,10
0,20
Solo + 10%Pavifort
0,40
Solo + 5%Pavifort
0,30
0,40
Solo + 15%Escória
Solo + 20%Escória
0,40
Solo + 10%Escória
0,02
Solo + 20%Cal
1,00
0,23
Solo + 15%Cal
Solo + 5%Escória
0,12
Solo + 5%Cal
Solo Puro
0,0
Solo + 10%Cal
0,40
0,5
1,00
EXPANSÃO (%)
1,0
Figura 4.12 - Expansão das misturas na umidade ótima, para diferentes teores de
estabilizante.
A NBR 7207/82 estabelece que os solos para sub-leito devem apresentar
valores de expansão ≤ 2%, para sub-base ≤ 1% e para base ≤ 0,5%.
Os resultados obtidos para misturas com um estabilizante indicam que para os
teores superiores a 10% de adição a expansão é inferior a 0,5%.
O aumento no teor de adição de escória até o limite de 20%, reduz a expansão
das misturas, de acordo com as condições analisadas neste experimento.
O aumento no teor de adição de cal reduz a expansão das misturas entre 5 e
10%. Entre 10 e !5% a expansão aumenta e reduz novamente para adição de
20%, de acordo com as condições analisadas neste experimento.
O aumento no teor de adição de cimento Pavifort até o limite de 20%, reduz a
expansão das misturas, de acordo com as condições analisadas neste
experimento.
Os resultados obtidos para misturas com dois estabilizantes indicam para todas
as misturas expansão inferior a 0,5%.
Discordando de alguns autores Raposo (2005) e Machado (2006), que
consideram uma limitação para o uso da escória de aciaria sua alta variação
volumétrica devido á presença do Cão e MgO, nas condições analisadas nesse
67
experimento, o acréscimo de escória de aciaria apresentou redução da
expansão das misturas.
Sendo a expansão maior em solos com maior superfície específica e atividade,
dadas às características da escória, ao aumentarmos seu percentual na mistura,
houve um conseqüente aumentou da área de superfície especifica, mas ao
contrário, a expansão da mistura diminuiu. Identificou-se a escória de aciaria
funcionando não apenas como filler, material de preenchimento, mas também
como uma ação cimentante.
Para as misturas com dois estabilizantes o aumento na adição do teor de escória
para um mesmo teor de cal ou de Pavifort, promove redução na expansão.
4.5 CBR
Para o solo puro determinou-se o CBR dos 5 pontos e traçou-se a curva de CBR
X teor de umidade, indicando o CBR correspondente à umidade ótima conforme
Figura 4.13.
12
10,85
CBR (%)
10
9,38
8
6,82
6
4,14
4
2,49
2
0
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Teor de umidade (%)
Figura 4.13 - CBR x teor de umidade do solo puro.
Para cada percentual de mistura com um estabilizante, determinou-se o CBR
dos 5 pontos e traçou-se a curva de CBR X teor de umidade, indicando o CBR
correspondente à umidade ótima de cada mistura.
A Figura 4.14, apresenta os gráficos correspondentes aos diferentes teores de
adição de cal.
68
CBR (%)
5%Cal
57,00
52,00
47,00
42,00
37,00
32,00
27,00
22,00
17,00
12,00
6,00
10%Cal
15%Cal
20%Cal
8,00
10,00
12,00
14,00
16,00
18,00
20,00
22,00
24,00
TEOR DE UMIDADE (% )
Figura 4.14 - CBR x teor de umidade das misturas solo-cal.
A Figura 4.15 apresenta os gráficos correspondentes aos diferentes teores de
adição de escória.
5% ESCORIA
25,00
10% ESCÓRIA
15% ESCÓRIA
20,00
CBR (%)
20% ESCÓRIA
15,00
10,00
5,00
0,00
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
16,00
18,00
20,00
22,00
TEOR DE UMIDADE (% )
Figura 4.15 - CBR x teor de umidade das misturas solo-escória.
A figura 4.16 apresenta os gráficos correspondentes aos diferentes teores de
CBR (%)
adição de cimento Pavifort.
26,00
24,00
22,00
20,00
18,00
16,00
14,00
12,00
10,00
8,00
6,00
4,00
2,00
0,00
6,00
5% Pavifort
10% Pavifort
15% Pavifort
20% Pavifort
8,00
10,00
12,00
14,00
16,00
18,00
20,00
TEOR DE UMIDADE (% )
Figura 4.16 - CBR x teor de umidade das misturas solo-Pavifort.
22,00
24,00
69
Para as misturas com dois estabilizante, determinou-se o CBR dos 5 pontos e
traçou-se a curva de CBR X teor de umidade, indicando o CBR correspondente à
umidade ótima de cada mistura.
A figura 4.17 apresenta os gráficos correspondentes aos diferentes teores de
adição de escória-cal e escória-Pavifort.
15%Escória +5%Cal
20%Escória +5%Cal
100,0
15%Escória +5%Pavifort
90,0
20%Escória +5%Pavifort
CBR (%)
80,0
70,0
60,0
50,0
40,0
30,0
20,0
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
16,00
18,00
20,00
22,00
24,00
TEOR DE UMIDADE (% )
Figura 4.17 - CBR x teor de umidade das misturas solo-escória-cal e solo-escóriaPavifort.
O CBR correspondente à umidade ótima de cada mistura aumenta para o
acréscimo no percentual de estabilizante, exceto pra a adição de cal, como
88,0
72,0
Solo + 20%Escória + 5%Cal
Figura 4.18 - CBR na umidade ótima, para os diferentes teores de misturas.
Solo + 20%Escória + 5%Pavifort
83,0
Solo + 15%Escória + 5%Cal
Solo + 20%Pavifort
Solo + 15%Escória + 5%Pavifort
180,0
Solo + 15%Pavifort
56,0
170,0
255,0
ESTABILIZANTE (% )
Solo + 10%Pavifort
Solo + 5%Pavifort 28,0
23,0
Solo + 20%Escória
12,0
Solo + 5%Escória
23,0
43,0
Solo + 20%Cal
Solo + 15%Escória
51,0
Solo + 15%Cal
13,0
55,0
Solo + 10%Cal
Solo + 10%Escória
53,0
Solo + 5%Cal
10,0
260,0
240,0
220,0
200,0
180,0
160,0
140,0
120,0
100,0
80,0
60,0
40,0
20,0
0,0
Solo Puro
CBR (%)
apresenta a figura 4.18.
70
A NBR 7207/82 estabelece que os solos para sub-leito devem apresentar
valores de CBR entre 2% e 20%, para sub-base ≥ 20% e para base ≥ 80%.
Como resultados obtidos indicaram teor de 10% de adição em misturas com um
estabilizante, como sendo aquele que apresenta maior massa específica
aparente máxima seca; procedeu-se à análise das propriedades mecânicas das
misturas aditivadas com 10% de cal, escória e Pavifort.
Para as misturas com dois estabilizantes o aumento na adição do teor de escória
para um mesmo teor de cal ou de Pavifort, promove o aumento do CBR.
Como resultados obtidos indicaram os teores de 15 e 20% de adição em
misturas com um estabilizante, como sendo aquele que apresenta menor
expansão e maior CBR; procedeu-se à análise das propriedades mecânicas de
misturas com dois estabilizantes aditivadas com 15 e 20% de escória mais 5%
de cal e de Pavifort.
A análise dos resultados dos ensaios, compactação, expansão e CBR,
apontaram que a adição de 10% de estabilizante foi a que apresentou a maior
massa específica aparente máxima seca com valores de expansão inferiores ao
limite máximo permitido por norma. Desta forma adotou-se avaliar a resistência
mecânica para as três misturas solo-cal, solo-escória e solo-Pavifort, com o
teor de adição de 10% de cada um dos estabilizantes.
4.6 Resistência Mecânica
Na avaliação da resistência mecânica dos corpos-de-prova 2 ensaios foram
realizados. Os ensaios de resistência à compressão simples e resistência à
tração por compressão diametral, para as idades de cura ao ar de 7, 28 e 56
dias. Foram ensaiadas as três misturas de solo com 10% de cada estabilizante e
as quatro misturas de solo com dois estabilizantes.
4.9.1. Resistência à Compressão Simples
Todas as misturas apresentaram o mesmo tipo de ruptura para as três idades
ensaiadas, conforme Figura 4.19, apresentada a seguir.
71
Solo-cal
Solo-escória
Solo-Pavifort
Figura 4.19 – Ruptura de CP de misturas de solo com 10% de estabilizantes.
A resistência à compressão simples foi realizada para o solo puro e para as
misturas com um estabilizante e as misturas com dois estabilizantes. Os ensaios
foram executados para os períodos de cura ao ar de 7, 28 e 56 dias, e os
resultados estão apresentados em blocos, conforme Figuras 4.20 e 4.21.
Solo Puro
4,50
Solo + 10%Escória
4,00
Solo + 10%Cal
Solo + 10%Pavifort
3,50
3,00
2,00
1,79
0,96
1,63
0,89
0,60
1,05
1,75
1,00
2,08
1,50
0,50
3,57
3,86
4,70
2,50
3,08
Tensãode Ruptura (MPa)
5,00
0,00
7 dias
28 dias
Idade
56 dias
Figura 4.20 – Resistência à compressão simples para as misturas de um estabilizante.
5,50
5,00
4,00
Puro
+ 15%Escória
+ 20%Escória
+ 15%Escória
+ 20%Escória
+ 5%Cal
+5%Cal
+ 5%Pavifort
+ 5%Pavifort
3,50
3,48
2,87
3,27
2,92
0,96
0,89
0,60
1,45
1,00
1,86
2,84
1,50
0,50
3,29
2,00
3,39
4,37
2,50
5,08
3,00
1,36
Tensão de Ruptura (MPa)
4,50
Solo
Solo
Solo
Solo
Solo
0,00
7 dias
28 dias
Idade
56 dias
Figura 4.21 – Resistência à compressão simples para as misturas de dois estabilizantes.
72
Aos 7 dias de cura, apenas a mistura Solo + 10% de Pavifort atingiu o mínimo
de 2,1MPa previstos pela NBR 12025/90. A mistura de solo + 10% de cal atinge
os 2,1MPA a partir dos 28 dias de cura, e, a mistura solo + 10% de escória não
atingiu o limite para os períodos de tempo experimentados.
As misturas com adição de 5% de cal com 15 e 20% de escória, promoveu um
significativo aumento nos valores obtidos de resistência á compressão simples,
embora aos 7 dias não atinja ao limite mínimo estabelecido pela NBR 12.024/90,
ultrapassando este mínimo para os 28 dias.
As misturas com adição de 5% de Pavifort com 15 e 20% de escória,
promoveu um significativo aumento nos valores obtidos de resistência à
compressão simples, atingindo o mínimo previsto pela norma, de 2,1MPa, aos 7
dias.
As Figuras 4.22 e 4.23 apresentam os ensaios de resistência à compressão
simples para os teores de adição de dois estabilizantes.
Figura 4.22 – Ruptura de CP solo + 15%escória + 5%cal.
Figura 4.23 – Ruptura de CP solo + 15%escória + 5%Pavifort.
73
Os resultados obtidos indicam que os ganhos de resistência obtidos para as
adições de 15% de escória atingem valores muito maiores que para as adições
de 20% de escória.
As Figuras 4.24 e 4.25 apresentam a ruptura de CP das misturas com 20% de
escória + adições de cal e Pavifort.
Figura 4.24 – Ruptura dos CP solo + 20%escória + 5%cal.
Figura 4.25 – Ruptura dos CP solo + 20%escória + 5% Pavifort.
4.6.2. Resistência à Tração por Compressão Diametral
Todas as misturas apresentaram o mesmo tipo de ruptura para os três
estabilizantes ensaiados, conforme apresenta a Figura 4.26.
74
Solo-cal
Solo-escória
Solo-Pavifort
Figura 4.26 – Ruptura de CP de misturas de solo com 10% de estabilizantes.
Os valores obtidos das resistências à tração por compressão diametral em todas
as dosagens foram superiores às resistências à tração dos CP não aditivados
(solo puro).
Estes resultados indicam, em conformidade com o observado por Falcão e
Soares (2002), que misturas aditivadas são mais duráveis e competentes
estruturalmente quando solicitadas com esforços cíclicos, fadiga.
As dosagens apresentam valores crescentes de resistência à tração para idades
crescentes. As misturas solo-Pavifort apresentam maiores resultados,
seguidos das dosagens solo-cal e solo-escória, conforme Figuras 4.27 e 4.28.
5,00
4,00
Solo
Solo
Solo
Solo
Puro
+ 10% Escória
+ 10% Cal
+ 10% Pavifort
28 dias
4,70
3,57
1,79
0,96
2,08
1,63
1,75
7 dias
0,89
0,00
1,05
1,00
3,08
2,00
3,86
3,00
0,60
Tensão de Ruptura (MPa)
6,00
56 dias
Idade
Figura 4.27 – Resistência à Tração por Compressão Diametral das misturas de um
estabilizante.
75
8 ,0 0
6 ,0 0
So lo
So lo
So lo
So lo
+
+
+
+
1 5 % E s c ó ria
1 5 % E s c ó ria
2 0 % E s c ó ria
2 0 % E s c ó ria
+ 5% C al
+5 % Pa v ifo rt
+ 5% C al
+5 % Pa v ifo rt
5,10
6,33
4,91
4,55
2,53
1,95
3,93
2 ,0 0
1 ,0 0
4,83
3 ,0 0
5,58
7,42
4 ,0 0
7,59
5 ,0 0
1,88
Tensão de Ruptura (MPa)
7 ,0 0
0 ,0 0
7 d ia s
2 8 d ia s
5 6 d ia s
Id a d e
Figura 4.28 – Resistência à Tração por Compressão Diametral das misturas de dois
estabilizantes.
A análise indica que o ganho de resistência é crescente ao longo do tempo e
também é crescente à medida que se adiciona um estabilizante químico ao solo.
A adição de escória eleva a resistência à tração em 76% enquanto que a cal
eleva em 225% e o Pavifort em cerca de 400%, para as idades de 7 a 56 dias.
A adição de dois estabilizantes ao solo aumenta significativamente a resistência
à tração por compressão diametral das misturas quando comparadas ao solo
puro. A adição de Pavifort á escória apresenta valores maiores que os com
adição de cal. Os resultados obtidos indicam que os ganhos de resistência
obtidos para as adições de 15% de escória atingem valores muito maiores que
para as adições de 20% de escória. A Figura 4.29 apresenta a ruptura dos CP
das referidas misturas.
Figura 4.29 – Ruptura dos CP solo + 20%escória + 5%Pavifort.
76
4.7. Ensaios de Caracterização Ambiental
Os resultados dos metais analisados nos extratos lixiviado das misturas em
estudo estão apresentados na Tabela 4.8, onde os elementos analisados
(arsênio, bário, cádmio, chumbo, cromo, mercúrio, prata, selênio e fluoretos) são
confrontados com os limites máximos permitidos pela norma NBR 10.004/2004
para todos os elementos analisados.
Tabela 4.8 – Análise química no extrato lixiviado das misturas, (ECOLABOR, 2009).
Solo-cal
(mg/L)
Soloescória
(mg/L)
SoloPavifort
(mg/L)
Arsênio
n. d.
n. d.
n. d.
Limite máx.
permitido
NBR
10.004/2004
(mg/L)
1,00
Bário
0,604
0,824
0,798
70,0
Cádmio
n. d.
n. d.
n. d.
0,50
Chumbo
n. d.
0,062
n. d.
1,00
0,0309
0,033
0,032
5,00
Mercúrio
n. d.
n. d.
n. d.
0,10
Prata
n. d.
n. d.
n. d.
5,00
Selênio
n. d.
n. d.
n. d.
1,00
Fluoretos
< 0,4
4,4
< 0,4
150
Misturas ensaiadas
Elemento
Químico
Cromo
Os resultados de metais e não-metais analisados no extrato solubilizado das
misturas em estudo estão apresentados na Tabela 4.9, onde os elementos
analisados (alumínio, arsênio, bário, cádmio, chumbo, cobre, cromo, ferro,
manganês, mercúrio, prata, selênio, sódio, zinco, cianeto, fluoretos, sulfato,
cloretos, nitratos, fenóis totais e surfactantes) são confrontados com os limites
máximos permitidos pela norma NBR 10.004/2004 para todos os elementos
analisados.
77
Tabela 4.9 – Análise química no extrato solubilizado das misturas, (ECOLABOR,
2009).
Misturas ensaiadas
Elemento
Químico
Alumínio
Arsênio
Bário
Cádmio
Chumbo
Cobre
Cromo
Ferro
Manganês
Mercúrio
Prata
Selênio
Sódio
Zinco
Cianeto
Fluoretos
Sulfato
Cloretos
Nitratos
Fenóis Totais
Surfactantes
Solo-cal
(mg/L)
Soloescória
(mg/L)
SoloPavifort
(mg/L)
0,273
n. d.
0,1160
n. d.
n. d.
0,0063
0,0467
0,217
0,0043
n. d.
n. d.
n. d.
1,08
0,034
0,0022
< 0,5
n. d.
102
0,4
0,017
n. d.
1,00
n. d.
0,0118
n. d.
n. d.
0,0056
0,0682
0,277
0,0116
n. d.
n. d.
n. d.
1,14
0,0213
n. d.
5,0
15
2,1
< 0,2
0,024
n. d.
1,43
n. d.
0,110
n. d.
n. d.
0,0053
0,0459
0,220
0,0041
n. d.
n. d.
n. d.
4,54
0,0188
n. d.
< 0,5
49
20
< 0,20
0,018
n. d.
Limite
máximo
permitido
NBR
10.004/2004
(mg/L)
0,20
0,01
0,70
0,005
0,01
2,00
0,05
0,30
0,10
0,001
0,05
0,01
200
5,00
0,07
1,5
250
250
10
0,01
0,50
Os resultados referentes à classificação das misturas feita de acordo com os
parâmetros da NBR 10.004/2004 indicam que tanto misturas solo-cal, soloescória e solo-Pavifort, tem a mesma classificação ambiental, conforme Tabela
4.10, apresenta a seguir.
Tabela 4.10 - Classificação das misturas.
Amostra
Solo-Cal
Solo-Escória
Solo-Pavifort
Classe
Classe II A
Classe II A
Classe II A
Classificação
Resíduo não inerte
Resíduo não inerte
Resíduo não inerte
Dessa forma; o uso da escória de aciaria em misturas de solo cimento com
dosagem até 20% torna-se uma solução ambientalmente adequada e sem
restrições.
78
4.8. Tratamento Estatístico
4.8.1. Resistência à Compressão Simples: 4 misturas
Foram analisados os resultados do planejamento de experimentos para a
variável resposta tensão de ruptura do ensaio de resistência à compressão
simples, considerando misturas de solo com 10% de estabilizantes. Para
determinar se existem diferenças entre as misturas foi criada a Tabela 4.11,
obtida a partir da Análise de Variância dos resultados do experimento
Tabela 4.11 - Resultado da ANOVA.
Fonte de Variação
Dias (Bloco)
Mistura
F
P-valor
39,29
139,79
< 0,001
< 0,001
A partir da análise da Tabela 4.12, observa-se que ao menos uma mistura é
diferente das demais de acordo com o p-valor (< 0,001). Pode-se notar que
também existe ao menos uma diferença significativa entre os blocos, dias de
cura da mistura.
Com o objetivo de descobrir qual a mistura que nos proporciona uma maior
resistência a compressão, elaborou-se o gráfico de efeitos principais, conforme
Figura 4.30.
Gráfico de Efeitos Principais: Resistência a Compressão Simples
Dias (Bloco)
4,0
Mistura
3,5
Média
3,0
2,5
2,1
2,0
1,5
1,0
7
28
56
So
lo
+
%
10
l
Ca
lo
So
+
%
10
r ia
có
s
E
lo
So
+
%
10
t
or
vif
a
P
lo
So
ro
Pu
Figura 4.30 Gráfico de efeitos principais: resistência à compressão simples.
79
A partir da análise do gráfico, observa-se a tendência de crescimento da tensão
de ruptura de acordo com os dias de cura da mistura. Observou-se também que
as misturas solo +10%cal e solo +10%Pavifort, em média atingem o limite préestabelecido de 2,1MPa. Como esta análise é um tanto quanto subjetiva, para
avaliar se estas diferenças são estatisticamente significativas, utilizou-se a
técnica de comparações múltiplas de Tukey.
Observou-se que as diferenças entre as misturas são estatisticamente
significativas para todas as combinações de misturas, de acordo com o p-valor
(< 0,05).
Para validar os resultados encontrados, foi necessária a avaliação das
suposições iniciais feitas sobre o modelo, de variância constante, independência
e normalidade dos resíduos do modelo. Para tanto, construiu-se os gráficos de
resíduos X valores ajustados X ordem de execução do experimento e o gráfico
de probabilidade normal com o teste de normalidade de Ryan Joiner, conforme
apresentado na Figura 4.31. O critério utilizado para não-rejeição da normalidade
dos resíduos é p-valor maior ou igual a 0,10.
Gráfico de Probabilidade Normal: Resíduos Padronizados
99
Mean
StDev
N
RJ
P-Value
95
90
-0,001356
1,009
51
0,994
>0,100
Percentil
80
70
60
50
40
30
20
10
5
1
-3
-2
-1
0
1
Resíduos Padronizados
2
3
Figura 4.31 - Validação do Modelo.
A análise dos gráficos permite perceber que os resíduos possuem variância
aproximadamente constante e são independentes entre si. Como o p-valor para
80
o gráfico de normalidade é maior que 0,10, conclui-se que os mesmos possuem
distribuição normal.
4.8.2. Resistência à tração por compressão diametral: 4 misturas
Para avaliar se existe alguma mistura diferente das demais quanto à resistência
à compressão simples, elaborou-se a Tabela 4.12, obtida a partir da Análise de
Variância dos resultados do experimento.
Tabela 4.12 - Resultado da ANOVA.
Fonte de Variação
Dias (Bloco)
Mistura
F
P-valor
38,41
200,28
< 0,001
< 0,001
Os resultados indicam uma diferença significativa entre algum par de misturas,
pois p-valor é menor que o nível de significância (< 0,001). Observou-se que
existe um dia de maturação diferente dos demais. Para avaliar em que pares de
mistura ocorrem estas diferenças, elaborou-se inicialmente o gráfico de efeitos
principais, apresentado na Figura 4.32.
Gráfico de Efeitos Principais: Resistência a Compressão Diametral
Dias (Bloco)
8
Mistura
7
MPa
Média
6
5
4
3
2
1
7
28
56
lo
So
+
1
0%
l
Ca
So
lo
+
10
%
có
Es
So
ria
lo
+
%
10
v
Pa
rt
ifo
lo
So
ro
Pu
Figura 4.32 - Gráfico de efeitos principais: resistência à tração por compressão diametral.
81
Observou na figura 4.32 que ocorrem praticamente as mesmas diferenças que
apareceram para resistência a compressão simples com magnitudes diferentes.
Assim, passa-se da análise descritiva para o teste de comparações múltiplas de
Turkey.
As diferenças amostrais observadas não são estatisticamente significativas para
as misturas solo +10% Escória e para o solo puro (p=0,109). Para todos os
outros pares de misturas existem diferenças significativa. Como na análise da
Tabela 4.41, a mistura solo +10%Pavifort, apresentou-se mais resistente que
as demais, seguida da mistura solo + 10%cal. O solo +10%Escória e o solo puro,
misturas menos resistentes, não apresentaram diferenças significativas.
A validação dos resultados foi realizada por meio dos gráficos de Resíduos X
Valores Ajustados, Resíduos X Ordem de Observação e Gráfico de
Probabilidade Normal, conforme Figura 4.33.
Gráfico de Probabilidade Normal: Resíduos Padronizados
99
Mean
StDev
N
RJ
P-Value
95
90
0,001154
1,009
47
0,981
>0,100
Percentil
80
70
60
50
40
30
20
10
5
1
-3
-2
-1
0
1
Resíduos Padronizados
2
3
Figura 4.33 - Validação do Modelo
Observa-se da figura 4.33 que os resíduos possuem variância aproximadamente
constante (Resíduos x Valores Ajustados) e são independentes entre si
(Resíduos x Ordem de Observação). Como o p-valor para o gráfico de
normalidade é maior que 0,10, tem-se que os mesmos possuem distribuição
normal (Gráfico de Probabilidade Normal).
82
A melhor mistura dentre as testadas quanto a resistência à compressão
diametral foi também a que utilizou solo +10%Pavifort, seguida da mistura solo
+10%cal; Mais uma vez, percebe-se que quanto maior o tempo de maturação da
mistura, maior é a resistência à tração por compressão diametral.
4.8.3. Resistência à Compressão Simples: 8 misturas
Para avaliar se existem diferenças entre as 8 misturas testadas, no que diz
respeito a resistência a compressão simples, foi criada a Tabela 4.13 obtida a
partir da Análise de Variância dos resultados do experimento.
Tabela 4.13 - Resultado da ANOVA
Fonte de Variação
Dias (Bloco)
Mistura
F
98,44
81,31
P-valor
< 0,001
< 0,001
Observa-se que ao menos uma das misturas é diferente das demais com relação
à resistência a compressão simples, pois p-valor é menor que o nível de
significância (p<0,001). Observa-se também que ao menos um dos blocos é
diferente dos demais (p<0,001). Para descobrir onde ocorrem estas diferenças,
foi elaborado o gráfico apresentado na Figura 4.34.
Gráfico de Efeitos Principais: Resistência a Compressão Simples
Dias (Bloco)
4,5
Mistura
4,0
Média
3,5
3,0
2,5
2,1
2,0
1,5
1,0
7
28
l
l
t
t
ro
ria o rt
Ca if o r
Ca ifo r
có vif %
Pu
v
v
s
%
a
a
a
o
E
5
5
l
P
P
P
1 %
+ %
+ %
So
+
%
5 ó ria
5
1 0 1 0 ória
o
l
+ sc
+
+ Esc
So o +
ia
ia
E
l
lo
ór %
ór
So S o 5%
c
c
Es 2 0
Es
1
+ 5%
+ 0%
ol
o
1
l
2
+
+
So
So
o
o
l
l
So
So
56
0%
l
Ca
Figura 4.34 - Gráfico de efeitos principais: resistência à compressão simples.
83
Observa-se, na figura que a mistura solo +15%Escória +5%Pavifort apresenta,
em média o melhor resultado (média de 4,10MPa), seguido por solo
+10%Pavifort (média de 3,88MPa). As outras misturas avaliadas, quatro
apresentam resultados acima do nível mínimo pré-estabelecido e as duas que
não atendem são solo +10%escória e solo puro.
Observou-se que só não existem diferenças estatisticamente significativas para
as misturas onde p-valor é maior que 0,05.
O teste de Turkey indicou que esta diferença não é significativa (p=0,903). Já a
mistura que apresentou o pior resultado em termos de resistência a compressão
simples foi o Solo Puro (média 0,92MPa).
A Figura 4.35 apresenta para a validação do modelo, o gráfico de probabilidade
normal com o teste de normalidade de Ryan Joiner.
Gráfico de Probabilidade Normal: Resíduos Padronizados
99,9
Mean
StDev
N
RJ
P-Value
99
95
-0,0005152
1,003
90
0,990
>0,100
Percentil
90
80
70
60
50
40
30
20
10
5
1
0,1
-3
-2
-1
0
1
Resíduos Padronizados
2
3
Figura 4.35 - Validação do Modelo
4.8.4. Resistência à tração por compressão diametral: 8 misturas
Foi realizada a determinação da existência de diferença entre ao menos um par
de misturas com relação à resistência à tração por compressão diametral por
meio da tabela de Análise de Variância, conforme Tabela 4.14.
84
Tabela 4.14 - Resultado da ANOVA
Fonte de Variação
Dias (Bloco)
Mistura
F
112,77
107,39
P-valor
< 0,001
< 0,001
Observa-se que existe diferença significativa entre ao menos um par de misturas
quanto a resistência a compressão diametral, pois p-valor < 0,001. Este
resultado é observado também com relação aos blocos (dias de cura). Para
descobrir quais são os pares de misturas diferentes, construiu-se o gráfico
apresentado na Figura 4.36.
Gráfico de Efeitos Principais: Resistência a Compressão Diametral
Dias (Bloco)
8
Mistura
Média
7
6
5
4
3
2
1
7
28
l
l
t
t
rt
ro
Ca if or
Ca if or
ifo
Pu
v
v
v
%
%
a
a
a
o
5
5
l
P
P
P
1
+ %
+ %
So
+
0 % 0 % ria
5
5
ria
lo o + 1
1
ó
ó
+
+
c
+ Esc
S
ia
ia
Es
lo
lo
ór %
ór
c
c
So So 5 %
Es 2 0
Es
1
+ 5%
+
%
0
ol
o
l
1
2
+
+
So
So
o
o
l
l
So
So
56
0%
l
Ca
có
Es
ria
Figura 4.36 - Gráfico de efeitos principais: resistência à tração por compressão diametral.
Observa-se que a mistura solo + 10%Pavifort apresenta melhor resultado
quanto a resistência a compressão diametral, (média de 7,48MPa), seguida por
solo +15% Escória +5% Pavifort (média de 6,30MPa). Os piores resultados
foram apresentados por solo puro e solo +10%Escória, respectivamente com
médias de 1,03MPa e 1,69MPa. Para determinar se as diferenças observadas a
partir da análise descritiva são significativas, foi utilizado o teste de
Comparações múltiplas de Turkey. Observou-se que só não existem diferenças
estatisticamente significativas para as diferentes misturas onde o p-valor é maior
que 0,05. Assim, determinou-se que as misturas que apresentam maior
resistência a compressão diametral são solo +10% Pavifort (média de
7,48MPa), sendo significativamente maior que todas as outras misturas. Já as
85
misturas que apresentaram o pior resultado em termos de resistência à tração
por compressão diametral foram o solo puro (média 0,92MPa) e solo +10%
Escória (média 1,69MPa) que não são estatisticamente diferentes de acordo
com o teste de Turkey.
Os resultados indicam que os resíduos possuem variância aproximadamente
constante e independência. Porém, considerando todos os resultados, os
resíduos do modelo não possuem normalidade (p-valor < 0,01). Foram então
retirados da base de dados 5 valores espúrios. A retirada destas observações
em nada modificou as conclusões da análise de Variância e do Teste de Turkey.
A Figura 4.37 apresenta para a validação do modelo, o gráfico de probabilidade
normal com o teste de normalidade de Ryan Joiner.
Gráfico de Probabilidade Normal: Resíduos Padronizados
(Excluindo 5 Observações)
99,9
Mean
StDev
N
RJ
P-Value
99
Percentil
95
90
-0,0004030
1,006
76
0,987
0,100
80
70
60
50
40
30
20
10
5
1
0,1
-3
-2
-1
0
1
Resíduos Padronizados
2
3
Figura 4.37 - Validação do Modelo.
Portanto, conclui-se que a melhor mistura dentre as testadas, com relação a
resistência a compressão diametral é a solo +10%Pavifort. Já para o tempo de
maturação, observou-se novamente que esse influencia na resistência de forma
diretamente proporcional.
86
5. CONCLUSÕES
Assim, após analise dos resultados obtidos pode-se concluir:
1. Para as características físicas e parâmetros de compactação
a)
A escória de aciaria apresentou módulo de finura 6,7 e 20% de
partículas menores que 0,15µm;
b) Para valores de 15 e 20% observou-se uma redução dos valores de
massa específica;
c) Os finos de escória de aciaria podem ser utilizados tanto pela
possível ação pozolânica devido ao seu elevado teor de cálcio, como
à sua elevada finura.
2. O efeito da variação dos teores de estabilizantes
a) O aumento no teor de adição de escória de aciaria até o limite de
20% reduz a expansão e aumenta o CBR;
b) O aumento de adição de estabilizante é diretamente proporcional, ao
CBR e inversamente à expansão;
c) O teor de adição de 10% é responsável pelo melhor resultado de
massa específica aparente máxima seca, enquanto os teores de 15 e
20% são os responsáveis por melhores, expansão e CBR.
3. O efeito da adição de estabilizantes nos parâmetros de expansibilidade
a) A expansão para o teor de adição de estabilizante de 10% atende ao
limite de 0,5% especificado pela norma para uso como base e subbase de pavimento, sendo ainda menores para as adições de 15 e
20% de estabilizantes;
b) Quando analisada a expansão de misturas com dois estabilizantes
conclui-se que entre eles, a escória de aciaria é responsável pela
redução da expansão das misturas;
c) O acréscimo escória de aciaria apresentou redução da expansão das
misturas.
87
4. O efeito da adição de estabilizantes nos parâmetros de CBR
a) Para as misturas com um estabilizante, apenas o teor de adição de
10% de Pavifort, atende ao limite especificado pela norma para uso
como base e sub-base de pavimento.
b) Quando analisado o CBR de misturas com dois estabilizantes concluise que entre eles, a escória de aciaria é a responsável pelo ganho de
resistência das misturas;
c) O acréscimo no percentual de escória contribui para o respectivo
aumento do CBR das misturas.
d) Sendo a escória quimicamente ativa, ela não funciona só como filler,
mas também como uma ação cimentante.
5. O efeito da adição de estabilizantes na resistência à compressão
a) Aos 7 dias de cura, apenas as misturas de solo + 10% Pavifort e
solo + 15% escória + 5% Pavifort atingem o limite estabelecido pela
norma, NBR 12.024/90 de 2,1 Mpa. Desta forma, ambas poderão ser
utilizadas em camadas de base e sub-base de pavimento,
privilegiando a de menor custo.
b) As misturas solo + 10% cal; solo + 15% escória + 5%cal; solo + 20%
escória + 5%cal e solo + 20% escória + 5%Pavifort; atendem ao
mínimo previsto pela NBR 12.024/90 de 2,1 Mpa, aos 28 dias. Desta
forma, ambas poderão ser utilizadas em camadas de base e subbase de pavimento desde que o cronograma da obra permita
aguardar os 28 dias;
c)
Os resultados de compressão simples indicam ganhos de resistência
correspondente aos aumentos dos percentuais de adição de finos de
escória de aciaria como estabilizante, embora não atendam a norma.
6. O impacto ambiental gerado pela utilização de misturas estabilizadas
a)
Os ensaios ambientais mostram que não existe diferença do ponto
de vista das análises NBR 10.005/2004 – lixiviação e NBR
10.006/2004 – solubilização para o uso das misturas propostas,
88
sendo que todas as dosagens analisadas foram classificadas como
Classe IIA – não inerte.
b) Para os resultados obtidos nesta pesquisa; conclui-se que, estender o
uso da escória de aciaria em misturas de solo cimento com dosagem
até 20% é uma solução ambientalmente adequada; uma vez que
todas as análises indicam identidade de classificação para os três
resíduos e que adicionalmente ao fato de, não se sujeitarem às
políticas ambientais que restrinjam o uso de cal ou cimento como
ligante, para obras de infra-estrutura rodoviária.
A escória de aciaria objeto desta pesquisa apresenta viabilidade técnica e
ambiental para seu uso como estabilizante em misturas de solo. Porém a
metodologia de dosagem deve ser compatibilizada para outros tipos de solo de
modo a torná-la adequada.
5.1. Contribuições para trabalhos futuros
1. Estudar para as diferentes misturas a influência do módulo de resiliência
no dimensionamento de pavimento e comparar com os métodos que
consideram CBR;
2. Estudar a influência de finos de escória de aciaria como estabilizante
químico de solos argilosos;
3.
Construir
e
acompanhar
trechos
experimentais
dimensionados com método de resiliência e/ou CBR.
que
sejam
89
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Determinação
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e
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97
APÊNDICE
98
1. Granulometria por peneiramento
99
2. Granulométrica por sedimentação
100
3. Características físicas do fino de escória de aciaria
101
4. Compactação do solo e das misturas
102
Misturas solo-cal
103
Misturas solo-escória
104
Misturas solo-Pavifort

105
5. Expansão do solo e das misturas
106
Misturas solo-cal
107
Misturas solo-escória
108
Misturas solo-Pavifort

109
6. CBR do solo e das misturas
110
Mistura solo-cal
111
Misturas solo-escória
112
Misturas solo-Pavifort

113
7. Resumo de resistência à compressão simples
114
8. Resumo dos resultados de resistência à tração por compressão
diametral
115
9. Estatística
Teste de Comparações Múltiplas de Turkey para Diferença entre as médias.
Resistência a Compressão Simples: 4 misturas
Diferentes Misturas
(Solo + 10% Escória) - (Solo + 10% Cal)
(Solo + 10% Pavifort) - (Solo + 10% Cal)
(Solo Puro) - (Solo + 10% Cal)
(Solo + 10% Pavifort) - (Solo + 10% Escória)
(Solo Puro) - (Solo + 10% Escória)
(Solo Puro) - (Solo + 10% Pavifort)
T
5,80
-9,27
10,04
-14,06
3,24
19,30
P-valor
< 0,001
< 0,001
< 0,001
< 0,001
0,012
< 0,001
T
7,97
-11,29
11,01
-18,86
2,32
22,55
P-valor
< 0,001
< 0,001
< 0,001
< 0,001
0,109
< 0,001
Resistência a Compressão Diametral: 4 misturas
Diferentes Misturas
(Solo + 10% Escória) - (Solo + 10% Cal)
(Solo + 10% Pavifort) - (Solo + 10% Cal)
(Solo Puro) - (Solo + 10% Cal)
(Solo + 10% Pavifort) - (Solo + 10% Escória)
(Solo Puro) - (Solo + 10% Escória)
(Solo Puro) - (Solo + 10% Pavifort)
Resistência a Compressão Simples: 8 misturas
Diferentes Misturas
(Solo + 10% Escória) - (Solo + 10% Cal)
(Solo + 10% Pavifort) - (Solo + 10% Cal)
(Solo + 15% Escória + 5 % Cal) - (Solo + 10% Cal)
(Solo + 15% Escória + 5% Pavifort) - (Solo + 10% Cal)
(Solo + 20% Escória + 5% Cal) - (Solo + 10% Cal)
(Solo + 20% Escória + 5% Pavifort) - (Solo + 10% Cal)
(Solo Puro) - (Solo + 10% Cal)
(Solo + 10% Pavifort) - (Solo + 10% Escória)
(Solo + 15% Escória + 5 % Cal) - (Solo + 10% Escória)
(Solo + 15% Escória + 5% Pavifort) - (Solo + 10% Escória)
(Solo + 20% Escória + 5% Cal) - (Solo + 10% Escória)
(Solo + 20% Escória + 5% Pavifort) - (Solo + 10% Escória)
(Solo Puro) - (Solo + 10% Escória)
(Solo + 15% Escória + 5 % Cal) - (Solo + 10% Pavifort)
(Solo + 15% Escória + 5% Pavifort) - (Solo + 10% Pavifort)
(Solo + 20% Escória + 5% Cal) - (Solo + 10% Pavifort)
(Solo + 20% Escória + 5% Pavifort) - (Solo + 10% Pavifort)
(Solo Puro) - (Solo + 10% Pavifort)
(Solo + 15% Escória + 5% Pavifort) - (Solo + 15% Escória + 5 % Cal)
(Solo + 20% Escória + 5% Cal) - (Solo + 15% Escória + 5 % Cal)
(Solo + 20% Escória + 5% Pavifort) - (Solo + 15% Escória + 5 % Cal)
(Solo Puro) - (Solo + 15% Escória + 5 % Cal)
(Solo + 20% Escória + 5% Cal) - (Solo + 15% Escória + 5% Pavifort)
(Solo + 20% Escória + 5% Pavifort) - (Solo + 15% Escória + 5%
Pavifort)
(Solo Puro) - (Solo + 15% Escória + 5% Pavifort)
(Solo + 20% Escória + 5% Pavifort) - (Solo + 20% Escória + 5% Cal)
(Solo Puro) - (Solo + 20% Escória + 5% Cal)
(Solo Puro) - (Solo + 20% Escória + 5% Pavifort)
T
-5,86
9,12
1,17
9,20
-0,59
2,02
-10,12
13,99
6,38
13,66
5,05
7,27
-3,23
-6,85
1,28
-9,13
-6,25
-19,23
7,28
-1,64
0,73
-10,16
-9,27
P-valor
< 0,001
< 0,001
0,937*
< 0,001
0,999*
0,475*
< 0,001
< 0,001
< 0,001
< 0,001
< 0,001
< 0,001
0,0362
< 0,001
0,903*(a)
< 0,001
< 0,001
< 0,001
< 0,001
0,724*
0,996*
< 0,001
< 0,001
-6,73
-18,06
2,45
-8,94
-11,24
< 0,001
< 0,001
0,230*
< 0,001
< 0,001
116
Resistência a Compressão Diametral: 8 misturas
Diferentes Misturas
(Solo + 10% Escória) - (Solo + 10% Cal)
(Solo + 10% Pavifort) - (Solo + 10% Cal)
(Solo + 15% Escória + 5 % Cal) - (Solo + 10% Cal)
(Solo + 15% Escória + 5% Pavifort) - (Solo + 10% Cal)
(Solo + 20% Escória + 5% Cal) - (Solo + 10% Cal)
(Solo + 20% Escória + 5% Pavifort) - (Solo + 10% Cal)
(Solo Puro) - (Solo + 10% Cal)
(Solo + 10% Pavifort) - (Solo + 10% Escória)
(Solo + 15% Escória + 5 % Cal) - (Solo + 10% Escória)
(Solo + 15% Escória + 5% Pavifort) - (Solo + 10% Escória)
(Solo + 20% Escória + 5% Cal) - (Solo + 10% Escória)
(Solo + 20% Escória + 5% Pavifort) - (Solo + 10% Escória)
(Solo Puro) - (Solo + 10% Escória)
(Solo + 15% Escória + 5 % Cal) - (Solo + 10% Pavifort)
(Solo + 15% Escória + 5% Pavifort) - (Solo + 10% Pavifort)
(Solo + 20% Escória + 5% Cal) - (Solo + 10% Pavifort)
(Solo + 20% Escória + 5% Pavifort) - (Solo + 10% Pavifort)
(Solo Puro) - (Solo + 10% Pavifort)
(Solo + 15% Escória + 5% Pavifort) - (Solo + 15% Escória + 5 % Cal)
(Solo + 20% Escória + 5% Cal) - (Solo + 15% Escória + 5 % Cal)
(Solo + 20% Escória + 5% Pavifort) - (Solo + 15% Escória + 5 % Cal)
(Solo Puro) - (Solo + 15% Escória + 5 % Cal)
(Solo + 20% Escória + 5% Cal) - (Solo + 15% Escória + 5% Pavifort)
(Solo + 20% Escória + 5% Pavifort) - (Solo + 15% Escória + 5% Pavifort)
(Solo Puro) - (Solo + 15% Escória + 5% Pavifort)
(Solo + 20% Escória + 5% Pavifort) - (Solo + 20% Escória + 5% Cal)
(Solo Puro) - (Solo + 20% Escória + 5% Cal)
(Solo Puro) - (Solo + 20% Escória + 5% Pavifort)
T
-8,40
11,53
0,42
6,86
-1,28
0,64
-11,37
19,47
8,26
14,45
6,62
7,95
-2,24
-10,28
-3,84
-11,99
-9,29
-23,14
6,03
-1,60
0,24
-10,93
-7,63
-5,40
-17,48
1,73
-9,19
-10,34
P-valor
< 0,001
< 0,001
0,999*
< 0,001
0,902*
0,998*
< 0,001
< 0,001
< 0,001
< 0,001
< 0,001
< 0,001
0,342*(b)
< 0,001
0,006
< 0,001
< 0,001
< 0,001
< 0,001
0,7485*
1,000*
< 0,001
< 0,001
< 0,001
< 0,001
0,668*
< 0,001
< 0,001
117
ANEXOS
118
1. Caracterização química da escória de aciaria
119
2. Ensaios ambientais
Mistura solo-cal – Amostra 1
120
Mistura solo-escória – Amostra 2
121
Mistura solo-Pavifort
 – Amostra 3