Caracterização Geotécnica do Fosfogesso Produzido pelo Complexo Industrial de Uberaba da Fosfertil

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1 Caracterização Geotécnica do Fosfogesso Produzido pelo Complexo Industrial de Uberaba da Fosfertil Alexandre Gonçalves Santos Fertilizantes Fosfatados S. A., Araxá, Minas Gerais, Brasil Paulo César Abrão Geoconsultoria, São Paulo, São Paulo, Brasil Marco Antônio Diniz Fertilizantes Fosfatados S. A., Araxá, Minas Gerais, Brasil Juliana Fonseca Moura Fertilizantes Fosfatados S. A., Araxá, Minas Gerais, Brasil RESUMO: A Fosfertil em todo o seu processo comercialização de fertilizantes necessita solubilizar o fósforo e transformar a rocha fosfática insolúvel em água em fertilizantes fosfatados de modo que o nutriente fósforo possa ser absorvido pelas plantas. Para tal operação o Complexo Industrial de Uberaba (CIU) necessita produzir o ácido fosfórico usado nos fertilizantes transformando o concentrado de rocha fosfática em ácido fosfórico produzindo como conseqüência o fosfogesso. Deste fosfogesso produzido em Uberaba uma parte é comercializada como gesso com finalidade agrícola e o restante tem de ser estocado em uma pilha de grande porte formada por meio da deposição hidráulica do próprio fosfogesso. Assim, o objetivo deste trabalho consistiu em apresentar uma descrição das propriedades deste fosfogesso obtidas através de ensaios de laboratório convencionais relatando todo o seu comportamento e visando um futuro programa de análises do comportamento geotécnico para a conformação atual da pilha de gesso da Unidade Industrial de Uberaba. PALAVRAS-CHAVE: Fosfogesso, Pilha de Gesso, e Caracterização Geotécnica. 1 INTRODUÇÃO Dentro do processo de lavra, concentração e comercialização da rocha fosfática realizado pela Fosfertil, o Complexo Industrial de Uberaba (CIU) é responsável por solubilizar o fósforo transformando a rocha fosfática extraída em Tapira, e insolúvel em água, no ácido fosfórico. Para chegar ao produto final do ácido fosfórico, usado no fertilizante, a rocha fosfática é beneficiada e solubilizada produzindo dois diferentes tipos de rejeitos. O primeiro é o rejeito tradicional resultante do processo de beneficiamento da rocha e inclui os rejeitos fosfáticos e as lamas. O segundo tipo de rejeito é aquele obtido a partir do processo de solubilização da rocha fosfática para obtenção do ácido fosfórico e inclui um tipo de fosfogesso. O fosfogesso como relatado consiste de subproduto resultante do processo de fabricação do ácido fosfórico. É separado do ácido fosfórico por filtração a vácuo e sua descarga do filtro é efetuada por meio de um extravasor tipo rosca sem fim, de maneira contínua, para uma moega. Nesta moega, é adicionada água da lagoa de resfriamento (recirculação) ao gesso extraído, formando-se uma polpa (lama de gesso) com 20 a 25 % de sólidos sendo, então, bombeada para os compartimentos de gesso. Assim para a operação tanto de estocagem quanto de expedição deste produto a Fosfertil opera uma pilha de grande porte para armazenamento deste gesso. Esta pilha é uma estrutura formada a partir de um dique de partida de solo compactado sendo alteadas com gesso que é depositado hidraulicamente. Toda a pilha apresenta um sistema de monitoramento geotécnico constituído de medidores de nível d água e marcos superficiais para avaliação de deslocamentos e recalques. Levando-se em consideração a necessidade da operação de forma segura desta pilha de gesso torna-se necessário obter as principais carac-

2 terísticas geotécnicas do gesso. Assim, o presente trabalho apresentará uma descrição geral das principais propriedades geotécnicas do gesso obtidas através de ensaios geotécnicos tradicionais utilizando o gesso produzido no Complexo Industrial de Uberaba (CIU). Além disto, o presente trabalho também apresenta o fosfogesso, um material quase desconhecido no Brasil, como material geotécnico utilizado na construção de pilhas de estocagem deste material. 2 CARACTERÍSTICAS GERAIS DO FOSFOGESSO No processo de produção de fertilizantes o concentrado de fosfato produzido na planta de mineração é transportado para a planta química e convertido em acido fosfórico para ser utilizado na fabricação de fertilizantes. Esta conversão é realizada por meio de um processo de calcinação e tratamento com acido sulfúrico. Como resultado deste processo é formado um fosfogesso, consistindo principalmente de sulfato de cálcio dihidratado com água (CaSO 4.2H 2 O). O fosfogesso apresenta geralmente granulometria exclusiva de silte não plástico com 97% do material passando na peneira 200. Além disto apresenta massa especifica dos grãos variando de 2,3 a 2,4 g/cm 3. O efluente descarregado com o gesso para deposição por via hidráulica tem tipicamente ph de 1,5 a. Este gesso é o único entre os rejeitos que apresenta dois aspectos mecânicos bastante distintos: em primeiro momento exibe uma cimentação local e em um segundo momento apresenta uma grande deformação sobre tensão constante. 3 CARACTERIZAÇÃO GEOTÉCNICA DO FOSFOGESSO Para determinar os parâmetros geotécnicos do fosfogesso do Complexo Industrial de Uberaba foi realizada uma campanha de ensaios de laboratório. A amostragem foi feita através da coleta de quatro blocos de amostras indeformadas em quatro compartimentos diferentes da pilha de gesso. A Figura 1 apresenta uma vista geral da pilha com a locação dos pontos onde foram coletadas as amostras. 2 3 Figura 1. Pilha de gesso com locação dos pontos amostrados. Através da Figura 1 pode-se correlacionar cada bloco coletado no campo com os compartimentos dos quais os mesmos foram retirados. Esta correlação pode ser verificada através da Tabela 1. Tabela 1. Localização dos blocos na pilha de gesso. Bloco Área N.º de Registro 1 Gabião A Gabião B Compartimento E Compartimento C-D De cada local foram extraídos um bloco indeformado e um saco de amostra deformada. A coleta ocorreu a cerca de 50 cm abaixo da superfície atual. Sobre as amostras coletadas foram executados ensaios de: Teor de umidade natural; Densidade natural; Granulometria com sedimentação; Densidade real dos grãos; Compactação com Proctor Normal; Permeabilidade com carga variável; Adensamento oedométrico; Compressão triaxial. 3.1 Ensaios de Caracterização 4 Sobre cada uma das amostras foram realizados ensaios de caracterização (granulometria, densidade natural, índice de vazios natural e massa específica dos grãos) utilizando as metodologias contempladas nas normas 1

3 técnicas da ABNT. Os resultados das análises granulométricas das 4 amostras coletadas no campo estão representados na Figura 2. Porcentagem que Passa (%) 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 Bloco 1 30,0 Bloco 2 20,0 Bloco 3 10,0 Bloco 4 0,0 0,001 0,01 0, Diâmetro (mm ) Figura 2. Curvas granulométricas das amostras de gesso. Conforme se observa na Figura 2, o gesso tem a quase totalidade dos grãos abaixo da peneira n.º 200 (0,075 mm). Do material que passa, a maior parte enquadrar-se-ia na categoria de argila. No presente caso, o material não se constitui realmente em argila, já que a sua constituição mineralógica é diferente, não apresentando inclusive a propriedade de plasticidade, característica de argilas. De maneira geral, observa-se que os percentuais de finos abaixo de 0,005 mm variam de 50 a 80%. Com base nesta observação e visando uma otimização do programa experimental de laboratório para realização dos ensaios triaxiais o gesso foi dividido em dois grupos distintos de amostras: a) amostra 2.153, com 80% de finos, que foi denominado gesso fino; b) amostra 2.155, com 50% de finos, que foi denominado gesso grosso. Os resultados dos ensaios para determinação da massa específica dos grãos, teor de umidade natural e densidade natural do gesso acham-se resumidos na Tabela 2, abaixo. Tabela 2 Resultados dos ensaios sobre amostras de gesso. Bloco ρ dnat (g/cm³) h nat (%) e nat ρ s (g/cm³) 1 0,765 62,2 2,908 2, ,814 54,4 2, ,772 58,2 2,649 2, ,814 22,9 2, Todos os resultados de ensaios acima referem-se a teores de umidade determinados em estuga a 110ºC (ABNT) Em relação aos resultados apresentados na Tabela 3 verificou-se inicialmente que as densidades dos grãos situam-se aproximadamente entre 2,8 e 3,1 g/cm³. Isso contraria a expectativa de valores em torno de 2,4 g/cm³, explicáveis não apenas pela constituição mineralógica, como resultados de ensaios anteriores. A explicação mais provável para essa discrepância reside no método de execução do ensaio. De acordo com a ABNT, o material foi seco à temperatura de 110ºC. No caso do gesso, a aplicação de temperatura tão alta pode acarretar perda de água de hidratação, o que pode levar a falseamento dos resultados. Observa-se que os teores de umidade situamse acima de 50%, exceto no que se relaciona à amostra (localizada no compartimento C- D), onde a umidade foi de apenas 22%. Os teores de umidades naturais situaram-se próximos às umidades ótimas de compactação do gesso, entre 50 e 60%. 3.2 Ensaios de Compactação com Proctor Normal Além dos ensaios básicos de caracterização foram realizados também ensaios de compactação utilizando as metodologias contempladas na norma técnica da ABNT NBR Os resultados dos ensaios de compactação acham-se resumidos na Tabela 3, abaixo. Tabela 3 Resultados de ensaios sobre amostras de gesso. Bloco ρd máx (g/cm³) h ot (%) GC (%) ,6 74, ,5 78, ,2 75, ,2 78,1 Todos os resultados de ensaios acima referem-se a teores de umidade determinados em estuga a 110ºC (ABNT) Levando-se em consideração que o depósito forma-se predominantemente por deposição hidráulica, pode-se desta forma explicar os baixos valores de densidades secas determinados situando-se entre 75 a 80% da densidade máxima do ensaio Proctor normal.

4 3.3 Ensaios de Permeabilidade de Carga Variável Para cada bloco amostrado foram executados dois ensaios de permeabilidade em permeâmetro de carga variável, sendo um ensaio com corpo de prova moldado com seu eixo vertical coincidindo com o sentido das camadas horizontais. Os corpos de prova foram talhados dos blocos indeformados e esculpidos com dimensões de 10,16 cm de diâmetro e altura aproximada de 15,00 cm e montados dentro de um permeâmetro de carga variável. Depois de montado, o corpo de prova foi submetido a saturação por meio de uma coluna d água percolando da base para o topo, até o afloramento de água na válvula superior do permeâmetro. Em seguida o fluxo de percolação foi invertido, dando início a medida da permeabilidade. Nas fases de saturação e medida da permeabilidade foi utilizada água coletada nas calhas de drenagem da pilha de gesso. Foram feitas várias medidas, tomando como resultado a média aritmética dos valores obtidos. Tabela 2 Resultados dos ensaios sobre amostras de gesso. Bloco k 20H (cm/s) k 20V (cm/s) 1 1,93 x ,93 x ,86 x ,96 x ,17 x ,23 x ,87 x x 10-4 Como conseqüência das baixas densidades, os coeficientes de permeabilidade resultaram relativamente altos, sempre na faixa dos 10-4 cm/s. Observa-se também que os coeficientes de permeabilidade determinados para a direção horizontal são pelo menos duas vezes superiores aos da direção vertical, o que também se justifica pelo método de formação do depósito. Esses valores referem-se a permeabilidade das amostras coletadas junto à superfície do terreno. Para maiores profundidades, foram determinados os coeficientes de permeabilidade em conjunto com ensaios de adensamento. 3.4 Ensaios de Adensamento Foi também realizado sobre cada uma das amostras um ensaio de adensamento edométrico em corpos de prova talhados dos blocos indeformados, ficando com seu eixo vertical no sentido topo/base dos blocos. O adensamento foi feito submetendo os corpos de prova às suas respectivas tensões normais de ensaio, deixando adensar durante vinte e quatro horas, fazendo medidas das deformações verticais em função do tempo. O carregamento foi feito em estágios de pressão com duração de vinte e quatro horas, iniciando com 12,5 kpa e dobrando a pressão em cada novo estágio, até atingir uma pressão máxima para definição da reta de compressão virgem. O descarregamento foi feito em cinco estágios com duração de uma a duas horas cada um, de acordo com a estabilização das expansões. As Figuras 3 e 4 apresentam as curvas pressões versus índices de vazios para as amostras. 2,8 2,6 2,4 2,2 1,8 1,6 1,4 1, Pressão Vertical (kpa) Figura 3. Curva de pressão versus índice de vazios e coeficiente de adensamento para a amostra ,8 2,6 2,4 2,2 1,8 1,6 1,4 1, Pressão Vertical (kpa) Figura 4. Curva de pressão versus índice de vazios e coeficiente de adensamento para a amostra As curvas pressões versus índices de vazios mostram que as amostras apresentam pressões de pré-adensamento, na verdade virtuais, normalmente no entorno de 100 kpa. Os índices

5 de compressão (para pressões superiores às de pré-adensamento) são próximos a 110 kpa, valor esse semelhante aos que se obtêm em depósitos de argila mole, muito compressíveis. Isso explica os grandes recalques que se observam no depósito de gesso. 3.5 Ensaios Triaxiais para Estudos de Liquefação Depois da análise dos resultados obtidos nos ensaios de caracterização, compactação, permeabilidade e adensamento edométrico foram selecionadas as amostras dos Blocos 01 (2.153) e 03 (2.155) para serem submetidos a ensaios de compressão triaxial especiais para determinação do potencial de liquefação. Resumidamente, são executados ensaios triaxiais adensados rápidos em corpos de prova moldados em diferentes índices de vazios. Procura-se trabalhar com pressões confinantes suficientemente elevadas, de forma a produzir tendência a compressão quando do aumento da tensão axial. Como no ensaio a drenagem do corpo de prova é impedida durante a aplicação da tensão axial, ocorre o aumento da pressão neutra, que atinge um valor máximo na fase final do ensaio. Conforme teoria desenvolvida por Casagrande, existe uma relação unívoca entre os índices de vazios e as correspondentes pressões confinantes efetivas no estágio final do ensaio, quando então ocorre o fenômeno da liquefação do corpo de prova. Por se considerar a secagem de amostras para determinação de teores de umidade a 60º como condição mais representativa, faz-se a apresentação dos resultados dos ensaios de liquefação convertendo-se os índices de vazios para umidades e densidades dos grãos determinados com secagem a 60ºC. Nas figuras 5 e 6 são apresentados os resultados dos ensaios de liquefação para as amostras e (gesso fino e gesso grosso). Quando se plotam as tensões confinantes em escala logarítmica, a tendência é dos pontos se alinharem segundo uma linha reta. Mediante os resultados dos ensaios de adensamento, é possível correlacionar os índices de vazios com a profundidade dentro do depósito (Geoconsultoria, 2002). Como, por outro lado, a resistência a cisalhamento é diretamente correlacionável com a pressão confinante resulta daí a possibilidade de associando-se as correlações, obter-se as resistências a cisalhamento para diversas profundidades dentro do depósito. 2,5 1,5 0,5 0, Tensão Efetiva Principal Menor (kpa) Figura 5. Resumo dos resultados de tensão efetiva menor versus índice de vazios para a amostra ,5 1,5 0,5 0, Tensão Efetiva Principal menor (kpa) Figura 6. Resumo dos resultados de tensão efetiva menor versus índice de vazios para a amostra Estas relações são apresentadas nas Figuras 7 e 8. Da sua comparação verifica-se que, para uma mesma profundidade, a resistência da amostra de gesso grosso é substancialmente maior que a correspondente do gesso fino. Profundidade (m) S=-56+4,9x(h) kpa/m S=12+2x(h) kpa/m Su (kpa) Figura 7. Relação entre a profundidade e a resistência na

6 liquefação para a amostra Para o gesso fino as relações obtidas entre a resistência a liquefação (kpa) e a profundidade (m) são: S = 12 +.h (1) S = ,9.h (2) onde: S = resistência ao cisalhamento do gesso (kpa) e h = profundidade dentro do depósito (m). Profundidade (m) S=1+3,92x(h) t/m 2 /m 10 5 S=30+2x(h) t/m 2 /m Su (kpa) contraria a expectativa de valores em torno de 2,4 g/cm³, explicáveis não apenas pela constituição mineralógica, como resultados de ensaios anteriores. Os coeficientes de permeabilidade resultaram em valores relativamente altos, sempre na faixa dos 10-4 cm/s. Este fato pode ser explicado pelos baixos valores de densidades obtidos no depósito. Mediante aos resultados dos ensaios de adensamento foi possível correlacionar diretamente a resistência ao cisalhamento com a profundidade dentro do depósito. Esta determinação tornou-se fundamental para obtenção dos parâmetros de resistência ao cisalhamento do gesso que serão utilizados para análises de estabilidade dos taludes da pilha em um futuro trabalho. Além disto, o trabalho também vêm apresentar o fosfogesso como material para utilização geotécnica usados na construção de pilhas de estocagem de gesso pelo método de disposição hidráulica. Figura 8. Relação entre a profundidade e a resistência na liquefação para a amostra Para o gesso fino as relações obtidas entre a resistência a liquefação (kpa) e a profundidade (m) são: S = 30 +.h (3) S = 1 + 3,92.h (4) onde: S = resistência ao cisalhamento do gesso (kpa) e h = profundidade dentro do depósito (m). 4 CONCLUSÕES AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer a Fosfertil e a Geoconsultoria pelo apoio técnico. REFERÊNCIAS Geoconsultoria, (2002). Pilhas Gesso Estudos de Liquefação. São Paulo, São Paulo, p. 6. Geolabor (2002). Pilhas de Gesso Coleta de Amostras Indeformadas e Ensaios Geotécnicos de Laboratório. Belo Horizonte, Minas Gerais, p. 6. NBR 12007, Solo Adensamento Unidimensional. NBR 7181, Solo Análise Granulométrica. NBR 7182, Solo Ensaio de Compactação. NBR 6508, Solo Massa específica dos grãos. O trabalho vem apresentar a análise dos resultados do programa de ensaios de laboratório executado em amostras de gesso coletadas na pilha que vêm sendo formada em CIU. Com base no ensaios geotécnicos algumas conclusões podem ser obtidas. Com relação das densidades do grãos verifica-se inicialmente que estas densidades situam-se em um valor médio de 2,9 g/cm³. Isso