Estudo Experimental de um Solo Arenoso Estabilizado com Cinzas de Resíduo Sólido Urbano para Aplicação em Obras Geotécnicas

Transcrição

1 Estudo Experimental de um Solo Arenoso Estabilizado com Cinzas de Resíduo Sólido Urbano para Aplicação em Obras Geotécnicas Lucianna Szeliga Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio), Rio de Janeiro, Brasil, Michéle Dal Toé Casagrande Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio), Rio de Janeiro, Brasil, RESUMO: Neste trabalho apresenta-se o estudo do comportamento de um solo arenoso estabilizado com duas porcentagens (30% e 40%) de cinza volante proveniente da incineração de resíduo sólido urbano em usina geradora de energia elétrica, para utilização em obras geotécnicas como camadas de aterros sanitários, aterros sobre solos moles e estabilização de taludes. Para isso foram realizados ensaios de caracterização física, química e mecânica (ensaios triaxiais consolidados isotropicamente drenados - CID) dos materiais puros e misturas. Para os ensaios triaxiais CID adotou-se uma densidade relativa de 50% e umidade de 10% para moldagem dos corpos de prova. As misturas com inserção de cinza volante apresentaram um comportamento mecânico semelhante ao solo puro para ambas as porcentagens estudadas, podendo-se, dessa forma, adotar a porcentagem de 40% como um teor ótimo, uma vez que possibilita a disposição ambientalmente correta de uma maior quantidade de material. PALAVRAS-CHAVE: Cinza de resíduo sólido urbano (RSU), Cinza volante, Ensaio triaxial, Estudo experimental, Solo arenoso. 1 INTRODUÇÃO A gestão e diaposição final de resíduos sólidos urbanos (RSU) representa um grande problema da sociedade atual em todo o mundo. Por ano, são geradas bilhões de toneladas de lixo, sendo uma porcentagem disposta em aterros sanitários, e outra parte ainda disposta inadequadamente em lixões, beira de rios, e outros ambientes naturais. Questões como escassez ou inexistência de área para disposição final correta do lixo, juntamente com conflitos de uso de terras e os impactos que esses residuos causam, tem sido motivo para a procura de alternativas ambientalmente corretas. Uma das práticas que já têm sido adotadas por alguns países consiste na incineração do RSU em usinas geradoras de energia elétrica. Como produto desta atividade tem-se a redução de volume e tratamento termico do lixo, e a geração de um sub-produto, que são as cinzas volante e de fundo de RSU. Muitas vezes, o solo natural não preenche todas as exigencias necessárias para um projeto geotécnico, o que faz com que haja uma procura por alternativas, sendo uma delas a adequação e modificação do material natural através da melhoria de suas prorpiedades com a inserção de outros materiais, criando-se um novo material com caracteristicas de resistência e deformabilidade próprios. A técnica de inserção de materiais alternativos em obras geotécnicas auxilia na diminuição dos custos das obras, uso de recursos naturais, demanda de energia para extração, transpote de materiais, dentre outros fatores. Dentro deste contexto, o presente trabalho objetivou avaliar a aplicação de cinzas volantes, obtidas através da incineração de RSU, em

2 mistura com um solo arenoso, para sua aplicação em obras geotécnicas como construção de camadas de aterros sanitarios, aterros sobre solos moles e estabilização de taludes. Os resultados obtidos se mostram satisfatórios, uma vez que a inserção da cinza ao solo manteve os paramêtros de resistência do material semelhante ao natural para misturas com 30 e 40% de cinza, dando-se uma destinação ambientalmente correta ao resíduo. 1.1 Processo de Incineração do RSU A cinza volante utilizada na presente pesquisa é proveniente da USINAVERDE, que se localiza na cidade universitária da UFRJ Ilha do Fundão Rio de Janeiro-RJ. Esta tem como objetivo apresentar soluções ambientais para a destinação final de resíduos sólidos urbanos e industriais através do processo de incineração com recuperação energética e tratamento dos gases de combustão. A usina recebe aproximadamente 30 toneladas de resíduos sólidos por dia, que passam por um processo prévio de separação de materiais reciclaveis pela COMLURB (Companhia Municipal de Limpeza Urbana) e novamente na própria usina antes de serem incinerados. A Figura 1 apresenta a composição do RSU após processo de reciclagem pela COMLURB e USINAVERDE. resicláveis são segregados manualmente e com o auxilio de detectores de metais nas esteiras por onde são conduzidos. Em seguida, o RSU é triturado e o material fino separado com o auxilio de uma peneira rotativa e em seguida encaminhado para secagem, a fim de se reduzir sua umidade. Em seguida é feita uma nova moagem do material, depositando-o posteriormente em silos. Este é então encaminhado para o forno de incineração, que opera a uma temperatura de 950 C. É através deste processo de incineração que são produzidas as cinzas volante e de fundo. A cinza de fundo é depositada no fundo da câmara de pós-combustão e encaminhada ao tanque de decantação e disposta em caçambas. Os gases quentes e a cinza volante são axauridos da cãmara de pós-combustão e aspirados para a caldeira de recuperação onde ocorre o aproveitamento energético (co-geração de energia). Posteriormente os gases são neutrazilados em um conjunto de lavadores, sendo os gases limpos aspirados e descarregados posteriormente na atmosfera. A solução de lavagem é recolhida nos tanques de decantação onde ocorre a neutralização com as cinzas do próprio processo e hidróxido de cálcio, o que ocasiona a mineralização (decantação dos sais), sendo esta solução posteriormente reaproveitada no processo de lavagem (recirculação). Em seguida, a cinza volante é encaminhada para os tanques de decantação onde periodicamente é retirada e armazenada em caçambas. Ao final do processo são obtidos de 8 a 10%, em volume, das duas cinzas, que representam cerca de 80% de cinza pesada (de fundo) e 20% de cinza volante (Fontes, 2008). 2 PROGRAMA EXPERIMENTAL 2.1 Materiais utilizados Figura 1 Composição do RSU (Fontes, 2008). Na USINAVERDE, o RSU passa por um processo de triagem, onde os materiais O solo arenoso utilizado (Figura 2) é procedente da praia da Barra da Tijuca, localizada na zona oeste da cidade do Rio de Janeiro-RJ. A cinza volante (Figura 3) é proveniente da incineração do Resíduo Sólido Urbano (RSU)

3 na USINAVERDE, localizada na Ilha do Fundão, Rio de Janeiro-RJ. seus parâmetros de resistência, para se avaliar a aplicabilidade das cinzas volantes como estabilizantes do solo em estudo Caracterização Física Figura 2 Solo arenoso. Visando determinar as propriedades índice da amostra de solo arenoso e misturas, e assim caracteriza-los, foram realizados os ensaios de análise granulométrica segundo a NBR 7181/1984; determinação da densidade real dos grãos (Gs) segundo a NBR 6508/1984; e determinação do índice de vazios máximo (e máx ) e mínimo (e min ) segundo as NBR 12004/1990 e NBR 12051/1991, respectivamente. O ensaio de análise granulométrica foi realizado por meio de peneiramento e sedimentação Caracterização Química A fim de se analisar as concentrações dos elementos químicos da cinza volante, foram realizados ensaios de Espectometria de fluorescência de Raio-X por Energia Dispersiva (EDX). Esta técnica permite a determinação qualitativa e semi-quantitativa dos elementos presentes na amostra. Figura 3 Cinza volante de RSU da USINAVERDE. Os símbolos que descrevem os materiais e misturas utilizados no estudo são apresentados na Tabela 1. Tabela 1 Símbolos utilizados Material/ % Solo Mistura % Cinza Volante Símbolo Solo Arenoso A 100 Mistura CV 30 A 70 Mistura CV 40 A Caracterização Mecânica Com o objetivo de se verificar as propriedades mecânicas dos materiais, foram realizados ensaios triaxiais do tipo consolidado isotropicamente drenado (CID). A confecção dos corpos de prova do solo arenoso puro e misturas foram realizadas por compactação diretamente em um molde cilindrico tripartido. Foram adotados os valores de umidade e densidade relativas iguais a 10% e 50% respectivamente. 2.2 Ensaios Realizados A realização deste programa experimental teve como objetivo obter a caracterização física, química e mecânica do solo e misturas solocinza volante, avaliando-se seu comportamento através de ensaios triaxiais consolidados isotropicamente drenados (CID) e se obtendo 3 RESULTADOS E ANÁLISES 3.1 Caracterização Física O solo arenoso caracteriza-se por ser uma areia média, limpa e de granulometria uniforme. Os índices físicos do solo puro são apresentados na Tabela 2.

4 Tabela 2 Símbolos utilizados Índices Físicos Solo Arenoso Densidade real dos grãos (Gs) 2,65 Coeficiente de uniformidade (Cu) 1,76 Coeficiente de curvatura (Cc) 1,1 Diâmetro efetivo (D 10 ) Diâmetro médio (D 50 ) 0,33 mm 0,55 mm Índice de vazios mínimo (e min ) 0,51 Índice de vazios máximo (e max ) 0,74 A Figura 4 apresenta as curvas granulométricas dos materiais puros e misturas estudadas. apresentam com valores entre aos dos materiais puros, o que indica que ao se adicionar a cinza volante ao solo, poderá ser obtido um material mais leve. Vizcarra (2010) também utilizou em seu trabalho as cinzas de RSU provenientes da USINAVERDE. O autor classificou a cinza volante como SM (areia siltosa). De acordo com Ferreira et al (2003), as cinzas de RSU podem ser aplicadas em obras de pavimentação como substitutos à areia. De fato, como observado, as cinzas possuem grande proporção de fração areia, o que as tornariam adequadas a tal aplicação. Tabela 3 Densidade real dos grãos. Amostra Teor de CV (%) Densidade real dos Grãos (Gs) A 0 2,654 CV 30 A ,637 CV 40 A ,628 CV 100 2, Caracterização Química Figura 4 Curvas granulométricas dos materiais e misturas. Observa-se que a cinza volante de RSU possui uma alta fração de material fino, correspondente à granulometria silte, e uma fração média de grãos referentes a uma areia média. Através das misturas, observa-se que o material resultante adquire uma granulometria intermediária aos materiais puros, sendo mais bem graduado que a areia pura e mais uniforme que a cinza volante pura. De acordo com Sistema Unificado de Classificação dos Solos (SUCS), a areia em estudo é classificada como SP (areia mal graduada); a cinza volante como ML (silte com areia); e ambas as misturas com 30 e 40% de CV como SM (areia siltosa). Os resultados para a densidade real dos grãos (Gs) são apresentados na Tabela 3. Observa-se que o valor de Gs da cinza pura se apresenta menor do que o solo puro, e as misturas se Os elementos químicos presentes na cinza volante em estudo são apresentados na Tabela 4. Tabela 4 Elementos químicos presentes na CV. Elemento Químico Concentração (%) CV Silício 14,386 Cálcio 54,489 Ferro 7,934 Alumínio 6,781 Titânio 4,211 Enxofre 4,095 Potássio 2,645 Zinco 2,234 Cloro 1,238 Manganês 0,466 Vanádio 0,341 Cromo 0,319 Chumbo 0,403 Outros 0,458

5 Observa-se que os principais elementos encontrados são o Si, Ca, Fe, Al, Cl, Na, K, S, Zn. Lam et al (2010) compilaram análises químicas de cinzas de fundo e volante de RSU provenientes de diferentes usinas incineradoras, realizadas por diversos autores. Os resultados apresentados mostraram como principais, os mesmos elementos encontrados na presente pesquisa. Segundo os autores, os compostos SiO 2, Al 2 O 3, CaO, Fe 2 O 3, Na 2 O, K 2 O são os óxidos comumente achados nas cinzas, sendo o CaO o composto mais abundante existente na cinza volante, constituindo mais de 46% desta. Vizcarra (2010) também estudou as cinzas provenientes da USINAVERDE, e obteve em sua análise que a cinza volante apresenta o composto CaO, SiO 2, e Al 2 O 3 em abundancia. Os dois primeiros compostos, são o que mais têm influência nas reações de estabilização, demonstrando a viabilidade da composição química da cinza volante para uso em estabilização de solos. Vizcarra (2010) realizou ensaio para determinação do teor de matéria orgânica e ensaios ambientais de lixiviação e solubilização para classificação da cinza volante de RSU. Foi observado que o teor de matéria orgânica presente na cinza volante é bem baixo, fator que favorece a atividade pozolanica do material. Através dos ensaios ambientais, a cinza foi classificada como Resíduo Classe IIA Não Inerte. Ubaldo et al (2012) também utilizou as cinzas volantes de RSU provenientes da USINAVERDE para estudo, obtendo em sua análise um baixo teor de matéria orgânica presente na cinza volante, afirmando que isto influencia favoravelmente o mecanismo de estabilização química. 3.3 Caracterização Mecânica A Figura 5 apresenta o comportamento das curvas tensão desviadora (σ d ) e variação volumétrica (ɛ v ) versus deformação axial (ɛ a ), correspondentes aos ensaios do tipo CID, para o solo arenoso puro e misturas com 30% e 40% de cinza volante (CV 30 A 70, CV 40 A 60 ). Figura 5 - Curvas tensão desviadora e deformação volumétrica versus deformação axial das amostras de solo puro e misturas CV 30 A 70 e CV 40 A 60 em ensaios triaxiais. Nota-se que para a tensão confinante de 50 kpa, ambas as misturas apresentam um comportamento inferior ao solo puro. Entre 0 e 2% de deformação axial todos os materiais alcançam uma resistência que se mantém aproximadamente constante até atingir-se maiores deformações, sendo que nesta faixa, o solo puro apresenta uma maior resistência. Observa-se que a mistura CV 30 A 70 atinge uma resistência maior que a mistura com 40% de cinza volante quando submetida a este nível de tensão. Através do gráfico da deformação volumétrica versus deformação axial, nota-se que a areia pura sofre um aumento contínuo de volume durante o cisalhamento, enquanto ambas as misturas com cinza volante sofrem uma diminuição semelhante de seu volume, sendo que a amostra CV 30 A 70 apresenta uma deformação volumétrica um pouco maior que a CV 40 A 60. Para a tensão confinante de 150 kpa, o solo arenoso apresenta uma resistência de pico à aproximadamente 2% de deformação axial,

6 depois se mantendo constante com o aumento desta. A mistura CV 40 A 60, ensaiada à tensão confinante de 200 kpa, se apresenta inferior à mistura CV 30 A 70, ensaiada na 150 kpa, até uma deformação de aproximadamente 10,4%, onde as resistências das misturas se igualam e os valores de resistência da CV 40 A 60 continuam a crescer e também ultrapassam o solo arenoso puro a 14% de deformação axial, se tornando superior a ambos os materiais. Inicialmente a mistura CV 30 A 70 apresenta valores de resistência menores do que o solo puro, se igualando a este a partir de maiores deformações axiais, de aproximadamente 16%, e se mantendo constante e inferior à mistura CV 40 A 60. Enquanto o solo arenoso apresenta um aumento de volume contínuo durante o cisalhamento, ambas as misturas apresentam uma diminuição de volume, sendo que a mistura CV 40 A 60 apresentou uma deformação volumétrica significativamente maior do que a mistura CV 30 A 70. Para a tensão confinante de 250 kpa o solo puro apresentou valores de resistência sempre superiores a ambas as misturas com cinza volante, sendo que neste caso a mistura com 30% se manteve todo o tempo também superior à mistura com 40%. Ambas as misturas igualam o valor da resistência em aproximadamente 20% de deformação axial, porém ainda com valor inferior ao solo puro. Em relação à variação de volume, nota-se que a areia pura também sofre dilatação para a tensão confinante de 250 kpa, enquanto que ambas as misturas nesse caso também sofrem uma diminuição de volume mais acentuada. Assim, pode-se dizer que de forma geral, o comportamento do solo puro foi superior a ambas as misturas com cinza volante para baixos e médios valores de deformação axial, tanto para baixas como altas tensões confinantes. Neste caso, ensaios como o ring shear, que possibilitam a análise dos resultados a deformações axiais maiores, seriam importantes, uma vez que se observa a tendência das resistências residuais se igualarem ou ultrapassarem os valores do solo puro. Comparando-se ambas as misturas, de maneira geral observa-se que a mistura CV 40 A 60 se apresenta inferior à mistura com 30% de cinza volante, uma vez que esta possui valores de resistência maiores para baixas e médias deformações, podendo se igualar à CV 40 A 60 a maiores deformações axiais e apresenta menores deformações volumétricas durante o cisalhamento. A Figura 6 apresenta as envoltórias e parâmetros de resistência ao cisalhamento para o solo arenoso puro e misturas. As envoltórias estão plotadas no espaço p :q. as envoltórias de resistência foram feitas baseadas na resistência apresentada pelos materiais a uma mesma deformação axial de 17%. Figura 6 - Comparação entre as envoltórias de resistência do solo puro e misturas CV 30 A 70 e CV 40 A 60. A Tabela 5 apresenta os valores dos parâmetros de resistência obtidos para para os materiais em estudo. Tabela 5 Parâmetros de Resistência. Misturas Parâmetros de Lambe Parâmetros de Mohr a (kpa) α ( ) c (kpa) ф ( ) A 0 29,1 0 33,82 CV 30 A 70 7,91 28,07 9,35 32,23 CV 40 A , ,06 Nota-se que as misturas tanto com 30% como 40% de cinza volante, mantiveram o ângulo de atrito bem próximo ao valor do solo puro, porém diminuindo este em mais ou menos 1,5 1,8. Observa-se que a mistura CV 30 A 70 apresenta um valor de ângulo de atrito um pouco superior à mistura com 40%, e ocasionou um aumento na coesão do material. Vale ressaltar que esta coesão apresentada pelo

7 material se trata de uma coesão aparente, e não real que ocorrem em geral devido a atrações químicas entre partículas. Esta coesão aparente constitui uma parcela de resistência que pode estar relacionada a possíveis bolhas de ar remanescentes no corpo de prova. Desta maneira, pode-se afirmar que tanto a mistura com 30%, como 40% de cinza volante, não causando variações muito significativas nos parâmetros de resistência do solo, sendo que a mistura CV 30 A 70 se apresenta um pouco superior à mistura CV 40 A CONCLUSÕES Através dos resultados obtidos conclui-se que as misturas com a inserção de cinza volante de RSU apresentaram um comportamento tensão vs deformação que se difere ao solo puro para pequenas deformações axiais em análise de resultados de ensaios triaxiais, mas que a maiores deformações tendem a se igualar ou mesmo a ultrapassar os valores de resistência do solo puro. Observou-se que a inserção da cinza volante ao solo arenoso não ocasionou grandes variações nos parâmetros de resistência do material, podendo-se adotar a porcentagem de 40% de cinza volante como um teor ótimo, uma vez que seria possível a utilização e disposição de uma maior quantidade de resíduo. A cinza poderia ser utiliada em substituição à areia nessa porcentagem, dependendo do tipo de obra. Através da análise química das cinzas, observou-se que esta apresenta baixos teores de matéria orgânica e elevado teor de CaO, SiO 2, Al 2 O 3 e Fe 2 O 3, que em conjunto auxiliam a ocorrência de reações pozolânicas, que integram o processo de estabilização química do solo. Neste caso, reações pozolânicas ocorreriam na mistura deste tipo de cinza em um solo com presença de minerais argilicos, ou o solo arenoso com mistura cinza-cal. Quando misturada com água e cal, esta reage com a sílica e alumina existentes na cinza, formando componentes cimentícios. A mistura cinza-cal proporciona uma estabilização quimica ao solo granular, de forma a melhorar sua resistência por meio da adição de pequenas quantidades de ligantes nos pontos de contato dos grãos. AGRADECIMENTOS Os autores expressam seus agradecimentos à Usina Verde pelo fornecimento das cinzas para a realização deste estudo e ao CNPq pelo apoio financeiro. REFERÊNCIAS 7181/84 - Análise Granulométrica. 6508/84 Determinação da densidade real dos grãos 12004/90 Determinação do índice de vazios máximo de solos não coesivos /91 Determinação do índice de vazios mínimo de solos não coesivos /04 Resíduos Sólidos - Classificação. Ferreira, C.,Ribeiro, A., Ottosen, L. (2003) Possible Applications for Municipal Solid Waste Fly Ash. Journal of Hazardous Material B96 p Fontes, C.M.A. (2008) Utilização das Cinzas de Lodo de Esgoto e de Resíduo Solido Urbano em Concretos de Alto Desempenho. Tese de Doutorado, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro-RJ. Lam, C.H.K., Alvin, W.M., Barford, J.P., McKay, G. (2010) Use of Incineration MSW Ash: A Review. Journal of Sustainability, 2, ; doi: Szeliga, L. (2014) Estudo Experimental de um Solo Arenoso Estabilizado com Cinzas de Resíduo Sólido Urbano e Cal. Dissertação de Mestrado, PUC-Rio, Rio de Janeiro-RJ. Quispe, C. Q. (2013) Comportamento de um solo argiloso estabilizado com cinzas de resíduo sólido urbano (RSU) sob carregamento estático. Dissertação de mestrado, PUC-Rio, Rio de Janeiro-RJ. Ubaldo, M. O., Motta, L. M. G., Fritzen, M. A. (2012) Estabilização de solos para pavimentação com uso de cinza volante de RSU. Anais COBRAMSEG 2012, Porto de Galinhas-PE. Vizcarra, G.O.C. (2010) Aplicabilidade de Cinzas de Resíduo Sólido Urbano Para Base de Pavimentos. Dissertação de Mestrado, PUC-Rio, Rio de Janeiro- RJ.