Caracterização de Resistência Mecânica e Metodologia de Dosagem para Mistura de Resíduos de Triturador de Sucata, Cinza Volante e Cal

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1 Caracterização de Resistência Mecânica e Metodologia de Dosagem para Mistura de Resíduos de Triturador de Sucata, Cinza Volante e Cal Lucas Quiocca Zampieri Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasil, Rodrigo Beck Saldanha Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasil, Isadora Faber Tronca Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasil, Lucas Festugato Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasil, Nilo Cesar Consoli Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasil, RESUMO: Na constante busca de soluções geotécnicas que proporcionem custo reduzido e preservação dos recursos naturais, o aproveitamento de resíduos surge e vem sendo incorporado às soluções de engenharia. Tendo em vista essa técnica, a utilização de três resíduos gerados em grande escala no estado do Rio Grande do Sul vem sendo estudada. Os materiais em estudo são: resíduo de triturador de sucata, cinza volante de termoelétrica e cal de carbureto. O volume produzido desses resíduos formam enormes pilhas de descartes, estocadas nos pátios das empresas que ambicionam um destino mais nobre ao seu rejeito, contribuindo assim para o desenvolvimento sustentável. Quando esses subprodutos são combinados com água e curados, tornam-se um material cimentado com capacidade de aplicação geotécnica. Dessa forma, existe a necessidade de estudar o comportamento destas mistura frente a sua capacidade de resistência mecânica, através da elaboração de uma metodologia racional de dosagem e relação de tensões. Assim, esta pesquisa tem como objetivo quantificar a influência da quantidade de cal de carbureto e porosidade da mistura cimentada, para um determinado tempo de cura, na resistência do resíduo de triturador de sucata estabilizado com cal e cinza volante, e a determinação da relação compressão/tração. As variáveis estabelecidas para esta pesquisa foram: massa específica aparente seca de 1,5; 1,6 e 1,7 g/cm³ e porcentagem de cal de carbureto de 3, 5 e 7%, sendo fixada a umidade da mistura em 17,5%. A mistura é composta por resíduo de triturador de sucata fluff e cinza volante (75% de fluff e 25% de cinza volante). Os resultados encontrados demonstram que ambas resistências estudadas aumentam linearmente com o aumento da quantidade de cal e exponencialmente com a redução da porosidade. A relação porosidade/teor volumétrico de cal ajustado por um coeficiente [η/(l iv ) 0,07 ], mostrou-se adequada na previsão da resistência à tração e à compressão. PALAVRAS-CHAVE: aproveitamento de resíduos, capacidade de resistência mecânica, metodologia de dosagem.

2 1 INTRODUÇÃO A geração de resíduos pelas empresas tem se mostrado um ponto agravante em relação à sustentabilidade ambiental. A partir do refino da matéria prima acabam gerando-se pilhas de rejeito. Com uma visão de sustentabilidade, buscam-se formas de reaproveitar ou reciclar os resíduos, reduzindo as áreas de disposição final e impacto ao ambiente. Resíduos são todos os produtos gerados dentro do processo de produção ou consumo de um outro produto, independente do seu valor comercial (JOHN, 1996), desta forma tendo geração de resíduos em praticamente todas as atividades industriais. Os resíduos no Brasil são classificados pelas (NBR :2004), sendo diferenciados em três classes distintas: classe I (perigosos), classe II (não-inertes) e classe III (inertes). A partir dessa classificação os geradores podem fazer um plano de identificação do risco e alternativas de reaproveitamento. Uma das alternativas de reaproveitamento esta relacionada à aplicação em setores da construção civil, onde se obtêm, por vezes, uma matéria com custo inferior, aliada a uma melhora dos produtos finais. O aumento crescente do consumo de metal motiva as empresas a buscar soluções diferenciadas. Uma opção são os shredders, equipamentos que trituram veículos inteiros e quaisquer outros aparelhos metálicos, separando a fração metálica ferrosa da metálica não ferrosa (CIUCCIO, 2004). Após a retirada dos elementos metálicos ferrosos, obtem-se um resíduo composto por diversos componentes. O destino desse resíduo, também chamado de fluff, ainda são os aterros. A busca por uma melhor destinação e reuso são um desafio (MORIOKA et al, 2005; BOUGHTON & HORVATH, 2006). O reaproveitamento dos subprodutos industriais dentro das áreas geotécnicas podem proporcionar benefícios ambientais e econômicos, obtendo-se melhorias nas características do solo quando realizados de forma metódica, determinando as quantidades necessárias dos materiais empregados (CONSOLI, 2011). A partir dessa concepção, será estudado nesse trabalho o uso do resíduo Fluff como sendo o material a ser estabilizado (maior parcela) através da adição de cinza volante e cal de carbureto na mistura, verificando a influência do agente cimentante (cal de carbureto) e da porosidade na resistência final. Todos os componentes da mistura são resíduos. 2 PROGRAMA EXPERIMENTAL Os materiais empregados foram estudados e caracterizados. Todos eles são resíduos gerados por indústrias do Rio Grande do Sul, que são: cinza volante gerado na termoelétrica de Charqueadas, cal de carbureto gerado na produção do gás acetileno da empresa White Martins e resíduo de triturador de sucata (partículas menores que 2 mm, chamado de fluff ) gerado pela indústria siderúrgica no beneficiamento de sucata para produção de aço. Uma série de ensaios de compressão simples e diametral foram realizados, a fim de quantificar as influências dos parâmetros e estabelecer metodologia de dosagem para essa mistura. 2 MATERIAIS Caracterização dos materiais em estudo. 2.1 Resíduo de Triturador de Sucata (Fluff) O resíduo estudado é gerado por uma empresa siderúrgica da região do Vale dos Sinos, RS. De Acordo com (RECKZIEGUEL, 2012), são processados t/mês de sucata, gerando uma quantidade de t/mês de resíduos. O material utilizado do fluff foi o passante na peneira com abertura de 2 mm. Estudos de outra ordem utilizam o material retido nessa peneira, partículas maiores que 2 mm. Desta forma, com a aplicação do material passante, temos um grande consumo do resíduo gerado. O fluff com fração menor que 2 mm apresenta características predominantes inorgânicas e com compostos cristalinos como quartzo, plagioclásio, calcita, dolomita, hematita, magnetita e feldspato (RECKZIEGUEL, 2012).

3 A granulometria e módulo de finura da amostra de fluff estão de acordo com os limites estabelecidos na NBR 7211:2005 para agregado miúdo. Quando comparado com a areia natural comercializada no estado do Rio Grande do Sul, possui módulo de finura inferior, devido a uma elevada porcentagem de finos presentes no material, cerca de 15% (Tabela 1). Tabela 1. Granulometria Fluff Peneira Fluff (mm) Retida (%) Acumulado (%) 4,75 0,10 0,10 2,36 0,10 0,24 1,18 16,70 16,94 0,60 24,80 41,70 0,30 26,10 67,76 0,15 17,40 85,20 <0,15 14, Total 100 A distribuição granulométrica pode ser melhor observada na Figura 1. Tabela 2. Analise Química Elemento Resultado (%) Fe 2 O 3 33,80 SiO 2 29,09 Al 2 O 3 7,04 CaO 5,89 ZnO 2,55 TiO 2 1,53 MgO 0,91 K 2 O 0,74 SO 3 0,67 Na 2 O 0,37 Cr 2 O 3 0,30 P 2 O 5 0,29 PbO 0,27 BaO 0,21 CuO 0,16 SrO 0,16 Cl 0,14 ZrO 2 0,13 NiO 0,07 Co 2 15,60 O fluff foi classificado por (RECKZIEGUEL, 2012) como não perigoso Classe II não inerte, devido à solubilização de Fe e Mn obtido em ensaio de lixiviação e solubilização (NBR 10004:2004), elementos com menor preocupação ambiental. 2.2 Cinza Volante Figura 1. Distribuição granulométrica O ensaio de massa específica real dos grãos foi realizado de acordo com a (NBR 6508:1984). O resultado para frações menores que 2 mm foi de 3,01 g/cm³. No resultado da análise elementar Tabela 2 foi verificada a presença de Fe, Si e Al, sendo menos presente os metais como Pb, Cu, Cr e Zn. Estes metais são de fundamental importância na avaliação do impacto que o resíduo possa provocar no meio ambiente. A cinza volante utilizada na pesquisa é proveniente do processo da queima do carvão mineral em usinas termelétricas e também se enquadra como resíduo industrial. A procedência da cinza é da termoelétrica Charqueadas, situada no estado do Rio Grande do Sul. A cinza possui coloração cinza e textura fina, possuindo propriedades pozolânicas, sendo praticamente sílica amorfa. Segundo a companhia produtora, a produção média anual de cinza volante é de a toneladas (DALLA ROSA, 2009). A classificação total da cinza está na Tabela 3.

4 Tabela 3. Propriedades Fisicas da Cinza Propriedades Valores Norma seguida para classificação e/ou ensaio Densidade dos Grãos (G) 2,28 NBR 6508/84 % de Areia Média (0,2<Ø<0,6 mm) 1 NBR 6502/95 % de Areia Fina (0,06<Ø<0,2 mm) 7 % de Silte (0,002<Ø<0,06 mm) 90 % de Argila (Ø<0,002 mm) 2 Diâmetro Efetivo (D 10 ) Coeficiente de Uniformidade (C u ) 0,012 mm NBR 6502/95 2 NBR 6502/95 Na analise química temos a composição de 65,2% SiO 2, 23,3% Al 2 O 3, 6,1% Fe 2 O 3, e 0,8% CaO. O ensaio de difração de raio X mostra que a cinza volante é composta predominantemente por minerais amorfos. Apresenta ph em torno de 8,3 (CONSOLI, 2011). 2.2 Cal de Carbureto Conforme a Tabela 4 é possível verificar que a cal de carbureto é formada basicamente por óxido de cálcio e possui pureza maior do que a cal dolomítica comercializada no RS. Tabela 4. Composição Cal de Carbureto Propriedade Cal de Cal comercial carbureto dolomítica* Óxido de cálcio (CaO) 70,2% 44,8% Óxido de magnésio 0,3% 27,9% (MgO) Resíduos insolúveis 1,5% 4,7% Perda ao Fogo 27% 23,3% Óxido de cálcio disponível Massa Específica *Dalla Rosa, ,6% --- 2,12 g/cm³ 2,49 g/cm³ O óxido de cálcio disponível representa a fração da cal de carbureto capaz de reagir com a cinza-volante no processo de estabilização do fluff. 3 MODELAGEM E CURA DOS CORPOS DE PROVA Nos ensaios para resistência de compressão simples e diametral são moldados corpos-deprova de 5 cm de diâmetro por 10 cm de altura respeitando a proporção de 2:1. Logo após a mistura, as quantidades de materiais necessários para a confecção do corpo-de-prova são divididas em três partes iguais. A pesagem dos materiais é feita com balança de resolução de 0,01g, onde são pesados separadamente o fluff, a cinza, a cal, e a água. O fluff, a cinza, a cal são misturados até atingirem uma coloração uniforme. Adiciona-se água e faz-se a mistura através de uma espátula metálica até que seja realizada a completa homogeneização. Duas amostras da mistura são retiradas e colocadas em cápsulas para a determinação da umidade. A média das duas amostras é adotada como teor de umidade do CP. A compactação estática é feita em três camadas, conforme proposto por (LADD, 1978), num molde metálico tripartido. Escarifica-se levemente o topo da primeira e segunda camada, para ter uma maior integração entre camadas sobrepostas. Dessa forma, cada camada tem a massa aparente seca atingida. Após a compactação realizam-se, a desmoldagem, pesagem e medidas das alturas e diâmetros, para posterior acondicionamento dos CPs em sacos plásticos a fim de manter a umidade. Deixa-se curar a temperatura de 22±2 ºC pelo período determinado de cada amostra. O período de cura para posterior rompimento dos corpos de prova teve um tempo determinado de 28 dias. O ensaio de resistência à compressão é uma forma simples, barata e rápida de se encontrar parâmetros relacionados à capacidade de suporte do solo. Trabalhos com solos cimentados fazem uso dessa técnica pela sua praticidade. O procedimento de ensaio seguiu as recomendações da ASTM D 5102/96, realizado em prensa automática com anel dinamométrico

5 calibrado com capacidade de 10 kn. A velocidade de deslocamento do ensaio foi de 1,14 mm/min. Os corpos de prova foram imersos em água com 24h de antecedência ao ensaio de compressão a fim de estabelecer a homogeneização da saturação. Foram rompidos três corpos de prova idênticos, estipulando-se a medida de resistência de cada um deles individualmente, a qual não deve diferir em 10% entre os CPs. 4 PROGRAMA DE TESTES DE COMPRESSÃO SIMPLES E DIAMETRAL DOS CORPOS DE PROVA Através do ensaio de compactação, foram estabelecidos os pontos de massa específica aparente seca das amostras, fixando-se valores em 1,5 g/cm³; 1,6 g/cm³ e 1,7 g/cm³. Dentro dessas três variações foram confeccionados três corpos de prova com três variações de agente cimentante (cal de carbureto) em 3%, 5% e 7%, com umidade constante de 17,5%. Os valores foram fixados dentro de uma faixa que compreendia possível execução em campo. 5 RESULTADOS 5.1 Efeito do teor de cal Figura 4. Resistencia Compressão Diametral x Cal (%) Pode-se observar que com o aumento da massa específica aparente seca, e maiores adições de cal (agente cimentante) em cada um dos d, obtêm-se um ganho de resistência, tanto na compressão simples como na diametral. A cinza é formada por aluminatos e silicatos o que conforme (CONSOLI, 2011) geram um grau de reação pozôlanica quando misturado com cal. Por isso, levando a um ganho de resistência com o aumento crescente das quantidades de cal presentes na mistura. 5.2 Efeito da porosidade A relação das resistências à compressão simples e diametral quando relacionadas com a porosidade da mistura são apresentadas nas Figuras 5 e 6. Valores dos resultados das resistências nos ensaios de compressão simples (q u ) e diametral (q t ) relacionadas com a quantidade de cal são apresentados nas Figuras 3 e 4. Figura 5. Resistencia Compressão Simples x Porosidade (%) Figura 3. Resistencia Compressão Simples x Cal (%)

6 Pode-se observar uma admissível correlação entre a porosidade/teor volumétrico de cal de carbureto ajustados [(η/(l iv ) 0,07 ] e a resistência à compressão simples da mistura de fluff-cinzacal. Esta relação possibilitou a geração de equação única (1) para a determinação da resistência das amostras curadas por 28 dias. Figura 6. Resistencia Compressão Diametral x Porosidade (%) Ao ser reduzida a porosidade da mistura observa-se um acréscimo exponencial da resistência em todas as misturas. Esse tipo de efeito já vem sendo estudado e relatado por outros pesquisadores, que atribuem o ganho devido a um maior número de contato entre as partículas que proporcionam uma maior cimentação (CONSOLI, et al, 2011). (1) O mesmo procedimento foi possível para os resultados de compressão diametral Figura 8, onde o expoente 0,07 apresentou-se como ajuste no teor volumétrico de cal (L iv ). 5.3 Efeito da Relação Porosidade/Teor Volumétrico de Cal Conforme Foppa (2005) a relação porosidade (η) por teor volumétrico proporciona a determinação do comportamento de materiais compactados cimentados. Entretanto, o mesmo confere a necessidade de um ajuste na variável teor volumétrico de cal (L iv ). Este método de dosagem foi utilizado por diferentes autores (FOPPA, 2005), (DALLA ROSA, 2009) e (SILVANI, 2013). Para a presente pesquisa foi utilizado o valor de 0,07 como expoente de correção. Figura 8. Resistencia a Compressão Diametral x Porosidade/Teor Volumétrico de Cal Assim, como para a compressão simples, pode-se observar uma admissível correlação entre a porosidade/teor volumétrico de cal de carbureto ajustados [(η/(l iv ) 0,07 ] para a determinação da resistência a compressão diametral da mistura proposta. Esta relação possibilitou a geração de equação única (2) para a determinação da compressão diametral curadas por 28 dias. (2) 6 Conclusões Figura 7. Resistencia a Compressão Simples x Porosidade/Teor Volumétrico de Cal A partir da análise e discussão dos resultados, bem como da avaliação da influência dos fatores controláveis (quantidade de cal e porosidade) sobre a resistência mecânica do resíduo fluff cimentado artificialmente através

7 da adição de cinza volante e cal de carbureto, foram estabelecidas, dentro das condições e limites específicos deste estudo, as seguintes conclusões. A resistência à tração na compressão diametral e a compressão simples aumentam linearmente com o aumento do teor de cal. Ambas as resistência estudadas ampliam-se exponencialmente com a redução da porosidade devido, provavelmente, ao acréscimo da efetividade das ligações entre as partículas. A relação da porosidade da mistura compactada e do teor de agente cimentante volumétrico ajustado por um expoente igual a 0,07, torna a expressão que permite a previsão do comportamento de amostras curadas: [η(/liv) 0,07 ]. Tendo desta forma um modelo. Esta metodologia fora aplicada anteriormente para solos. Esta pesquisa mostra que também é possível de se aplicar em uma mistura totalmente composta por resíduos. Sendo que o principal componente (neste estudo o fluff) possui características próximas aos agregados miúdos. John, V. (1996). Pesquisa e desenvolvimento de mercados para resíduos. In: Workshop Reciclagem e Reutilização de Resíduos como materiais de construção civil São Paulo. ANTAC. Ladd, R. S. (1978). Preparing test specimens using under-compaction. Geotech. Test. J., 1(1), Morioka T, et al. (2005). Eco-efficiency of advanced loop-closing systems for vehicles and household appliances in hyogo eco-town. Journal of Industrial Ecology, 9(4), p Reckziegel, V. (2012). Caracterização para o Reaproveitamento do Resíduo de um Triturador de Sucata em uma Usina Siderúrgica. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Silvani, C. (2012). Influência da temperatura na cura da mistura areia- cinza volante-cal. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem as instituições que financiaram a pesquisa, e todas as pessoas que se envolveram e contribuiram para o desenvolvimento da mesma. REFERÊNCIAS Boughton B, Horvath A. (2006). Environmental assessment of shredder residue management. Resource Conserve Recycling; 47(1), p Ciuccio, M.T.P. (2004) Estudo de tendências e oportunidades no desenvolvimento sustentável para a reciclagem de veículos e seus materiais. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de São Carlos. Consoli, N. C. (2011). Variables governing strength of compacted soil fly ash lime mixtures. Journal of Materials in Civil Engineering. ASCE Vol. 23, p Dalla Rosa A, A. (2009). Estudo dos Parâmetros-Chave no Controle da Resistência de Misturas Solo-Cinza- Cal. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Foppa, D. (2005). Análise de Variáveis-chave no Controle da Resistência Mecânica de Solos Artificialmente Cimentados. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Rio Grande do Sul.

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