ESTUDO EXPERIMENTAL DE MISTURAS DE SOLO ARENOSO E CINZA DE BAGAÇO DE CANA DE AÇUCAR E DE CASCA DE ARROZ PARA APLICAÇÃO EM OBRAS GEOTÉCNICAS

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1 Departamento de Engenharia Civil ESTUDO EXPERIMENTAL DE MISTURAS DE SOLO ARENOSO E CINZA DE BAGAÇO DE CANA DE AÇUCAR E DE CASCA DE ARROZ PARA APLICAÇÃO EM OBRAS GEOTÉCNICAS Alunos: Leanderson Muniz de Santana e Paula Helene Silveira Orientador: Michéle Dal Toé Casagrande Introdução O bagaço gerado durante a extração do caldo na moagem da cana de açúcar é considerado o maior resíduo na agricultura brasileira. A casca de arroz, que consiste no principal subproduto da indústria arrozeira, corresponde a cerca de 20% do total de arroz seu descarte constitui também um grave e dispendioso problema. O bagaço de cana tem sido empregado como combustível nas usinas e destilarias brasileiras e a casca de arroz atualmente é utilizada pelas indústrias beneficiadoras em processos de co-geração de energia. Como produto das atividades supracitadas, tem-se a redução de volume deste resíduo, porém há geração de um subproduto, que são a cinza de bagaço de cana de açúcar e a cinza de casca de arroz. A presente pesquisa visa propor uma solução para a destinação final destas cinzas visando sua utilização como um material geotécnico alternativo. Desta forma seria possível obter uma diminuição tanto nos custos das obras como no uso de recursos naturais e assim incentivaria o investimento neste tipo de infraestrutura, podendo desta forma atender também parcelas da sociedade que são menos favorecidas. Para a utilização desses novos materiais é extremamente necessário que se conheça as propriedades mecânicas, físicas e químicas dos mesmos, bem como das misturas realizadas com o solo a fim de conhecer seu comportamento mecânico. A cinza de bagaço de cana e a cinza de casca de arroz podem funcionar como agentes estabilizantes de solos, e assim serem empregadas, por exemplo, em camadas de aterros sanitários, aterros sobre solos moles e estabilização de taludes. Devido ao fato do solo natural ser complexo e variável, muitas vezes não preenchendo total ou parcialmente as exigências de um projeto geotécnico, é necessária uma busca por alternativas, sendo uma delas a adequação e modificação do material natural através da melhoria de suas propriedades com aditivos. Criando-se um novo material com características de resistência e deformabilidade próprias que pode ser adequado a tais obras. Objetivo O objetivo principal desta pesquisa consiste em avaliar o potencial de utilização das cinzas de bagaço de cana de açúcar proveniente da Companhia Açucareira Usina Barcelos e da cinza de casca de arroz, Indústria de Beneficiamento Arroz Urbano Agroindustrial, como agentes estabilizantes em um solo arenoso e em um solo argiloso para possíveis aplicações geotécnicas. Pretende-se alcançar este objetivo através da análise do comportamento físico, químico e mecânico do solo puro e misturas com discriminadas porcentagens, com a cinza de bagaço de cana foram adotadas 5%, 10% e 20% e nas misturas com cinza de casca de arroz 10% e 20% a fim de se obter a melhoria dos parâmetros de resistência dos materiais.

2 Objetivos específicos: Realizar ensaios de caracterização física e química do solo, das cinzas de bagaço de cana de açúcar e de casca de arroz e misturas solo-cinza, através de ensaios laboratoriais normatizados; Avaliar o comportamento mecânico do solo puro e em mistura com diversos teores das cinzas de bagaço de cana e de casca de arroz através de ensaios de cisalhamento direto a fim de se obter os parâmetros de resistência ao cisalhamento dos materiais; Analisar a influência dos teores de cinzas adicionadas ao solo; Através dos resultados obtidos, concluir se há viabilidade técnica e ambiental das misturas estudadas, de forma que possam ser efetivamente utilizadas em obras geotécnicas; Para o desenvolvimento do programa experimental, os ensaios foram realizados no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio). Programa experimental Materiais utilizados Foram utilizados quatro tipos de materiais: solo arenoso (Areia), cinza de bagaço de cana (CBC), cinza casca de arroz (CCA) e solo argiloso (Argila). Trabalhou-se com estes materiais puros e misturas decorrentes destes com diferentes teores de cinzas. Solo Arenoso O solo arenoso utilizado na presente pesquisa é procedente da praia da Barra da Tijuca, zona oeste do Rio de Janeiro - RJ. O solo, coletado com todos os procedimentos pertinentes para a redução das impurezas no mesmo, foi armazenado em sacos plásticos e transportado até o local de estudo. Solo Argiloso O solo argiloso utilizado maduro, coluvionar, argilo-arenoso, não saturado. Este foi coletado no Campo Experimental II, interior do campus da PUC-Rio. O material foi retirado entre 0,0 m e 2,00 m de profundidade, desde a superfície da encosta. Este solo possui características de tonalidade vermelha amarelada, textura micro-granular e com aspecto homogêneo, sendo constituído basicamente por quartzo, granada alterada, argilominerais (essencialmente caulinita) e óxidos de ferro e alumínio, como produto do intemperismo dos minerais primários da biotita gnaisse. Cinza de Bagaço de Cana de Açúcar A cinza de bagaço de cana utilizada nesta pesquisa é proveniente da Companhia Açucareira Usina Barcelos, localizada no Município de São João da Barra/RJ. Misturas Solo-Cinza Para realização dos ensaios e preparação das misturas, tanto o solo como as cinzas foram secados em estufa a 60 C. Logo após, foram armazenados e etiquetados em sacos plásticos bem vedados e mantidos na câmara úmida. Após a mistura a seco, realizaramse os ensaios de caracterização física, química e mecânica. Para os ensaios mecânicos, adicionou-se a quantidade de água necessária para se obter a umidade determinada para o ensaio que foi de 10% da massa total para as misturas com solo arenoso, a determinação desta umidade utilizada nos ensaios foi feita através do ensaio de cisalhamento direto no solo arenoso puro, foram feitos ensaios com

3 o solo apresentando 5, 10, 15 e 20% de umidade, obtendo-se melhor resistência do material quando este apresentava 10% de umidade, dessa forma, determinou-se esta porcentagem para realização do ensaio em todas as misturas e solo puro. Para o solo argiloso foi utilizada a umidade ótima de cada mistura, estas foram obtidas por meio do ensaio de compactação. As porcentagens da cinza de bagaço de cana foi de 5 %,10% e de 20% no solo arenoso no solo argiloso foi de 10% e de 20% já na cinza de casca de arroz a variação de 10% e de 20% para ambos os solos estudados. Métodos e procedimentos de ensaio O objetivo da realização deste programa experimental foi a de obter a caracterização física, química e mecânica do solo e misturas solo-cinza, avaliando seu comportamento através de ensaios de cisalhamento direto e obtendo seus parâmetros de resistência, para se avaliar a aplicabilidade das cinzas de bagaço de cana de açúcar e de casca de arroz como estabilizantes dos solos em estudo. Abaixo são apresentados os ensaios laboratoriais realizados para caracterização física e mecânica dos solos e misturas estudadas: a) Propriedades físicas e de classificação dos materiais: - Densidade Real dos Grãos; - Índice de vazios máximo e mínimo do solo; - Análise granulométrica; - Limite de Liquidez; - Limite de Plasticidade. b) Propriedades químicas: - Composição Química c) Propriedades mecânicas: - Ensaio de Compactação - Ensaio de Cisalhamento Direto Ensaios de Caracterização Física Para solo argiloso do campo experimental da PUC-Rio e para as misturas solo argiloso cinzas foram executados ensaios de caracterização física do material. Sendo proveniente de amostras deformadas, o solo foi preparado conforme procedimentos normatizados pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). Os ensaios realizados seguiram os métodos estabelecidos pelas seguintes normas: NBR 6508/ Solo - Determinação da densidade real dos grãos; NBR 7181/1984 Solo Análise Granulométrica; NBR 12004/1990 Solo Determinação do índice de vazios máximo de solos não coesivos; NBR 12051/1991 Solo Determinação do índice de vazios mínimos de solos não coesivos. NBR 6459/1984 Solo Determinação do Limite de Liquidez; NBR 7180/1984 Solo Determinação do Limite de Plasticidade. Densidade Real dos Grãos Do material passante na peneira #40, seco em estufa a 105 C, foi utilizado proximadamente 100 gramas. Posteriormente, foi colocado 30g da amostra de material em três picnômetros de 250ml, e foi adicionada água a estes de forma que o solo ficasse totalmente submerso. Através de uma válvula a vácuo, realizou-se o processo de deaeração da mistura, a fim de que todo o ar presente nos vazios do solo fosse retirado. Completou-se o volume restante com água destilada de maneira lenta, para que não

4 houvesse entrada de ar nos picnômetros. Após o procedimento descrito anteriormente para que houvesse a equalização da temperatura dos picnômetros, que baixou devido aplicação de vácuo, estes foram imersos em água, pesou-se cada conjunto (picnômetro+solo+água). Obtido este valor, material que estava contido nos picnômetros foi descartado e estes novamente foram preenchidos desta vez apenas com água destilada, e em seguida foram pesados (picnômetro+água). A temperatura da água foi determinada através de um termômetro, e garantiu-se que o valor desta na equalização do primeiro conjunto, fosse igual a do segundo. A partir dos dados obtidos, foi possível determinar a massa específica dos grãos segundo a Equação a seguir: Onde: ( ) (3.2.1) = peso do picnômetro + água; = peso do solo; = peso do picnômetro + água + solo; = constante de correção para temperatura igual a 22 C; Os resultados obtidos para todos os materiais envolvidos são apresentados no capítulo 4. Análise Granulométrica O material retido na peneira # 40 foi lavado e posteriormente secado por 24h em estufa a 105 C, realizando-se o peneiramento grosso logo após este período. Do material passante na peneira #40, utilizou-se 70 gramas para a sedimentação, sendo este misturado com 125 ml de uma solução de hexametafosfato de sódio e deixado em repouso pelo menos durante 12 horas. Após este processo, submeteu-se o material à dispersão mecânica, transferindo-o em seguida para uma proveta de 1000ml onde o restante do volume foi completado com água destilada para então serem feitas as devidas leituras. Depois de realizada a sedimentação, todo o material foi lavado à peneira #200, e o que ficou retido foi levado à estufa, para quando seco, proceder-se com o peneiramento fino. Para o solo arenoso em estudo só foi necessária a realização do peneiramento grosso. Índice de vazios máximos e mínimos Para determinação dos índices de vazios máximos e mínimos, tanto do solo arenoso puro, como das misturas, foram utilizados um funil, um cilindro metálico e uma mesa vibratória. A principio foram obtidas as dimensões do cilindro metálico, visando calcular seu volume interno, e seu peso. A determinação do índice de vazio máximo procedeu segundo a NBR 12004/1990. Inicialmente a amostra de material foi homogeneizada e, com o auxílio de um funil, despejada no cilindro metálico de forma que a altura de queda do material se mantivesse constante e este permanecesse num estado mais fofo possível. Neste processo, o funil foi movido segundo uma trajetória constante em movimento circular, da borda para o centro do molde, de forma que as camadas fossem compostas de espessuras uniformes. O molde foi preenchido de 1 a 2 cm acima do topo e o excesso de material foi retirado com o auxilio de uma régua biselada, pesando o conjunto. A determinação do índice de vazio mínimo procedeu segundo a NBR 12051/1991. O processo inicial de homogeneização e o método de utilização do funil para despejo do

5 material no cilindro se deram da mesma forma que a descrita anteriormente para o índice máximo. Com o auxílio do funil, primeiramente, 1/3 do volume de cilindro foi preenchido, colocando-se em seguida um disco-base e um peso em seu interior para aplicar uma sobrecarga no material, e fixou-se o cilindro a uma mesa vibratória por 1 min. O processo foi repetido em mais 2 camadas, até que o cilindro fosse preenchido de 1 a 2 cm acima do topo. Após esse processo, o excesso de material é retirado e o conjunto pesado. Em ambos os casos, o processo foi repetido três vezes, a fim de se ter uma maior precisão no resultado. O valor final calculado para os mesmos foi obtido tirando uma média das três repetições. Limites de Atterberg Os ensaios de limites de liquidez (LL) e de plasticidade (LP), que permitem caracterizar a interação solo-água, foram realizados segundo os procedimentos descritos pelas normas brasileiras NBR 6459 e NBR 7180 (ABNT, 1984), respectivamente. Através dos dados obtidos por meio destes ensaios, pode-se determinar o Índice de Plasticidade (IP) dos materiais segundo a Equação a seguir: ( ) ( ) ( ) (3.2.2) O Limite de Liquidez é obtido através do teor de umidade do solo quando há o fechamento de uma ranhura padrão feita em uma massa do mesmo, colocada na concha de um aparelho normalizado denominado aparelho de Casagrande, sob a ação de 25 golpes no aparelho. O Limite de Liquidez (LL) marca a transição do estado plástico ao estado líquido do solo e o Limite de Plasticidade a transição do estado plástico para o estado semi-sólido do solo. Ensaios de Caracterização Química Para determinar os componentes químicos, classificar e definir a existência ou não de periculosidade das cinzas estudadas no presente trabalho, Levam-se em consideração os ensaios para determinação da classificação do resíduo, Cordeiro(2007), como perigoso ou não perigoso, e inerte ou não inerte se define a escolha do tipo de disposição final que este deve ter e suas aplicações. Para a presente pesquisa não se fez necessária a repetição de todos estes ensaios, devido ao fato das cinzas serem provenientes do mesmo local que o estudado por Cordeiro(2007) optando-se então somente pela realização do ensaio para se analisar a composição química do material. Composição Química A fim de se analisar as concentrações dos elementos químicos das cinzas, e o resultado de possíveis reações entre as cinzas e os solos estudados foram realizados ensaios de Espectrometria de fluorescência de Raio-X por Energia Dispersiva (EDX) para as cinzas puras e para as misturas estudadas. Este ensaio permite a determinação da composição química total das amostras. Ensaio de Caracterização Mecânica Com o objetivo de se verificar as propriedades mecânicas dos materiais e das misturas estudadas, para determinação da viabilidade do emprego destas em obras geotécnicas como as citadas anteriormente, foram realizados ensaios de compactação e

6 cisalhamento direto. Os ensaios realizados seguiram os métodos estabelecidos pelas seguintes normas: NBR 7182/1986 Ensaio de Compactação; ASTM D 3080/2004 Ensaio de Cisalhamento Direto; Ensaio de Compactação Os ensaios de compactação foram realizados para o solo argiloso puro e em mistura com 10 e 20 % de cinza de bagaço de cana e de cinza de casca de arroz a fim de determinar a umidade ótima de compactação (w ótm ) e o peso específico aparente seco máximo ( dmáx ) dos materiais. Estes ensaios foram realizados segundo as diretrizes da norma NBR 7182 (ABNT, 1986), utilizando-se a energia de compactação Proctor Normal e com reuso de material. Após secagem do solo em estufa a 60 C, iniciou-se o processo de destorroamento do mesmo, passando-o posteriormente pela peneira #4, adotando-se o procedimento descrito pela norma NBR 6457 (ABNT, 1986) - preparação com secagem prévia até a umidade higroscópica. Em seguida, adicionou-se uma determinada quantidade de água ao material, a fim de que este ficasse com cerca de 5% de umidade abaixo da umidade ótima. Este valor pode ser estimado inicialmente através do limite de plasticidade, cujo valor pode se aproximar ao da umidade ótima. Após mistura do solo (puro e com as diversas porcentagens de borracha) com o volume de água calculado, homogeneizou-se bem o material, armazenando-o na câmara úmida quando não compactado em seguida, para que não houvesse perda de umidade. Após preparação das misturas, o material foi colocado dentro do molde cilíndrico pequeno (cilindro Proctor), de dimensões 10 cm x 12,7 cm (diâmetro x altura). Aplicaram-se 26 golpes com um soquete pequeno, de massa igual a 2,5 kg, que se deixa cair na camada de solo a uma altura de 30,5 cm aproximadamente. As porções de solo compactadas devem ocupar cerca de 1/3 da altura total do molde (compactação em três camadas). Para se conseguir uma boa aderência entre as camadas compactadas, escarificou-se bem cada uma delas antes de se compactar a camada sobrejacente. Em geral, depois de completadas as três camadas, atinge-se uma altura maior que a do molde, o que ocorre devido a utilização de um anel complementar, o qual garante se ter a altura total necessária. Este excesso é removido ao final do ensaio, acertando-se o volume de solo em relação à altura do molde. Completado o processo de compactação, pesa-se o cilindro juntamente com o solo. Com o peso total do corpo de prova e o volume do cilindro, é possível se calcular sua massa específica. Através da retirada de três amostras do interior do corpo de prova (em sua parte média), determina-se sua umidade média após secagem em estufa. Com a obtenção destes dois valores, calcula-se a massa específica seca do material. Finalizado todo o procedimento, um novo corpo de prova é preparado, com uma quantidade maior de água, aumentando-se a umidade da mistura em aproximadamente 5%. A partir daí, realiza-se uma nova compactação e obtém-se dessa forma um novo par de valores de umidade (w) e massa específica seca ( d ). Com todos os pontos obtidos, constrói-se um gráfico de massa específica versus umidade, tendo-se então a curva de compactação. Os valores de w ótm e dmáx obtidos correspondem ao ponto máximo das curvas, e foram utilizados para moldagem dos corpos de prova utilizados nos ensaios de cisalhamento direto. Todo o processo foi repetido cinco vezes para cada mistura, a fim de se obter cinco pares de valores, sendo ao menos dois no ramo seco e dois no ramo úmido da curva de compactação. Para se obter esta curva, o procedimento se repete de forma que a densidade seca máxima obtida se reduza duas ou três vezes.

7 Ensaio de Cisalhamento Direto Os ensaios de cisalhamento direto foram realizados para os dois tipos de solo em estudo, com solo puro e em misturas com 5,10 e 20% de cinza de bagaço de cana e solo arenoso, misturas de 10 e 20% de cinza de casca de arroz e solo arenoso e em misturas de 10 e 20% de cinza de bagaço de cana e solo argiloso a mesmas porcentagens de cinza de casca de arroz e solo argiloso visando determinar a resistência ao cisalhamento do solo através da obtenção dos parâmetros coesão (c) e ângulo de atrito (φ), componentes relacionados à resistência entre as partículas. Estes ensaios foram realizados segundo os métodos descritos pela norma ASTM D 3080/2004. Devido às características de cada solo em estudo, estes tiveram métodos de moldagem do corpo de prova de maneiras diferentes. A seguir serão descritos separadamente os métodos de preparação utilizados para cada um destes. a) Preparação do corpo de prova para o solo argiloso: Para confecção dos corpos de prova do solo S e misturas com o mesmo nos diversos teores de cinza, inicialmente compactou-se um corpo de prova cilíndrico, na energia Proctor Normal e umidade ótima e massa específica seca máxima, obtidas através do ensaio de compactação descrito anteriormente. Devido às dimensões da caixa utilizada no equipamento de cisalhamento direto, que mede aproximadamente 10,2cm x 10,2cm (lado x lado) e 2,0 cm de altura, a compactação do corpo de prova inicial foi realizada no cilindro grande, de dimensões 15,08cm x 17,78cm (diâmetro x altura), utilizando-se o soquete grande (4,53kg) e ajustando-se o número de golpes para que a energia de compactação fosse igualada a aplicada no cilindro pequeno (N g =20). A compactação foi realizada no cilindro grande para que fosse possível posteriormente realizar a moldagem dos corpos de prova para ensaio. Obtido o material compactado, os corpos de prova foram moldados para o ensaio de cisalhamento direto. O procedimento de moldagem consiste na cravação de um anel metálico, com aproximadamente as mesmas dimensões da caixa de cisalhamento no material compactado, de forma uniforme e escavando-se as laterais para alivio de tensões quando o material apresenta resistência à cravação do anel. É importante untar as laterais do mesmo com materiais tipo vaselina, para que o corpo de prova não seja danificado quando transferido para o equipamento. Após cravagem completa no anel, as bases do corpo de prova quadrado foram niveladas, para então transferi-lo ao equipamento. Com a ajuda de um cap de acrílico, o material é pressionado e o corpo de prova é transferido para a caixa de cisalhamento. A Figura apresenta as etapas de moldagem dos corpos de prova para ensaio a partir do material compactado. Moldagem dos corpos de prova Solo Argiloso 1. Material compactado para posterior moldagem dos corpos de prova. 2. Moldagem do corpo de prova do solo puro e solo-borracha, com a cravação do anel. Figura Moldagem dos corpos de prova do solo puro e solo-borracha para ensaio. 4. Corpo de prova utilizado para ensaio.

8 b) Preparação do corpo de prova para o solo arenoso: Para confecção dos corpos de prova do solo arenoso e misturas com o mesmo para os diversos teores cinza, a compactação do material foi realizada diretamente na caixa de cisalhamento, pelo fato da areia ser um material não coesivo e não ser possível moldá-lo fora do equipamento. Esta compactação foi realizada manualmente, de maneira uniforme, e de modo que a areia não ficasse muito densa. A umidade ótima e massa específica seca máxima adotadas foram de 10% e 1,5 g/cm³, respectivamente. Estes parâmetros de compactação foram definidos baseados em estudos realizados por Casagrande (2005), que realizou ensaios triaxiais e ring shear utilizando o mesmo material. Estes valores correspondem a uma densidade relativa de 50% e índice de vazios de 0,75. Para garantir que o material ficasse com todas as propriedades adequadas, calculou-se a quantidade certa de material seco que deveria ser adicionado à caixa de cisalhamento, em seguida foram realizadas as misturas com a quantidade de água e posteriormente com as porcentagens de cinzas definidas. Com o auxilio de um gabarito para altura adequada do material no equipamento, foi feito seu ajuste. Para realização do ensaio, os corpos de prova de ambos os materiais foram colocados na caixa de cisalhamento metálica. A caixa é dividida horizontalmente em duas metades e a força normal é aplicada a partir do topo da caixa de cisalhamento no corpo de prova. A força de cisalhamento é aplicada movendo-se uma metade da caixa em relação à outra para provocar a ruptura. As caixas superior e inferior são distanciadas de 5,0 mm antes de se dar inicio à fase de cisalhamento do ensaio, para que possa haver o deslocamento relativo entre elas. Acima e abaixo do corpo de prova são colocadas placas ranhuradas, que fornecem atrito ao solo impedindo que este deslize quando aplicada a força horizontal, papéis filtro para impedir o carreamento de partículas, e pedras porosas, para que a drenagem, estando o corpo de prova completo ou parcialmente saturado, possa ocorrer livremente. c) Cálculo da Velocidade de Cisalhamento: O ensaio de cisalhamento direto realizado ocorreu com o controle da deformação, onde uma taxa constante de deslocamento cisalhante é aplicada na metade superior da caixa por um motor que atua por meio de engrenagens a uma velocidade determinada por um fator que vai de acordo com a carga aplicada verticalmente. Essa velocidade é calculada através dos dados da fase inicial do ensaio, chamada fase de adensamento, onde o corpo de prova é submetido somente à tensão vertical, e mede-se a variação de altura com o tempo, até que esta se estabilize. Através de um gráfico de deslocamento vertical versus raiz do tempo (t), obtém-se o valor de t 100, correspondente a 100% do adensamento, e calcula-se a velocidade a ser adotada na fase de cisalhamento. Para o solo argiloso, o tempo de adensamento foi estipulado em 24h; já para o solo arenoso, o adensamento é praticamente imediato, tendo sido adotado o tempo de 30 minutos, para melhor estipulação da velocidade de ensaio a ser adotada. Na fase de cisalhamento, a ruptura sofrida pelo corpo de prova ocorre ao longo do plano de divisão da caixa. O deslocamento horizontal da metade superior da caixa é medido por um LVDT (Linear Variable Differential Transformer) horizontal, que funciona como um sensor para medição de deslocamento linear. As variações da altura do corpo de prova, ou seja, as variações do volume do mesmo ao longo do ensaio, são obtidas através das leituras no LVDT vertical. O anel de carga mede a força horizontal variável à qual o corpo de prova está sendo submetido.

9 d) Realização do Ensaio de Cisalhamento Direto: Os ensaios foram repetidos em corpos de prova similares, para cada solo e mistura. Adotou-se os valores de 50, 150 e 300 kpa para as tensões normais aplicadas. Através do gráfico da Tensão Cisalhante Máxima, que indica o momento da ruptura, versus Tensão Normal, pré-definida, determinam-se as envoltórias de ruptura e os parâmetros de resistência ao cisalhamento do solo. A Figura ilustra o equipamento de cisalhamento direto utilizado na presente pesquisa. Figura Prensa utilizada para realização do ensaio de cisalhamento direto. Laboratório de Geotecnia/PUC-Rio. Para a gravação dos dados, obtidos por intermédio dos transdutores, foi utilizado o sistema de aquisição de dados composto pelo hardware QuantumX de oito canais da empresa alemã HBM e pelo software CatmanEasy. Este sistema permite o monitoramento contínuo de todos os dados e comportamento dos corpos de prova durante todas as etapas do ensaio. Resultados e análises Ensaios de caracterização física Solo Arenoso Puro O solo arenoso em estudo é caracterizado como sendo uma areia média, limpa e de granulometria uniforme sem matéria orgânica. Os índices físicos do solo puro são apresentados na Tabela 4.1. Tabela 4.1 Índices físicos do solo arenoso. Índices Físicos Densidade real dos grãos (Gs) 2,65 Coeficiente de uniformidade 1,76 (Cu) Coeficiente de curvatura (Cc) 1,1 Diâmetro efetivo (D 10 ) Diâmetro médio (D 50 ) Índice de vazios mínimo (e min ) 0,51 Solo Arenoso 0,33 mm 0,55 mm Índice de vazios máximo (e max ) 0,74

10 Análise Granulométrica O ensaio de análise granulométrica tem por finalidade a obtenção das frações constituintes do solo e sua classificação a partir destas. A Figura 4.1 apresenta a curva granulométrica obtida para o solo arenoso. Figura 4.1 Curva granulométrica do solo arenoso puro. De acordo com o Sistema Unificado de Classificação dos Solos (SUCS), as areias com menos de 5% de finos, apresentando C u < 6 e/ou 1 > C c > 3, como o material em questão, é classificado como SP, se tratando então de uma areia mal graduada. Solo Argiloso Puro Limites de Atterberg Os limites de consistência (ou limites de Atterberg) são fundamentais para a análise do comportamento de solos finos para a engenharia. O estado onde o solo apresenta um comportamento plástico (permitindo-o ser moldado) está delimitado pelo Limite de Liquidez (LL), que marca a transição do estado plástico ao estado líquido do solo, e pelo Limite de Pla sticidade, que corresponde ao teor de umidade em que o solo passa do estado semi-sólido para o estado plástico. Os resultados do Limite de Plasticidade e Limite de Liquidez do solo puro podem ser observados na Tabela 4.1 e Figura 4.2, respectivamente. Tabela Resultados obtidos para o Limite de Plasticidade. Ensaio Umidade (%) 38,2 39,8 35,22 39 Umidade Média (%) 39 Figura 4.2 Gráfico de determinação do Limite de Liquidez. Através dos resultados obtidos, tem-se que o Limite de Liquidez do solo é igual a 53% e o Limite de Plasticidade igual a 39%, resultando em um Índice de Plasticidade (IP = LL LP), que exprime o grau de argilosidade da fração fina, igual a 14%. De acordo com Das (2007, apud

11 Burmister, 1949), o IP de um solo pode ser classificado qualitativamente conforme a Tabela 4.2 a seguir: Tabela 4.2 Classificação do Índice de Plasticidade (Das, 2007 apud Burmister, 1949). IP Descrição 0 Não -plástico 1 5 Ligeiramente plástico 5 10 Plasticidade baixa Plasticidade média Plasticidade alta >40 Plasticidade muito alta Através da Tabela 4.2 observa-se que o solo em questão trate-se de um material medianamente plástico. Quanto maior o IP de um solo, maior será seu índice de compressibilidade, sendo menos adequado a obras geotécnicas. Para as misturas solo-borracha, não foi possível a determinação dos Limites de Atterberg, devido ao comportamento granular do material, que durante o ensaio não apresentou características plásticas para sua realização. Análise Granulométrica Este ensaio tem por finalidade a obtenção das frações constituintes do solo e sua classificação a partir destas. A Figura 4.3 apresenta a curva granulométrica obtida para o solo argiloso puro. Figura 4.3 Curvas granulométricas obtidas para o solo argiloso puro. Através das curvas obtidas, apresentam-se na Tabela 4.3 os resultados da análise granulométrica do solo puro classificando-se cada fração constituinte dos materiais de acordo com o diâmetro dos grãos. Tabela 4.3 Resultados das análises granulométricas do solo puro Material Argila (%) Silte (%) Areia (%) Pedregulho (%)

12 Solo Argiloso Fina Média Grossa 4,6 62,5 5 22,6 4,2 1,1 Segundo o Sistema Unificado de Classificação dos Solos (SUCS), o solo em estudo é classificado como CH, correspondente a uma Argila Arenosa de média plasticidade. Cinza de Bagaço de Cana de Açúcar e misturas em estudo Densidade Real dos Grãos (Gs) O peso específico real dos grãos consiste na relação entre massa e volume dos grãos. O ensaio consiste na determinação do volume do material sólido de massa conhecida, de forma com que o volume de vazios seja excluído. Este ensaio foi realizado tanto para os materiais puros, como para as misturas em estudo. Os valores de Gs obtidos são apresentados na Tabela 4.4 e 4.5. Tabela 4.4 Resultados do ensaio de densidade real dos grãos para o solo arenoso, cinza de bagaço de cana de açúcar e misturas. Amostra Teor de Cinza (%) Areia 0 2,654 CBc 0 2,530 CBc5Areia95 5 2,638 CBc10Areia ,621 CBc20Areia ,601 Densidade real dos Grãos (Gs) Tabela 4.5 Resultados do ensaio de densidade real dos grãos para o solo argiloso, cinza de bagaço de cana de açúcar e misturas. Amostra Teor de Cinza (%) Argila 0 2,720 CBc 0 2,530 CBc10Argila ,681 CBc20Argila ,643 Densidade real dos Grãos (Gs) Observa-se que o valor da densidade real dos grãos das cinzas puras se apresentam menores do que o solo puro, e as misturas se apresentam com valores entre os dos materiais puros, o que indica que ao se adicionar a cinza de bagaço de cana de açúcar ao solo, poderá ser obtido um material mais leve que o solo puro. Análise Granulométrica A Figura 4.4 apresenta as curvas granulométricas obtidas para o solo arenoso, solo argiloso e cinza de bagaço de cana de açúcar. A Figura 4.5 apresenta as curvas granulométricas do solo arenoso, cinza de bagaço de cana e misturas do solo com 5, 10 e 20% de cinza de bagaço de cana de açúcar. A Figura 4.6 apresenta as curvas granulométricas do solo argiloso, cinza de bagaço de cana e misturas do solo com 10 e

13 20% de cinza de bagaço de cana de açúcar. Ao se apresentar as curvas granulométricas em um mesmo gráfico, objetiva-se mostrar a influência da adição da cinza de bagaço de cana de açúcar na composição granulométrica do material. Figura 4.4 Curvas granulométricas dos materiais puros. Figura 4.5 Curvas granulométricas do solo arenoso, cinza de bagaço de cana de açúcar e misturas do solo com 5, 10 e 20% de cinza. Pode ser observado que a cinza de bagaço de cana de açúcar em estudo possui uma alta fração de material fino, correspondente à granulometria argila, e uma fração média de grãos referentes a granulometria silte. 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 de bagaço de cana de açúcar pura. Com a adição de 20% de cinza de bagaço de cana, observa-se uma maior quantidade de finos na mistura, e menor quantidade de fração areia média, quando comparado com a mistura de 5%, o que seria esperado, devido à maior porcentagem de cinza na mistura. A Figura 4.6 apresenta a comparação entre as curvas granulométricas do solo argiloso, cinza de bagaço de cana de açúcar e misturas do solo com 10 e 20% de cinza de bagaço de cana de açúcar.

14 Figura 4.6 Curvas granulométricas do solo argiloso, cinza de bagaço de cana de açúcar e misturas do solo com 10% e 20% de cinza. Ao se adicionar esta cinza ao solo, obteve-se um material semelhante à argila pura, composto em sua maioria por fração silte e uma maior quantidade de finos devido à inserção das cinzas. A Tabela 4.4 apresenta os resultados dos ensaios de análise granulométrica, em porcentagens, para todos os materiais e misturas estudados. Tabela 4.6 Resultados das análises granulométricas. Argila Silte Areia (%) Pedregulho (%) Amostra (%) (%) Fina Média Grossa Fina Média Grossa Areia Argila 4,6 62,5 5 22,6 4,2 1,1 - - CBc 44,5 52, CBc5Areia ,1 69, CBc10Areia CBc20Areia80 16,2 3,8 8,1 62 9, CBc10Argila90 4,6 62,9 12,5 15 4,1 0,9 - - CBc20Argila80 2, ,5 12 3,1 0,9 - - Para as misturas com ambas as cinzas, pode-se esperar que ocorra alguma estabilização física do solo, de forma que haja uma melhoria em suas características, uma vez que sua textura e granulometria inicial foram alteradas e o material se tornou um pouco mais bem graduado que o solo puro. Ensaios Químicos Composição Química Cinza de Casca de Arroz e misturas em estudo. Densidade Real dos Grãos (Gs) O peso específico real dos grãos consiste na relação entre massa e volume dos grãos. O ensaio consiste na determinação do volume do material sólido de massa conhecida, de forma com que o volume de vazios seja excluído. Este ensaio foi realizado tanto para os materiais puros, como para as misturas em estudo. Os valores de Gs obtidos são apresentados na Tabela 4.14 e 4.15.

15 Tabela 4.14 Resultados do ensaio de densidade real dos grãos para o solo arenoso, cinza de bagaço de cana de açúcar e misturas. Amostra Teor de Cinza (%) Areia 0 2,65 CCA 100 2,293 CCa10Areia ,611 CCc20Areia ,566 Densidade real dos Grãos (Gs) Tabela 4.5 Resultados do ensaio de densidade real dos grãos para o solo argiloso, cinza de bagaço de cana de açúcar e misturas. Amostra Teor de Cinza (%) Argila 0 2,72 CCa 100 2,293 CCa10Argila ,662 CCa20Argila ,589 Densidade real dos Grãos (Gs) Observa-se que o valor da densidade real dos grãos das cinzas puras se apresentam menores do que o solo puro, e as misturas se apresentam com valores entre os dos materiais puros, o que indica que ao se adicionar a cinza de casca de arroz ao solo, poderá ser obtido um material mais leve que o solo puro. Análise Granulométrica A Figura 4.4 apresenta as curvas granulométricas obtidas para o solo arenoso, solo argiloso e cinza de casca de arroz. A Figura 4.5 apresenta as curvas granulométricas do solo arenoso, casca de arroz e misturas do solo com 10 e 20% de cinza de casca de arroz. A Figura 4.6 apresenta as curvas granulométricas do solo argiloso, cinza de casca de arroz e misturas do solo com 10 e 20% de cinza de casca de arroz. Ao se apresentar as curvas granulométricas em um mesmo gráfico, objetiva-se mostrar a influência da adição da cinza de casca de arroz na composição granulométrica do material.

16 Figura 4.4 Curvas granulométricas dos materiais puros. Figura 4.5 Curvas granulométricas do solo arenoso, cinza de casca de arroz e misturas do solo com 5, 10 e 20% de cinza. Pode ser observado que a cinza de casca de arroz em estudo possui uma alta fração de material fino, correspondente à granulometria argila, e uma fração média de grãos referentes a granulometria silte. 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 de casca de arroz pura. Com a adição de 20% de cinza de casca de arroz, observa-se uma maior quantidade de finos na mistura, e menor quantidade de fração areia média, quando comparado com a mistura de 5%, o que seria esperado, devido à maior porcentagem de cinza na mistura. A Figura 4.6 apresenta a comparação entre as curvas granulométricas do solo argiloso, cinza de casca de arroz e misturas do solo com 10 e 20% de cinza de casca de arroz.

17 Figura 4.6 Curvas granulométricas do solo argiloso, cinza de casca de arroz e misturas do solo com 10% e 20% de cinza. Ao se adicionar esta cinza ao solo, obteve-se um material semelhante à argila pura, composto em sua maioria por fração silte e uma maior quantidade de finos devido à inserção das cinzas. A Tabela 4.4 apresenta os resultados dos ensaios de análise granulométrica, em porcentagens, para todos os materiais e misturas estudados. Tabela 4.6 Resultados das análises granulométricas. Amostra Argila (%) Silte (%) Areia (%) Pedregulho (%) Fina Média Grossa Fina Média Grossa Areia Argila 4,6 62,5 5 22,6 4,2 1,1 - - CCa CCa10Areia90 9,1 0, CCa20Areia CCa10Argila ,8 9,0 18,1 3,9 0,2 - - CCa20Argila80 1,9 70,1 8,9 14 4,9 0,2 - - Para as misturas com ambas as cinzas, pode-se esperar que ocorra alguma estabilização física do solo, de forma que haja uma melhoria em suas características, uma vez que sua textura e granulometria inicial foram alteradas e o material se tornou um pouco mais bem graduado que o solo puro. Ensaio de caracterização mecânica Solo Argiloso Ensaio de Compactação Os ensaios de compactação foram realizados para o solo puro, e as misturas com cinza de bagaço de cana de açúcar e com cinza de casca de arroz, sob a energia Proctor normal. A Tabela 4.xx apresenta um resumo dos valores de umidade ótima (w otm ) e peso específico seco máximo (γ d máx) do solo e das misturas. As curvas de compactação das

18 Massa Específica Aparente Seca (g/cm3) misturas com cinza bagaço de cana de açúcar e com cinza de casca de arroz estão dispostas na Figura 4.x. Tabela 4.xx: Resultados dos ensaios de compactação para as misturas com solo argiloso. Material/Mistura w otm (%) γ d máx(g/cm³) Argila 25,24 1,57 CBC10 Argila90 24,85 1,56 CBC20 Argila80 24,77 1,53 CCA10 Argila90 25,70 1,54 CCA20 Argila80 26,26 1,53 Curvas de Compactação Solo Puro e Misturas 1,65 1,55 1,45 CBC20 - Argila 80 Argila 1, Umidade (%) Figura 4.x: Curvas de compactação do solo puro e das misturas com cinza de bagaço de cana de açúcar e com cinza de casca de arroz. Pode-se notar que ocorre uma redução do peso específico seco máximo com o aumento do teor de cinza, tanto para as misturas com cinza de bagaço de cana de açúcar, como para as misturas com cinza de casca de arroz. Pode-se dizer que também ocorre um aumento da umidade ótima à medida que se aumenta o teor de cinza, principalmente em relação a cinza de casca de arroz. Com relação ao comportamento do solo argiloso, Ramírez (2012) afirma que Beneveli (2002), em sua pesquisa, obteve o mesmo resultado para este material, coletado entre os primeiros dois metros de profundidade do Campo Experimental II da PUC-Rio. A Figura 4.xx mostra a curva de compactação obtida por Beneveli. Figura 4.xx: Curva de compactação Proctor normal obtida por Beneveli (2002 apud Ramirez, 2012).

19 Referências 1- ABRELPE. Panorama dos resíduos sólidos no Brasil. Associação Brasileira de Empresas de Limpeza Pública e Resíduos Especiais, São Paulo, 2012 BAPTISTA, C. F. N. Pavimentação. Editora Globo, Tomo II, 2ª ed, Porto Alegre: Globo, BECQUART, F.; BERNARD, F.; ABRIAK, N.E.; ZENTAR, R. Monotonic aspects of the mechanical behavior of bottom ash from municipal solid waste incineration and its potential use for road construction. Waste management, vol 29, p DAS, BRAJA M. Principios de Ingenieria de Cimentaciones. PWS, 4ª ed., Thomsom Learning, Mexico, p , FUNDAÇÃO NACIONAL DA SAÚDE. Manual de Saneamento. 3ª Ed. rev. Brasília: Ministério da Saúde/FUNASA, LAMBE, T. W. & WITHMAN, R. V. Soil Mechanics. John Wiley & Sons, Inc. Editorial, New York, 582 p LAM, C. H. K., ALVIN, W. M., BARFORD, J. P., McKAY, G. Use of incineration MSW ash: A review. Journal of Sustainability, 2, ; doi: , MONTEIRO, J. H. P. [et al.]. Manual Gerenciamento Integrado de Resíduos Sólidos. IBAM, Rio de Janeiro-RJ, PINTO, C. S. Curso básico de mecânica dos solos. Editora Oficina de Textos, 264 p, 2006.