ICTR 2004 CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM RESÍDUOS E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL Costão do Santinho Florianópolis Santa Catarina

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1 ICTR 2004 CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM RESÍDUOS E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL Costão do Santinho Florianópolis Santa Catarina ESTUDO DE RESÍDUOS DE MINÉRIO DE FERRO PARA UTILIZAÇÃO EM PAVIMENTOS Fernandes, G. Ribeiro, L.F.M Gomes, R.C. Palmeira, E.M Pereira, R.A. PRÓXIMA Realização: ICTR Instituto de Ciência e Tecnologia em Resíduos e Desenvolvimento Sustentável NISAM - USP Núcleo de Informações em Saúde Ambiental da USP

2 ESTUDO DE RESÍDUOS DE MINÉRIO DE FERRO PARA UTILIZAÇÃO EM PAVIMENTOS Fernandes, G. 1, Ribeiro, L.F.M 2, Gomes, R.C. 3 ; Palmeira, E.M 4 & Pereira, R.A. 5 RESUMO A reciclagem de materiais e resíduos industriais tem desempenhado um papel decisivo na construção e recuperação de sistemas viários devido a redução dos custos. Assim, este trabalho tem por objetivo avaliar as propriedades físicas de rejeito de mineração de ferro misturado com um solo natural e verificar sua aplicação como material alternativo de construção aplicado aos pavimentos rodoviários e ferroviários. Assim, um programa experimental constando de ensaios de caracterização, compactação e CBR foi realizado visando avaliar as propriedades do rejeito e das misturas com o solo natural. A principal proposta foi verificar a compatibilidade das misturas e as alterações na capacidade de suporte após a compactação. Adicionalmente, este trabalho objetivou o estabelecimento de técnicas de construção alternativa aplicada aos sistemas viários visando minimizar os impactos ambientais pelo uso de materiais reciclados. Baseado nos resultados obtidos, foi possível verificar a aplicabilidade do rejeito de minério de ferro como elemento de construção de pavimentos rodoviários e ferroviários e seu grande potencial de uso nestes tipos de obras. Palavras-chave: Rejeito de mineração, pavimentos rodoviários e ferroviários, ensaios de laboratório. 1 Doutorando, Departamento de Engenharia Civil EM, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto / MG, Tel: Fax: , gilberto@em.ufop.br. 2 Doutor, Departamento de Engenharia Civil EM, Universidade. Federal de Ouro Preto, Ouro Preto / MG, Tel: Fax: , lmartins@em.ufop.br. 3 Doutor, Departamento de Engenharia Civil EM, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto / MG, Tel: Fax: , romero@em.ufop.br. 4 Doutor, Departamento de Engenharia Civil, e Ambiental FT, Universidade de Brasília, Brasília, DF, Tel: , Fax: , palmeira@unb.br. 5 Graduada, Departamento de Engenharia Civil EM, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto / MG, renufop@yahoo.com.br. 4071

3 1. Introdução A infra-estrutura e superestrutura dos sistemas de transportes terrestres são constituídas por uma sucessão de camadas estruturais (subleito, sublastro, subbase, base) cujas propriedades físicas e químicas devem garantir estabilidade e resistência mecânica aos esforços e cargas a que serão submetidos. Neste sentido, torna-se fundamental assegurar o comportamento e confiabilidade dos materiais e métodos construtivos envolvidos nestas obras, objetivando a majoração de sua vida útil. O caráter essencialmente linear das rodovias faz com que a avaliação expedita das propriedades e comportamento dos solos ao longo de todo seu traçado, tenha grande importância, tanto na fase de estudos quanto no projeto final. A garantia de qualidade dos materiais empregados torna-se de fundamental importância no desempenho e durabilidade dos pavimentos. Os solos finos constituem materiais normalmente rejeitados para composição das camadas de superestrutura das vias de transporte por não atenderem os padrões técnicos estabelecidos. A impossibilidade de utilização destes solos tende a aumentar significativamente os custos de implantação das vias terrestres e restringir o aproveitamento destas jazidas bastante comuns nas áreas das faixas de domínio. Os materiais considerados nobres para a execução das camadas de rodovias e ferrovias são muitas vezes encontrados distantes do ponto de sua aplicação, elevando consideravelmente o custo do transporte e gerando também maiores impactos ao meio ambiente. Considerando as dificuldades na obtenção de materiais nobres como elementos constituintes das camadas de pavimento, diferentes tipos de solos tem sido pesquisados no sentido de possibilitar a sua utilização em obras de superestrutura. Estes materiais, em virtude de suas deficiências técnicas, tem sido analisados mais detalhadamente de forma individualizada e em associação com outros tipos de materiais, objetivando a melhoria de seus parâmetros geotécnicos. A crescente preocupação com as questões ambientais tem motivado uma série de pesquisas voltadas para a reciclagem dos materiais resultantes dos processos industriais e de beneficiamento. Estes estudos justificam-se pelo grande volume de resíduos gerados, e na conseqüente dificuldade para sua estocagem, visto que a disposição destes materiais normalmente ocorre em grandes áreas de armazenamento (Abrão, 1987). No caso dos rejeitos de mineração, a forma mais comum de disposição consiste no lançamento direto em reservatórios contidos por diques ou barragens. Estas estruturas de contenção são normalmente executadas a partir de um dique de partida constituído de terra compactada ou enrocamento, com os alteamentos sucessivos sendo realizados com a utilização do próprio rejeito através da técnica do aterro hidráulico. (Ribeiro, 2000). Embora estas estruturas sejam construídas de forma segura o grande volume de rejeitos a ser estocado tende a comprometer extensas áreas aumentando o impacto ambiental associado a estes empreendimentos. Assim, a aplicabilidade dos rejeitos de mineração na construção civil, principalmente em obras viárias, relaciona-se diretamente a diminuição do volume de material a ser estocado nas estruturas de contenção. Além disso, a associação dos rejeitos com solos naturais, em dosagens específicas, pode melhorar sensivelmente os seus parâmetros geotécnicos viabilizando ainda mais sua aplicação. Estas associações normalmente tendem a promover uma melhoria nas características de resistência, deformabilidade e permeabilidade. 4072

4 Neste contexto, a iniciativa de se reutilizar os rejeitos de mineração como materiais de construção constituintes em obras civis representa uma importante medida para reduzir os impactos ambientais da atividade mineral. No entanto, o complexo comportamento geotécnico destes materiais acentua a necessidade de um amplo programa de investigação que contemple a caracterização dos rejeitos em condição pura e misturados a outros solos naturais. 2. Materiais e métodos Os resíduos de minério de ferro são subprodutos gerados pela atividade mineradora, compreendendo os estéreis e os rejeitos. O estéril é o material (solo ou rocha) não mineralizado (material sem valor econômico direto) que ocorre associado ao minério e separado do mesmo pelos processos de lavra e beneficiamento industrial. Os rejeitos são os resíduos remanescentes do processo de beneficiamento e concentração de minérios em instalações industriais, cuja característica granulométrica principal é função do tipo de minério bruto e do processo industrial de beneficiamento Estes materiais podem abranger uma ampla faixa granulométrica, desde arenosos não plásticos até solos de granulometria fina. Considerando a variabilidade física e mecânica destes materiais, o desenvolvimento desta pesquisa consistiu na realização de uma série de ensaios de laboratório buscando a caracterização geotécnica dos materiais. Estes ensaios objetivaram avaliar as características dos rejeitos de mineração de forma a viabilizar a utilização como elemento principal na construção de sistemas viários (ferrovias e rodovias). O programa experimental contemplou a execução de ensaios de caracterização física dos rejeitos de uma mineração de ferro, de um solo natural e de amostras obtidas com associação em porcentagens pré-definidas destes dois materiais. Adicionalmente foram realizados ensaios de compactação e de Índice de Suporte Califórnia (CBR) visando a avaliar o desempenho destes materiais em pavimentos rodoviários. Todos os ensaios seguiram as recomendações prescritas pelas normas e procedimentos do Departamento Nacional de Estradas de Rodagem DNER, especificações da ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) e ASTM (American Society for Testing and Materials). As amostras de rejeito foram coletadas em pontos ao longo da praia de deposição na própria barragem de contenção de rejeitos da Mina de Gongo Soco no Quadrilátero Ferrífero, Minas Gerais. O solo natural, mais arenoso, foi obtido em regiões s a mina, sendo a principal condicionante para sua escolha a predominância de grãos mais grossos. Esta medida objetivou a correção das deficiências granulométricas do rejeito. A escolha baseou-se exclusivamente em uma análise expedita no campo do tamanho médio dos grãos, buscando-se obter amostras representativas de uma determinada faixa de tamanho. As demais amostras foram obtidas pela mistura em proporções em peso pré-definidos de rejeito e solo natural. A adoção destas misturas objetivou avaliar as alterações no comportamento mecânico dos rejeitos e melhorar as suas condições de estabilidade. Neste contexto as amostras ensaiadas, suas denominações e densidade dos grãos obtida de acordo com a norma NBR 6508 (ABNT, 1984) estão apresentadas na Tabela 1. Tabela 1 Denominação e características básicas das amostras. 4073

5 Denominação Identificação G s R Rejeito Mina de Gongo Soco 4,670 A Solo Arenoso Mina de Gongo Soco 3,193 M1 Mistura com 25% R + 75% A 3,430 M2 Mistura com 50% R + 50% A 4,013 M3 Mistura com 75% R + 25% A 4, Resultados Para a obtenção das curvas granulométricas foi utilizada a metodologia preconizada pelas NBR 6457 (ABNT, 1986) e NBR 7181 (ABNT, 1984). As amostras foram submetidas ao ensaio de peneiramento grosso e fino e sedimentação. As curvas granulométricas obtidas para as amostras de rejeito, solo natural e misturas estão representadas na Figura 1. Ressalta-se que a análise destas curvas viabilizou a obtenção de parâmetros para avaliar o efeito da granulometria nos diferentes tipos de material, principalmente as alterações granulométricas produzidas nas misturas. 100 PORCENTAGEM PASSANTE (%) M1 30 M2 20 M3 10 A R 0 1,0E-04 1,0E-03 1,0E-02 1,0E-01 1,0E+00 1,0E+01 1,0E+02 DIÂMETRO DOS GRÃOS (mm) Figura 1 Curvas granulométricas das amostras ensaiadas. Com base nas curvas granulométricas obtidas para cada amostra foi estabelecida uma classificação granulométrica dos materiais ensaiados. A composição granulométrica relativa a cada amostra baseada na escala da ABNT está apresentada na Tabela 2. Tabela 2 Composição granulométrica das amostras. Amostra Argila Silte Areia Pedregulho Classificação Textural C u (%) (%) (%) (%) R 14,2 45,8 40,0 0,0 Silte-arenoso 40 A 22,0 21,0 41,0 16,0 Silte-areno-pedregulhoso 1250 M1 21,0 30,0 38,0 11,0 Silte-arenoso 50 M2 17,0 35,0 37,0 11,0 Silte-arenoso 70 M3 17,0 41,0 34,0 8,0 Silte-arenoso

6 Para a obtenção dos limites de liquidez foi utilizada a metodologia preconizada pela NBR 6459 (ABNT, 1984), com secagem prévia do material. Os ensaios para determinação do limite de plasticidade para todas amostras foram realizados de acordo com a NBR 7180 (ABNT, 1984), também com secagem prévia do material. É importante ressaltar que as características de plasticidade estão diretamente relacionadas às propriedades das frações finas dos solos. Sendo assim, verificou-se, em algumas amostras, uma grande dificuldade na determinação dos limites de consistência. A Tabela 3 apresenta os resultados dos ensaios de limites de consistência para amostras de rejeito e solos natural Tabela 3 Limites de consistência do rejeito e do solo natural Amostra LL (%) LP (%) IP (%) R 16,4 - NP A 36,3 32,9 3,4 Com base nas características granulométricas e nos valores dos limites de consistência foi possível estabelecer a classificação destes materiais de acordo com o Sistema de Classificação HRB (Highway Research Board). A Tabela 4 apresenta a classificação dos solos ensaiados no Sistema HRB. Nesta tabela também são apresentados os valores de IG e as condições de suporte destes materiais baseados neste sistema de classificação. Tabela 4 Classificação HRB Amostra % pas. #200 Classe Descrição IG Cond. de Suporte R 85 A4 Solo siltoso 8 Fraca a pobre A 45 A4 Solo areno-siltoso 2 Fraca M1 56 A4 Solo areno-siltoso - Fraca M2 65 A4 Solo areno-siltoso - Fraca M3 72 A5 Solo siltoso - Fraca a pobre Para a obtenção das curvas de compactação dos diferentes matérias ensaiados, rejeitos, solo natural e misturas, foi utilizada a metodologia preconizada pela NBR 7182 (ABNT, 1986). A energia de compactação utilizada foi a energia do Proctor Intermediário. Os ensaios foram realizados sem reuso e com amostras previamente secas ao ar. Os resultados dos ensaios de compactação estão apresentados na Tabela 5. Tabela 5 Resultados dos Ensaios de Compactação Amostra γ dmax (kn/m 3 ) w ot (%) e R 28,40 11,70 0,644 A 17,05 24,70 0,873 M1 18,53 23,00 0,852 M2 22,05 17,80 0,850 M3 25,15 14,50 0,761 Para a realização dos ensaios de Índice Suportes Califórnia do rejeito, do solo natural e das misturas foram utilizados os procedimentos preconizados pela NBR 9895 (ABNT, 1987). Em concordância com os ensaios de compactação, a 4075

7 energia de compactação utilizada foi a do Proctor Intermediário e as amostras foram previamente secas ao ar e sem reuso. Os resultados dos ensaios de CBR estão apresentados na Tabela 4. Tabela 4 Resultados dos ensaios de CBR Amostra CBR(%) Expansão R 57,12 0,32 A 65,70 0,21 M1 49,00-0,25 M2 54,00-0,14 M3 21,60-0,33 4. Análise dos resultados Na construção de sistemas viários, o conhecimento das propriedades físicas dos materiais constitui um elemento fundamental na análise do desempenho dos pavimentos. Estas propriedades influenciam diretamente no comportamento mecânico das camadas e, conseqüentemente, são responsáveis pela qualidade e segurança destas estruturas. Desta forma, o tamanho, as características dos grãos, a compacidade e a resistência são parâmetros importantes na avaliação do comportamento dos materiais quando utilizados nas diferentes camadas dos pavimentos. Neste contexto, foram analisadas a forma como algumas destas propriedades podem influenciar o comportamento destes materiais, buscando viabilizar sua aplicabilidade às obras rodoviárias e ferroviárias. No caso do rejeito, este tipo de investigação representa um fator importante na avaliação do seu reaproveitamento em vistas das características e comportamento mecânico particulares. Com relação às características granulométricas observa-se que o rejeito estudado apresenta uma granulometria típica de um solo siltoso, e de acordo com a especificação sugerida pelo sistema de classificação HRB para esta classe de solo não apresenta boa capacidade de suporte. Entretanto, em função da presença dos minerais de ferro o rejeito apresenta uma densidade dos grãos elevada. Observando-se a Figura 2 pode-se notar o efeito da densidade dos grãos nas características das amostras. Quanto maior a porcentagem de rejeitos nas misturas maior é o valor de Gs 5,0 4,5 4,0 Gs 3,5 3,0 2,5 2,0 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 Rejeito (%) Figura 2 Variação do Gs com o teor de rejeito 4076

8 Este fato mostra o caráter particular do rejeito quando comparado aos outros solos naturais cujo valor de Gs é constante. No caso dos rejeitos os diferentes processos de beneficiamento podem gerar materiais bastante distintos em relação à concentração de ferro. Esta característica se mostra bastante importante nas análises das misturas, pois o aumento no valor do Gs tende a provocar um aumento na densidade seca das amostras quando compactadas. A Figura 3 mostra esta influência, caracterizada pelo aumento da densidade seca máxima com o aumento do teor de rejeito nas misturas. dmax (kn/m 3 ) 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 Rejeito - R Mistura - M3 (75%R + 25%A) Mistura - M2 (50%R + 50%A) Mistura - M1 (25%R + 75%A) Solo natural - A 1,6 1,4 1,2 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 w ot (%) Figura 3 Curvas de compactação típica das amostras ensaiadas. Associado a isto existe uma tendência de queda do índice de vazios com o aumento da proporção de rejeito na mistura (Tabela 3). Entretanto, esta consideração deve ser avaliada de forma criteriosa, pois a deficiência de material argiloso pode provocar uma desagregação da mistura. Além disso, a deficiência da fração argilosa pode resultar em um aumento da permeabilidade e a conseqüente perda da estabilidade do pavimento quando não protegido adequadamente pelos revestimentos ou pela ausência de um sistema eficaz de drenagem. Observa-se, ainda que a variação de umidade foi mais significativa para as amostras com maior teor de rejeito, reforçando a influência da água no comportamento deste material. Com o objetivo de avaliar a resistência e a adequabilidade da utilização do rejeito como elemento constituinte das camadas de pavimentos rodoviários e ferroviários foram realizados ensaios de CBR nas diferentes misturas de rejeito e solo natural. Estes ensaios objetivaram a análise do comportamento do solo compactado em relação aos diferentes teores de rejeito utilizados. Analisando as misturas, a Tabela 4 mostra a tendência de aumento do valor de CBR para proporções idênticas de rejeito e solo natural, tendendo a decrescer a medida que as porcentagens de ambos materiais diminuem. Este comportamento mostra a importante iteração entre as partículas constituintes dos dois materiais. Assim, o comportamento associado das partículas finas e grossas contidas, respectivamente, no rejeito e no solo natural apresentou um importante papel na resistência da mistura. Este fato revela a importância na escolha na associação de materiais na compactação em que o arranjo estrutural interpartículas é fundamental na eficiência do processo de densificação e no conseqüente ganho de resistência. 4077

9 Uma consideração importante a ser feita refere-se à porcentagem dos materiais envolvidos na mistura, mostrando que para este tipo específico de rejeito e solo arenoso uma relação de 50% como a mais adequada. Contudo, esta proporção deve ser avaliada com cuidado pois dependendo do tipo de rejeito e solo utilizado este valor tende a ser variável. Neste sentido, é importante avaliar os materiais disponíveis e estabelecer uma metodologia para sua utilização baseada em ensaios de laboratório adequados, bem como a variabilidade de cada tipo de rejeito. Com relação à expansão destes materiais após a compactação, verificou-se que os valores de expansão foram pouco significativos com relação a porcentagem de rejeito e solo natural na mistura. 5. Considerações finais Como conclusões a respeito dos materiais ensaiados e da metodologia proposta de investigação pode-se destacar: A melhoria substancial da distribuição granulométrica e da trabalhabilidade dos rejeitos, gerando materiais com comportamento mais adequado à técnica de compactação; De uma maneira geral, as misturas melhoraram as condições de estabilidade do rejeito. O programa experimental desenvolvido demonstrou que os corpos de prova produzidos a partir de rejeito puro apresentavam-se estáveis quando confinados, mas após desconfinamento tornou-se bastante nítido o aparecimento de um elevado número de trincas de tração. Já as misturas, mesmo depois de desconfinadas, apresentaram uma maior estabilidade. Este fato evidencia a deficiência da propriedade ligante da fração fina do rejeito, sendo corrigido pela adição do solo natural, que embora predominantemente arenoso, apresenta uma maior porcentagem de fração argila; Com relação à resistência, a característica arenosa das partículas que compõem o rejeito e as misturas favoreceu a aplicabilidade destes materiais em obras rodoviárias, em que os solos mais arenosos tendem a apresentar uma melhor capacidade de suporte e resistência ao tráfego. Adicionalmente, o elevado valor da densidade dos grãos do rejeito resultou em um aumento considerável no valor do peso específico aparente seco máximo obtido na compactação. Finalizando, os rejeitos de minério de ferro mostraram-se uma alternativa atrativa no âmbito da pesquisa para empreendimentos viários próximos a mina de Gongo Soco, no do Quadrilátero Ferrífero. Contudo, é importante ressaltar a importância de análises específicas destes materiais em função das suas particularidades físicas mecânicas. Este fato pode ser confirmado pela dificuldade dos sistemas de classificação convencionais da engenharia rodoviária em caracterizar e prever o comportamento destes materiais. Neste contexto, é importante avaliar o comportamento dos rejeitos através de ensaios de laboratório e metodologias aplicadas às particularidades destes resíduos. Embora não exista ainda uma metodologia específica para avaliar o comportamento do rejeito, é possível verificar a aplicabilidade da rotina de avaliação adotada neste trabalho para caracterizar seu comportamento. Contudo, os resultados obtidos devem ser analisados com cautela devido à forma com que os rejeitos são gerados, normalmente oriundos de diferentes processos de beneficiamento e que podem alterar significativamente as suas propriedades. 4078

10 Agradecimentos: Aos órgãos de fomento CNPq, CAPES, a empresa CVRD, a UFOP e UnB. 6. Referências bibliográficas ABNT. Determinação do Limite de Liquidez. NBR 6459, Rio de Janeiro, RJ, 6 páginas ABNT. Determinação do Limite de Plasticidade. NBR 7180, Rio de Janeiro, RJ, 3 páginas ABNT. Grãos de Solo que Passam na Peneira de 4,8mm - Determinação da Massa Especifica. NBR 6508, Rio de Janeiro, RJ, 8 páginas ABNT. Solo Análise Granulométrica. NBR 7181, Rio de Janeiro, RJ, 13 páginas ABNT. Amostras de solo - Preparação para Ensaios de Compactação e Ensaios de Caracterização. NBR 6457, Rio de Janeiro, RJ, 9 páginas ABNT. Solo Ensaio de Compactação. NBR Associação Brasileira de Normas Técnicas, São Paulo, SP, 10 páginas ABNT. Solo Índice Suporte Califórnia. NBR Associação Brasileira de Normas Técnicas, São Paulo, SP, 14 páginas ABRÃO, P.C. Sobre a Deposição de Rejeitos de Mineração no Brasil. An. Simp. Barragens de Rejeito e Deposição de Resíduos Industriais e de Mineração. Rio de Janeiro, RJ, 1: RIBEIRO, L.F.M. Simulação Física do Processo de Formação dos Aterros Hidráulicos Aplicados à Barragens de Rejeitos. Tese de doutorado. Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, Brasil, 232 p Abstract The recycle of material and industrial residues have been playing a decisive part in the construction and recovery of roadways systems due to the reduction of the costs. So, this work aims to evaluate the physical and chemical properties of an iron ore waste mixed with a natural soil and to verify your application as an alternative construction material applied to highway or railway pavements. So an experimental programme based on characterization, compaction ion a CBR tests was carried out in order to evaluate the iron waste and mixture with natural soil properties. The main proposal was to verify the compatibility of the mixtures and the changes in the bearing capacity after compaction. Additionally, this work objective to establish alternative construction techniques applied to roadways systems in order to minimize the environmental impacts by using recycling materials. Based on the results, it was verified the iron ore waste applicability as a construction element of a highway or railway pavements and it has a great potential for use in this type of construction. 4079