Determinação dos parâmetros de interação mecânica de interfaces de resíduos de mineração com geossintéticos

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1 Determinação dos parâmetros de interação mecânica de interfaces de resíduos de mineração com geossintéticos Gustavo Marçal de Sousa; Marínis Maria de Almeida; Gilberto Fernandes; Romero César Gomes Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, Minas Gerais, Brasil Ennio Marques Palmeira Universidade de Brasília, Brasília, Distrito Federal, Brasil RESUMO: Diante do passivo ambiental representado pelos métodos tradicionais de disposição de rejeitos e estéreis de mineração, buscou-se implementar uma pesquisa específica visando a utilização destes materiais associados a geossintéticos, como matéria prima na construção de obras de infra-estrutura viária, localizadas nas proximidades de áreas mineradoras. Desta forma, foram realizados ensaios para a determinação de alguns dos principais parâmetros de resistência dos materiais estudados e também dos parâmetros de interação mecânica nas interfaces rejeitos-geossintéticos, por meio de ensaios de cisalhamento direto e utilizando-se amostras compactadas na umidade ótima de campo. Em termos gerais, o rejeito estudado e também uma mistura deste rejeito com estéreis locais apresentaram bons parâmetros de interação com os dois tipos de geossintéticos avaliados, mostrando possibilidade de utilização de resíduos de mineração em estruturas associadas a geossintéticos. PALAVRAS-CHAVE: Geossintéticos, Resíduos de Mineração, Caracterização Tecnológica de Rejeitos. 1 INTRODUÇÃO Os rejeitos de minério de ferro são materiais remanescentes do processo de beneficiamento e concentração do minério em instalações industriais, cujas características granulométricas dependem do tipo de minério e do processo industrial de beneficiamento, podendo abranger uma ampla faixa de materiais, desde arenosos não-plásticos até solos de granulometria muito fina. Independente da granulometria ou do processo de beneficiamento os rejeitos de minério de ferro são sempre dispostos de maneira tradicional. Os métodos tradicionais de disposição de rejeitos de minério de ferro tais como barragens, empilhamentos e baias de ressecamento, requerem muitas vezes grandes áreas e cuidados especiais e contínuos durante toda vida útil do empreendimento minerador, pelo fato de representarem um potencial risco ambiental (Gomes, 5). Os materiais geossintéticos, pelas suas características de versatilidade e facilidade construtiva, têm ocupado um espaço crescente no âmbito na engenharia geotécnica, onde são utilizados em sistemas de drenagem, filtração, proteção, reforço e impermeabilização. No Brasil, a utilização de geossintéticos teve sua aceleração no final da década de 7 e início da década de, com obras não só envolvendo aplicações em drenagem e filtração, mas também com utilização de geossintéticos como reforço de solos. Apesar deste crescimento, o Brasil detém atualmente menos de 1% do consumo mundial de geossintéticos, valor inexpressivo quando comparado aos consumos de países do primeiro mundo e mesmo com outros países com economia significativamente menores que a nossa. Um geossintético é caracterizado pela natureza do polímero presente, pelo arranjo textural entre as fibras e/ou filamentos, pela tecnologia de fabricação e pelas suas aplicações geotécnicas. Num contexto geral, os geossintéticos podem ser classificados nos seguintes tipos: geotêxteis, geomembranas, geodrenos, geocélulas, geogrelhas, georredes, geocompostos, fibrossolo e GCL geocompostos com núcleo argiloso. Para aplicações em infra-estrutura viária, os materiais sintéticos passíveis de serem utilizados como elementos de reforço são os geotêxteis e as geogrelhas. Diante deste passivo ambiental representado pelos métodos de disposição dos rejeitos, a idéia de utilização desses rejeitos associados a

2 materiais geossintéticos como material de construção em obras de infra-estruturas de rodovias e ferrovias localizadas nas proximidades de minerações, motivou um programa específico de caracterização tecnológica de resíduos de minério de ferro. O programa citado esta representado neste trabalho com a determinação dos ângulos de atritos do rejeito de minério de ferro da mina de Gongo Soco e alguns dos principais estéreis provenientes da operação de decapagem da mina, além dos ângulos de atrito na interface destes materiais com materiais geossintéticos. 2 PROGRAMA EXPERIMENTAL 2.1 Coleta e Amostragem Foram coletadas amostras deformadas de resíduos de mineração nas lagoas de lama da Mina de Gongo Soco da Companhia Vale do Rio CVRD no município de Barão de Cocais - Minas Gerais a 1 Km de Belo Horizonte. Também foram coletados materiais retirados como estéril na operação de desmonte da mina, a identificação e terminologia utilizadas nos materiais estão indicadas na Tabela 1. Tabela 1. Identificação e terminologia dos materiais. Amostra Identificação Descrição 1 SG 2 EL 3 RF 4 MP Solo Granular (areia siltosa amarela, solo residual de itabirito dolomítico) Estéril Laterita (cascalho laterítico composto de areia com pedre- gulho, cor avermelhada) Rejeito de Minério de Ferro (silte arenoso, cinza) Mistura entre materiais (5% SG + 25% RF + 25% EL) A Tabela 2 apresenta as características gerais dos materiais em estudo, a Tabela 3 apresenta as principais propriedades geotecnicas dos materiais e a Tabela 4 trás a porcentagem dos principais componentes químicos encontrados em cada material em estudo. Tabela 2. Características gerais dos materiais. Material Argi- G s la Silt e Areia Pedre - gulho e min /e máx SG 3, /1,18 EL 3, /5 RF 4, / MP 4, ,11/,3 Tabela 3. Características geotecnicas dos materiais. Material γ dmáx (kn/m 3 ) w ótima CBR Expansão SG 17, 24,6 65,7 1 EL 25, 2 125, 6 RF 28,3 11, 52,17,32 MP 27,3 9,53 15,77 8 Tabela 3. Análise química dos materiais. Amostra Fe SiO 2 Al 2 O 3 Outros EIS 48,935 36,18 1,315 13,57 EID 37,68 48,86 2,7 11,39 RF 75,945 5,125 1,52 17, Cisalhamento direto Introdução O comportamento global de um maciço de solo reforçado com geossintéticos está condicionado às propriedades do solo, às propriedades do reforço e, principalmente, às propriedades da interface solo-geossintético. Dentre estas propriedades, são particularmente importantes a resistência à tração do geossintético, os parâmetros de interação mecânica entre o solo e o reforço e os efeitos de confinamento do solo adjacente sobre o comportamento tensãodeformação do material (Gomes, 1993). Para se avaliar os parâmetros de interação entre o rejeito, solos e os materiais geossintéticos utilizados, adotou-se o ensaio de cisalhamento direto, devido ao fato de ser um ensaio simples, bem difundido na engenharia e de baixo custo Procedimento O ensaio de cisalhamento direto (Figura 1). consiste na aplicação de uma tensão normal sobre o corpo de prova e, em seguida, na aplicação de forças horizontais crescentes a uma das metades da caixa de cisalhamento, induzindo o seu deslocamento em relação à outra metade.

3 foram de 37,3 e coesão nula, 43,7 e coesão de 2 kpa e de 41,8 e coesão nula, respectivamente. Notou-se que o comportamento ao cisalhamento dos materiais foi fortemente afetado pela composição granulométrica (EL) e pela forte presença de partículas de ferro nas frações finas (SG, RF e MP). Figura 1.Esquema da célula de cisalhamento do equipamento. O ensaio de cisalhamento direto foi usado para a determinação dos parâmetros de resistência (ângulo de atrito e coesão) das amostras dos materiais SG, EL, RF e MP nas condições de campo ou seja, reproduzindo-se a situação de compactação na umidade ótima, para as condições normais de material compactado. Adicionalmente, foram obtidos os parâmetros de resistência das interfaces MP GNT (geotêxtil não tecido de poliéster), MP GG (geogrelha) e RF GNT (geotêxtil não tecido de poliéster). A metodologia adotada seguiu basicamente procedimentos convencionais (Head, 19), utilizando-se de amostras de 6 cm por 2,5 cm, moldadas a partir de corpos-de-prova compactados na umidade ótima de campo e levados à ruptura em prensa mecanizada, sob tensões normais que variaram, dependendo da amostra, entre 25 e. Os ensaios foram realizados em condições drenadas, com consolidação em períodos que variaram de 3 minutos a 2 horas, dependendo da tensão normal e dos tempos necessários à estabilização dos deslocamentos. A velocidade de aplicação da tensão cisalhante foi de 6,9 x 1-2 mm/min. 3 RESULTADOS E ANÁLISES A Figura 2 apresenta os resultados típicos dos ensaios de cisalhamento direto realizados sobre o solo granular SG, em equipamento convencional de laboratório, expressos em termos das curvas tensões cisalhantes x deslocamentos horizontais, envoltórias de resistência e curvas deslocamentos verticais x deslocamentos horizontais. Os parâmetros de resistência obtidos para o caso dos demais materiais estudados: estéril laterita, rejeito de minério de ferro e a mistura R 2 =, DESLOCAMENTO. VERTICAL(mm) - - Figura 2. Resultados dos ensaios cisalhamento direto no solo granular compactado na umidade ótima. Os valores dos ângulos de atrito foram elevados devido à alta densidade das amostras, em função da compactação prévia e dos

4 elevados teores de ferro presentes nas frações mais finas dos materiais analisados. Complementarmente, foram também realizados ensaios de cisalhamento direto envolvendo interfaces dos materiais estudados com geotêxtil não tecido e com geogrelha, de forma a simular as condições de reforço e avaliar a influência destes elementos nas condições globais da estabilidade de pavimento rodoviários e ferroviários. As Figuras 3 e 4 apresentam os resultados destes ensaios envolvendo as interfaces mistura MP geossintéticos. Os valores dos parâmetros de resistência para as interfaces mistura MP geossintéticos foram, respectivamente, iguais a 33,2 para o caso do geotêxtil não tecido e de 34,6 para o caso da geogrelha. Estes valores são particularmente baixos quando comparados ao do solo base (φ=parâmetros de interfaces solos-geossintéticos, principalmente no caso do geotêxtil não tecido DESLOCAMENTO VERTICAL (mm) - - Figura 3. Resultados dos ensaios cisalhamento direto na interface mistura MP geotêxtil R 2 =, R 2 =, DESLOCAMENTO VERTICAL (mm) - - Figura 4. Resultados dos ensaios cisalhamento direto na interface mistura MP geogrelha. A Figura 5 apresenta o resultado do ensaio

5 envolvendo a interface rejeito RF geotêxtil. O valor do ângulo de atrito para a interface RF geotêxtil foi igual a R 2 =, DESLOCAMENTO VERTICAL (mm) - - Figura 5. Resultados dos ensaios cisalhamento direto na interface RF geotêxtil. O resumo completo dos resultados relativos aos ensaios de cisalhamento direto realizados no solo granular, no estéril laterita, no rejeito de minério de ferro e na mistura entre materiais, bem como nas interfaces com geossintéticos (geotêxteis não tecidos e geogrelhas), estão apresentados na Tabela 5. Tabela 5. Parâmetros de tensão-deformação-resistência dos materiais estudados. Amostra Tensão Normal (kpa) 1 φ ( ) c (kpa) SG ,, RF ,7 2, EL ,3, MP ,8, MP GNT ,2,98 3 MP GG ,6,966 3 RF GNT , Obs.:s - tensões normais aplicadas, τ - tensões cisalhantes, φ - ângulo de atrito, c - coesão, R - coeficiente de correlação dos resultados; N - número de ensaios realizados; GNT geotêxtil não tecido de poliéster; GG geogrelha. Os valores dos parâmetros de atrito (f = tgφ interface / tgφ solo de base ) para as interfaces mistura de pista geossintéticos foram, respectivamente, iguais a,73 para o caso do geotêxtil não tecido e de,77 para o caso da geogrelha e para o caso da interface RF geotêxtil de,7. 4 CONCLUSÕES Em termos gerais, os materiais estudados apresentam um comportamento típico de solos granulares sob cisalhamento. As amostras dos materiais SG, EL, RF e a M P apresentaram um comportamento essencialmente dilatante, de forma similar a materiais granulares de elevada compacidade. A mistura de pista MP apresentou uma resistência ao cisalhamento superior a do material SG, utilizado de forma corrente nos projetos de infra-estrutura rodoviária e ferroviária na região do Quadrilátero Ferrífero de Minas Gerais. O material RF, por sua vez, é caracterizado por um elevado teor de ferro (75,94%), o que garante o ganho de resistência da mistura. Em relação às interfaces estudadas, uma análise em termos quantitativos do parâmetro de atrito mostra que estes valores são particularmente baixos quando comparados a parâmetros de interfaces solos geossintéticos, R 2 N

6 principalmente no caso do geotêxtil não tecido. Entretanto o emprego de geossintéticos em conjunto com a MP pode ser utilizado em projetos de estruturas rodoviárias e ferroviárias, pois os parâmetros de resistência encontrados quando ensaiados em interface mostraram ser valores aceitáveis em se tratando de ângulos de atrito. A MP associada a geossintéticos pode ser considerada uma alternativa para utilização como camada de base de obras de superestruturas, o que poderá reduzir significativamente os custos de implantação, em concomitância com a redução dos impactos ambientais causados pela disposição dos rejeitos, que muita das vezes se dá de forma inadequada. AGRADECIMENTOS Este trabalho é parte integrante de um amplo projeto de caracterização tecnológica, desenvolvido pelas Áreas de Transporte e Geotecnia da Universidade Federal de Ouro Preto. Os autores gostariam de agradecer à Companhia Vale de Rio Doce (CVRD), Fundação Estadual de aparo a Pesquisa de Minas Gerais (FAPEMIG) e ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pelo apoio financeiro e estrutural na realização dos ensaios. REFERÊNCIAS Fernandes, G. (5). Comportamento de Estruturas de Pavimentos Ferroviários com Utilização de Solos Finos e/ou Resíduos de Mineração de Ferro Associados a Geossintéticos. Tese de Doutorado Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 253p. Gomes, R. C. (1993). Parâmetros de Projetos em Estruturas de Solos Reforçados com Geotêxteis. Revista Solos e Rochas, 16, v. 4, p , São Paulo. Gomes (5). Caracterização Tecnológica e Sistemas de Disposição de Rejeitos, Departamento de Engenharia Civil, Universidade Federal de Ouro Preto, 26p. Head, K.H. (1986). Manual of soil laboratory testing. Pentech Press, London, UK, 1, 2 e 3, 12 p.