Estudo da Resistência Mecânica do Solo Condicionado pelo Lodo de Esgoto Calcinado

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1 Estudo da Resistência Mecânica do Solo Condicionado pelo Lodo de Esgoto Calcinado Camila Daiane Cancelier UNIOESTE, Cascavel, Brasil, Simone Minuzzo UNIOESTE, Cascavel, Brasil, Décio Lopes Cardoso UNIOESTE, Cascavel, Brasil, Guilherme Irineu Venson UNIOESTE, Cascavel, Brasil, Gabriel Orquizas Mattielo Pedroso UNIOESTE, Cascavel, Brasil, Simone Tolomeotti Beal UNIOESTE, Cascavel, Brasil, RESUMO: O crescimento das implantações de projetos de esgotamento sanitário contribui de forma consistente para o bem estar da população, porém além dos benefícios, gera problemas como altas taxas de poluição devido aos resíduos gerados ao final do tratamento de esgoto. Com isso tem-se a necessidade da realização de estudos que apontem soluções com o intuito de minimizar ou até mesmo eliminar os impactos sobre o meio ambiente. O resíduo final gerado na estação de tratamento denomina-se lodo de esgoto, o qual após um processo de calagem e secagem gera o lodo de esgoto calcinado (LEC). Este estudo tem a finalidade de apontar um destino adequado para este resíduo, fazendo com que o mesmo possa ser utilizado em obras de engenharia, principalmente para reforços de taludes, bem como encontrar a dosagem ideal de LEC para melhoramento das características mecânicas do solo e analisar a variação da resistência ao cisalhamento do solo em função do tempo de cura. A matriz para o compósito será o solo a ser coletado no campus de Cascavel, da Universidade Estadual do Oeste do Paraná e o reforço será o Lodo de Esgoto Calcinado proveniente da Estação de Tratamento de Esgoto Ouro Verde, de Foz do Iguaçu, Paraná. Para a fundamentação do referido estudo, serão realizados ensaios de floculação em série com variação da quantidade de lodo de esgoto calcinado para se obter a relação ideal resíduo/solo, ensaios de caracterização do solo, serão moldados corpos de prova constituídos com o percentual de resíduo estipulado pela série de floculação, posteriormente estes serão submetidos a variação do tempo de cura e a ensaios de compressão triaxial consolidados não-drenados para avaliação da influência do tempo de cura na resistência mecânica do compósito, tendo como parâmetro o incremento da tensão desviatória. Espera-se que esse estudo possibilite desenvolver um compósito que melhore as propriedades físicas de um solo in natura de baixa e média resistência mecânica utilizando como reforço um resíduo altamente poluidor que vem a substituir materiais nobres da construção civil. PALAVRAS-CHAVE: Compósito, Resistência Mecânica do Solo, Ensaios de compressão triaxial.

2 1 INTRODUÇÃO O impacto ambiental causado pela disposição de resíduos gerados pela construção civil e por vários ramos industriais instiga pesquisadores de todo mundo a buscarem formas adequadas para gestão destes subprodutos. No processo de tratamento de águas residuais o principal subproduto gerado é o lodo de esgoto, este é considerado um passivo ambiental, subproduto inerente às atividades humanas da modernidade. Tanto em países em desenvolvimento, devido à ampliação das redes de coleta e tratamento de águas residuais, quanto em países desenvolvidos, a disposição final do lodo de esgoto se torna um grave problema ambiental. Segundo dados da SANEPAR, a ETE Ouro Verde tem uma produção anual de 20 toneladas de lodo de esgoto. Este lodo de esgoto gerado no tratamento de águas residuais é um material constituído de matéria orgânica, microorganismos patogênicos, elementos metálicos, entre outros. A maioria dos microorganismos patogênicos são eliminados por meio da caleagem, mesmo depois de receber altas dosagens de óxido de cálcio e de passar pelo processo de secagem, o lodo originado nas ETE s ainda possui alto teor de metais pesados e matéria orgânica. A eliminação da matéria orgânica pode ser facilmente resolvida com um processo já utilizado, a calcinação. A agressividade do resíduo final faz com que o destino do lodo gerado seja uma preocupação ambiental e, por isso, o lodo de esgoto pode ser adquirido a custo zero nas Estações de Tratamento de Esgotos. Sendo assim ele não pode ser simplesmente eliminado, tem-se que buscar alternativas para sua disposição final. Uma dessas alternativas é submetê-lo ao processo de calcinação e utilizálo como um reforço para o solo, formando assim um compósito, o qual obteria melhores propriedades mecânicas do que as do solo in natura. Desta forma o estudo vem a contribuir com informações necessárias sobre o comportamento desse material, de modo a possibilitar uma destinação nobre ao resíduo altamente poluidor, contribuindo ainda para melhoria das propriedades de engenharia do solo. 2 MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Materiais O solo que foi utilizado é procedente do campus da Unioeste Cascavel. Típico no centro sul do Terceiro Planalto Paranaense (MINEROPAR, 1998). O solo é classificado pedologicamente como Latossolo Vermelho distroférrico (EMBRAPA, 1999), geotecnicamente é classificado como A7, argila plástica com presença de matéria orgânica com alta compressibilidade. Este solo é bem drenado, originado da decomposição do basalto, contém teores elevados de hematita, aproximadamente 20%, possui forte atração magnética, se fragmenta com facilidade quando úmido possui densidade aparente baixa 0,92 a 1,15 g/cm³, gravidade específica aproximada de 3g/cm³, porosidade alta entre 60 % a 69 % e bastante resistente à erosão laminar. O lodo de esgoto calcinado utilizado é procedente da Estação de Tratamento de Esgoto Ouro Verde, de Foz do Iguaçu - Paraná Métodos O experimento foi conduzido no Laboratório de Geotecnia da Universidade Estadual do Oeste do Paraná, UNIOESTE, Campus Cascavel. O solo foi coletado no campus da Unioeste, Cascavel, posteriormente foi secado ao ar e depois de seco passou por peneirado na malha 4,8 mm (peneira N. 5 da ABNT), obtendo-se a Terra Fina Seca ao Ar (TFSA). O lodo de esgoto calcinado utilizado no experimento encontrava-se no Laboratório de Geotecnia da UNIOESTE e também foi passado na peneira de malha 4,8 mm. Foram realizados Ensaios de Caracterização: Análise Granulométrica do solo e do LEC; Massa Específica (γ); Massa específica dos Sólidos (γ s); Limite de Consistência LL e LP do Solo. Também foram realizados Ensaios Especiais: Ensaio de Compactação; Série de Floculação; Confecção dos Corpos de Prova; Saturação dos Corpos de Prova e Ensaio de compressão triaxial.

3 As curvas granulométricas do solo e do LEC foram determinadas conforme metodologia preconizada pela NBR 7181 (ABNT, 1984) para verificação das frações texturais do solo e do LEC. O ensaio de compactação foi realizado com energia normal de Proctor, a metodologia foi seguida de acordo com a ABNT NBR 7182 (1986), para definição do teor ótimo de umidade e da massa específica seca máxima, com os quais foram confeccionados os corpos de prova para os ensaios de compressão triaxial. Foi conduzida a série de floculação para o compósito solo mais LEC, para 11 dosagens, com teores de resíduo variando de 2,5%; 5%; 7,5%; 10%; 12,5%; 15%; 17,5%; 20%; 22,5%; 25%; 30%, em provetas de 250 ml. O método que foi empregado é o mesmo utilizado na COPPE/UFRJ (MACEDO, 2004 apud KAMINSKI, 2008) que consiste em: - Usar cerca de onze provetas de 250 mml, marcadas, para garantir uma porcentagem de reforço; - Colocar em cada proveta 20g de solo, seco ao ar, passante na peneira nº 10; - Devem ser adicionadas nas provetas as quantidades de reforço em porcentagens por massa seca de solo; - Agitar as provetas para misturar solo e reforço ainda secos; - Adicionar 50 ml de água destilada e agitar as provetas até a homogeneização completa; - Completar 100 ml e deixar em repouso absoluto até o dia seguinte; - No dia seguinte com auxílio de um bastão de metal agitar a mistura até ficar homogênea; - Depois de duas horas no mínimo fazer a leitura do volume; - No terceiro dia, agitar as provetas novamente com o bastão metálico e fazer a leitura após no mínimo duas horas; - A operação foi repetida todos os dias até obter leituras constantes ou decrescentes. - Uma tabela foi montada com as percentagens de reforço, e as leituras de volume referentes a cada dia. A partir daí foi calculada a variação volumétrica percentual do sedimento soloreforço, em relação à variação do solo puro, para todos os teores de reforço, para o cálculo foi escolhido o maior volume obtido para cada teor; - Foi feito um gráfico relacionando volume de sedimento em relação à dosagem do compósito. O ponto máximo de variação volumétrica foi interpretado como o teor mínimo de reforço necessário para a estabilização físico-química do solo. Os corpos-de-prova foram moldados nas dimensões de 50mm de diâmetro e 100mm de altura, no aparelho mini-mcv (Moisture Condition Value). Foram criadas três réplicas para cada tempo de cura. A moldagem foi realizada com o teor ótimo de umidade de 33,72%, o qual foi determinado no ensaio de compactação, com 22,5% de reforço no compósito, sendo este determinado pela série de floculação e na energia capaz de fornecer a massa específica seca máxima, conforme preconizado por PEIXOTO, FABBRI E NOGUEIRA (1996). Todos os corpos-de-prova foram moldados com a mesma percentagem de reforço no compósito com variação do tempo de cura entre: 0, 1, 3, 7, 14, 28 e 45 dias. A medida que os corpos de prova ficaram prontos, sua base foi envolta por papel filtro e perflex, fixado por uma borracha ( O ring), após este preparo, foram deixados saturar durante os diversos tempos de cura em estudo, nesse tempo, os corpos-de-prova permaneceram em bandejas com 2/3 de sua altura imersa. Foram realizados ensaios de compressão triaxial do tipo consolidado não drenado (CU) com leituras de poropressões. Os corpos-deprova foram montados na célula triaxial, com uma pedra porosa na sua base e outra no seu topo, envoltos por uma membrana flexível impermeável que foi presa por anéis de borracha. Estabilizada a consolidação, os corpos-de-prova foram rompidos. A Figura 1 ilustra esquematicamente uma célula de compressão triaxial, sendo c a tensão de confinamento e a tensão desviatória aplicada pelo pistão.

4 3 RESULTADOS 3.1 Ensaios de Caracterização Figura 1. Esquema de uma célula de compressão triaxial. Fonte: Souza Pinto (2000). Para definição da envoltória de ruptura Mohr-Coulomb (BISHOP e HENKEL, 1957), os corpos-de-prova foram submetidos às tensões confinantes de 50, 100 e 200 kpa. Foram realizadas repetições do ensaio quando da presença indevida de água por motivo do rompimento da membrana flexível impermeável. Na realização dos ensaios foram aplicados carregamentos e medindo durante um certo intervalo de tempo, o aumento de tensão axial atuante e a deformação vertical do corpo-deprova. Esta deformação, quando dividida pela altura inicial da amostra, fornece a deformação vertical específica da mesma. Após a realização do ensaio se obteve a tensão axial dividindo a força normal aplicada ao corpo-de-prova pelo pistão axial pela seção transversal do corpo-de-prova obtida a cada instante e somando o resultado a tensão Com os dados obtidos no ensaio foram plotados os círculos de Mohr, através dos quais foi possível obter os valores de coesão, ângulo de atrito interno e inclinação do plano de ruptura. Estes parâmetros são convencionalmente determinados a partir da reta envoltória de ruptura, a qual é tangente aos círculos traçados. Porém, tal procedimento envolve certa subjetividade no traçado da tangente. Por isso, buscou-se determinar estes parâmetros de forma matemática relacionando trigonometricamente a reta tangente com a reta que liga os pontos de máxima tensão cisalhante dos círculos. De acordo com o ensaio de granulometria o solo foi classificado com 59% argila, 29% silte e 12% areia. A massa especifica do solo é de 16,30 KN.m - ³. A massa específica dos sólidos do solo é de 29,48 KN.m - ³. O limite de plasticidade do solo é dado quando o teor de umidade do mesmo é de 32,70%. O limite de liquidez foi determinado como o teor de umidade correspondente a 25 golpes, onde o mesmo deu 66% Ensaios Especiais Através do ensaio de compactação foi plotado o gráfico (Fig. 2), o qual apresenta em seu ponto máximo, a densidade máxima (γ máxima) em relação a umidade ótima (Wótima) para o compósito e para o solo: Figura 2. Curva de compactação na energia normal de Proctor. A curva de compactação acima apresentada nos fornece a massa específica seca máxima de 13,43 KN.m - ³, ponto máximo do gráfico e o teor ótimo de umidade de 33,72%. Através desses dados foram moldados os corpos de prova do compósito. Com a montagem da Série de Floculação, através dos volumes de sedimentos máximos de cada dosagem, volume máximo na proveta

5 (Vmáx), massa seca (Ms), obteve-se a variação volumétrica dos sedimentos, como pode ser observado na tabela 1: Tabela 1. Volume Normalizado de Sedimentos Máximos da Dosagem. Dosagem Massa Seca Volume máx. Vm/Ms [%] [g] [cm³] [cm³/g] 2,5 20, , , ,61 7,5 21, , , ,84 12,5 22, , , ,04 17,5 24, , , ,64 22,5 25, , ,7 79 2, , ,94 Como as dosagens de LEC no solo variam de 2,5% a 30%, precisa-se normalizar o volume para todas as provetas, atraves da relação volume de sedimentos pela massa seca. Com a média dos valores do quociente da relação supracitada em função da dosagem, foi plotada a curva de floculação apresentada (Fig. 3): entre 50, 100 e 200 kpa. Foram analisados corpos-de-prova com diferentes tempos de cura, os resultados dos ensaios estão resumidamente apresentados nas tabelas a seguir. Tabela 2. Resumo dos resultados obtidos no ensaio triaxial para tempo de cura de 0 dia ,40 67, ,24 145, ,29 278,76 Observou-se que o aumento da tensão confinante proporciona um aumento da tensão de ruptura e que para o corpo de prova sem cura a máxima tensão que pode ser aplicada com uma pressão confinante igual a 200 kpa é de aproximadamente 278 kpa. Tabela 3. Resumo dos resultados obtidos no ensaio triaxial para tempo de cura de 1 dia ,24 111, ,39 176, ,40 284,80 Observou-se que com um dia de cura pode ser obtido um aumento de resistência de aproximadamente 10% em relação ao compósito inicial, rompido sem cura. Tabela 4. Resumo dos resultados obtidos no ensaio triaxial para tempo de cura de 3 dias ,62 142, ,83 212, ,82 314,61 Figura 3: Curva de Floculação O ponto máximo da curva, 22,5%, é interpretado como o ponto de dosagem ótima, pois a máxima variação volumétrica corresponde ao teor mínimo de reforço para garantir estabilidade ao solo. Os ensaios de compressão triaxial foram realizados do tipo consolidado não drenado, com a aplicação de tensão confinante variando Segundo os dados obtidos no ensaio do corpo-de-prova com cura de 3 dias, a tensão de ruptura aumenta em aproximadamente 40% em relação ao compósito inicial, o qual não passou pelo processo da cura.

6 Tabela 5. Resumo dos resultados obtidos no ensaio triaxial para tempo de cura de 7 dias. KPa KPa KPa ,37 178, ,56 243, ,46 353,49 De acordo com os dados obtidos no ensaio, temos que o compósito condicionado em cura durante um período de 7 dias apresentou aproximadamente duas vezes o valor de sua resistência inicial. Tabela 6. Resumo dos resultados obtidos no ensaio triaxial para tempo de cura de 14 dias. KPa KPa KPa ,95 197, ,06 314, ,47 550,16 De acordo com os dados obtidos no ensaio de compressão triaxial, observou-se que o compósito com 14 dias de cura apresentava um aumento contínuo da tensão desviatória em relação ao compósito inicial, submetido a ruptura sem estabilizar suas reações químicas, visto que esse processo aconteceria durante a cura. Tabela 7. Resumo dos resultados obtidos no ensaio triaxial para tempo de cura de 28 dias. KPa KPa KPa ,18 284, ,65 351, ,14 647,38 Observou-se que o aumento de tensão desviatória é um aumento contínuo e que depende diretamente do tempo de cura, com esse ensaio concluiu-se também que o ganho de tensão de ruptura se intensifica em tensões confinantes maiores e próximas a 200 kpa. Tabela 8. Resumo dos resultados obtidos no ensaio triaxial para tempo de cura de 45 dias ,83 294, ,30 356, ,83 629,61 A resistência ao cisalhamento do compósito aumenta segundo o aumento do tempo de cura do corpo-de-prova e com o acréscimo das tensões confinantes. No tempo de cura de 1, 3, 14 e 28 dias, os compósitos apresentam resistência residual após o pico, caracterizada pela existência de um patamar na curva tensãodeformação pós a ruptura. Enquanto nos tempos de cura de 7 e 45 dias o material apresentou ruptura frágil caracterizada por uma brusca queda na tensão desviatória. A tensão desvio de ruptura corresponde aos picos das curvas de tensão-deformação, para cada tempo de cura de acordo com cada pressão confinante. Esses dados são demonstrados na Figura 4. Figura 4. Tensão desvio máxima na ruptura. Em cada uma das curvas apresentadas acima, o pico caracteriza a tensão desviatória na ruptura do compósito, sendo este a resistência ao cisalhamento, a qual mostrou-se crescente com o aumento dos tempos de cura e também com o aumento da pressão confinante. Este efeito do confinamento é maior para tempos de cura maiores, verificado pelas distâncias verticais entre os pontos experimentais. Os círculos de Mohr tipicamente proporcionam a visualização do comportamento dos solos, em que a tensão confinante exerce

7 efeito marcante, refletido no tamanho do círculo. Quanto maior o confinamento, maior se torna o círculo, desta forma é necessário que exista uma tensão desviatória maior para que haja a do material. À medida que se aumenta o tempo de cura, percebeu-se uma aproximação entre os círculos bem como o aumento dos diâmetros, fato que indica o aumento do ângulo de atrito interno. As envoltórias de ruptura, caracterizadas pela linha que tangencia simultaneamente os círculos de Mohr para cada tempo de cura, ficam melhor definidas para os tempos de cura mais altos. Estes resultados demonstram que o critério de ruptura Mohr-Coulomb pode ser aplicado com grande rigor no estudo do comportamento mecânico do compósito em estudo. 4 CONCLUSÃO Nas condições de realização deste experimento, é possível concluir que: O aumento do tempo de cura dos corpos-deprova aumentou consideravelmente sua resistência ao cisalhamento; O efeito do confinamento foi verificado em todos os tratamentos; O critério de ruptura Mohr-Coulomb pode ser aplicado com grande rigor no estudo do comportamento mecânico do compósito em estudo. A resistência ao cisalhamento mostrou-se crescente com o aumento dos tempos de cura e também com o aumento da pressão confinante. Este efeito do confinamento foi maior para tempos de cura maiores, verificado pelas distâncias verticais entre os pontos experimentais. No tempo de cura de 1, 3, 14 e 28 dias, os compósitos apresentam resistência residual após o pico, caracterizada pela existência de um patamar na curva tensão-deformação pós a ruptura. Enquanto nos tempos de cura de 7 e 45 dias o material apresentou ruptura frágil caracterizada por uma brusca queda na tensão desviatória. Esses resultados apontam para a continuidade da pesquisa na área de tecnologia dos materiais para desenvolvimento de novos produtos capazes de retirar do ambiente um resíduo contaminante, transformando-o em um material com condições de aplicação para melhoramento do desempenho mecânico do solo. O estudo realizado comprova o potencial que um material considerado um resíduo sem valor tem de ser utilizado como reforço, produzindo um compósito que pode vir ser capaz de substituir produtos industrializados como a cal e o cimento. Outras aplicações do resultado dessa pesquisa poderiam ser o apoio ao combate à erosão e reforço de bases de estradas, entre outras aplicações do compósito resultante melhorando as propriedades de engenharia do solo. REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS -ABNT. NBR- 7182/86: Solo: Ensaio de compactação. Rio de Janeiro, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7181: Solo Análise granulométrica. Rio de Janeiro, 1984b. 13 p. BISHOP, A.W., HENKEL, D.J. The measurement of soil properties in the triaxial test. London: William Arnold EMBRAPA EMPRESA BRASILEIRA DE PESQUISA AGROPECUARIA Sistema brasileiro de classificação de solo. Rio de Janeiro: Centro Nacional de Pesquisa de Solos, MACÊDO, M. M. Solos modificados com cimento efeito no modulo de resiliência e no dimensionamento de pavimentos Dissertação de mestrado. Universidade Federal de Pernambuco. MINEROPAR MINERAIS DO PARANÁ S.A. Mineração na geração de emprego e renda oportunidades de negócio com mineração. Curitiba: SERT, PEIXOTO, A.S.P.; FABBRI, G.T.P.; NOGUEIRA, J.B. Uma avaliação da repetibilidade dos parâmetros que compõem a Classificação MCT. CONGRESSO BRASILEIRO DE GEOLOGIA DE ENGENHARIA, Rio de Janeiro, ABGE, 8, v P SANEPAR, Companhia de Saneamento do Paraná. Características do Gerenciamento de lodo de esgoto no Paraná. Sanare Revista Técnica da Sanepar, 2007.