15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental AVALIAÇÃO DE MISTURAS DE SOLO E RESÍDUO DE PERFURAÇÃO ON SHORE PARA USO EM PAVIMENTAÇÃO

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1 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental AVALIAÇÃO DE MISTURAS DE SOLO E RESÍDUO DE PERFURAÇÃO ON SHORE PARA USO EM PAVIMENTAÇÃO Carina Maia Lins Costa 1 ; Yuri Daniel Jatobá Costa 2 ; Silvia Cristina Justo Fernandes Nobre de Araujo 3 ; Luiz Augusto da Silva Florêncio 4 Resumo A perfuração de poços de petróleo on shore tem como subprodutos, entre outros, o cascalho de perfuração, mistura entre o material desagregado das camadas de rocha perfuradas e o fluido de perfuração utilizado. Outro material resultante dessa atividade é a cinza, oriunda da incineração de cascalho. O aumento do número de poços perfurados no Brasil evidencia o desafio de identificar uma forma de destinar corretamente tais resíduos. Este trabalho apresenta uma avaliação da viabilidade de uso desses materiais em misturas com solo na construção de bases de poços de petróleo e em vias de acesso, a partir da caracterização dos materiais e do ensaio de índice de suporte Califórnia (CBR). Além do estudo do solo utilizado para as misturas, foram estudadas três dosagens: 9% de solo com 1% de cascalho; 94% de solo com 6% de cascalho; 9% de solo com 5% de cascalho e 5% de cinza. A caracterização indicou que todas as dosagens são classificadas como A-1-B, indicada para uso em pavimentação. O ensaio CBR mostrou o maior valor para o solo puro e o menor para a dosagem com solo, 5% de cascalho e 5 de cinza. Todas as dosagens apresentaram baixa expansão, menor que 1%. As dosagens com 6% e 1% de cascalho podem ser usadas como reforço de subleito, sub-base e base, segundo as recomendações do DNIT, enquanto a dosagem contendo 5% de cinza e 5% de cascalho pode ser usada apenas como reforço de subleito e sub-base de rodovias. Abstract Drilling of on shore oil wells generates, among other byproducts, drilling gravels and ashes. The drilling gravel is composed by fragments of the perforated rock layers and drilling fluid and ashes result from incineration of drilling gravel. The increase in the number of drilled wells in Brazil highlights the need of giving these solid wastes a sustainable destination. This paper evaluates the use of soil-drilling gravel and soil-drilling gravel-ashes blends for the construction of oil well foundation bases and access roads. The study was based an experimental program that included characterization tests and California Bearing Ratio (CBR) tests with the blends. The proportions investigated in this study (in mass) were as follows: 9% soil and 1% gravel, 94% soil and 6% gravel, and 9% soil, 5% gravel and 5% ash. Baseline tests were also performed with pure soil. All blends classify as A-1-B, according to AASHTO Soil Classification System, and are indicated for pavement use. The largest CBR value was found for pure soil, and the lowest value was found to the blend made with soil, 5% gravel and 5% ash. Expansion after soaking was less that 1% for all blends. Blends made with soil and 6% gravel and soil and 1% gravel are suitable for use as paving sub-grade, sub-base and base. Blend made with soil, 5% gravel and 5% ash are suitable for use as paving sub-grade and sub-base only. Palavras-Chave Petróleo, Cascalho de perfuração, Cinzas, Rodovias, Pavimentação Eng., PhD, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, (84) , cmlins@gmail.com Eng., PhD, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, (84) , ydjcosta@ct.ufrn.br Eng., Estudante de Mestrado em Engenharia Civil, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, silviacjfernandes@gmail.com Estudante de graduação em Engenharia Civil, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, luiz.engh@gmail.com 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 1

2 1. INTRODUÇÃO A exploração de petróleo on shore por meio de construção de poços gera cascalho de perfuração e cinzas como resíduo. O cascalho de perfuração é a mistura de material desagregado da rocha perfurada e do fluido de perfuração utilizado. A cinza, por outro lado, é produzida a partir da incineração de solo, a fim de gerar um material calcinado. No Nordeste do Brasil, a quantidade de poços perfurados tem gerado grande quantidade de cascalho, estimado, ao longo dos últimos três anos, em 1.3 toneladas mensais apenas no Rio Grande do Norte. O descarte adequado do cascalho de perfuração e das cinzas é um dos maiores desafios para as empresas do setor e para órgãos ambientais e, por isso, alternativas tecnológicas e ambientalmente corretas têm sido estudadas. O atendimento simultâneo às especificações ambientais e comportamento geotécnico adequado, pode credenciar a utilização desses subprodutos em misturas com solo (blends) para construção de fundação para bases de locação de poços de petróleo e subleito de vias de acesso e contribuir para uma destinação final adequada desses materiais. As obras de infraestrutura têm capacidade para receber grandes volumes desses materiais e promover o reaproveitamento sustentável dos mesmos, sendo, entretanto, necessária a pesquisa detalhada de suas características técnicas e seu potencial de aplicação. Este trabalho apresenta um estudo preliminar de caracterização geotécnica básica desses resíduos, voltado para avaliação da resistência desses materiais mediante ensaios para determinação do índice de suporte Califórnia das misturas. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Preparação das Amostras O solo utilizado para as misturas foi oriundo de jazida localizada no município de Mossoró- RN, coletado a aproximadamente,8m de profundidade. Para a pesquisa, foram utilizadas três diferentes dosagens de cascalho e cinza, em peso, para mistura com o solo, conforme apresentado na Tabela 1. Tabela 1. Dosagens das misturas. Dosagem Solo Cascalho Cinza A 9% 1% % B 94% 6% % C 9% 5% 5% Para cada dosagem, calculou-se a massa seca de cascalho e cinza a serem adicionadas como uma fração da massa de solo seco. A massa de solo seco foi calculada, para uma determinada quantidade de solo, a partir da Expressão 1. M ss Msu [1] 1 (w /1) M ss é a massa seca do solo; M su representa a massa do solo úmido; w é a porcentagem de umidade do solo úmido. Antes da realização dos ensaios, o solo, o cascalho, a cinza e as dosagens foram preparadas segundo a NBR 6457, para homogeneização do material, com secagem ao ar e quarteamento do material em quarteador. 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 2

3 2.2. Ensaios de Caracterização A caracterização de todos os materiais utilizados foi realizada por meio dos ensaios de granulometria conjunta, massa específica dos grãos, determinação dos limites de liquidez e plasticidade, e ensaios de compactação do tipo Proctor modificado Granulometria conjunta O ensaio de granulometria conjunta foi realizado seguindo os padrões da NBR 7181, para todas as dosagens Massa Específica dos Grãos A massa específica dos grãos foi determinada conforme os procedimentos constantes na NBR 658, apenas para os materiais puros. Foram realizadas cinco determinações das temperaturas e as respectivas massas do conjunto. A massa específica foi determinada para as frações passantes nas peneiras 2, mm e 4,8 mm, uma vez que esta última é a maior dimensão permitida por norma Determinação dos Limites de Liquidez e Plasticidade Os ensaios de Limite de Liquidez foram realizados seguindo os padrões da NBR 6459 e os ensaios de Limite de Plasticidade seguiram a NBR 718. Todas as dosagens, o cascalho e a cinza foram analisados Ensaios de Compactação do tipo Proctor Modificado Os ensaios de compactação foram realizados para todas as dosagens, segundo a NBR 7182, com utilização de cilindro de diâmetro nominal 15 mm, devido à granulometria do material e à necessidade de realização de ensaios de índice de suporte Califórnia Índice de Suporte Califórnia e Expansão Os ensaios de Índice de Suporte Califórnia (ISC ou CBR) foram executados com análise de expansão, segundo a NBR 9895/87, com material passante na peneira de abertura de 19mm. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES 3.1. Análise Granulométrica A Figura 1 mostra as curvas granulométricas de todas as dosagens estudadas. É possível observar que as curvas das misturas se situam próximas entre si. Pelo sistema de Classificação Rodoviária de Solos da AASHTO, todas as dosagens são classificadas como A-1-B, de modo que sua aplicação para pavimentos é adequada e possível. Todos os materiais se situam nas faixas granulométricas A a D do DNIT (DNIT, 6) Massa Específica dos Grãos A Tabela 2 apresenta o resultado da massa específica dos grãos (ρ s ) para o solo, o cascalho e a cinza, para o material passante na peneira de 4,8 mm (ρ s1 ) e para o material passante na peneira 2, mm (ρ s2 ). 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 3

4 % que passa Tabela 2. Valores de massa específica dos grãos. Material ρ s1 (g/cm³) ρ s2 (g/cm³) Solo 2,678 2,648 Cascalho 2,761 2,779 Cinza 2,735 2, Limites de Liquidez e Plasticidade A Tabela 3 apresenta os resultados dos ensaios dos limites de liquidez (LL) e plasticidade (LP). Os ensaios indicaram que a cinza é um material não plástico (NP) e que o cascalho pode ser classificado como medianamente plástico, dado que seu índice de plasticidade (IP) é maior do que 7,. Tabela 3. Valores de LL, LP e IP. Material LL (%) LP (%) IP (%) Solo 24,6 19,6 6, Cascalho 24,1 16,9 7,2 Cinza NP Dosagem A 22,7 16,8 5,9 Dosagem B 22,2 16,4 5,8 Dosagem C 21,7 18,5 3,3 É possível perceber que, para as dosagens estudadas, a plasticidade do cascalho não influenciou a plasticidade da mistura Dosagem A B C Dsolo puro 1E-4 1E-3,1, Diâmetro (mm) Figura 1. Curva granulométrica das dosagens A, B, C e Solo Puro Resultados dos Ensaios de Compactação Tipo Proctor Modificado A Figura 2 apresenta as curvas de compactação para as dosagens, com partículas que passam na peneira de 19 mm. É possível perceber que a Dosagem C, com cascalho e cinzas, foi a que apresentou menor massa específica seca e maior umidade ótima. 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 4

5 Índice de Suporte Califórnia (%) expansão (%) Massa específica aparente seca (g/cm 3 ) 2,28 2,24 2, 2,16 Dosagem A B C DSolo puro 2,12 2,8 2,4 2, Figura 2. Curvas de compactação das dosagens A, B, C e solo puro, com material passando na peneira de 19 mm 3.5. Índice de Suporte Califórnia e Expansão Os resultados dos ensaios de CBR e respectivas expansões estão apresentados nas Figuras 3 a , 1,8 1,6 1,4 1,2 4 1, ISC,8,6,4 Expansão,2, Figura 3. CBR e expansão para a Dosagem A 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 5

6 Índice de Suporte Califórnia (%) expansão (%) Índice de Suporte Califórnia (%) expansão (%) Índice de Suporte Califórnia (%) expansão (%) 8 2, 1,8 1,6 1,4 1,2 4 1, ISC,8,6,4 Expansão,2, Figura 4. CBR e expansão para a Dosagem B 8 2, 1,8 1,6 1,4 1,2 4 1, ISC,8,6,4 Expansão,2, Figura 5. CBR e expansão para a Dosagem C 8 2, 1,8 1,6 1,4 1,2 4 1, ISC,8,6,4 expansão,2, Figura 6. CBR e expansão para o solo puro 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 6

7 A partir dos resultados obtidos, observa-se que o solo puro apresentou o maior valor de índice de suporte Califórnia (ISC max ), 65,2%, seguido pelas Dosagens B e A (com adições de 6% e 1% de cascalho, respectivamente), ambas com ISC de aproximadamente %. A Dosagem C (com adição de 5% de cascalho e 5% de cinza) apresentou o menor valor de ISC max. Observa-se que a adição de cascalho em ambas as proporções ocasionou uma pequena redução no ISC max, de aproximadamente 8%. Já a adição de cinza e cascalho resultou em uma redução de 17,5% no ISC max. Para todas as dosagens, o ISC max obtido situa-se dentro de uma faixa entre w ot e (w ot 1,5%). Apenas na Dosagem B o teor de umidade correspondente a ISC max ficou um pouco acima da ótima. A compactação em campo pode então ser executada dentro da faixa w = w ot 1,5%. A expansão após inundação do solo puro e demais dosagens mostrou-se muito baixa. O menor valor de expansão ocorreu para a Dosagem D (solo puro) e o máximo, para a Dosagem B (adição de 6% de cascalho). Não obstante, todos os valores máximos de expansão foram muito próximos entre si. Em termos práticos, pode-se considerar que todas as dosagens analisadas satisfazem os requisitos mínimos, em termos de expansibilidade, para uso em base, sub-base, reforço de subleito e subleito de rodovias (Bernucci et al., 8). Desse modo, segundo as especificações do DNIT (DNIT, 6) os resultados dos ensaios de limites de liquidez, limite de plasticidade, ISC e expansão apontaram que o solo puro e as Dosagens A e B são aplicáveis a reforço de subleito, sub-base e base de pavimentos. Por outro lado, a Dosagem C possui aplicação para utilização em reforço de subleito e sub-base de rodovias, apenas. 4. CONCLUSÕES Realizou-se um estudo preliminar com ênfase na caracterização e no comportamento mecânico em CBR de misturas de solo, cascalho de perfuração e cinza. O comportamento das Dosagens A (9% solo, 1% cascalho), B (94% solo, 6% cascalho) e C (9% solo, 5% cascalho, 5% cinzas) foi comparado ao comportamento do solo puro. Do ponto de vista geotécnico, todas as dosagens avaliadas apresentaram comportamento mecânico satisfatório para a aplicação ora proposta. As análises dos resultados dos estudos geotécnicos permitem concluir que: O solo é constituído por pedregulho e areia em fração predominante. Todas as dosagens são classificadas como A-1-B segundo o Sistema de Classificação Rodoviária de Solos da AASHTO. Isso significa que sua aplicação é recomendada para pavimentos. O solo pode ser considerado como fracamente plástico. A introdução de cascalho nas proporções de 6% e 1%, em peso, produziu misturas com praticamente a mesma plasticidade do solo puro. Não obstante, a adição de cinza exerceu maior influência na plasticidade da mistura, resultando em uma mistura com IP 55% inferior ao do solo puro. O solo puro atingiu o maior valor de Índice de Suporte Califórnia, de 65,2% (máximo), seguido pelas dosagens com adições de 1 e 6% de cascalho, respectivamente, ambas com CBR máximo de aproximadamente %. Dentre as dosagens, aquela com adição de 5% de cascalho e 5% de cinza apresentou o menor ISC máximo, de 53,8%. Todas as dosagens atingiram valores de CBR suficientes para considerá-las adequadas para a construção de pavimentos, segundo as especificações do DNIT. O solo puro e as dosagens com 6% e 1% de cascalho de perfuração são aplicáveis a reforço de subleito, subbase e base de pavimentos. A dosagem com 5% de cinza e 5% de cascalho possui potencial de aplicação para utilização apenas em reforço de subleito e sub-base de rodovias. A expansão após inundação do solo puro e dosagens mostrou-se muito baixa, em torno de,5%, não havendo praticamente nenhuma influência da cinza e do cascalho no comportamento expansivo do material. Em termos práticos, pode-se considerar que todas as 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 7

8 dosagens analisadas satisfazem os requisitos mínimos, em termos de expansibilidade, para uso em base, sub-base, reforço de subleito e subleito de rodovias. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Petrobras pelo fornecimento de material e pelo fomento à pesquisa e às bolsas oferecidas aos alunos; e à Universidade Federal do Rio Grande do Norte que permitiu a utilização do espaço físico e dos equipamentos do Laboratório de Mecânica dos Solos, além de atuar como interventor da pesquisa por meio da Funpec. REFERÊNCIAS Associação Brasileira de Normas Técnicas (1984). NBR 6459 Solo - Determinação do limite de liquidez. Rio de Janeiro: ABNT, p. Associação Brasileira de Normas Técnicas (1984). NBR 658 Grãos de solos que passam na peneira de 4,8 mm determinação da massa específica. Rio de Janeiro: ABNT, p. Associação Brasileira de Normas Técnicas (1986). NBR 6457 Amostras de solo - Preparação para ensaios de compactação e ensaios de caracterização. Rio de Janeiro: ABNT, p. Associação Brasileira de Normas Técnicas (1986). NBR 7182 Solo ensaio de compactação. Rio de Janeiro: ABNT, p. Associação Brasileira de Normas Técnicas (1987). NBR 9895 Solo índice de suporte Califórnia Método de ensaio. Rio de Janeiro: ABNT, p. Associação Brasileira de Normas Técnicas (1988). NBR 718 Solo - Determinação do limite de plasticidade. Rio de Janeiro: ABNT, p. Associação Brasileira de Normas Técnicas (1988). NBR 7181 Solo Análise granulométrica. Rio de Janeiro: ABNT, p. Associação Brasileira de Normas Técnicas (4). NBR 1.7 Amostragem de resíduos sólidos. Rio de Janeiro: ABNT, 4. 21p. Bernucci, L.; Motta, L.M.G.; Ceratti, J.A.P.; Soares, J.B. (8). Pavimentação asfáltica: formação básica para engenheiros. Petrobras. 156p. Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes. (6). Manual de Pavimentação. Publicação IPR p. 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 8