Utilização de um rejeito de mineração como alternativa para estabilização de um solo tropical da região Centro-oeste Leonardo Santos Gratão Bolsista PIBIC, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental UnB leogratao@yahoo.com.br Eleonardo Lucas Pereira Doutorando em Geotecnia, Programa de Pós-Graduação em Geotencia UnB eleonardo@unb.br Luís Fernando Martins Ribeiro Professor Adjunto, Programa de Pós-Graduação em Geotencia UnB lmartins@unb.br RESUMO: A preocupação com a reciclagem de resíduos, de uma maneira geral, é relativamente recente no Brasil, diferentemente de algumas nações do chamado grupo dos países desenvolvidos, onde já no final da década de 60 existiam razoáveis políticas ambientais. A reciclagem de materiais tem se tornado tema de pesquisas direcionadas à redução dos impactos ambientais negativos associados aos resíduos. No caso do Brasil, destacam-se preocupações voltadas para o considerável volume de resíduos gerados na indústria de mineração, denominados rejeitos. O presente trabalho apresenta uma contribuição voltada para a reutilização dos rejeitos de minério de ferro em obras rodoviárias, sendo aplicado de forma conjunta aos solos tropicais. A sistemática proposta é bastante simples e envolve a utilização de um solo tropical do Centro-oeste brasileiro e um único tipo de rejeito, misturados em diferentes proporções e submetidos a ensaios de compactação e compressão simples. O efeito da adição da cal nestas misturas também é abordado neste trabalho. PALAVRAS-CHAVE: Pavimentos de Baixo Custo, Rejeito de Minério de Ferro, Reciclagem. 1 INTRODUÇÃO A reciclagem de materiais tem se tornado tema de pesquisas direcionadas à redução dos impactos ambientais negativos gerados pelos resíduos em todo o mundo. A crescente preocupação com as questões ambientais é o principal fator responsável pelo o avanço destes estudos, particularmente voltados para os materiais resultantes dos processos industriais e de beneficiamento. Dentre estes materiais, destacam-se os resíduos gerados na indústria de mineração, denominados rejeitos. Cabe destacar que a definição de rejeitos relaciona-se basicamente aos resíduos gerados diretamente no processo de beneficiamento. De outra forma, os estéreis são caracterizados como resíduos extraídos diretamente da frente de lavra. O grande volume de rejeitos gerados e a conseqüente dificuldade para a sua estocagem e a dificuldade de obtenção de materiais nobres têm justificado estudos voltados para o reaproveitamento destes materiais e a construção de pavimentos de baixo de custo (Villibor, 1981; Nogami e Villibor, 1995; Rezende, 1999). No caso de reciclagem de rejeitos, destacamse aqueles gerados nas minerações do Quadrilátero Ferrífero em Minas Gerais. A região é caracterizada pelas imensas reservas de minério de ferro, ouro, manganês e outros minerais. A exploração sistemática e intensa desses minerais resulta em volumes bastante consideráveis de rejeitos. A disposição destes materiais normalmente necessita de grandes áreas de armazenamento (Pereira, 2005). Para o armazenamento destes materiais, na maioria dos casos, se utilizam de sistemas de contenção denominados barragens ou pilhas de rejeitos. Do ponto de vista global, a construção destes sistemas por si só já representa uma importante medida na direção de minimizar os impactos ambientais. Ademais, a utilização do próprio rejeito como material de construção tem sido uma opção utilizada com freqüência pelas empresas mineradoras. Essa alternativa vem minimizando os impactos ambientais negativos e proporcionando uma redução dos custos associados à utilização e ao transporte de outros
materiais de construção. No entanto, as pilhas e as barragens de rejeitos ainda representam problemas pela necessidade de grandes áreas para disposição e agravado pelo aumento significativo do volume de rejeitos gerados com o aprimoramento das técnicas de beneficiamento. Neste contexto, a iniciativa de se reutilizar os rejeitos como materiais de construção em obras civis representa uma importante medida para reduzir os impactos negativos da atividade mineral. Destaca-se, no entanto, que o complexo comportamento geotécnico destes materiais acentua a necessidade de um amplo programa de investigação. A presente pesquisa apresenta uma contribuição voltada para o aproveitamento de um rejeito de minério de ferro em obras rodoviárias, sendo aplicado de forma conjunta aos solos tropicais. A sistemática proposta ainda é simples, envolvendo a utilização de um único tipo de solo e um único rejeito de minério de ferro, misturados em diferentes proporções. Adicionalmente, propõe-se a verificação da adição de cal às misturas solo-rejeito, de forma a investigar de forma preliminar os efeitos deste aditivo nas propriedades de compactação e resistência das misturas utilizadas. 2 METODOLOGIA E RESULTADOS A metodologia proposta neste trabalho é caracterizada por uma campanha de investigação geotécnica em laboratório, englobando um solo laterítico do Distrito Federal e um rejeito de minério de ferro coletado no estado de Minas Gerais. 2.1 Materiais 2.1.1 Latossolo (HB9) O solo estudado, caracterizado por Cardoso (2002), consiste em um latossolo vermelho, oriundo da região do Distrito Federal. A amostragem foi realizada a 40 cm da superfície, em um ponto situado no entroncamento das rodovias DF-120 e DF-335. O material compreende apresenta cor vermelha-escura, textura argilosa, quantidade elevada de agregados granulares. Em termos do substrato rochoso de origem, este solo é definido como um metargilito pertencente ao Grupo Bambuí. Para a identificação, utilizou-se a sigla HB, referente ao horizonte B, acrescida do número 9, seqüência de coleta realizada por Cardoso (2002). Contudo, uma amostragem adicional se fez necessária em virtude da realização dos ensaios de compactação e compressão simples. 2.1.2 Rejeito de Minério de Ferro (RPM) O rejeito de minério de ferro utilizado neste programa experimental consistiu de uma amostra tipicamente arenosa (rejeito granular). Este rejeito é proveniente da usina de beneficiamento do Complexo de Águas Claras (CVRD), no município de Rio Piracicaba, a 140 km de Belo Horizonte, na região do Quadrilátero Ferrífero, Minas Gerais. Estes rejeitos são armazenados na pilha de rejeitos de Monjolo, ainda em construção. A pilha é construída com o próprio rejeito, lançado hidraulicamente através de canhões (spigots) localizados na crista de seu maciço. A pilha é alteada para montante, a cada de 10 metros de altura. Os taludes de jusante são retrabalhados, mantendo um inclinação média de 1V:2H, com bermas de 8 metros de largura. As amostras utilizadas na presente pesquisa foram coletadas na praia de rejeitos formada pelo processo de deposição hidráulica, próximo ao ponto de descarte dos materiais (Ribeiro, 2000). 2.2 Caracterização dos Materiais 2.2.1 Latossolo (HB9) A composição química do latossolo HB9 é definida majoritariamente pelos teores de Al 2 O 3 (38,8%) e SiO 2 (24,7%) e, em menor escala, Fe 2 O 3 (12,3%). Em termos de caracterização física, são apresentados os resultados obtidos por Cardoso (2002) e Delgado (2005). Os ensaios para obtenção das características físicas da amostra HB9 foram realizados no Laboratório de Geotecnia da UnB e no Laboratório de Física de Solo da EMBRAPA/Cerrados. Os resultados dos ensaios de caracterização são apresentados nas Tabelas 1 e 2. Os ensaios de granulometria foram realizados segundo duas metodologias: uma
seguindo as prescrições normativas da ABNT e outra sem o uso de defloculante. Tabela 1. Distribuição granulométrica do solo HB9 (Cardoso, 2002; Delgado, 2005). Condição de ensaio Areia Silte Argila Finos* s/ defloc. 40,5 51,5 8,0 58,9 c/ defloc. 11,4 15,0 73,6 92,5 (*) Material passante na peneira #200 Tabela 2. Limites de consistência e índices do solo HB9 (Delgado, 2005). w L w P I P I A 48,0 38,0 10,0 0,14 2.2.2 Rejeito de Minério de Ferro (RPM) O rejeito de minério de ferro da pilha de Monjolo (RPM) foi caracterizado de acordo com as prescrições da ABNT, compreendendo ensaios para a determinação da massa específica dos grãos, análise granulométrica e determinação dos índices de vazios máximo e mínimo, realizados nos Laboratórios de Geotecnia da UnB (Hernandez, 2002) e da UFOP (Presotti, 2002). Alguns resultados referentes a este rejeito estão apresentados nas Tabelas 3 e 4. Tabela 3. Índices e propriedades físicas do rejeito RPM (Hernandez, 2002; Presotti, 2002). G s e max e min 3,47 0,95 0,63 Tabela 4. Distribuição granulométrica do rejeito da pilha de Monjolo. Areia Silte Argila C u 90,0 10,0-4 2.3 Compactação de Compressão Simples Uma avaliação correta da possibilidade de utilização de um material alternativo aplicado à bases de pavimentos pressupõe a realização de ensaios que avaliem o seu comportamento quando compactado e a sua resistência quando submetido a carregamento. Com base nisto, foram executados ensaios de mini-compactação e compressão simples com os materiais misturados. Posteriormente, estas misturas foram submetidas à adição de 4% de cal, visando avaliar o desempenho preliminar das misturas estabilizadas quimicamente. As misturas foram realizadas em termos de massa, corrigindo-se o teor de umidade higroscópica de cada material. Os materiais foram misturados úmidos, porém com a atenção de se verificar a umidade e corrigi-la para que as proporções ocorressem apenas em relação ao material sólido seco em todos os ensaios. A Tabela 5 apresenta a identificação de cada material e as proporções de solo e rejeito utilizados. Tabela 5. Identificação das misturas utilizadas. Mistura HB9 RPM Cal Hidratada A 75% 25% - B 50% 50% - C 72% 24% 4% D 48% 48% 4% A classificação granulométrica das misturas foi obtida a partir das distribuições granulométricas materiais puros, sem o uso de defloculante, respeitando-se as suas proporcionalidades. Logo abaixo, a Tabela 6 apresenta a distribuição granulométrica das misturas. Tabela 6. Distribuição granulométrica das misturas solorejeito utilizadas. Mistura Areia Silte Argila A 52,9 41,1 6,0 B 65,3 30,7 4,0 2.3.1 Ensaios de Compactação A obtenção da maior massa específica aparente possível de um solo ocorre por meio da aplicação de uma energia mecânica que gera uma maior quantidade de partículas por unidade de volume, o que geralmente resulta no aumento da resistência. O ensaio de compactação tipo miniatura consiste em densificar o solo por meio de um conjunto composto por um molde de 50 mm de diâmetro e um soquete com peso definido em função da energia de compactação. Esta energia é que determina o número de golpes em cada lado da amostra e a altura de queda do soquete. No caso desta pesquisa, a energia utilizada foi a Energia do Proctor Intermediário. A Figura 1 e a Tabela 7 mostram os pontos ótimos de compactação.
γdmax (kn/m³) 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 Solo HB9 Mistura B Mistura D Curva de Saturação A Curva de Saturação C w ot Mistura A Mistura C Curva de Saturação HB9 Curva de Saturação B Curva de Saturação D Figura 1. γ dmax e w ot obtidos para cada material durante a compactação (energia intermediária). Tabela 7. Resultados dos ensaios de mini-compactação na energia intermediária. γ dmax Amostra (kn/m³) w ot e HB9 14,8 27,0 0,86 A 17,9 19,2 0,61 B 20,7 13,2 0,48 C 17,7 19,1 0,62 D 19,3 15,7 0,57 2.3.2 Ensaios de Compressão Simples Recentemente, a utilização de ensaios de compressão simples para a avaliação da resistência de solos e de materiais alternativos como elementos de construção tem sido uma ferramenta utilizada na Engenharia. O ensaio aborda basicamente a resistência dos materiais na condição mais crítica possível, justificada pela isenção de confinamento lateral durante a compressão axial. A escolha deste tipo de ensaio se deu basicamente pela possibilidade de verificação simples do real ganho de resistência das amostras submetidas à adição de rejeitos e cal, como também do estabelecimento de comparações com o solo laterítico em condições naturais. Os ensaios realizados nesta pesquisa foram feitos com base em amostras reconstituídas no equipamento de mini-compactação, na umidade ótima obtida nos ensaios anteriores. Estas amostras eram extraídas, vedadas de forma a não perder a umidade de compactação e, posteriormente, deixadas em cura por um período de 15 dias. Após a cura, necessária para o desenvolvimento de possíveis reações químicas dos elementos de mistura, principalmente da cal, as amostras foram levadas à prensa de deformação controlada para a execução da compressão não-confinada. Os resultados destes ensaios são apresentados na Figura 2, considerando a média de dois CP s para cada amostra ensaiada. Tensão (kpa) 2250 2000 1750 1500 1250 Solo HB9 1000 Mistura A 750 Mistura B 500 Mistura C 250 Mistura D 0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 Deformação Axial Figura 2. Curva tensão versus deformação axial para as amostras estudadas. 3 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS Os solos quando aplicados à fundações de pavimentos rodoviários devem apresentar boas condições relacionadas à trabalhabilidade quanto ao comportamento em termos de plasticidade. A alta plasticidade não é um índice desejável. As amostras do solo HB9, quando misturadas ao rejeito, comportaram-se como materiais não-plásticos. Destaca-se que os rejeitos de minério de ferro, mesmo a fração mais fina, apresentam características essencialmente granulares e não plásticos. Em princípio, este comportamento nãoplástico credencia estes materiais (misturas A e B) como potencialmente aplicáveis em camadas de pavimentos. Isso já é um indicativo da redução da expansibilidade, fenômeno também não-desejável nas fundações dos pavimentos rodoviários. Outra vantagem da estabilização com materiais mais grossos é a baixa
sensibilidade às possíveis variações de umidade em campo. A adição do rejeito RPM ao solo tropical implicou em um razoável acréscimo dos valores do peso específico seco máximo, com maiores magnitudes para teores mais elevados de rejeito misturado. O solo HB9 apresentou γ dmax igual a 14,8 kn/m³, enquanto que as misturas A e B alcançaram valores iguais a 17,9 e 20,7 kn/m³, respectivamente. Os valores de umidade ótima das misturas tiveram uma redução considerável. Destaca-se que estas reduções ocorreram basicamente em função da característica essencialmente granular das partículas do rejeito de minério de ferro. A inclusão do percentual de 4% de cal nas misturas A e B, resultando nos compostos C e D gerou pouco efeito nos valores de peso específico aparente seco máximo e umidade ótima de compactação. Observou-se apenas uma variação de 20,7 para 19,3 kn/m³ no valor de γ dmax e um acréscimo de 2,5% na umidade ótima entre a mistura B e D. Para as misturas A e C, os resultados se mantiveram praticamente inalterados. Os resultados obtidos nos ensaios de compressão não-confinada demonstram uma elevação nos valores de RCS (resistência à compressão simples) com o aumento do teor de rejeito misturado ao solo HB9. A RCS teve o seu valor aumentado de 70% quando se acrescentou um percentual de 25% de rejeito ao solo e praticamente dobrou quando as porcentagens de rejeito e do solo tropical mistura eram iguais. Por outro lado, o emprego da cal nestas misturas não mostrou um desempenho satisfatório para aplicação em obras rodoviárias. É importante que se faça um estudo mais criterioso utilizando outros teores de rejeito. Embora com poucos dados, as reações ocorridas no sistema solo-rejeito-cal para os teores estudados acarretaram reduções no valor da RCS, principalmente para a composição com o teor mais elevado de rejeito (amostra D). Contudo, avaliações mais contundentes dos resultados dos ensaios de compressão nãoconfinada devem ser acompanhadas de outros ensaios complementares. 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS O presente trabalho consistiu na proposta da redução dos impactos associados à disposição, reutilizando rejeitos de mineração em obras de pavimentação rodoviária. Destaca-se, no entanto, que os resultados obtidos ainda não são suficientes para credenciar os rejeitos como materiais potencias para obras rodoviárias. Por outro lado, os resultados demonstraram o ganho de resistência do solo natural quando misturado ao rejeito de minério de ferro. Apesar da adição de cal à mistura solorejeito não ter apresentado ganhos reais em termos de resistência, torna-se importante a realização de outros estudos visando avaliar o seu comportamento com tempo de cura. Os resultados indicam a viabilidade da continuação de estudos dessa natureza, inclusive com misturas aos solos do Quadrilátero Ferrífero, região de maior interesse na reutilização dos rejeitos. Ainda, sugere-se o uso de outros tipos de solos com baixos teores de ferro (saprolíticos, por exemplo), inclusive com uma variedade maior de teores de rejeitos adicionados. Além disso, torna-se interessante a realização de novos ensaios, com destaque para o ensaio de mini-cbr, objetivando o estabelecimento de correlações com os já realizados e com a literatura técnica. Como sugestão complementar, destaca-se a possibilidade de ensaios diretos, com construção de pistas experimentais monitoradas. Esta alternativa permitiria observar o comportamento do solo estabilizado em uma condição real. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Companhia Vale do Rio Doce pelo apoio e disposnibilização das amostras, à EMBRAPA, à UnB pelo apoio técnico e infra-estrutura e ao CNPq pelo apoio financeiro. REFERÊNCIAS Cardoso, F.B.F. (2002) Propriedades e comportamento mecânico de solos do planalto central brasileiro. Tese de Doutorado, Programa de Pós-graduação em Geotecnia, Faculdade de Tecnologia, Universidade de Brasília, 257 p.
Delgado, A.K.C (2005) Influência da sucção no comportamento de um perfil de solo tropical compactado. Tese de Doutorado, Programa de Pósgraduação em Geotecnia, Faculdade de Tecnologia, Universidade de Brasília (Em andamento). Hernandez, H.M. (2002) Caracterização geomecânica de rejeitos aplicada a barragens de aterro hidráulico. Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-graduação em Geotecnia, Faculdade de Tecnologia, Universidade de Brasília, 174 p Nogami, J.S. e Villibor, D.F. (1995) Pavimentação de baixo custo com solos lateríticos, São Paulo, 213 p. Pereira. E.L. (2005) Estudo do potencial de liquefação de rejeitos de minério de ferro sob carregamento estático. Dissertação de Mestrado, Departamento de Engenharia Civil, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto, 185 p. Presotti, E.S. (2002) Influência do teor de ferro nos parâmetros de resistência de um rejeito de minério de ferro. Dissertação de Mestrado, Programa de Pósgraduação em Engenharia Civil, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto, 153 p. Rezende, L.R. (1999) Técnicas alternativas para a construção de base de pavimentos rodoviários. Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-graduação em Geotecnia, Faculdade de Tecnologia, Universidade de Brasília, 169 p. Ribeiro, L.F.M. (2000) Simulação física do processo de formação dos aterros hidráulicos aplicado a barragens de rejeitos. Tese de Doutorado, Programa de Pós-graduação em Geotecnia, Faculdade de Tecnologia, Universidade de Brasília, 235 p. Villibor, D.F. (1981) Pavimentos econômicos. Novas considerações. Tese de Doutorado, Departamento de Vias de Transportes e Topografia, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, 224 p.