AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE TRECHO EXPERIMENTAL CONTENDO ESCÓRIA DE ACIARIA COMO REVESTIMENTO PRIMÁRIO Camila Nascimento Padilha Silva Instituto Militar de Engenharia Pós-Graduação em Engenharia de Transportes Antônio Carlos Rodrigues Guimarães Instituto Militar de Engenharia Pós-Graduação em Engenharia de Transportes RESUMO Este trabalho apresenta a avaliação do comportamento estrutural de um trecho experimental contendo escória de aciaria como revestimento primário, construído em abril de 213 na região oeste da cidade do Rio de Janeiro. A escória de aciaria é um subproduto da fabricação do aço. As utilizadas no trecho provêm de uma siderurgia instalada na região, visto que os agregados convencionais do local são escassos e as pedreiras estão distantes, o uso do material alternativo vem a contribuir além de sustentavelmente, economicamente devido a menor Distância Média de Transporte (DMT). Foi feita a caracterização do material e do solo para direcionar a escolha da estrutura do pavimento. Foram realizados ensaios com os equipamentos LWD (Light Weight Deflectometer) e DCP (Dynamic Cone Penetrometer) para verificação do módulo resiliente e CBR, respectivamente, das camadas do pavimento. Os ensaios de caracterização mostraram que a escória não possui contaminantes e não é expansiva, visto que passou por um período de cura. Através do processamento dos dados obtidos nos ensaios de campo foi possível constatar que o pavimento comportou a demanda de tráfego e apresentou valores de Módulo Resiliente e CBR coerentes com os disponíveis na literatura. Palavras-chave: Agregado alternativo; escória de aciaria; trecho experimental. ABSTRACT This paper presents the evaluation of the structural behavior of a test section containing steel slag as primary coating, built in April 213 in the western region of the city of Rio de Janeiro. Steel slag is a byproduct of steel manufacturing. Those used in the experimental section come from a steel installed in the region, since the conventional aggregates are scarce and local quarries are distant, the use of alternative materials is contributing beyond sustainably, economically due to lower Middle Distance Transport (DMT). Was made to characterize the material and soil to direct the choice of the pavement structure. Tests were performed with the equipment LWD (Light Weight Deflectometer) and DCP (Dynamic Cone Penetrometer) for checking the resilient modulus and CBR, respectively, of the pavement layers. The characterization tests showed that the slag does not have contaminants and is not expansive, since went through a period of healing. By processing the data obtained in field tests, it was established that the pavement endured the traffic demand and showed values of CBR and Resilient Module cooerentes with the available literature. Keywords: Alternative aggregate; steel slag; experimental section. 1. INTRODUÇÃO A região oeste do Rio de Janeiro necessita de agregados alternativos devido à falta de agregados convencionais. A existência de uma siderúrgica na região contribuiu para o uso do agregado de escória de aciaria no pavimento do trecho experimental, que utilizou cerca de 18 toneladas de escória.
A partir do trecho experimental construído, Figura 1, avaliou-se o pavimento utilizando-se os equipamentos LWD e DCP. O LWD utilizado também por MIRANDA (213) nos dá uma resposta rápida do módulo resiliente (MR). O DCP, utilizado por JÚNIOR (25) e CÓRDOVA (211), o valor do índice de penetração, este aplicado em fórmulas de correlação nos permite obter o valor de CBR (índice de suporte Califórnia) e MR das camadas do pavimento. Figura 1: Trecho experimental construído na zona oeste do Rio de Janeiro. 2. METODOLOGIA Foram realizados ensaios de laboratório para caracterização tradicional dos materiais solo e escória de aciaria e ensaios de campo com os equipamentos LWD (Ligth Weight Deflectometer) e DCP (Dynamic Cone Penetration) sobre o trecho experimental efetivamente executado. A partir dos dados obtidos no campo, foi possível obter valores de MR e CBR a partir de correlações disponíveis na literatura CÓRDOVA (211) e JÚNIOR (25)-, sendo os resultados analisados e comparados entre si. 2.1. Caracterização da escória de aciaria utilizada no estudo A maior preocupação em se utilizar escória de aciaria, para o caso de revestimento primário, é seu potencial contaminante. Foram realizados ensaios no Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) com o Espectrômetro de Energia Dispersiva (EDS) para gerar um mapa composicional do agregado alternativo e feito também a Difração de Raios-X para confirmação. O EDS e a difração são análises elementares que mostram um resultado confiável e de forma rápida.
Demais características da escória de aciaria utilizada no trecho experimental, podem ser vistas em SILVA et al (213). 2.2. Caracterização do solo Os ensaios de caracterização do solo, da jazida Transplanar, foram granulometria, compactação, MCT expedito e limites de liquidez e plasticidade. 3. RESULTADOS 3.1. Espectroscopia de Energia Dispersiva e Difração de Raios-X. Figura 2: Mapa composicional da amostra de escória utilizando o EDS. Como se pode observar na Figura 2, o maior pico é de óxido de cálcio, sendo vistos também óxidos de ferros e silício e alguns traços de alumínio. O fato de termos mais de um pico com o mesmo elemento mostra a fragilidade deste ensaio. Figura 3: Difração de Raios-X da amostra utilizada no estudo.
Pode-se observar que os elementos encontrados pelo EDS se confirmaram pela difração de Raios-X, Figura 3, composição já esperada para escórias de aciaria e encontrada também por SOUZA (27), VAZ (211) e ARAUJO (28). 3.1.2 Resultados da caracterização do solo. 3.1.2.1 Granulometria Figura 4: Resultado da Granulometria do solo da Jazida Transplanar. Podemos observar pela Figura 4 que mais de 5% passa na peneira nº2, sendo este solo de granulometria fina, sendo classificado como Silte (M), Argila (C) e Solo Argiloso (O). (PINTO, 2). 3.1.2.2 Compactação, limites e MCT expedito. Os resultados da umidade ótima, densidade máxima e os limites podem ser vistos na Tabela 1. Tabela 1: Caracterização do Solo da Jazida Transplanar. Propriedade Valor Densidade máxima (g/cm³),459 Umidade Ótima (%) 15,4 Limite de Liquidez (%) 41,8 Índice de Plasticidade (%) 11,7 O resultado da classificação MCT foi solo do tipo NA-NS, pois se obteve penetração média de 5mm e contração diametral de,17mm.
Figura 5: Resultado da Classificação MCT do solo da Jazida Transplanar. Solos do grupo NA são areias, siltes e misturas destes, nos quais os grãos são constituídos essencialmente de quartzo e/ou mica. Quando compactados, possuem capacidade de suporte de pequena a média e, geralmente, são muito erodíveis. Solos do Grupo NS são saprolíticos siltoarenosos que quando compactados na umidade ótima e massa específica máxima da energia normal, baixa capacidad de suporte quando imersos em água, baixo módulo de resiliência e elevada erodibilidade (NOGAMI & VILLIBOR, 1995). É importante ressaltar que o solo possui características ruins para pavimentação, porém os autores deste trabalho em nada influenciaram a seleção deste solo. 3.1.3 Resultados obtidos com o Equipamento LWD. Os ensaios dinâmicos com o LWD no trecho experimental foram realizados em 11 pontos, sendo 1 no trecho com escória e um no solo compactado. A Tabela 2 mostra os valores de Módulo de Resiliência, Média dos deslocamentos elásticos (Sm) e o grau de compactabilidade (s/v), dos pontos ensaiados. Tabela 2: Dados fornecidos pelo equipamento LWD. Sm MR PONTO s/v (mm) (MPa) 1 2,393 4,762 14,1 2 3,58 6,417 9,43 3 2,138 5,759 15,79 4,723 3, 46,68 5 2,57 5,854 16,41 6 1,279 3,793 26,39 7,877 3,191 38,48 8,78 3,171 43,27 9 1,79 4,334 18,85 1 1,627 5,263 2,74 11 1,625 5,826 2,77
De acordo com o manual do equipamento, os valores de s/v maiores do que 3,5 significam que o material pode ser mais compactado, já para valores menores não necessita mais de compactação. É possível notar, portanto que somente os pontos 4,7 e 8 não necessitam de uma maior compactação, como os pontos escolhidos para os ensaios foram próximos uns dos outros, é necessário uma compactação melhor de todo o trecho. O ponto 11 é o ponto do solo compactado sem escória. 3.3 Resultados obtidos com o equipamento DCP. A Curva DCP representa o número de golpes acumulado para a penetração do equipamento com a profundidade. As figuras a seguir mostram as curvas obtidas através do ensaio em campo. Figura 6: Gráfico DCP do ponto 1 analisado. 1 2 3 4 5 5 1 15 2 36,8mm/golpe 66mm/golpe 6 17,5mm/golpe 7 1 2 3 4 5 6 7 8 Figura 7: Gráfico DCP do ponto 2 analisado. 5 1 15 2 41,4mm/golpe 5,9 mm/golpe 63,97 mm/golpe
5 5 1 15 2 11,744mm/golpe 1 1,714mm/golpe 15 2 9,9333mm/golpe Figura 8: Gráfico DCP do ponto 3 analisado. 5 1 15 2 4 6 7,6152mm/golpe 8 1 12 4,36364mm/golpe pe Figura 91: Gráfico DCP do ponto 4 analisado. 1 2 3 5 1 15 2 6,3876mm/golpe 1,165mm/golpe 25 Figura 2: Gráfico DCP do ponto 5 analisado.
1 2 3 4 5 6 7 2 4 6 8 11,25mm/golpe 5,5mm/golpe 9,5mm/golpe Figura 31: Gráfico DCP do ponto 6 analisado. 5 1 1 2 3 1,232mm/golpe 5,3714mm/golpe 15 2 7,1571mm/golpe 25 Figura 42: Gráfico DCP do ponto 7 analisado. 5 1 2 3 8,249mm/golpe 1 15 2 6,6923mm/golpe 6,8883mm/golpe Figura 13: Gráfico DCP do ponto 8 analisado.
1 2 3 1 2 3 7,5516mm/golpe 19,42mm/golpe 4 Figura14: Gráfico DCP do ponto 9 analisado. -5 5 15 1 2 3 3,9125mm/golpe 5,466mm/golpe 25 35 37,167mm/golpe 45 Figura 15: Gráfico DCP do ponto 1 analisado. 1 2 3 4 5 1 15 4,9285mm/golpe 2 Figura 16: Gráfico DCP do ponto 11 analisado.
A inclinação das retas representa o índice de penetração (DN, em mm/golpe), o qual é obtido através da razão entre a profundidade e o número de golpes necessário para penetrar até a respectiva profundidade. (ANDRADE & SALES). Cada reta indica uma uniformidade das propriedades do material, e a cada inclinação implica uma mudança de propriedade como o teor de umidade ou massa específica aparente ou até mesmo uma mudança de camada. Observa-se na Figura 6 presença de três camadas bem definidas de 44,5mm, 193 mm e 35mm de espessura, com DN de 36,8, 66 e 17,5 mm/golpe, respectivamente. Sendo a última camada limitada na espessura, devido ao limite de alcance da lança do equipamento. Já na Figura 16, referente ao solo compactado podemos ver uma uniformidade, representada por uma única reta, confirmando a homogeneidade do material no local. 3.4. Resultados das correlações entre DCP e CBR. Apesar de se tratar de conceitos distintos, sabe-se que o CBR ainda é um ensaio amplamente utilizado na prática rodoviária e por isso foi feita esta correlação. A correlação dos resultados dos DN s, obtidos através do ensaio com o equipamento DCP, com o CBR foi feita pela Equação 1,de TRICHÊS E CARDOSO (2, apud JÚNIOR, 25), e podem ser vistos na Tabela 3. Equação 1- Equação de correlação entre CBR e DCP proposta por Trichês e Cardoso (2, apud JÚNIOR, 25). Sendo: DN Índice de penetração CBR Índice de suporte Califórnia.
Tabela 3: Valores do CBR obtidos pelos DN's do pavimento do trecho experimental. Ponto Primeira Camada Segunda Camada Terceira camada 1 11 6 23 2 1 8 6 3 35 38 41 4 54 94-5 64 4-6 36 75 43 7 4 76 57 8 5 61 6 9 65 26-1 15 76 11 11 83 - - 3.5. Resultados das correlações entre DCP e MR. A correlação dos resultados dos DN s, obtidos através do ensaio com o equipamento DCP, com o MR foi feita pela Equação 2, de Trichês, e podem ser vistos na Tabela 4. Equação 2 Correlação entre MR e DCP proposta por Trichês. Sendo: DN Índice de penetração. MR Módulo Resiliente. Tabela 4: Resultados dos MR's obtidos através da correlação dos DN's, pela equação de Trichês. Ponto MR* (MPa) 1 17 2 16 3 41 4 48 5 65 6 42 7 45 8 54 9 57 1 94 11 79
O valor do Módulo Resiliente foi calculado somente para a primeira camada do pavimento do trecho experimental. 6. CONSIDERAÇÕES FINAIS O trecho feito com escória não estava compactado e foi liberado para tráfego antes que o procedimento fosse concluído. Tal fato pode influenciar negativamente nos resultados, mascarando se o trecho tem ou não bom comportamento mecânico. Os ensaios mostraram que a maioria dos Módulos Resilentes no trecho com escória foram baixos, porém em trechos com certa compactação devido ao tráfego de máquinas, os MR s foram maiores. É necessário fazer compactação do trecho e impedir o tráfego de máquinas antes dos ensaios serem realizados. As condições que se encontrava o trecho poderia receber tráfego leve, porém sem segurança no caso da ocorrência de chuvas. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANDRADE, E. e SALES, M. M. (25) Desenvolvimento e utilização do dcp. Congresso de pesquisa, ensino e Extensão da ufg, Goiânia. ARAUJO, R. M. Ativação química e térmica de escória de aciaria elétrica. Curitiba: Dissertação de mestrado, 28. CORDOVA, H. (211) Revisão prática de estudos deflectométricos de campo (básicos) Notas de Aula, Rio de Janeiro. IBS. (212) Instituto Brasileiro de Siderurgia. Relatório de Sustentabilidade. Pagina da Internet http://www.acobrasil.org.br JÚNIOR, F. A. S.; Cone de Penetração Dinâmica (DCP): uma alternativa ao dimensionamento de pavimentos urbanos. Paraíba: Dissertação de Mestrado, 25. MIRANDA,L. P.; Análise do comportamento mecânico de pavimento reforçado com geossintético sob carregamento cíclico em modelo físico de verdadeira grandeza. Rio de Janeiro: Dissertação de mestrado, 213. NOGAMI, S. J. e VILLIBOR, F. D. ( 1995) Pavimentação de baixo Custo com Solos Lateríticos, São Paulo. PINTO, C. S. Curso Básico de Mecânica dos Solos em 16 aulas, São Paulo. SILVA, C. N. P.; COSTA,K. Á.; Guimarães, A. C. R. (213) Caracterização física e química de agregados de escória de aciaria visando emprego em pavimentos.19ª RPU Reunião De Pavimentação Urbana, Cuiabá, MT. SOUZA,M. G. (27) Estudo experimental de escórias de aciaria para fins de caracterização tecnológica como material de lastro ferroviário em vias sinalizadas. Dissertação de Mestrado. UFOP. VAZ, G. D. Quantificação das perdas de ferro metálico em escórias de forno elétrico a arco. Rio de Janeiro: Pontifícia Universidade Católica Do Rio De Janeiro, pós-graduação em engenharia de materiais e de processos químicos metalúrgicos Dissertação de mestrado, 21. Camila Nascimento Padilha Silva. Endereço: Rua Voluntários da Pátria, nº1. Apt 711, Botafogo Rio de Janeiro. Telefone: (21) 8186-1525. Email: camilanpadilha@gmail.com