U F R N PROPRIEDADES MECÂNICAS DO RESÍDUO DE BRITAGEM DE ROCHA CALCÁRIA EMPREGADO COMO MATERIAL DE PREENCHIMENTO DE ATERRO LUIZ PHILIPE CARVALHO DE SOUSA TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO (MODALIDADE - ARTIGO) NATAL-RN 2016
2 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL LUIZ PHILIPE CARVALHO DE SOUSA PROPRIEDADES MECÂNICAS DO RESÍDUO DE BRITAGEM DE ROCHA CALCÁRIA EMPREGADO COMO MATERIAL DE PREENCHIMENTO DE ATERRO Trabalho de Conclusão de Curso na modalidade Artigo Científico, submetido ao Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como parte dos requisitos necessários para a obtenção do Título de Bacharel em Engenharia Civil. Orientador: Prof. Dr. Fagner Alexandre de Nunes França. NATAL-RN 2016
2
PROPRIEDADES MECÂNICAS DO RESÍDUO DE BRITAGEM DE ROCHA CALCÁRIA EMPREGADO COMO MATERIAL DE PREENCHIMENTO DE ATERRO RESUMO 2 Luiz Philipe Carvalho de Sousa¹ Fagner Alexandre Nunes de França² Segundo dados do Departamento Nacional de Produção Mineral (2015), a mesorregião do oeste potiguar do estado do Rio Grande do Norte possui a maior jazida de rocha calcária do país. Ao final dos processos de britagem e peneiramento da rocha, há a disposição de um material granular chamado de Resíduo de Britagem de Rocha Calcária (RBRC). Este resíduo não possui ampla aplicação, assim sua grande parcela geralmente é disposta em pilhas de acumulação nas próprias unidades das lavras da região. Assim, surge a necessidade de se investigar uma alternativa para este resíduo. Para isso se faz necessário conhecer suas propriedades em função do seu uso. O presente trabalho objetiva dar continuidade aos estudos prévios realizados na UFRN com o RBRC, desta vez visando sua aplicação como material de preenchimento de aterro de grande porte, estudando assim seu comportamento à resistência, compressibilidade e percolação d agua. Foram realizados ensaios de cisalhamento direto, compressão edométrica, permeabilidade a carga variável e granulometria conjunta. Os resultados demonstraram que o resíduo pode sim ser utilizado e preenchimento de aterros por apresentar alta resistência e baixa compressibilidade, no entanto apresenta baixo coeficiente de permeabilidade, o que deve-se atentar em projeto. Palavras-chave: Resíduo de Britagem de Rocha Calcária. Parâmetros Geotécnicos. Aterros de grande porte. ABSTRACT According to the brazillian s national mineral production department (2015), the middle region of the Potiguar west of the Rio Grande do Norte has the largest deposit of limestone country rock. At the end of the crushing and screening processes of rock, there is the provision of a granular material called limestone extraction waste (RBRC). This waste does not have much application, so a large portion is disposed in accumulation of cells in own mining units. Them, comes the necessity of investigate an alternative use for this residue. This work aims to continue the previous studies in UFRN with RBRC, this time aiming the application of the residue like material for large landfill filling, so studying its behavior to the resistance, compressibility and percolation with water. For this, was accomplished several tests like direct shear, testing edometric, join granulometry and permeability. The results showed that the residue can indeed be used as landfill material by having high strength and low compressibility, yet has a low permeability coefficient which attention should be paid in designing. Key-words: Limestone extraction waste. Geotechnical parameters. Large landfill filling.
2 INTRODUÇÃO Segundo dados fornecidos pelo Departamento Nacional de Produção Mineral (DNPM, 2015), no ano de 2014 houve um crescimento de 7,9% na produção mineral, quando comparada a 2013, indicando o aumento nas atividades da mineração. A mineração é o termo que abrange os processos, atividades e indústrias cujo objetivo é a extração de substâncias minerais ou de depósitos ou massas minerais. Dentre as substâncias presentes em minérios extraídos, destaca-se o carbonato de cálcio, presente no dolomito e no calcário. O calcário apresenta valor econômico superior ao do dolomito, sendo assim mais explorado. O uso dessa substância está presente nos mais diversos setores da economia, na indústria e na agricultura. Portanto, o aumento populacional está diretamente ligado à sua maior exploração. Ao final dos processos de britagem e peneiramento da rocha calcária, há a disposição de um material granular heterogêneo, chamado de Resíduo de Britagem de Rocha Calcária (RBRC). Este resíduo não possui ampla aplicação, e é delimitado comumente ao uso como material de preenchimento em aterros de pequeno porte, como de residências. Deste modo, grande parcela do material, geralmente, é disposta em pilhas de acumulação nas próprias unidades de lavra, conforme o que acontece em uma pedreira próxima ao município de Mossoró/RN, na mesorregião do oeste potiguar. Essa região é detentora da maior jazida de rocha calcária do país, atingindo uma área de aproximadamente vinte mil quilômetros quadrados, com uma espessura de 50 a 400 metros de profundidade (DNPM, 2015). Fato este que explica a economicamente ativa exploração deste minério na região. Surge então a necessidade de se investigar uma alternativa para este resíduo, para que possamos evitar a sua acumulação. Por conseguinte, se faz necessário conhecer suas propriedades físicas, químicas e/ou mecânicas, em função do seu uso. Este trabalho visa continuar estudos prévios iniciados na Universidade Federal do Rio Grande do Norte com o RBRC, desta vez empregado como material de preenchimento de aterros de grande porte. Deve-se para tanto conhecer suas
3 propriedades geotécnicas. Algumas delas foram determinadas em estudos anteriores realizados nesta universidade. Assim sendo, será dado o aprofundamento nas propriedades: resistência ao cisalhamento, permeabilidade e compressibilidade, tendo em vista que são de indispensável conhecimento para materiais utilizados em aterros. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Nos aterros, as cargas atuantes são responsáveis por fornecer um acréscimo de tensões em toda a área de solo das proximidades do carregamento, capazes de causar deformações no solo, as quais se evidenciam por recalques na superfície do aterro (recalque superficial). Como esses recalques são limitados em projetos, devemos estudar como eles acontecem para o RBRC. Para isso será realizado ensaio de compressão edométrica, que consiste na aplicação de uma tensão vertical crescente de compressão sobre uma amostra de solo compactada e confinada, acompanhada de medições de deformação vertical do corpo de prova. A partir da curva índice de vazios x tensão aplicada em escala logarítmica é obtido o índice de compressão, e a partir da curva altura do corpo de prova x tempo em escala logarítmica é obtido o coeficiente de adensamento, caso ocorra. Os aterros também possuem altos valores de tensão em sua base, podendo superar a resistência do solo ao cisalhamento, dada como a máxima tensão cisalhante que um solo suporta, sem sofrer ruptura (Pinto, 2006), ocasionado possíveis deslocamentos de massa de solo. Assim, é fundamental determinarmos a resistência ao cisalhamento do RBRC, que se dará do ensaio de cisalhamento direto. O ensaio consiste em colocar a amostra de solo em uma caixa de cisalhamento constituída de uma parte inferior fixa, e uma parte superior que pode movimentar-se, aplicando tensões cisalhantes no solo. Aplica-se uma tensão normal (σ) e, após o adensamento da amostra, aplica-se a tensão cisalhante ( ), crescente. Após o ensaio, fica possível definir o ângulo de atrito ( ) e a coesão (c) pela equação:
4 Segundo Pinto (2006), a água ocupa a maior parte dos vazios do solo e o estudo de sua percolação se faz importante principalmente para estimar a quantidade de água que infiltra numa massa de solo, na análise dos recalques decorrentes da expulsão da água dos vazios e para determinação da pressão neutra nos estudos de estabilidade geral da massa de solo. Assim, será determinado o coeficiente de permeabilidade do RBRC através de ensaio de permeabilidade à carga variável. Dois estudos anteriores foram realizados na UFRN com RBRC de uma mesma pedreira, ambos visando a aplicação deste resíduo em camadas de subbase de aterro. No primeiro deles, Queiroz (2015) expõe seu estudo de caracterização geotécnica do RBRC e ensaios de Índices de Suporte Califórnia. No seguinte, Fernandes (2015) realizou ensaios de caracterização geotécnica (dentre eles o de massa específica dos sólidos) e Índice de Suporte California, analisando a sua variabilidade diante de resultados de Queiroz (2015), e ensaios de compactação, cujos resultados serviram de base para a realização dos ensaios deste trabalho uma vez que foram utilizadas as mesmas amostras. MATERIAIS E MÉTODOS A metodologia adotada para essa pesquisa consistiu na realização de ensaios de granulometria conjunta, compressão edométrica, cisalhamento direto e permeabilidade à carga variável. Amostragem do Resíduo As amostras utilizadas para este trabalho foram as mesmas utilizadas por Fernandes (2015) em seu trabalho. As mesmas foram coletadas na pedreira Coelho Brita LTDA, próximo ao município de Mossoró, no dia 24 de junho de 2015. Foram coletadas amostras do topo, do centro e da base de uma pilha de depósitos do resíduo. As amostras foram levadas ao Laboratório de Mecânica dos Solos da UFRN, onde sofreram processos de homogeneização e quarteamento. Lá ficaram armazenadas, protegidas de intempéries, e disponíveis para estudos (Fernandes, 2015). As amostras foram intituladas como Amostra A referente ao topo da pilha
5 de estocagem de resíduo (figura 1), Amostra B referente ao centro da pilha, amostra C referente à base, e amostra B-d como a amostra B sofrendo processo de destorroamento. Para o destorroamento da amostra B, o controle de parada foi a passagem do RBRC na peneira ABNT #10 (2mm), por ser a peneira de diâmetro inferior das utilizadas no processo de peneiramento que sucede a britagem da rocha calcária. Figura 1 Posição das Amostra na Pilha de Estocagem. Fonte: Fernandes (2015). Para os ensaios realizados, foram utilizados valores de umidade ótima e de massa específica seca máxima resultantes dos ensaios de compactação de Fernandes (2015). Moldagem dos Corpos de Prova Os corpos de prova dos ensaios de cisalhamento direto, compressão edométrica e permeabilidade à carga variável foram todos moldados com teor de umidade ótima e massa específica seca máxima obtidos por Fernandes (2015) em seus ensaios de compactação (figuras 2 e 3), e grau de compactação intencional de 100%, simulando as condições de compactação de aterros in loco.
6 Figura 2 Curva de compactação da amostra C virgem. Fonte: Fernandes (2015). Figura 3 Curva de compactação da amostra C destorroada. Fonte: Fernandes (2015).
7 Ensaio de Granulometria Conjunta O ensaio de granulometria conjunta foi realizado de acordo com a norma brasileira NBR 7181/1984, a qual fornece todas as instruções tanto para a etapa de peneiramento como para a de sedimentação. O ensaio foi realizado para as amostras em seu estado natural, para posterior comparação com resultados de Fernandes (2015). Ensaio de Cisalhamento Direto Os ensaios foram realizados seguindo as instruções da norma americana ASTM D3080/D3080M-11. Foram realizados os ensaios para tensões normais de 50, 100 e 200 kpa, com grau de compactação 100%. Cada amostra foi ensaiada na condição ambiente e inundada. Em ambos os casos o corpo de prova era moldado, logo em seguida fixado na caixa de cisalhamento e aplicada a tensão normal, e aguardado a estabilização da deformação vertical do corpo de prova, com critério de parada de 5 minutos. Na condição ambiente, dava-se início ao ensaio, enquanto que na condição inundada, era realizada a saturação do corpo de prova, para em seguida dar início ao ensaio. Saturação do Corpo de Prova Para definir o tempo necessário para saturação do corpo de prova durante a inundação, a caixa de cisalhamento foi preenchida d agua com o corpo de prova, moldado e compactado, fixado dentro, e a tensão normal máxima (200 kpa) aplicada. Foram realizadas inundações com durações decrescentes em duas horas, iniciando em 24h, e em seguida, determinado o teor de umidade e de saturação da amostra. Foi notado que 8 horas eram suficientes para elevar o grau de saturação do corpo de prova da amostra B (maior quantidade de argila e silte) próximo à 100%, tanto destorroada como em estado natural. Assim, as inundações foram realizadas com duração de 10h para todas as amostras, qualquer que fosse a tensão normal.
8 Ensaio de Compressão Edométrica Os ensaios foram realizados de acordo com a norma brasileira NBR 12007/1990. Para realização do ensaio foi utilizado uma prensa edométrica. A aplicação das tensões normais de compressão no corpo de prova foi realizada com pesos sobre um pendural, com braço de alavanca 1/10. Os ensaios foram realizados nas condições ambiente e inundada. Uma tensão de 5 kpa era inicialmente aplicada, até estabilização da deformação vertical, e em seguida aplicada uma tensão de 10 kpa e efetuadas as leituras de deformação vertical do corpo de prova para tempos crescentes, sendo a última com 24h de duração do carregamento. Em seguida a tensão aplicada era dobrada e efetuadas novas leituras de deformação, sendo assim o ensaio realizado para tensões de 10 a 640 kpa, dobrando de valor. Para o exame na condição inundada, a saturação era efetuada com os 5kPa de tensão iniciais aplicados, e leituras de deformação vertical estabilizadas, para em seguida ser aplicado os 10kPa e iniciada as leituras do ensaio. Ensaio de Permeabilidade a Carga Variável Os ensaios de permeabilidade a carga variável foram realizados seguindo instruções da norma brasileira NBR 14545/2000, com uso de permeâmetro. Foram realizadas medições do coeficiente de permeabilidade até a obtenção de quatro valores iguais consecutivos. RESULTADOS E DISCUSSÕES Granulometria Conjunta Na figura 4 estão representadas as curvas granulométricas das amostras A, B e C em seu estado virgem. Estão apresentadas também as curvas granulométricas das amostras destorroadas (respectivamente A-d, B-d e C-d) obtidas por Fernandes (2015). Em função dos percentuais de composição granulométrica, as amostras A, B e C em estado virgem foram classificadas como Areia Siltosa. Quando destorroadas, passam a ser classificadas como Areia Argilosa (Fernandes, 2015).
9 Figura 4 Curvas granulométricas das amostras das amostras A, B e C destorroadas obtidas por Fernandes (2015), e das amostras A, B e C virgens. Nota-se que o destorroamento das amostras provocou considerável redução no diâmetro das partículas. Com o destorroamento, a quantidade de silte e argila das amostras aumentou em 1,1% para a amostra A, 5,2% para a amostra B e 11,6% para a amostra C. A quantidade de areia reduziu em 6,2% para a amostra A, 9,9% para a amostra B, e aumentou em 11,2% para a amostra C. As amostras destorroadas não apresentaram pedregulho uma vez que o critério de parada do destorroamento era a passagem do resíduo na peneira de abertura 2mm. Cisalhamento Direto Na figura 5 estão apresentadas as envoltórias de resistência das amostras nas condições ambiente e inundada, traçadas com as tensões cisalhantes máximas resistidas pelo corpo de prova. O valor nulo de coesão para todas as amostras, na condição inundada, demonstra que a duração da inundação foi suficiente para atingir a saturação do corpo de prova.
10 Figura 5 Envoltórias de resistência obtidas por meio de ensaios de cisalhamento direto. a) Amostra A virgem; b) Amostra B virgem; c) Amostra C virgem; d) Amostra B destorroada. As amostras apresentaram altos valores de ângulo de atrito, variando entre 52,4 e 36,9. Tanto o maior como o menor valor pertencem à amostra A nas na condição, respectivamente, ambiente e inundada. A inundação ocasionou redução no ângulo de atrito das amostras A-v, C-v e B-d de respectivamente 29,6%, 10,8% e 9,4%, representando uma média de 16,6%, e aumento no ângulo de atrito da Amostra B-v de 13,7%.
11 Compressão Edométria Na figura 6 estão as curvas Altura do Corpo de Prova versus Tempo (esc. Log.) no estágio de tensão de 80 kpa. Nenhuma das amostras sofreu o fenômeno do adensamento. A amostra B demonstrou alta sensibilidade à saturação para alturas de corpo de prova final, e a amostra C demonstrou sensibilidade quase nula. Figura 6 Curvas Altura do Corpo de Prova versus Tempo (esc. Log.) das amostras. A curva Índice de Vazios/Índice de Vazios Inicial versus Tempo está representada na figura 7 e a curva Índice de Vazios versus Tensão está representada na figura 8. Na condição inundada, a amostra B virgem, a qual contém maior teor de finos, foi a que sofreu maior redução do índice, equivalente a 31,6%, e na condição ambiente foi a que sofreu menor redução, equivalente a 16,7%, demonstrando ter compressibilidade sensível à saturação. Nota-se que a inundação ocasionou maior redução de índice de vazios em todas as amostras (menores valores finais).
12 Figura 7 Curvas e i /e 0 versus Tempo (índice de vazios/índice de vazios inicial x tempo) das amostras.. Figura 8 Curva Índice de Vazios versus Tensão (esc. Log.) das amostras.
13 Foi calculado o índice de compressão e de recompressão para as amostras (tabela 1), os quais resultaram ambos em valores baixos, variando entre 0,047 e 0,033 o índice de compressão, e entre 0,010 e 0,020 o de recompressão. Nota-se que as amostras virgens não apresentam variação no índice de compressão com a saturação, porém apresentam variação no índice de recompressão da ordem de 20%. Já a amostra B destorroada apresentou aumento nos dois índices com a saturação, equivalente a 30,3% para o índice de compressão e de 100% para o índice de recompressão. Tabela 1 Índice de Compressão (C c ) e Índice de Recompressão (C r ) das amostras. Amostra Condição do Ensaio C c C r A-v ambiente 0,047 0,017 A-v Inundado 0,047 0,020 B-v ambiente 0,037 0,007 B-v inundado 0,037 0,010 C-v ambiente 0,037 0,010 C-v inundado 0,037 0,013 B-d ambiente 0,033 0,010 B-d inundado 0,043 0,020 Permeabilidade à Carga Variável Na tabela 2 apresentam-se os resultados do coeficiente de permeabilidade à temperatura de 20 C para as amostras A, B e C em estado virgem. As amostras A e C apresentaram 2.10-6 cm/s, e a amostra B apresentou 1.10-6 cm/s, no entanto a diferença entre os coeficientes pode ser tida como insignificante. Pela classificação de Pinto (2000), todas as mostras possuem permeabilidade muito baixa (equivalente à areia fina, silte, misturas de ambos e argilas).
14 Tabela 2 Coeficientes de Permeabilidade à 20 das amostras virgens. Amostra k20 (cm/s) A 2 x 10-6 B 1 x 10-6 C 2 x 10-6 CONCLUSÕES Este artigo apresentou um estudo das propriedades mecânicas referentes à compressibilidade, resistência ao cisalhamento, e permeabilidade do Resíduo de Britagem de Rocha Calcária por meio de três amostras de posições distintas de uma pilha do resíduo. Ficou concluído que: A amostras em estado virgem são classificadas como Areia Siltosa. O destorroamento provocou redução no diâmetro das partículas, ocasionando aumento no teor de silte e argila, passando a ser classificadas como Areia Argilosa. As amostras apresentaram valores de ângulo de atrito elevados, variando de 36,9 a 52,4. A saturação ocasionou redução no ângulo de atrito de todas as amostras, exceto a amostra B em estado virgem. A amostra B virgem na condição ambiente foi a que sofreu menor redução do índice de vazios, equivalente a 16,7%, e na condição inundada a que sofreu maior redução, equivalente a 31,6%. As amostras na condição inundada apresentaram maior redução de índice de vazios que as amostras na condição ambiente (menores valores absolutos finais). As amostras apresentaram coeficiente de compressão variando entre 0,033 e 0,047, e coeficiente de recompressão variando entre 0,010 e 0,020, demostrando serem pouco deformáveis. Todas amostras demonstraram compressibilidade sensível à saturação, sendo maior na amostra B virgem (maior teor de finos), e menor na amostra C virgem (maior teor de areia e pedregulho). Todas amostras possuem permeabilidade muito baixa.
15 Assim, pode-se dizer que a utilização do RBRC como material de preenchimento de aterro de grande porte é possível diante dos parâmetros de resistência e compressibilidade. No entanto, deve-se projetar de forma cuidadosa os sistemas de drenagem superficial e profunda, devido a sua baixa permeabilidade. Todavia, deve-se também atentar para a variabilidade deste resíduo, que pode se dar para explorações em diferentes épocas do ano diante das variações climáticas, diferentes profundidades de rocha, diferente composição mineralógica das rochas exploradas e diferenças executivas dos processos de britagem e peneiramento da rocha entre pedreiras. REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, ABNT. NBR 7181 Solo análise granulométrica. Rio de Janeiro. 1984. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, ABNT. NBR 14545 Solo- Determinação do coeficiente de permeabilidade de solos argilosos à carga variável. Rio de Janeiro. 2000. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, ABNT. NBR 12007 Solo- Ensaio de adensamento unidimensional. Rio de Janeiro. 1990. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, ASTM. D3080/D3080M Standard test method for direct shear test of soils under consolidated drained conditions. West Conshohocken. 2011. DEPARTAMENTO NACIONAL DE PRODUÇÃO MINERAL. Anuário Mineral Brasileiro. Brasília. 2010. DEPARTAMENTO NACIONAL DE PRODUÇÃO MINERAL. Informe Mineral Brasileiro. Brasília. 2014. PINTO, C. S. Curso Básico de Mecânica dos Solos. 3a ed. Oficina de Textos. São Paulo SP. 2006. QUEIROZ, F. L. (2015) Caracterização Geotécnica de Resíduo de Britagem de Rocha Calcária para emprego em pavimentação. Trabalho de Conclusão de Curso. Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Natal/RN. 15 páginas. FERNANDES, F. C. (2015) Variabilidade das Propriedades Geotécnicas do Resíduo de Britagem de Rocha Calcária e sua utilização em Obras Rodoviárias. Trabalho de Conclusão de Curso. Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Natal/RN. 15 páginas.