Artigos científicos para auxilo de TCC - Mecanica dos solos

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Estabilização de solo argiloso com cinzas de carvão com fins de 
aplicação em sub-base de pavimento no Perú. 
 
Rocío del Carmen Pérez Collantes 
Universidad Nacional de Ingeniería, Lima, Perú, pcrocio@yahoo.com 
 
Carolina Alejandra Pérez Collantes 
Universidad Nacional de Ingeniería, Lima, Perú, carolina4899@hotmail.com 
 
Gino Omar Calderón Vizcarra 
Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil, 
ginocalderon@hotmail.com 
 
José Gutiérrez Lázares 
Universidad Nacional de Ingeniería, Lima, Perú, ghama@speedy.com.pe 
 
 
RESUMO: A usina termoelétrica Ilo, no Perú, produz 20 toneladas por dia de cinzas de carvão, cuja 
disposição gera um problema ambiental. Atualmente existem 150,000 metros cúbicos acumulados 
no local, e que poderia ser utilizado em obras rodoviárias. O objetivo das investigações é estudar o 
efeito da adição de cinza volante de carvão para um solo regional, com a finalidade de utilizá-lo em 
obras de pavimentação. Realizaram-se ensaios de caracterização física, química para o solo, cinzas 
volantes de carvão e misturas solo-cinza em diferentes percentagens. Ensaios de compactação e 
CBR foram realizados, assim como também um projeto de pavimento típico para comparar o 
desempenho da cinza volante. Adicionalmente alguns parâmetros como tempo de cura e teor de 
umidade foram avaliados. Conclui-se que a cinza volante de carvão é viável de ser utilizada para 
estabilização de solos para pavimentos, sendo que este aumentou o valor de CBR e diminuiu a 
expansão do material. 
 
Palavras – Chave: Estabilização, cinza volante, pavimentação. 
 
 
1 INTRODUÇÃO 
 
A cinza volante é um resíduo que se produz na 
Planta Termoeléctrica de Ilo, localizada no 
Perú. Preocupações respeito à adequada 
disposição deste, motivaram este estudo, que 
visa o seu aproveitamento em obras de 
pavimentação. 
 Entre as vantagens da utilização de resíduos 
temos: 
 Agrega valor ao cinza volante de carvão. 
 Diminui gastos de ocupação com áreas 
de deposição. 
 O custo do material para pavimentação 
pode baixar. 
 
 
 
2 PROGRAMA EXPERIMENTAL 
 
2.1 Materiais 
 
Os materiais utilizados na investigação são: 
argila de alta plasticidade (Figura 1) que 
provem de uma jazida na região de Villarica na 
Amazônia peruana e Cinza Volante que é um 
subproduto da incineração de carvão numa 
usina termoelétrica e que provem da região de 
Ilo no sul do Perú (Figura 2). 
 
 
Figura 1. Argila cor vermelho 
 
 
Figura 2. Cinza volante de carvão cor gris. 
 
Misturas solo–cinza: O solo e as cinzas foram 
secados ao ar e dosadas em peso. Após a 
mistura á seco foi adicionada a quantidade de 
água necessária para conseguir o teor de 
umidade desejado na compactação. Na tabela 1 
apresentam-se as misturas de materiais 
utilizados. 
 
Tabela 1. Símbolos referentes a cada material 
Material/Mistura 
Solo 
(%) 
Cinza Volante 
(%) 
Cimento 
(%) 
Solo (S) 100 - - 
S80/CV20 80 20 - 
S60/CV40 60 40 - 
S90/CV7/C3 90 7 3 
S80/CV17/C3 80 17 3 
S70/CV27/C3 70 27 3 
Cinza volante (CV) - 100 - 
 
 
2.2 Ensaios de Laboratório 
 
O programa de ensaios estabelecido tem como 
objetivo principal investigar e identificar o 
efeito da adição de cinzas volante de carvão nas 
propriedades mecânicas de um solo residual. 
 Os ensaios de laboratório considerados para 
o solo residual, as cinzas de carvão e para as 
misturas deles, a fim de determinar suas 
propriedades físicas e mecânicas são os 
seguintes: 
 
Tabela 2. Ensaios desenvolvidos 
Ensaio 
Norma 
Peruana 
Norma 
ASTM 
Análise granulometrica NTP. 339.128 D 422 
Teor de umidade NTP. 339.127 D 2216 
Limite liquido NTP. 339.129 D 4318 
Limite plástico NTP. 339.129 D 4318 
Densidade real dos grãos NTP. 339.131 D 854 
Compactacão Proctor MTC. E-115 D 1557 
CBR MTC. E-132 D 1883 
 
3 RESULTADOS E ANALISE 
 
3.1 Difração de raios X 
 
O resultado do ensaio de difração de raios X 
está na Figura 3. 
 
3.2 Densidade Real dos grãos 
 
As variações da densidade real dos grãos com o 
teor de cinza volante apresentam-se nas Figuras 
4 e 5. Os resultados indicam que ao adicionar 
cinza volante ao solo, o Gs diminui, mas no 
caso de adição de cinza volante mais cimento, o 
Gs aumenta até atingir um pico, depois do qual 
começa a diminuir. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 4. Variação do Gs com o Teor de cinza volante. 
 
 
 
Figura 5. Variação do Gs com o Teor de cinza volante e 
cimento. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3.3 Granulometría 
 
As curvas granulométricas do solo e misturas 
com a cinza volante ficaram com uma 
granulometria maior da que o solo puro 
(Figuras 6 e 7), isto pode-se relacionar à 
cimentação e/ou formação de gel que se produz 
ao redor das partículas finas da argila. 
 
 
Figura 6. Curva granulométrica de misturas solo–cinza 
volante de carvão. 
 
2.670 
2.574 
2.605 
2.420 
2.300
2.400
2.500
2.600
2.700
0 20 40 100
G
s 
Teor de cinza volante (%) 
2.670 2.695 2.683 2.672 
2.420 
2.300
2.400
2.500
2.600
2.700
0 7 17 27 100
G
s 
Teor de cinza volante (%) 
4
.7
6
 
N
º4
 
2
.0
0
 
N
º1
0
 
0
.8
4
 
N
º2
0
 
0
.5
9
 
N
º3
0
 
0
.4
2
6
 
N
º4
0
 
0
.2
5
 
N
º6
0
 
0
.1
4
9
 
N
º1
0
0
 
0
.0
7
4
 
N
º2
0
0
 
0
.0
6
3
 
0
.0
6
3
 
0
.0
0
5
 
0
.0
0
5
 
0
.0
0
1
 
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
.0
0
1
0
.0
1
0
.11 P
er
ce
n
ta
g
em
 a
cu
m
u
la
d
a 
p
as
sa
n
te
 (
%
) 
Abertura (mm) 
S
S80/CV20
S60/CV40
CV
Figura 3. Difractograma da Cinza volante 
 
Figura 7. Curva granulométrica de misturas solo – cinza 
volante de carvão e cimento. 
 
3.4 Limites de Atterberg 
 
Os Limites de Attemberg para a cinza volante 
pura não puderam ser realizados, devido ao 
comportamento granular do material, que 
durante o ensaio não apresentou características 
plásticas para a sua realização. Segundo, que a 
inserção da cinza volante diminui o limite 
liquido e o índice de plasticidade, e aumenta o 
limite plástico do solo no caso de adição de 
cimento, como mostrado nas Figuras 8 e 9. 
Estes resultados são comparáveis ao estudo 
feito por Bin-Shafique (2009), no qual a adição 
de cinza volante de carvão reduziu o índice de 
plasticidade de um solo expansivo (de 57% até 
32%, para um teor de 5% de cinza) e de um 
solo mole (de 26% a 18%, para um teor de 5% 
de cinza), ambos os solos do estado de Texas, 
EUA. Nalbantoglu (2004) testou uma cinza 
volante de carvão para avaliar o seu efeito 
estabilizador sobre dois solos expansivos da 
ilha de Chipre. No seu estudo determinou que a 
cinza volante diminuiu o índice de plasticidade 
de solos altamente plásticos, mas tem menor 
influência no índice de plasticidade de solos de 
baixa plasticidade. Ele atribui que partículas 
menores, maiores superfícies especificas e 
menor cristalinidade faz com que os minerais de 
argila tenham maior susceptibilidade à ação da 
cinza. 
 
 
 
 
Figura 8. Variação dos Limites de Atterberg com o teor 
de cinza volante 
 
 
 
Figura 9. Variação do Índice de plasticidade com o teor 
de cinza volante 
 
3.5 Compactação 
 
Das curvas de compactação do solo edas 
misturas com cinza volante obtidas a partir dos 
ensaios de Proctor Modificado, pode-se indicar 
que, ao aumentar o teor de cinza volante na 
mistura, a máxima densidade aparente seca 
tende a se manter e no caso de adição de 
cimento tende a diminuir levemente, o qual é 
concordante com pesquisas feitas por Nicholson 
(2003), sobre utilização de cinzas de carvão 
para estabilizar solos tropicais. Reparou-se 
também que o teor de umidade ótima decresce 
para ambos os casos (Figura 10). 
 
4
.7
6
 
N
º4
 
2
.0
0
 
N
º1
0
 
0
.8
4
 
N
º2
0
 
0
.5
9
 
N
º3
0
 
0
.4
2
6
 
N
º4
0
 
0
.2
5
 
N
º6
0
 
0
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4
9
 
N
º1
0
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0
.0
7
4
 
N
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0
 
0
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6
3
 
0
.0
6
3
 
0
.0
0
5
 
0
.0
0
5
 
0
.0
0
1
 
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
.0
0
1
0
.0
1
0
.11
P
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n
ta
g
em
 a
cu
m
u
la
d
a 
p
as
sa
n
te
 (
%
) 
Abertura (mm) 
S
S90/CV7/C3
S80/CV17/C3
S70/CV27/C3
CV
0
10
20
30
40
50
60
70
0 20 40 60
T
eo
r 
d
e 
u
m
id
ad
e
 
Teor de Cinza Volante (%) 
LL LP
LL (+3%C) LP (+3%C)
0
5
10
15
20
25
30
0 20 40 60
T
eo
r 
d
e 
u
m
id
ad
e 
Teor de Cinza Volante (%) 
IP
IP (+3%C)
 
Figura 10. MEAS vs. Teor de umidade dos materiais 
estudados. 
 
3.6 Índice de Suporte de Califórnia (CBR) 
 
Os valores de expansão e de CBR se 
apresentam nas Figuras 11 e 12, 
respectivamente. Observa-se que a cinza 
volante aumenta o valor de CBR, sendo que isto 
é mais expressivo quando é adicionado 
cimento; em contrapartida, a mistura solo-
cinza-cimento, tem menor diminuição da 
expansão que a obtida na mistura solo-cinza. 
 
 
Figura 11. Curva CBR vs. Teor de cinza volante. 
 
Figura 12. Curva Expansão vs. Teor de cinza volante. 
 
3.7 Projeto de pavimento 
 
Realizou-se o projeto de um pavimento típico 
comparando as espessuras do pavimento, 
segundo a metodologia NAASRA (National 
Association of Australian State Road 
Authorities). Pose-se notar na Figura 13, que a 
adicao de cinza volante e cimento diminuem a 
espessura necessaria para atender uma 
determinada solicitacao, respeito ao solo puro. 
 
 
Figura 13. Curva Espessura de pavimento vs Teor de 
cinza volante. 
 
 
6 CONCLUSÕES 
 
Baseado nos resultados dos ensaios de 
laboratório, temos as seguintes conclusões: 
 
 Os resultados obtidos permitem concluir 
que o solo estudado nesta pesquisa é do 
S80/CV20 
S60/CV40 
S90/CV7/
C3 
S80/CV17
/C3 S70/CV27
/C3 
S 
CV 
15.00
15.50
16.00
16.50
17.00
19 20 21 22
M
E
A
S
 (
k
N
/m
3
) 
Teor de umidade (%) 
MEAS (S+CV)
MEAS (S+CV+3%C)
MEAS (S)
MEAS (CV)
0
10
20
30
40
50
60
0 20 40 60
C
B
R
 (
%
) 
Teor de Cinza Volante (%) 
CBR
CBR (+3%C)
0
1
2
3
4
5
6
0 20 40 60
E
x
p
an
sã
o
 (
%
) 
Teor de Cinza Volante (%) 
Expansão
Expansão (+3%C)
0
50
100
150
200
250
300
350
0 20 40 60
E
sp
es
su
ra
 d
e 
p
av
im
en
to
 (
m
m
) 
Teor de Cinza Volante (%) 
e
e (+3%C)
tipo CL (argila inorgânica de mediana 
plasticidade) na classificação SUCS, o 
comportamento mecânico deste material 
não é recomendável para ser utilizado 
como solo de sub-base de pavimentos. 
 A influência da cinza volante ao solo 
proporciona o desenvolvimento de um 
novo material geotécnico com 
características próprias, observado pela 
melhoria das propriedades mecânicas 
deste novo material. 
 As misturas solo-cinza volante com 
presença de cimento apresentaram 
melhores resultados respeito ao valor de 
CBR, ao serem comparados com as 
misturas só com a presença das cinzas 
volantes. 
 A cinza volante de carvão é viável de ser 
utilizada para estabilização de solos para 
pavimentos, sendo que este aumentou o 
valor de CBR e diminuiu a expansão do 
solo puro. 
 Os resultados obtidos foram satisfatórios, 
sendo dependentes do teor utilizado e da 
presença de cimento. Tais fatos ressaltam 
o emprego positivo da cinza volante de 
carvão mineral para aplicação em 
camadas de sub-base de pavimentos 
rodoviários, minimizando problemas 
atuais de disposição de resíduos em lixo e 
aterros sanitários, dando um fim mais 
nobre a este material. 
 
 
AGRADECIMENTOS 
 
Os autores agradecem a ENERSUR-PERU, 
pelo fornecimento das cinzas e informações 
para a elaboração do presente estudo. 
 
 
REFERÊNCIAS 
 
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5239-98. Standard Practice for Characterizing Fly 
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Bin-Shafique, S., Kahman, K., Yaykiran, M., Azfar, I. 
(2009) The Long-term performance of two fly ash 
stabilized fin-grained soil subbases. Resources, 
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emprego de agregados de argila calcinada para 
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de Engenharia, Rio de Janeiro, RJ. . 
 
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Wisconsin-Madison. 
 
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Sólido Urbano para Base de Pavimentos. Dissertação 
de M.Sc. Departamento de Engenharia Civil. 
Pontificia Universidade Católica de Rio de Janeiro. 
 
Erasmi, L. (2012) Análise do Comportamiento Mecánico 
e Ambiental de Misturas Solo- Cinzas de Carvão 
Mineral para Camadas de Base de Pavimentos. 
Dissertação de M.Sc. Departamento de Engenharia 
Civil. Pontificia Universidade Católica de Rio de 
Janeiro. 
 
Nalbantoglu, Z. (2004) Effectiviness of Class C fly ash as 
an expansive soil stabilizer. Construction and 
Building Materials. Vol. 18, p. 377-381. 
 
Nicholson, P.G. (2003) Fly Stabilization of Tropical 
Hawaiian Soils. Fly Ash for soil improvement. ASCE.