trabalho 45 - pavimentação

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ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA UTILIZAÇÃO DE CINZA DE CALDEIRA A 
COQUE COMO ESTABILIZANTE DE SOLOS EM CAMADA DE PAVIMENTOS 
 
Virlene Leite Silveira 
Instituto Militar de Engenharia 
Seção de Fortificação e Construção 
Kíssyla Ávila Costa 
Instituto Militar de Engenharia 
Seção de Fortificação e Construção 
Claudeny Simone Alves Santana 
Instituto Militar de Engenharia 
Seção de Fortificação e Construção 
Antônio Carlos Rodrigues Guimarães 
Instituto Militar de Engenharia 
Seção de Fortificação e Construção 
 
 
RESUMO 
No presente trabalho foram avaliadas as características físicas, químicas e microestruturais de um resíduo sólido 
proveniente da indústria de beneficiamento do Níquel (Ni), denominada de cinza de caldeira a coque, mais 
especificamente cinza volante, visando à possibilidade de seu uso como estabilizante de solos em camadas de 
pavimentação. Devido à crescente preocupação da sociedade com as questões ambientais, torna-se necessário o 
estudo do tratamento, disposição e reaproveitamento de resíduos sólidos. Dessa forma a cinza de caldeira a 
coque, mais especificamente denominada cinza volante, possui potencial como agente efetivo para estabilização 
química ou mecânica de solos, principalmente em bases e sub-bases de pavimentação. As cinzas volantes podem 
aumentar a resistência e o dessecamento do solo e controlar a sua contração ou expansão. Neste contexto, estudar 
as características e o comportamento da cinza volante como componente em misturas para estabilização de base 
e sub-base é uma alternativa para se mitigar o passivo ambiental e contribuir para o estudo de material 
alternativo em pavimentação. São apresentados os resultados dos ensaios de caracterização da cinza volante, 
como sua estrutura superficial pelo Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) e composição química através 
da Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS). São divulgados ainda os resultados de ensaios de expansão de 
uma mistura de solo, com cinza volante, em teores de 20 e 30%, visando determinar o grau de expansão do solo 
estabilizado com a cinza volante. Com os resultados encontrados concluiu-se que a cinza atuou de forma 
cimentante na mistura solo-cinza, devido à diminuição das trincas, e é uma alternativa para diminuição do 
passivo ambiental. 
Palavras-chave: cinza de caldeira a coque; passivo ambiental; estabilização. 
 
ABSTRACT 
In this work we evaluate the physical, chemical and microstructural properties of a solid residue from the 
processing industry of Nickel (Ni), called ash coke boiler, specifically fly ash, seeking the possibility of its use as 
a soil stabilizer layered paving. Due to growing public concern about environmental issues, it is necessary to 
study treatment, disposal and reuse of solid waste. Thus, the boiler ash coke, more specifically referred to as fly 
ash, has potential as an effective agent for chemical or mechanical stabilization of soils, particularly bases and 
sub-bases flooring. Fly ash can increase the resistance and soil desiccation and control its expansion and 
contraction. In this context, studying the characteristics and behavior of fly ash as a component in mixtures for 
stabilizing base and sub-base is an alternative to mitigate the environmental damage and contribute to the study 
of alternative materials in pavement. Presents the results of laboratory characterization of fly ash as a surface 
structure by Scanning Electron Microscope (SEM) and chemical composition by Energy Dispersive 
Spectroscopy (EDS). Are also disclosed test results of expansion of a mixture of soil, fly ash, in amounts of 20 
and 30%, in order to determine the degree of expansion of soil stabilized with fly ash. Based on the results it was 
concluded that the ash acted in mixing cement-gray soil, due to the decrease of cracks, and is an alternative to 
reducing the environmental liability. 
Keywords: boiler ash coke; environmental liabilities; stabilization. 
 
 
 
 
1. INTRODUÇÃO 
Um dos principais indicadores do desenvolvimento econômico de uma comunidade e/ou país 
consiste nas condições que seus habitantes têm de se locomover de um ponto ao outro, seja 
para deslocamento próprio, ou integração das áreas de produção e consumo no mercado 
interno e externo, dentre outras inúmeras atividades. Portanto, a disponibilidade de infra-
estrutura com logística adequada dos diversos tipos de modais de transporte é extremamente 
relevante para a economia mundial (LOPES, 2011). 
 
A demanda por materiais de infra-estrutura viária é enorme e se restringe muitas vezes às 
jazidas de materiais primários (brita, solo, areia, etc). Sendo assim, pode-se dizer que a oferta 
de materiais de infraestrutura, gera modificações nas avaliações de viabilidade econômica de 
materiais ditos „alternativos‟. 
 
Tratando de materiais residuais destaca-se a chamada cinza de caldeira a coque ou mais 
especificamente cinza volante. De acordo com Netto (2006) e Leandro e Fabbri (2001) as 
cinzas já vêm sendo reutilizadas desde os anos trinta, quando estas começaram a estar 
disponíveis em quantidades significativas, sendo inicialmente matéria prima incorporada na 
fabricação de concretos e cimento Portland pozolânico. 
 
De acordo com Vasconcellos et al (2004), as cinzas são geradas a partir da queima do carvão 
em caldeiras de carvão pulverizado, onde aproximadamente três quartos da cinza produzida é 
leve o bastante para ser arrastada com os gases de combustão, são as chamadas cinzas leves 
ou cinzas volantes e em sua maior parte é coletada por equipamentos de retenção, como 
precipitadores eletrostáticos e as cinzas remanescentes são densas o suficiente para não serem 
emitidas para a atmosfera e caem, no fundo da caldeira, fundidas em partículas maiores, 
chamadas de cinzas pesadas ou residuais. 
 
As cinzas volantes se encontram no grupo de rejeitos industriais gerados em grande volume 
anualmente e são muitas vezes descartadas de forma inadequada no meio ambiente, sem 
nenhum critério técnico, ou demandam custos elevados relativos à estocagem e destinação 
final, fato que para uma usina se torna um problema, pois passa a ter que se preocupar com a 
adoção de práticas de disposição em áreas adequadas e medidas de proteção necessárias. 
 
Como forma de gestão, entre outras maneiras de reutilização, tem-se desenvolvido diversos 
estudos de modo a introduzir a cinza de caldeira a coque também como estabilizante de solo 
em camadas de pavimentos. VOGT (1971) define a estabilização como todo método que visa 
aumentar, de maneira durável, durante todas as estações do ano, a resistência de um material 
aos esforços desenvolvidos pelo tráfego e aos efeitos destruidores exercidos pelas 
intempéries, através da alteração de qualquer uma de suas propriedades, de forma a melhorar 
seu comportamento sob o ponto de vista da engenharia. Constituindo, portanto alternativa 
possivelmente viável em termos técnicos e econômicos. 
 
Neste contexto, define-se como objetivo deste trabalho o estudo da reutilização deste tipo de 
rejeito da indústria siderúrgica na estabilização de solos em camadas de pavimentos, buscando 
contribuir para diminuir os grandes volumes ocupados em pátios de resíduos, como uma 
alternativa para se mitigar o passivo ambiental e contribuir para o estudo de material 
alternativo na pavimentação. 
 
2. MATERIAIS E MÉTODOS 
A Cinza volante e o solo foram recebidos pelo Laboratório de Ligantes e Misturas 
Betuminosas do Instituto Militar de Engenharia - IME (FIGURA 1a e 1b). A cinza é 
proveniente de uma siderurgia de beneficiamento de Níquel e o solo utilizado na mistura solo-
cinza tem origem de uma jazida localizada em Carajás – PA. 
 
 
Figura 1: Solo (a) e cinza volante (b) recebidos pelo laboratório de Ligantes e Misturas 
Betuminosas do Instituto Militar de Engenharia – IME. 
 
A cinza volante e o solo foram caracterizados também por meio de ensaios de caracterização 
microestruturalpor meio de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e caracterização 
química por meio da Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS) utilizando 3 diferentes 
pontos de uma mesma amostra para tornar os resultados representativos. 
 
Os ensaios de caracterização do solo envolveram os ensaios de análise granulométrica por 
sedimentação para caracterização da parte fina e por peneiramento (DNER-ME 051/94), 
limites de Liquidez (DNER-ME122-94) e Limites de Plasticidade (DNER-ME 082/63), 
determinação do teor de umidade higroscópica (DNER-ME 051/94) e MCT expedito proposto 
por Nogami e Villibor (1981). 
 
A mistura solo-cinza foi ensaiada de forma visual por meio de uma adaptação ao método do 
MCT expedito, onde se analisou o fator expansão/inchamento utilizando teores de 20 e 30% 
de cinza volante. Na mistura de 20 e 30% foram utilizados 350g de solo juntamente com 150g 
de cinza e 400g de solo com 100g de cinza respectivamente. 
 
O método consistiu em submeter à mistura à condição plástica e a uma sequência de 
procedimentos: acondicionamento por 8 horas em almofariz, retirada do excesso de água e 
molde em pastilhas, acondicionamento em estufa a 100ºC, submissão à medição de contração 
e em seguida à condição de absorção de umidade por 2 horas e finalmente a verificação de 
expansão/inchamento. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES 
 
3.1 Caracterização do solo 
A primeira característica que diferencia os solos é o tamanho das partículas que os compõe, 
não sendo fácil identificar o tamanho das partículas pelo simples manuseio do solo, portanto 
faz-se necessário a caracterização granulométrica do solo, e esta segue apresentada pela 
Figura 2. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2: Distribuição granulométrica. 
 
De acordo com a Figura 2, é possível a determinação da percentagem em peso que cada faixa 
especificada de tamanho de partículas representa na massa total ensaiada. Foi possível então 
observar, por meio de análise granulométrica por sedimentação para caracterização das 
partículas finas e peneiramento, que grande parte do material, cerca de 63% se encontra na 
faixa entre 4,8mm a 3”, caracterizando um material pedregulhoso. 
 
Através deste ensaio é possível a construção da curva de distribuição granulométrica, esta que 
é de tamanha importância para a classificação dos solos bem como a estimativa de parâmetros 
para filtros, bases estabilizadas, permeabilidade, capilaridade etc., podendo ser feita apenas 
por peneiramento como neste caso ou por peneiramento e sedimentação, se necessário. 
 
Os ensaios para determinação dos limites de Atterberg foi feito calculando os limites de 
liquidez - LL por meio do aparelho Casagrande e de plasticidade – LP (Figura 2a e 2b), O 
índice de plasticidade é definido pela diferença entre os dois limites: 
 
 
IP = LL – LP (1) 
IP: Índice de Plasticidade 
LL: Limite de Liquidez 
LP: Limite de Plasticidade 
 
Este índice determina o caráter de plasticidade de um solo, assim, quando maior o “IP”, tanto 
mais plástico será o solo. O solo em estudo apresentou IP igual a 3,5% caracterizando um solo 
pouco plástico. O que representa as características de comportamento do material analisado 
 
 
O índice de plasticidade em pavimentação primária é de fundamental importância, pois o solo 
deve apresentar um índice de plasticidade médio. Se for baixo demais o solo não apresentará 
uma boa coesão, se for alto demais ocasionará muita dificuldade ao processo de compactação. 
Se tratando de Base, Sub Base, objeto desta pesquisa, esta característica é menos relevante, 
pois o objetivo é de se alcançar um grau de compactação acima do que se poderia esperar 
utilizando-se apenas água e a análise dos Limites implicará apenas à necessidade ou não de 
adição e, de que tipos de agregados, para correção desta característica. 
 
Umidade higroscópica representa a máxima quantidade de água, em percentagem, que o solo 
é capaz de adsorver da atmosfera, em forma de vapor, e manter em equilíbrio com o ambiente, 
é a água perdida por uma amostra de solo seca ao ar, quando aquecida a 105-110ºC, por 24 
horas, em uma estufa. Através do ensaio o valor encontrado para umidade higroscópica foi de 
5,9%. 
 
Por meio do método MCT expedito, foi possível observar que o solo se enquadra na 
classificação LA‟-LG‟ ou seja, possui características de solos arenosos lateríticos e argilosos 
lateríticos, com penetração média de 0,14mm e contração diametral média de 1mm. Conforme 
Figura 3a observou-se também que houve a presença de trincas em todas as pastilhas. Ao 
submeter as pastilhas em uma pedra porosa afim de observar a amostra às condições de alta 
umidade verificou-se que o solo não apresenta características de expansão/inchamento como 
apresentado na Figura 3b. 
 
 
Figura 3: Pastilhas com amostras de solo apresentando trincas (a) pastilhas em pedra porosa 
para verificação de expansão/ inchamento (b). 
 
De acordo com a Figura 3 a presença de trincas representa uma característica típica de solos 
lateríticos, tais trincas proporcionam maior resistência a cada bloco trincado individualmente 
quando comparado ao bloco como um todo. Em uma das pastilhas na Figura 3ª não houve 
trincamento em apenas uma dos lados. 
 
A caracterização microestrutural da amostra de solo feita por meio do MEV e apresentada 
pela Figura 4 e sua caracterização química por meio de EDS pela Tabela 1. 
 
 
 
Figura 4: Imagem de alta resolução do solo com aumento de 400x (a) e 200x (b) 
 
A Figura 4 apresenta uma fração fina do solo utilizada no ensaio de MEV e EDS. Por meio 
dela pode-se observar que o solo possui seixos arredondados e partículas porosas. A 
caracterização química, realizada por meio de EDS, do solo estudado é descrita através da 
Tabela 1 
 
Tabela 1: Composição química do solo por meio do EDS. 
Amostra 01 Amostra 02 Amostra 03 
Composição Porcentagem Composição Porcentagem Composição Porcentagem 
 
Al2O3 40,80 Al2O3 42,8 Al2O3 45.28 
SiO2 43,06 SiO2 43,37 SiO2 42.15 
TiO2 3,69 TiO2 2,04 TiO2 1.56 
FeO 12,45 FeO 11,78 FeO 11.01 
 
Na tabela 1 são listados os principais componentes do solo tais como Al2O3, SiO2, TiO2 e 
FeO. Sendo que os maiores constituintes são o Al2O3 e SiO2, com porcentagens médias de 
42,96% e 42,86% respectivamente. 
 
3.2 Caracterização da cinza 
A caracterização microestrutural da cinza volante utilizada no presente estudo, realizada pelo 
MEV, é apresentada na Figura 5. 
 
 
Figura 5: Imagem de alta resolução do cinza com aumento de 400x (a) e 300x (b) 
 
 
Conforme a Figuras 5 apresentada foi possível observar que a cinza possui pequena 
granulometria e estrutura porosa, o que induz seu uso como material fino em camadas de 
pavimentos. A cinza ensaiada na Figura 5, considerada uma amostra representativa do 
material, serviu também para a realização da caracterização química por meio do EDS e seus 
resultados estão apresentados na Tabela 2. 
 
Tabela 2: Composição química da cinza volante por meio do EDS. 
Amostra 01 Amostra 02 Amostra 03 
Composição Porcentagem Composição Porcentagem Composição Porcentagem 
 
MgO 2,86 
 
MgO 3,11 
 
MgO 0,6 
Al2O3 3,84 Al2O3 1,89 Al2O3 3,92 
SiO2 9,38 SiO2 3,60 SiO2 1,82 
SO3 16,27 SO3 17,60 SO3 12,77 
K2O 0,24 K2O 0,40 K2O 0,47 
CaO 56,65 CaO 71,12 CaO 79,63 
V 6,84 V 0,49 V 0,48 
FeO 2,12 FeO 1,58 FeO 0,31 
NiO 1,8 NiO - NiO - 
Cu - Cu 0,21 Cu - 
 
Os principais componentes da cinza tal como listado na Tabela 2 são: como SO3 e CaO, com 
porcentagens médias de 15,54% e 69,13 respectivamente. Os elementos apresentados pela 
tabela são esperados em cinzas provenientes do beneficiamento de níquel. É importante 
ressaltar a ausência de contaminantes em sua composição, acentuando ainda mais o seu 
possível uso em camadas da pavimentação. 
 
3.3 Caracterização da mistura solo-cinza 
A mistura solo-cinza ensaiada por meio de umaadaptação ao método do MCT expedito é 
apresentada pela Figura 6. 
 
 
Figura 6: Mistura solo-cinza com 20% de cinza (a) e 30% de cinza (b) 
 
Ambas as misturas de solo-cinza não apresentaram nenhum padrão de inchamento/expansão, 
foi observado um pequeno grau de contração, isso pode ser devido à presença da cinza que 
gerou uma ação cimentante com as partículas do solo, o mesmo pode ser observado pela 
ausência de trincas na mistura comparado às amostras de solo natural. 
 
 
4. RECOMENDAÇÕES FINAIS 
No presente trabalho mostrou-se que o solo estudado possui características de um solo 
arenoso laterítico e argiloso laterítico, tal solo apresentou trincas, quando submetido ao 
método MCT, o que corrobora ser um solo tropical. O índice de plasticidade do solo foi de 
3,5%, atendendo assim a norma para sua utilização em obras de pavimentação. 
 
A composição química do solo também reafirma a proposição de ser um solo tropical, uma 
vez que apresenta em sua composição Sílica e Ferro, elementos predominantes nestes tipos de 
solo. A composição química da cinza mostrou a ausência de contaminantes ao meio ambiente. 
 
O padrão de trincamento típico de solos lateríticos, observado no solo em estudo, foi relevante 
para a pesquisa, pois tanto para os teores de 20% e 30% não houve presença de trincamentos 
enquanto a amostra de solo natural apresentou trincas significantes, verificando a ação 
cimentante da cinza volante. 
 
O presente estudo é base para procedimentos futuros a fim de se determinar a melhoria da 
qualidade de misturas solo-cinza a serem empregados em obras de pavimentação como base e 
sub-base. Contudo o estudo é de extrema importância no que se refere a destinação de um 
resíduo sólido, uma vez que a cinza volante pode se tornar um passivo ambiental demandando 
de grandes áreas e/ou custos com tratamento para disposição final. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Rodagem. 
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método expedito. Departamento Nacional de Estradas de Rodagem. 
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método expedito. Departamento Nacional de Estradas de Rodagem. 
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mineral para Camadas de Base de Pavimento. Dissertação de Mestrado. PUC-Rio. Rio de Janeiro 
LEANDRO, R. P. FABBRI, G. T. P., Aproveitamento da cinza pesada de carvão, mineral na construção de 
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NETTO, R. M. Materiais pozolânicos. Monografia. Escola de Engenharia da UFMG. Belo Horizonte, 2006 
VOGT, J. C. Estabilização Betuminosa. In: 7º Simpósio sobre pesquisas rodoviárias. Rio de Janeiro, 1971. 
NOGAMI, J. S. VILLIBOR, D. F. Uma nova classificação de solos para finalidades rodoviárias. IN: Simpósio 
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Virlene Leite Silveira. End.: Rua Voluntários da Pátria, Número 01, Apartamento 711, Botafogo, Rio de Janeiro, 
Brasil. Contatos: (21)8431-1158; virlene_cea@hotmail.com 
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