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1

AVALIAÇÃO DE RESÍDUOS DA FABRICAÇÃO DE TELHAS CERÂMICAS PARA SEU EMPREGO EM CAMADAS DE PAVIMENTO DE BAIXO CUSTO

João Fernando Dias Vahan Agopyan

RESUMO Este trabalho apresenta a análise de agregados reciclados de telhas de cerâmica vermelha, visando seu emprego em camadas de pavimentos de baixo custo, baseado em estudos de laboratório. Estes agregados foram caracterizados mediante os ensaios físicos e mecânicos, e submetidos aos ensaios empregados na pavimentação, como a metodologia tradicional, metodologia MCT, módulo resiliente, deformação permanente e outros ensaios denominados índices de qualidade. Apesar deste material atender aos principais requisitos da metodologia tradicional, identificou-se que ele quebra com a aplicação de energia de compactação e de tensões nos ensaios, e apresenta alta resiliência, ou grandes deformações resilientes. Desenvolveu-se uma metodologia para a determinação da absorção de agregados porosos. Estudou-se um método inédito para a otimização do volume compactado da mistura de agregado com solo. As misturas produzidas com solos lateríticos foram avaliadas após a compactação, não apresentando mais a quebra dos grãos do agregado, e ganhos expressivos no valor do módulo de resiliência, chegando a atingir 288% acima do módulo do agregado. Os resultados dos ensaios de laboratório indicaram ser possível a aplicação deste material em misturas com solos lateríticos, em camadas de pavimentos de baixo custo.

Palavras chaves: 1.Reciclagem de resíduos 2.Cerâmica vermelha 3. Pavimentos 4. Materiais de construção 5.Solo-agregado

EVALUATION OF THE WASTE FROM CERAMIC ROOFING TILES MANUFACTURING FOR ITS USE IN UNBOUND PAVEMENT LAYERS

ABSTRACT The purpose of this work is to use recycled aggregate of ceramics roofing tiles for low cost pavement layers, based on laboratory studies. The aggregates had been characterized by physical and mechanical tests and submitted to the tests used for aggregates for pavement, such as the traditional methodology, methodology MCT (tropical compacted miniature), resilient module, permanent deformation. These residues comply with the main requirements of the traditional methodology, however it is necessary to point out that the material breaks with the application of energy for compaction and under the tensions during the mechanical tests, it also presents high resilience, or great resilient deformations. An appropriate methodology was developed for the porous aggregate absorption measurement. A new method to optimize the compacted volume of the mixture was studied. The mixtures produced with lateritics soils were evaluated after the compacting, they have not presented the broken grains. These mixtures performed very well with significant increase in the value of the resilience module, up to 288% above of the module of the aggregate. The results of the laboratory indicate that it is possible to use these residues in mixtures with lateritic soil, for layers of low cost pavements.

Key words: 1.Recycled aggregates 2. Ceramics roofing tiles 3. Unbound pavement layers 4.Soil-aggregates

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1. INTRODUÇÃO O principal objetivo deste trabalho é apresentar uma alternativa técnica, baseada em estudo em laboratório, para o emprego de agregados reciclados de resíduos da fabricação de telhas de cerâmica vermelha, em camadas de pavimentos de baixo custo, a partir da constatação de que este material se quebra com a energia de compactação e que sua deformação resiliente sob carga cíclica é alta, o que inviabilizaria seu emprego.

Esta pesquisa se insere na linha de investigação capitaneada pelo Departamento de Engenharia de Construção Civil da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (PCC-USP), onde estudos multidisciplinares têm proporcionado grandes contribuições na busca da construção sustentável.

A geração de resíduos pelas atividades humanas tem sido motivo de preocupação crescente. O desperdício, o esgotamento das reservas naturais, o impacto ambiental e a necessidade de recursos financeiros para a gestão dos resíduos justificam ações na busca de soluções sustentáveis. Os resíduos gerados atingem volumes expressivos e, não recebendo solução adequada, impactam o meio ambiente tornando críticos os problemas de saneamento nas áreas urbanas (Hansen, 1996; Collins, 1997; Lauritzen, 1998; Pinto, 1999; Agopyan, 2000; John, 2000; Hendriks, 2000).

As pesquisas relacionadas à reciclagem têm se concentrado mais no emprego de resíduos da construção e demolição (RCD) para a produção de concreto e argamassa com importantes pesquisas realizadas, várias delas disponíveis no link www.reciclagem.pcc.usp.br, do PCC-USP. As pesquisas voltadas ao emprego em pavimentos são mais escassas e a abordagem é relacionada à metodologia tradicional de projetos de pavimentos que, basicamente se restringem à avaliação da granulometria, expansibilidade e resistência medida pelo Índice de Suporte Califórnia (CBR), Bodi (1997), Brito Filho (1999).

No Brasil existem vários pólos produtivos de cerâmica vermelha, segundo a Associação Brasileira de Cerâmica –ABC (2004) são 11 mil indústrias no país, e esta atividade gera resíduos, que são normalmente descartados ou pouco reaproveitados.

Os resíduos exclusivamente cerâmicos, ou RCD com porcentagem em massa maior do que 90% de fase cerâmica são pouco estudados ou mencionados com restrição de uso na literatura consultada.

A abrangência deste estudo está relacionada aos pólos industriais das regiões de Ituiutaba e Monte Carmelo, em Minas Gerais, onde foram levantados os dados relacionados com a produção de telhas de cerâmica vermelha e a conseqüente geração dos resíduos. Somente na cidade de Monte Carmelo, as quantidades geradas permitiriam executar 32 km de camada de base de pavimento por ano, misturando-se 40% de solo laterítico. O diagnóstico realizado mostrou a significativa quantidade de resíduos, os impactos ambientais da atividade e, preliminarmente, a potencialidade para a reciclagem. Dias; John; Cincotto (2001), Dias e John (2001), a partir deste diagnóstico, concluíram que a reciclagem traria inúmeros benefícios à região como, eliminação das deposições clandestinas, dos focos de problemas ambientais, das despesas com o descarte, da necessidade de gestão pública, mudança cultural com valorização das atividades sustentáveis, benefícios sociais diversos com possibilidade de emprego dos resíduos em infra-estrutura municipal, e até fonte de recursos para as indústrias.

Aproximadamente 10 t destes resíduos foram britadas obtendo-se o agregado reciclado de telha (neste trabalho foram denominados ART). Estes agregados foram

3

caracterizados mediante os ensaios físicos e mecânicos, e submetidos aos ensaios empregados na pavimentação, como a metodologia tradicional, metodologia MCT, método da pastilha, resistência ao cisalhamento, e outros ensaios denominados índices de qualidade, ensaio de módulo resiliente e deformação permanente.

Apesar deste material atender aos principais requisitos da metodologia tradicional, ele apresenta dificuldade de definição da curva de compactação, identificou-se que ele quebra com a aplicação de energia de compactação e de tensões nos ensaios (Dias et al., 2001), e apresenta alta resiliência -grandes deformações resilientes-, o que levaria à perda da capacidade de suporte da estrutura do pavimento, por fadiga.

Desenvolveu-se uma metodologia (Dias; Agopyan, 2004) para a determinação da absorção no estado saturado superfície seca, de agregados porosos, com fração fina inclusive, pois os métodos conhecidos não são aplicáveis; o aprimoramento desta metodologia, em conjunto com os pesquisadores parceiros do PCC-USP, pode levá-la a se constituir uma norma de ensaio.

Estudou-se um método inédito para a otimização do volume compactado da mistura de agregado com solo, baseado na porosidade do material granular, como uma alternativa ao método da estabilização granulométrica que se mostrou inadequado, no caso (Dias et al., 2004).

As misturas produzidas com solos lateríticos foram avaliadas após a compactação para verificação da quebra dos grãos do agregado, índice de suporte Califórnia, expansibilidade, módulo de resiliência e deformação permanente.

2. RESULTADOS EXPERIMENTAIS E ANÁLISE Os resíduos foram coletados em indústrias da cidade de Monte Carmelo, Minas Gerais, totalizando aproximadamente 10 toneladas de cacos de telhas. A britagem em escala industrial foi feita em duas etapas: a primeira produziu o agregado reciclado de telha, denominado neste trabalho de ART-1, e a segunda o ART-2; este último foi subdividido em duas frações distintas no laboratório que foram denominados ART-2i e ART-2c, conforme discriminação na tabela seguinte.

Tabela 1. Tipo de ART obtido e ensaiado Agregado: Descrição do agregado reciclado de telha ART-1 Agregado constituído de grãos passantes na peneira de malha 12,5mm até

pó; foi também cortado na #4,8mm, gerando ART-1 miúdo e graúdo. ART-2i Agregado constituído de grãos passantes na peneira de malha 12,5mm até

pó (denominado integral) ART-2c Agregado preparado no laboratório, por corte do ART-2i na peneira de

malha 0,60mm, constituído pela fração #12,5mm / #0,60mm.

2.2. Principais características do agregado reciclado de telha (ART) Apresenta-se aqui um resumo das principais características estudadas relacionadas ao ART, e também algumas especificações e dados de outros materiais, encontrados na literatura consultada, como parâmetro comparativo.

2.2.1. Distribuição granulométrica

O resumo dos resultados, dos ensaios de determinação da distribuição granulométrica, está apresentado na figura 1 e na tabela 2, que traz também duas das faixas (C e D) especificadas para materiais para uso em camadas de pavimentos.

4

Distribuição Granulométrica do ART-1, ART-2i e ART-2c

0102030405060708090

100

0,001 0,01 0,1 1 10 100

diâmetro (mm)

% q

ue p

assa ART-1

ART-2 i

ART-2c

41016200 100 60 40 30nº. das peneiras:

Figura 1 Distribuição granulométrica dos agregados estudados

Tabela 2. Faixas granulométricas das faixas “C e D” e do ART Faixa granulométrica (% em massa passando)

Peneira (mm)

NBR 11804Fev/1991 Faixa C

DNER ES 303/97

Faixa C

NBR 11804Fev/1991 Faixa D

DNER ES 303/97Faixa D

ART-1 / ART-2i

25,4 100 100 100 100 100 / 100 9,5 50 - 85 50 - 85 60 - 100 60 - 100 98 / 100 4,8 36 - 65 35 - 65 50 - 85 50 - 85 56 / 83,5 2,0 25 - 50 25 - 50 40 - 70 40 - 70 29,4 / 63,6

0,42 15 - 30 15 - 30 25 - 45 25 - 45 21 / 34,1 0,075 5 - 20 5 - 15 5 - 20 10 - 25 13,9 / 11,0

2.2.2. Outras características Tabela 3. Resumo dos resultados obtidos para o ART

M.Unitária(g/cm3) p do ART (%) ρ (g/cm3) ρ aparente do grão (g/cm3)

1 2i 2c 1 2i 2c

2,742 1,81 1,06 1,242 1,147 41,4 31 36,6pgrão (%) Índice de forma IDfervura (%) L.Angeles(%)

32,5 3,2 – 3,4 #10 = 4,3%; #40 = 3,3% 42% IDP R. Esmagamento Absorção (%) Treton (%) 14,4 63 % 17 42

Onde: ρ representa a massa específica dos sólidos dos grãos; ρ aparente do grão é a massa específica do grão considerando os vazios internos; p do ART é a porosidade do agregado, determinada em função da sua massa unitária e massa específica aparente (Feda, 1982); pgrão é a porosidade aparente do grão; IDfervura é desgaste após o ensaio de fervura (Brasil, 1998); IDP é o índice de desgaste após o Proctor (Brasil, 1998); Treton é a perda ao choque no aparelho Treton –ensaio realizado no IPT-SP pelo método IPT – M 52 (ABNT-MB964), L.Angeles ensaio conforme a NBR6465 (ABNT,1984) e DNER-ME-222(DNER,1994); R.Esmagamento ensaio conforme a NBR 9938 (ABNT, 1987); Absorção procedimento de ensaio Dias; Agopyan (2004).

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A título de comparação apresentam-se na tabela 4 os limites sugeridos por Brasil (1998) para agregados de rochas naturais para emprego em pavimentos.

Na tabela 5 apresentam-se os dados de algumas rochas naturais estudadas pelo mesmo autor em pesquisa realizada para o DNER.

Observa-se que o ART se equivale em algumas características às rochas naturais exemplificadas. Difere bastante com relação ao desempenho no ensaio de índice de degradação após o Proctor, não atendendo o limite sugerido por Brasil (1998). Esta deficiência pode ser fruto do índice de forma elevado.

O ART difere também bastante, destas rochas naturais, quanto à massa específica aparente dos grãos, que é bem mais baixa, e absorção de água que é bem mais elevada.

Tabela 4. Valores Limites segundo Brasil (1998) Método de ensaio Valor Limite Tentativa

DNER-ME 35/94 – agregado determinação da abrasão Los Angeles LA ≤ 65%

DNER-ME – Agregado – perda ao choque Treton T ≤ 60%

DNER-ME 096/94 – Agregado avaliação da resistência mecânica 10% finos 10% Finos ≥ 60 kN

DNER-ME – Agregado – Índice de degradação após o Proctor IDP ≤ 6

DNER-ME – Agregado – desgaste após fervura Peneira nº 10 ≤ 5

Peneira nº 40 ≤ 10

DNER-ME 197 – Agregado – determinação da resistência ao esmagamento E ≥ 60%

Tabela 5. Resultados de agregados naturais-amplitude de valores, Brasil (1998)

L.A. (%) Treton (%) IDp (nº) 10%F

(kN) E (%) IDfervura (#10)

Gnaisses 56 a 74 47 a 70 4,2-6,9 63-112 62 a 70 4,3-9,2 Basaltos 10 a 36,2 11 a 42,3 1,2-1,9 162-402 81 a 90 1,2-6,9 Granitos 36 a 59 41 a 50 3,9-4,6 91-169 69 a 74 1,3-28,5

2.3. Compactação, Índice de Suporte Califórnia, e expansão do ART Apresenta-se na tabela 6 o resumo dos resultados dos ensaios que foram executados no cilindro grande de Proctor, utilizando a energia Normal, Intermediária e Modificada.

Tabela 6. Resumo da compactação e CBR do ART Energia Normal E. Intermediária E. Modificada

M.E.A.S. (g/cm3)

H ótima (%)

M.E.A.S. (g/cm3)

H ótima (%)

M.E.A.S. (g/cm3)

H ótima (%)

1,53 21,9 1,56 19,0 1,65 17,5 ART-1 CBRHmold. = 21,9% CBRHmold. = 62% CBRHmold. = 104% 1,61 21,0

ART-2i (integral) CBRHmold. = 71%; CBRimerso = 41%; CBRimerso/CBRHmold. = 58%

1,46 22,0 ART-2c (cortado na # 0,6 mm) CBRHmold. = 42%; CBRimerso = 30%

CBRimerso/CBRHmold. = 71% Nota: o maior valor da expansão no cilindro CBR em todos os ensaios foi de 0,14%.

6

Verifica-se que o ART apresenta resistência, medida pelo índice de suporte Califórnia, compatível com as utilizações em camadas de base e sub-base de pavimentos, no entanto, ele apresenta grande variabilidade dos resultados, constatada nas curvas de compactação, o que traz insegurança quanto ao seu desempenho. Esta variabilidade deve estar relacionada com a quebra dos grãos, detectada nas distribuições granulométricas determinadas antes e após a compactação em várias situações. Com relação à expansão o material apresenta valores baixos que atendem as especificações de emprego em pavimentos.

Ilustram-se na figura seguinte duas determinações da distribuição granulométrica antes e após o ensaio de compactação.

Distr. Granul. ART-2iAntes e Após a compactação

0102030405060708090

100

0,01 0,1 1 10diâmetro (mm)

pass

ante

(%) ART-2i ANTES

ART-2i APÓS

Distr. Granul. ART-2cAntes e Após a compactação

0102030405060708090

100

0,01 0,1 1 10diâmetro (mm)

pass

ante

(%) ART-2c ANTES

ART-2c APÓS

Figura 2 Gráfico de distribuição granulométrica antes e após a compactação no Proctor

A confirmação de que o ART apresenta quebra dos grãos com a compactação se constituiu em grande preocupação para seu emprego em camadas de pavimento onde vai ser solicitado permanentemente pela ação das cargas do tráfego.

2.4. Avaliação do ART pela metodologia MCT (Miniatura Compactado Tropical)

O procedimento MCV (moisture condition value), associado à metodologia MCT (Nogami; Villibor, 1995), foi importante para verificar o comportamento do ART mediante a aplicação de energia crescente de compactação. Neste procedimento observou-se que o ART aceitava a compactação à medida que os golpes eram aplicados. Este comportamento caracteriza uma densificação (diminuição da altura do corpo de prova compactado) crescente, podendo-se então vislumbrar que, nas energias normalmente empregadas no campo o material não estaria estável, ou seja, aceitaria continuamente a compactação.

Compactação do ART-1 (Midi-MCV)

8,009,00

10,0011,0012,0013,0014,0015,0016,0017,0018,00

1 10 100 1000N. de golpes

altu

ra d

o cp

(mm

)

compactação na umidade ótima

Compactação do ART-1 (Midi-MCV)

1,01,11,21,31,41,51,61,71,8

1 10 100 1000N. de golpes

MEA

S (g

/cm

3)

compactação na umidade ótima

Figura 3 Ilustração da densificação do ART com a compactação no MCV

2.5. Módulo de resiliência do ART Uma das dependências do desempenho dos pavimentos está associada à magnitude das deflexões superficiais, que são devidas a deformações do subleito e das camadas acima. O conhecimento do Módulo de Resiliência (MR) é fundamental para as análises que

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envolvam as tensões e deformações na estrutura do pavimento e no subleito, quando submetidos à ação do tráfego, e condiciona a vida de serviço do pavimento (Bernucci, 1995; Medina, 1997).

Os ensaios de Módulo de Resiliência do ART foram realizados no Laboratório de Tecnologia de Pavimentação do PTR-USP, em corpos de prova compactados na umidade ótima, na energia intermediária do Proctor, de acordo com o DNER-ME 131/94 – Solos-determinação do módulo de resiliência – Norma rodoviária.

Neste ensaio o corpo de prova com dimensões de Φ10×20 cm, é condicionado preliminarmente com a aplicação de pares de tensões (confinante e desvio) pré-determinadas, até completar 200 ciclos.

Os resultados do MR do ART foram considerados baixos para utilização em camadas de base, comparativamente com as referências de Bernucci (1995), o que poderia provocar um alto nível de deformações resilientes, com conseqüências negativas para a camada de revestimento, como o trincamento e encurtamento da vida de serviço.

O gráfico da figura seguinte ilustra o comportamento resiliente do ART-1.

MÓDULO DE RESILIÊNCIAART-1 (h de moldagem)

y = 1110,5x0,5877

R2 = 0,9724p/ Sigma d = 0,7

y = 992,28x0,4493

R2 = 0,9155p/ Sigma d = 1,0y = 1053,1x0,4097

R2 = 0,9425p/ Sigma d = 2,0

100

1000

10000

0,1 1 10Tensão de Confinamento (kgf/cm2)

MR

- (k

gf/c

m2)

σ d = 0,7 (kgf/cm2)σ d = 1,0 (kgf/cm2)σ d = 1,5 (kgf/cm2)σ d = 2,0 (kgf/cm2)

Figura 4. Resultados do ensaio de MR do ART-1

Em virtude dos resultados obtidos para o ART, a sua utilização em pavimento constituiria um risco. Então, a mistura com solo laterítico foi a alternativa escolhida para evitar a quebra dos grãos e melhorar sua resposta resiliente. Esta alternativa de melhorar os fundamentos do ART foi adotada por se constituir em solução que utiliza os recursos disponíveis no local, e a tecnologia construtiva é bem conhecida, e foi baseada na premissa de que com a mistura, os vazios do agregado serão preenchidos com o solo aumentando o número de pontos de contato dos grãos do agregado, com os benefícios decorrentes.

2.6. Estudo de misturas do ART com solo laterítico Para a mistura ficou estabelecido que o solo deve ser classificado pela metodologia MCT como laterítico, pois este tipo de solo apresenta bom comportamento e muitos casos de sucesso de seu emprego em camadas de pavimento são relatados na literatura (Nogami; Villibor, 1995).

8

O estudo da estabilização mecânica do ART com solo laterítico esbarrou em algumas dificuldades, pois os procedimentos tradicionalmente utilizados para se estabelecer misturas de solo-agregado, são baseados nas curvas de distribuição granulométrica (faixas granulométricas, baseadas na expressão de Fuller, 1907), cujo conceito é massivo, o que Dias et al. (2004) constataram que não se aplica a materiais cuja massa específica aparente dos grãos é muito diferente, nestes casos as quantidades de partículas sólidas são diferentes para a mesma quantidade em massa dos materiais (ilustração na figura 5).

0,15

0,25

0,35

0,45

0,55

0,65

0,8 1 1,2 1,4 1,6massa unitária (g/cm3)

poro

sidad

e

M.E. = 1,8M.E.=2,1

M.E.=2,65

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7

massa específica(g/cm3)

vol.

sólid

os/v

ol. a

pare

nte M.U.=1,1

M.U.=1,25M.U.=1,4

Figura 5 Ilustração da variação da porosidade com a massa unitária (a) e do volume de sólidos com massa específica (b)

Outra análise encontrada na literatura que relaciona a estabilidade de uma mistura de solo-agregado à densidade máxima, é dependente da distribuição granulométrica, mas o estabelecimento de uma relação mútua com a resistência é extremamente complexo afirmam Yoder e Wictzaks (1975). No caso do ART, o conceito de máxima densidade também não se aplica pelo mesmo motivo já apresentado.

Diante da inexistência de um método de dosagem de solo-agregado que fosse aplicável ao ART, desenvolveram-se estudos baseados no conceito da porosidade do agregado (Feda, 1982). A porosidade do agregado é dependente da sua massa unitária, que engloba as interferências da distribuição granulométrica e da forma dos grãos, e da massa específica aparente dos grãos.

Os experimentos realizados permitiram estabelecer um método de dosagem volumétrica. Dias et al. (2004) concluíram que o menor volume compactado da mistura de ART com solo laterítico é obtido, na energia fixada, quando se utiliza um valor percentual de solo que se aproxima do valor da porosidade do agregado.

As tabelas seguintes apresentam os dados dos solos utilizados.

Tabela 7 Classificação pelo Método MCT Material Parâmetros do MCT Classificação MCT Solo Argiloso c’ = 2,30; Pi’ = 60%; d’ = 80; e’ = 0,95 LG’ Solo Arenoso c’ = 0,92; Pi’ = 85%; d’ = 44; e’ = 1,09 LA’ / NA’

Tabela 8 Resultados da compactação, CBR e M. Unitária dos solos Solo Hótima(%) CBRHmold. CBRimerso CBRImerso/Hmold. M.E.A.S.* Argiloso 25,8 7% 6,7% 96% 1,51 (g/cm3) Arenoso 10,5 61% 31% 51% 1,99 (g/cm3) * Massa especifica aparente seca compactada. Os dados da tabela se referem a compactação na energia Intermediária do Proctor.

9

Tabela 9 Características dos solos utilizados Ensaios/Classificação* Solo Argiloso Solo Arenoso Limite de Liquidez 42,2 19,6 Limite de Plasticidade 29,5 15,3 Índice de Plasticidade 12,7 4,3 Massa específica dos sólidos (g/cm3) 2,755 2,74 Granulometria

Nº peneira (mm) % que passa

(massa) % que passa

(massa) 4 4,76 100 100

10 2,00 99,86 98,9 16 1,19 99,71 97,96 30 0,59 98,39 96,03 40 0,42 93,37 91,33 60 0,25 81,91 77,41

100 0,149 71,19 48,48 200 0,074 67,35 26,75

Classificação HRB A 7-6 A-2-4

A figura seguinte ilustra o resultado dos experimentos para definição da metodologia de dosagem do ART-1 com solo laterítico.

Compactação de Misturas de ART-1 + Solo Arenoso

y = 3,1763E-05x2 - 3,7093E-03x + 1,0195E+00R2 = 9,2707E-01

0,905

0,910

0,915

0,920

0,925

0,930

0,935

0,940

0,945

30 40 50 60 70 80 90 100

ART-1: % do volume compactado

Vol

. obt

ido

/ Vol

. pro

jeta

do

58,4 %

Figura 6 Modelagem da mistura de ART-1 com solo arenoso

ART-1 + Solo Argiloso

y = 8E-05x2 - 0,0097x + 1,1971R2 = 0,9771

0,880

0,890

0,900

0,910

0,920

0,930

0,940

0,950

0,960

30 40 50 60 70 80 90 100

ART-1: % do volume compactado

Vol

. obt

ido

/ Vol

. pro

jeta

do

60,6 %

Figura 7 Modelagem da mistura de ART-1 com solo arenoso

10

Os resultados obtidos para os três agregados estudados (ART-1, ART-2i, e ART-2c) indicam boa relação da porcentagem de solo utilizada na mistura, com a porosidade do agregado que é uma característica relacionada à massa unitária. No caso das figuras 6 e 7, a porosidade do ART-1 que é de 41,4% praticamente se equivale ao percentual de solo que propiciou o menor volume compactado 39,4% no caso do argiloso, e 41,6% no caso do arenoso.

Embora seja muito complexo estabelecer uma relação mútua da mistura dosada com as características de resistência, o que se obtém é a melhor ocupação do volume compactado, conseqüentemente maior número de pontos de contato dos grãos e os benefícios desta nova configuração do material compactado.

2.7. Avaliação das misturas preparadas pelo procedimento desenvolvido 2.7.1. CBR das misturas

As misturas foram preparadas e compactadas no teor de umidade ótima de cada material, ART, solo argiloso, e solo arenoso, nas proporções estabelecidas na metodologia proposta (Dias et al., 2004).

Como era de se esperar, o resultado do CBR, quando se mistura solo ao agregado foi menor do que aquele obtido em corpos de prova constituídos somente de agregados, pelas razões conhecidas (Yoder, 1975; Santana, 1983; Nogami e Villibor, 1995, Barros, 1995). Não é intenção aqui estabelecer um estudo das variações dos valores do CBR com as alterações na distribuição granulométrica, mas observa-se nos resultados que os valores mais altos foram obtidos quando o ART sofreu escalpo das frações mais finas.

A figura seguinte apresenta o resumo dos resultados obtidos.

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

% de ART

CB

R (%

)

ART-2c #2,0 s/im.

C/#0,6/ARG./im.

C/#0,6/ARE./im.

ART-2i/ARG./im.

ART-2i/ARE./im.

Figura 8 CBR das misturas de ART com solo

Os valores obtidos, longe de se querer estabelecer um critério de aceitação para as misturas, atendem a exigência para sub-base, e alguns até para base de pavimentos. Por outro lado, segundo as referências consultadas (Nogami; Villibor, 1995) o valor do CBR, não deve ser considerado como uma limitação final ao uso do material, em virtude da constatação de que solos lateríticos que não atendem essa exigência se constituem em excelente material para base e sub-base de pavimentos, e também por

11

que a umidade no campo geralmente está abaixo da ótima; deve-se, então, ter em conta que as propriedades resilientes e as deformações permanentes são preponderantes.

2.7.2. Módulo de resiliência das misturas As misturas estabelecidas para o ART-1 e o ART-2c foram as escolhidas para os ensaios. O ART-1 foi escolhido por apresentar a maior porosidade (41,4%) e o mais baixo valor do módulo de resiliência. O ART-2c por que apresentava distribuição granulométrica bem distinta dos outros dois. Essas misturas foram preparadas da mesma forma e submetidas ao ensaio de determinação do Módulo de Resiliência cujos resultados são apresentados nas figuras seguintes. Para facilitar a análise dos resultados, eles foram também agrupados juntamente com os resultados dos agregados individualmente para uma determinada condição de tensão aplicada.

Ensaio de MR (ART-1 + solo arenoso)Ensaio na umidade de moldagem

y = 3361,7x0,6697

R2 = 0,9889 (σ d = 0,7)

y = 3014,9x0,4768

R2 = 0,981(σ d = 2,0)

100

1000

10000

0,1 1 10Tensão de Confinamento (kgf/cm2)

MR

- (k

gf/c

m2)

σ d = 0,7 (kgf/cm2)

σ d = 1,0 (kgf/cm2)

σ d = 1,5 (kgf/cm2)

σ d = 2,0 (kgf/cm2)

Figura 9 Módulo de resiliência da mistura ART-1 + solo arenoso

Ensaio de MR (ART-1 + solo argiloso)Ensaio na umidade de moldagem

y = 4466,2x0,4465

R2 = 0,9938 (σ d = 0,7)

y = 3358,6x0,4116

R2 = 0,971(σ d = 2,0)

100

1000

10000

0,1 1 10Tensão de Confinamento (kgf/cm2)

MR

- (k

gf/c

m2)

σ d = 0,7 (kgf/cm2)

σ d = 1,0 (kgf/cm2)

σ d = 1,5 (kgf/cm2)

σ d = 2,0 (kgf/cm2)

Figura 10 Módulo de resiliência da mistura ART-1 + solo argiloso

Verifica-se um ganho expressivo no valor do MR das misturas comparando-se com os valores do ART sozinho.

Na figura seguinte ilustram-se os resultados do MR dos agregados isoladamente e das misturas destes com os solos lateríticos, estes valores foram obtidos das equações dos ensaios para tensão de confinamento e tensão desvio de 1,0 MPa, a título de referência. Mas a correspondência também ocorre para os outros níveis de tensão.

12

MR x porosidade do ART

992

1731

13041156(20%S.Aren.)

2530

2868

3148

3853

y = -74,005x + 4021,3R2 = 0,9996

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

30323436384042

porosidade (%)

Mod

ulo

de re

siliê

ncia

(k

gf/c

m2)

c/ solo argiloso

c/ solo arenoso

ART-1 ART-2c ART-2i

Figura 11 Valores do MR do ART e misturas x porosidade do ART

Ganho do MR-misturas em % do MR-ART

100%

74%

31%

17%(20%S.Aren.)

217%

288%

100125150175200225250275300325350375400

30323436384042porosidade (%)

Mod

ulo

de re

siliê

ncia

(k

gf/c

m2)

c/ solo argiloso

c/ solo arenoso

ART-1 ART-2c ART-2i

100%

94%

120%

Figura 12 Ganho % do MR das misturas em relação ao MR do ART-1 e do ART-2c

A variação da porosidade destes agregados foi proporcionada, primeiro pela distinta britagem realizada, para o ART-1 foi utilizado o britador cônico, e para o ART-2 o britador primário de mandíbulas (no entanto, o índice de forma pouco mudou, e o formato visual dos agregados se manteve); e segundo, pela variação da faixa de distribuição granulométrica adotada para o ART-2c. Observa-se que a redução da porosidade de 41% (ART-1) para 36,6% (ART-2c) proporcionou um aumento de 31% no valor do MR nas mesmas condições de tensões no ensaio. Já a redução de 41% para 31% (ART-2i) levou a um aumento de 74% no módulo resiliente.

Uma redução da porosidade abaixo de 31% exigiria controles rigorosos na produção e classificação do agregado, o que tornaria o processo muito caro. Além disso, o valor do módulo resiliente obtido neste nível de porosidade ainda pode ser considerado baixo para aplicação em camadas de pavimento. Nunes; Bridges; Dawson (1996) sugerem que um valor acima de 200 MPa deve ser esperado de um material granular convencional de rocha britada sem ligante, valores dessa ordem também sugere Bernucci (1995).

13

Em princípio, então, a redução da porosidade do ART, através de ajustamentos na britagem, não parece ser uma boa medida. Por outro lado, estima-se que com o processamento adicional, sempre serão geradas mais partículas finas, o que de certa forma é indesejável, pois o excesso de finos, sob carregamento, contribui para o deslocamento dos grãos graúdos com diminuição da rigidez, segundo Lekarp; Isacsson; Dawson (2000a; 2000b).

Como foi demonstrado por Dias et al.(2004), a densidade não serve como parâmetro de avaliação para as misturas de ART com solo, então o que se buscou foi aumentar o número de contatos dos grãos. Lekarp; Isacsson; Dawson (2000a; 2000b) relatam que, apesar de se aceitar que o aumento da densidade melhora a resistência e rigidez, após revisão da literatura disponível, afirmam, que há relativa incerteza quanto à resposta resiliente, mas reforçam a importância do aumento do número de pontos de contato.

Por outro lado os valores obtidos com as misturas otimizadas com solos, pelo método aqui apresentado, mostram ganho mais expressivo no valor do MR para o valor mais alto da porosidade do agregado, indicando que a melhoria de desempenho pode ser obtida pela mistura com solo, e esta constatação vem reforçar o método de otimização de misturas, que não leva em consideração a distribuição granulométrica e sim a porosidade do agregado, possibilitando então que o agregado reciclado por qualquer tipo de britagem possa ser melhorado a partir da mistura com solo laterítico.

2.7.3. Deformação permanente das misturas O material das camadas do pavimento submetido às solicitações cíclicas da tensão desvio, experimenta deformação axial, com parcela de natureza plástica ou permanente (εP). O efeito cumulativo das deformações pode levar ao afundamento em trilha de roda.

O mecanismo de deformação permanente tem sido muito estudado em países de clima temperado, mas no Brasil são poucas as publicações sobre o assunto (Guimarães, 2001).

Materiais granulares apresentam um comportamento complexo sob carregamento cíclico, com um gradual acúmulo de deformação permanente a cada aplicação de carga (Lekarp; Dawson, 1998), (Werkmeister; Dawson; Wellner, 2003). Nunes; Bridges; Dawson (1996) sintetizam que para limitar a deformação permanente a densidade do material granular sem ligante deve ser maximizada. Esta opinião é confirmada por Lekarp; Isacsson; Dawson (2000b) particularmente no caso de agregados angulares. No entanto, como já foi tratado aqui, a densidade compactada não serve como parâmetro no caso das misturas de ART com solo. As várias pesquisas citadas por Lekarp e Dawson (1998) mostraram que em baixos níveis de taxa de tensão a εp atinge uma situação tal de equilíbrio, caracterizando um estado em que as deformações plásticas não sofrem acréscimos significativos. Esta observação tem sido correlacionada com a teoria do shakedown, aplicada em estruturas sujeitas a cargas cíclicas repetidas. Esta teoria que foi primeiramente introduzida por Melan (1936), tem sido sugerida para emprego em pavimentos. A teoria sugere que o pavimento é passível de apresentar acúmulo progressivo de deformação permanente ou plástica, se a magnitude das cargas aplicadas excederem um valor limite chamado shakedown (não se encontrou na literatura uma tradução para o termo, que significa um estado de acomodamento da εp com o número de ciclos de carregamento).

A figura 13 ilustra as considerações da teoria do shakedown para testes triaxiais de carga repetida, para uma série de corpos de prova, com incrementos da taxa σ1/σ3. Quando a deformação plástica acumulada de 3000 a 5000 aplicações de carga for igual

14

a 0,045x10-3, a fronteira entre a Faixa A-B é alcançada (é o limite “shakedown”). Quando esta deformação é igual a 0,4x10-3, indica a fronteira entre a Faixa B-C (é o limite de escoamento plástico), segundo Werkmeister; Dawson; Wellner (2003).

Figura 13 Relação entre taxa de tensões (σ1/σ3) e a tensão máxima axial (σ1) (Werkmeister, 2003)

Werkmeister (2003) afirma que a abordagem do shakedown deve ser usada para caracterizar o comportamento da deformação da camada de material granular em pavimentos. A figura 14 apresenta o comportamento de um material granular, categorizado dentro das três Faixas sugeridas, A, B ou C. Se o material se comporta da forma A, é permitido seu uso no pavimento, desde que as deformações acumuladas até então, sejam suficientemente pequenas, neste caso está em shakedown. No caso B não está em shakedown, e pode apresentar falha em um número muito alto de repetições de carga sendo, então, permitido seu uso para baixo volume de tráfego. O comportamento C indica incremento levando ao colapso ou falha e não deve ser permitido em um pavimento bem projetado.

Figura 14 Variação do comportamento da εp de material granular (Granodiorite) com o nível de tensões e N. (Werkmeister, 2003)

15

O objetivo neste estudo foi caracterizar o comportamento do material pesquisado em três níveis de tensões diferentes conforme a linha de estudos de Werkmeister (2003).

Os materiais estudados foram o ART-1, mistura do ART-1 com solo argiloso, e mistura do ART-1 com solo arenoso. Os níveis de tensões definidos são os apresentados na tabela a seguir.

Tabela 10 Nível de tensões para os ensaios de Deformação PermanenteMaterial ensaiado σ3 (kPa) σd (kPa) σ1 (kPa) σ1/ σ3

Ensaio (1): ART-1 e Mistura 150 500 650 4,33 Ensaio (2): ART-1 e Mistura 100 300 400 4,0 Ensaio (3): ART-1 100 200 300 3,0

Os resultados do ensaio (1) com o ART-1, na figura 15, e com a mistura deste com solo argiloso, mostram que existe, em determinado intervalo de número de ciclos, uma tendência para a mistura em diminuir a taxa de crescimento da deformação permanente, mas com a continuidade do carregamento, para número de ciclos elevados esta taxa volta a crescer e tende a levar o material ao colapso, caracterizando um comportamento do tipo B com tendência para o C. O material nesta situação não está em shakedown, ou seja, não está estável. Em contrapartida, o nível de tensões que foi aplicado é muito alto.

Nestes níveis elevados de tensão tanto o ART-1 quanto a mistura tendem ao colapso com a repetição dos ciclos de carga.

Completando a análise do comportamento do material, os ensaios executados nos outros níveis de tensões estabelecidos, agora mais compatíveis com aqueles que podem ocorrer em uma camada de base de um pavimento de baixo custo, permitem observar que em baixos níveis de tensões o material estabiliza as deformações permanentes. A figura 16 resume os resultados dos ensaios.

Deformação Específica Permanente Acumulada corpo-de-prova 10cm x 20cm

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

10 100 1000 10000 100000Número de Ciclos

ε p (%

)

ART - 1 - 100%

ART - 1 + solo argiloso

σ1 = 650 kPa

σ3 = 150 kPa

σd = 500 kPa

σ1 / σ3 = 433

Figura 15 Deformação permanente x nº de ciclos de carga (ensaio-1)

O ART-1 submetido ao ensaio (1), veja tensões na tabela 10, apresentou deformação permanente baixa, abaixo de 0,2% (ou 0,3 mm em uma camada de 15 cm de espessura) em 10000 ciclos de carregamento. A tendência de estabilização da deformação permanente foi visível já a partir de 100 ciclos. Caso a metodologia de Werkmeister et al.(2003) seja aplicável, o material estaria em shakedown. Porém, neste nível de tensões

16

o material apresentou um MR de 130,6 MPa que, como foi visto anteriormente, é um valor relativamente baixo, que causa grandes deformações resilientes.

DEFORMAÇÃO PERMANENTE Energia Intermediária de Compactação

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

1 10 100 1000 10000 100000

Número de Ciclos

Def

. Per

man

ente

(%)

ART-1 - 100%σ1 = 6,5 kgf/cm2

σ3 = 1,5 kgf/cm2

σd = 5,0 kgf/cm2

MR = 1117 kgf/cm2

ART-1 - 100%σ1 = 4,0 kgf/cm2

σ3 = 1,0 kgf/cm2

σd = 3,0 kgf/cm2

MR = 1215 kgf/cm2ART-1 - 100%σ1 = 3,0 kgf/cm2

σ3 = 1,0 kgf/cm2

σd = 2,0 kfd/cm2

MR = 1306 kgf/cm2

ART-1+SAFL σ1 = 4,0 kgf/cm2σ3 = 1,0 kgf/cm2σd = 3,0 kgf/cm2

MR = 2212kgf/cm2

Figura 16 Resultados da deformação permanente

No ensaio (2), veja tensões na tabela 10, tanto o ART-1, quanto a mistura, apresentaram níveis deformação permanente em 10000 ciclos abaixo de 0,5% (ou 0,75 mm para camada de 15 cm). Por volta de 3000 ciclos apresentaram aproximadamente 0,45% e a 5000 ciclos de carga, 0,48% de deformação permanente. Fazendo a analogia com os dados de Werkmeister et al.(2003), a deformação acumulada entre 3 e 5 mil ciclos seria da ordem de 0,4×10-3, caracterizando um comportamento na faixa B (veja Figuras 14 e 16). Nestes níveis de tensão os MR foram: do ART-1 = 121,5 MPa, um valor baixo; e da mistura de ART-1 com solo = 221,2 MPa, valor dentro das expectativas encontradas nas referências consultadas (Bernucci, 1995; Nunes et al, 1996).

A conclusão que se chega é que, o ART e as misturas estabilizam as deformações permanentes em baixos níveis de tensão. Em níveis muito elevados tanto o agregado quanto a mistura tendem ao colapso com a progressão dos ciclos de carregamento.

A mistura de solo indica uma discreta melhora na resposta da deformação permanente, mas melhora muito o MR e isto é muito importante para minimizar as deformações resilientes que podem levar a estrutura do pavimento a apresentar ruptura por fadiga.

3. CONCLUSÕES Com os dados apresentados no diagnóstico da produção de telhas ficou evidenciada a importância da reciclagem para a sustentabilidade do setor produtivo de cerâmica vermelha, permitindo visualizar ganhos ambientais importantes, ganhos sociais e até econômicos para a região (Dias; John; Cincotto, 2001). Somente na região de Monte Carmelo projeta-se a possibilidade de execução de 32 km de base de pavimentos por ano, empregando este material em mistura com solo laterítico, isto sem contar com os estoques existentes.

Este trabalho mostrou as particularidades do agregado reciclado de telha de cerâmica vermelha, evidenciando suas diferenças com relação aos materiais naturais empregados

17

em camadas de pavimentação. O agregado reciclado de telha-ART apresenta comparativamente, absorção muito elevada e massa específica aparente dos grãos mais baixa (absorção de 17% e massa específica 1,81 g/cm3, valores médios).

A avaliação do ART, somente pelos ensaios da metodologia tradicional empregada aos materiais para pavimentação, poderia constituir um risco devido à quebra que as partículas apresentaram mediante os esforços de compactação. Mas por outro lado, a variabilidade dos resultados nos ensaios de compactação deu indícios de tratar-se de um comportamento complexo (Dias et al., 2001).

Dentre os ensaios ditos índices de qualidade, dois mostraram ser altamente importantes para a avaliação de agregados originados de cerâmica vermelha. O ensaio de desgaste após fervura por identificar se o material foi calcinado o suficiente para ser desidroxilado (dehidratado), o que lhe confere estabilidade química não re-hidratando frente às condições atmosféricas (Moore, 1969). E o ensaio de determinação do índice de degradação após o Proctor (Brasil, 1998), que indica a suscetibilidade à quebra ao ser compactado. Estes dois ensaios devem ser utilizados para a avaliação de agregados de mesma natureza do ART.

Os ensaios da metodologia MCT (Nogami; Villibor, 1995), com o procedimento associado Midi-MCV foi muito importante para conhecer o comportamento do ART sob a aplicação de energias crescentes de compactação, e o comportamento dos finos (< # 0,42mm); No MCV constatou-se que o material aceitava indefinidamente a compactação, densificando à medida que recebia os golpes. Confirmou-se também a variabilidade dos resultados da compactação e a quebra dos grãos do agregado. A confirmação da quebra dos grãos veio de encontro ao histórico de pouca durabilidade dos serviços de recuperação de estradas, com cacos de telhas compactados, na região de Monte Carmelo, observando que ocorria quebra até se transformar em pó.

Analisando o conjunto dos resultados de caracterização intrínseca do material ART, pôde-se concluir que a quebra dos grãos ocorreu não por deficiência do material em si, mas sim por fatores ligados à distribuição granulométrica e ao formato dos grãos, que formando um esqueleto característico proporcionou a superação da resistência e conseqüentemente a quebra. Estas duas características foram, aqui neste trabalho, tratadas em conjunto através da porosidade do agregado.

Os ensaios de determinação do módulo de resiliência do ART-1 mostraram que a sua resposta resiliente não é boa, apresentando grandes deformações ou baixo valor do MR ( para σd = 0,2 MPa e σ3 = 0,1 MPa, o MR foi de 105,3 MPa), o que levaria a estrutura do pavimento a perder desempenho rapidamente por fadiga. A opção adotada para melhorar o desempenho do ART foi sua mistura com solo. Definiu-se como condição que o solo fosse classificado pela metodologia MCT como laterítico, cujo histórico de sucesso em camadas de pavimentos é conhecido (Nogami; Villibor, 1995).

No entanto, as metodologias conhecidas para estabelecer misturas de solo-agregado mostraram-se inadequadas para o caso, pois elas são baseadas em conceitos massivos que não são aplicáveis neste caso, conforme demonstrado por Dias et al. (2004).

A idéia que prosperou foi a de se estudar uma metodologia de otimização dos volumes dos materiais para a mistura, visando obter melhor ocupação do volume compactado, com conseqüente melhor distribuição das tensões nos grãos do agregado.

Para realizar as investigações baseadas na porosidade do agregado, necessitou-se conhecer a massa específica aparente do grão do ART, que é poroso. Para isso

18

desenvolveu-se uma metodologia apropriada para a determinação da absorção de agregados porosos (Dias; Agopyan, 2004).

O procedimento proposto para estabelecer as misturas, baseado na porosidade, mostrou haver boa correspondência e pode ser um método facilitador da dosagem de solo-agregado, visando obter o menor volume compactado (Dias et al., 2004). Esta metodologia pode ser aprimorada para torná-la um método alternativo de dosagem de solo-agregado aplicável à pavimentação.

A mistura de solo ao agregado, como era de ser esperar, apresentou uma queda nos valores do CBR (por exemplo, para a mistura de ART-2i com solo, compactada na energia intermediária e ensaio imerso, o CBR foi de 30%, ou seja, 27% mais baixo do que do ART-2i), mas ainda assim, os valores obtidos são compatíveis com o emprego em camadas de pavimentos de baixo custo. Mas o grande benefício foi a melhor reprodutibilidade dos resultados, em função de que o ART não se quebra a ponto de variar seu comportamento na compactação.

Por outro lado, as misturas com solos mostraram ganhos expressivos no valor do módulo de resiliência, que era um grande limitador para o emprego do ART (por exemplo: MR do ART-1 = 99,2 MPa; MR da mistura com solo argiloso = 385,3 MPa, nos mesmos níveis de tensões, representando um aumento de 288%). Este nível de resposta resiliente potencializa o seu uso em camadas mais nobres do pavimento.

Quanto à deformação permanente, obteve-se ganho de desempenho mais discreto com as misturas. Ficou evidente que o comportamento é dependente do nível das tensões aplicadas e que as deformações permanentes estabilizam em tensões moderadas.

Com o estudo realizado viabilizou-se uma metodologia aplicável ao ART, possibilitando seu emprego em camadas de pavimentos de baixo custo, no entanto experiências de campo são imprescindíveis, em virtude de que os estudos de laboratório nem sempre conseguem reproduzi-las.

A transferência desta metodologia para os segmentos interessados poderá permitir o emprego de misturas de solos lateríticos com agregados reciclados, com benefícios de diversas ordens, ambiental, social, tecnológico e mercadológico, pois permitirá o aproveitamento de materiais locais, como os resíduos das indústrias de cerâmica vermelha e os solos lateríticos.

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