Efeito da adição de cinza de forno de olaria a solo argiloso em estradas não pavimentadasResumo
Estradas vicinais são muito utilizadas para o escoamento da safra da área da colheita até os centros de distribuição na cidade de Guarapuava-PR, referência nacional no setor agrícola. Esta pesquisa avaliou o efeito da adição de cinzas de fornos de olarias (CFO) ao solo laterítico de uma estrada não pavimentada. Foram produzidas misturas de solo e CFO de três diferentes granulometrias, nos teores de substituição de 25%, 50% e 75%, de cinza em relação à massa total da mistura, caracterizadas quanto à:granulometria, limite de liquidez (LL), limite de plasticidade (LP) e ponto ótimo da curva de compactação sob energia modificada (umidade ótima (wot) e peso específico aparente seco máximo (ρdmáx)). Os resultados obtidos mostraram que a adição da CFO foi responsável por aumentos nos parâmetros LL, LP, wot, ISC, bem como pela redução do ρdmáx e da expansão da maioria das misturas, principalmente para a granulometria C1, no teor de 25%. Cinzas mais finas destacaram-se nos resultados de ISC e expansão. Substituições de 75% de CFO prejudicaram as propriedades geotécnicas, mas a estabilização granulométrica com CFO revelou-se viável, especialmente em misturas solo-C2 para utilização como sub-base, atendendo aos parâmetros recomendados de LL e LP, proporcionando mitigação de resíduos e uma alternativa para melhoramento de solos para pavimentação.
Palavras-chave:
Estabilização do solo; Pavimentação; Resíduo da indústria de cerâmica vermelha; Cinza de fornos
Abstract
Rural roads serve as pivotal conduits for the transportation of harvested crops to distribution hubs in Guarapuava-PR, a national agricultural focal point. This study evaluated the impact of incorporating brick kilns ashes(BKA) into the lateritic soil of an unpaved roadway. Mixtures of soil and BKA with three distinct granulometries were formulated, featuring substitution rates of 25%, 50%, and 75% ash relative to the total mixture mass,characterized in terms of: particle size distribution, liquid limit (LL), plastic limit (PL), and the optimum point on the compaction curve under modified energy conditions (optimal moisture content and maximum dry bulk density). Results revealed that BKA inclusion led to increases in LL, PL, OMC, CBR, alongside a reduction of MDD and expansion for the majority of mixtures, particularly within granulometry C1 at a 25% content. Finer ashes exhibited prominence in ISC and expansion outcomes. Substitutions of 75% BKA detrimentally affected geotechnical properties; however, granulometric stabilization with BKA proved feasible, particularly in soil-C2 mixtures designated for use as a sub-base. These mixtures met recommended LL and PL parameters, providing effective waste mitigation and presenting an alternative for soil improvement in pavement applications.
Keywords:
Soil Stabilization; Pavement; Red ceramic industry residue; Furnace ash
Introdução
De acordo com a Confederação Nacional do Transporte (CNT, 2023) a utilização de rodovias responde por 61,1% do transporte de cargas e 92,2% do transporte de passageiros. Apesar da imensa extensão de malha rodoviária, apenas 12,4% dessas vias são pavimentadas, existindo 1.349.938 km de vias não pavimentadas. Nestes casos, o tráfego de veículos ocorre muitas vezes em superfícies de rolamento precárias, tornando-se necessário encontrar formas sustentáveis para a execução e a manutenção das estradas.
Para que um solo possa ser utilizado nas camadas de base e sub-base dos pavimentos é necessário que este atenda às especificações normativas mínimas, como, por exemplo, boa resistência mecânica e capacidade de suporte, além de baixa expansão. Devido às limitações impostas pelos órgãos de regulamentação ambiental, que reduzem consideravelmente as opções como a extração de solos adequados em novas jazidas, há uma carência de material natural adequado para uso em obras de pavimentação e, portanto, uma alternativa viável técnica e economicamente é buscar meios de utilização de materiais alternativos, visando à redução dos custos de execução, operação e de manutenção ao longo da vida útil do pavimento (Balbo, 2007; Pinto, 2006).
No Brasil, os predominantes solos lateríticos não se enquadram nas especificações tradicionais de materiais para pavimentação rodoviária, devido às suas características. Neste caso, a técnica de estabilização de solos se apresenta como uma alternativa empregada para a melhoria de algumas destas propriedades, visto que o solo pode passar a adquirir maior capacidade de suporte aos carregamentos induzidos pelo tráfego aplicado sobre o pavimento e resistência aos desgastes que ocorrem naturalmente nas condições mais adversas (Machado et al., 2017; Vasconcelos et al., 2019).
Nas últimas décadas, a utilização da biomassa vegetal tem apresentado grande potencial de reaproveitamento nas áreas de construções civil e rural, com uso na pavimentação, tanto em estruturas rígidas como flexíveis (Milani, 2005). As cinzas volantes, por exemplo, têm sido amplamente utilizadas para a estabilização de solos, pois possuem características de cimentação e são capazes de desenvolver reações pozolânicas, devido a sua composição química (Rohde et al., 2006; Karami et al., 2021; Bin-Shafique et al.., 2004). Ogunribido (2012), ao incorporar cinza a solos lateríticos obteve a melhoria de suas características geotécnicas. Dalla Rosa (2009), em seus estudos, optou por estabilizar solos com cinza volante e cal, obtendo um aumento linear das resistências à compressão simples. Mishra (2012) obteve ganhos de resistência do solo ao utilizar cinza volante misturada com cal hidratada para estabilização de solos, permitindo o seu uso em sub-bases de pavimentos flexíveis. Lima et al.. (2022) confirmou a viabilidade técnica e ambiental do uso do solo com mistura de cinza de bagaço de cana de açúcar e cal para camada de base de pavimento flexível. Wiranata et al.. (2022) verificaram o comportamento mecânico de material estabilizado 100% com cimento e cinzas de carvão como camada de base de pavimento flexível e concluíram que se tratava de uma solução viável, que pode ajudar a desenvolver superestrutura de transporte com maior durabilidade e menor emissão de carbono.
Outro tipo de material que pode ser utilizado para promover melhorias físicas e mecânicas aos solos são as cinzas oriundas dos fornos de olarias, advindos do processo produtivo da cerâmica vermelha, os quais normalmente são abastecidos por madeira, cavaco, serragem, ou ainda pelos próprios resíduos cerâmicos descartados (Silva et al.., 2020). A grande quantidade de cinzas geradas diariamente em indústrias desta natureza, muitas vezes são descartadas no meio ambiente de forma irregular, devido ao seu grande volume e alto custo de transporte (Silva et al., 2020). Além disso, como a argila é a principal matéria prima utilizada e trata-se de um material classificado como recurso finito, é exigido das empresas responsabilidade com o meio ambiente, por meio do atendimento de legislações específicas, que, no entanto, por vezes é negligenciado (Helmann; Bortolotti, 2022).
O município de Prudentópolis, região de estudo, se destaca como polo oleiro no Centro-Sul do país. De acordo com o Instituto Paranaense de Desenvolvimento Social (IPARDES, 2023), a indústria de transformação de produtos minerais não metálicos do município possui 186 estabelecimentos, com uma geração de 1.738 empregos. Os dados do Relatório Síntese do Balanço Energético Nacional (MME, 2023), indicam que a lenha é uma fonte de energia que vem decrescendo em participação no país ao longo das décadas, porém o relatório de ano base 2021 apontou que o consumo de lenha no Brasil apresentou um crescimento em relação a 2020, na taxa de 3,2%.
Diante do exposto, este trabalho tem como finalidade proporcionar melhorias nas propriedades geotécnicas de solos que compõem a estrutura de estradas não pavimentadas no município de Guarapuava-PR, aliado à busca pela utilização e destinação adequada da grande quantidade de resíduos oriundos de fornos de olarias.
Materiais e métodos
Materiais
Empregou-se um solo caracterizado como solo laterítico, de textura muito argilosa, classificado como Latossolo Bruno Distrófico (Michalowicz, 2012). Utilizou-se cinza oriunda da queima de serragem misturada com resíduos de blocos cerâmicos de argila vermelha, em temperatura não controlada, dos fornos da olaria Cerâmica Rolim LTDA ME, localizada no município de Prudentópolis-PR, no estado do Paraná, Brasil. Em todo o experimento, trabalhou-se com água potável fornecida pela rede pública de abastecimento da cidade de Guarapuava, estado do Paraná, Brasil.
Métodos
Esta pesquisa foi subdividida em três etapas:
-
coleta, preparo e caracterização da amostra de cinza de forno de olaria (CFO);
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coleta, classificação e caracterização da amostra de solo; e
-
preparo e caracterização das misturas solo-CFO.
Procedimentos aplicados à Cinza de Forno de Olaria (CFO)
As cinzas (Figura 1a) coletadas nos fornos da olaria (Figura 1b), foram secadas até atingir o teor de água higroscópico, em seguida submetidas ao peneiramento, de acordo com as recomendações da NBR NM 248 (ABNT, 2003) (Figura 1c). Foram caracterizadas fisicamente quanto à massa específica (DNER, 1998) e quimicamente, quanto ao índice de atividade pozolânica (ABNT, 2015b) e pelo ensaio de fluorescência de raios-X. Na sequência, foram separadas em três diferentes categorias, de acordo com a sua granulometria (C1 - passantes na peneira 150 µm, C2 - retidas na peneira 150 µm e C3 retidas na peneira de 300 µm). Após o peneiramento, as cinzas foram armazenadas em bombonas plásticas, protegidas do contato com outros materiais.
Procedimentos aplicados ao solo
O solo (Figura 2a) foi coletado em estrada não pavimentada do município de Guarapuava-PR, região Centro-Sul do estado do Paraná, Brasil. O material foi secado até atingir teor de água higroscópico, em seguida foi armazenado em recipiente apropriado. A caracterização geotécnica do solo foi realizada através da execução dos seguintes ensaios: determinação da massa específica (ABNT, 2016a); análise granulométrica (DNER, 1994); determinação do limite de liquidez (ABNT, 2016b) (Figura 2b), do limite de plasticidade ABNT, 2016c) (Figura 2c) e de compactação na energia do Proctor intermediário (ABNT, 2020).
Procedimentos aplicados às Misturas Solo-CFO
As misturas de solo-CFO foram produzidas com a adição de CO nos teores de 25%, 50% e 75%, em função da massa total da mistura, para cada uma das três classes granulométricas, totalizando nove diferentes composições de misturas solo-CFO, conforme apresentado na Tabela 1.
A caracterização geotécnica das misturas de solo-CFO foi realizada por meio da execução dos ensaios de determinação do limite de liquidez (ABNT, 2016b), limite de plasticidade (ABNT, 2016c) e ensaio de compactação (ABNT, 2020). Foram moldados cinco corpos de provas para o ensaio de compactação, a fim de traçar a curva de compactação e determinar a massa específica aparente seca máxima e teor de umidade ótimo do solo. Na condição ótima, foram moldados cinco corpos de prova das misturas solo-CFO, para cada teor de substituição, através de processo de mistura mecânico realizado em betoneira de eixo inclinado, obedecendo a seguinte sequência: adição da CFO ao solo, homogeneização dos materiais secos, adição da água, homogeneização da mistura, moldagem dos corpos de prova. A cura foi realizada em câmara úmida durante 7 dias, quando os corpos de prova foram submetidos ao ensaio Índice de Suporte Califórnia (ISC) ou California BearingRatio (CBR), conforme prescrições da NBR 9895 (ABNT, 2016d). A Figura 3 apresenta alguns dos procedimentos descritos.
Resultados e discussão
Caracterização da Cinza
A massa específica da CFO foi determinada em 1,81 g/cm³. As partículas fibrosas presentes na cinza, oriundas da queima incompleta do eucalipto e dos resíduos pode justificar o baixo valor (Bahurudeen; Santhanam, 2015). A Tabela 2 apresenta o resultado do ensaio de fluorescência de raios-X (FRX) da amostra da CFO.
Preparo do solo (a), ensaio de limite de liquidez (b), ensaio de limite de plasticidade (c)
A FRX da CFO apresentou como resultado uma grande quantidade de óxido de cálcio (38,45%), seguido do dióxido de silício (22,37%), corroborando com outros autores (Borlini et al., 2005; Silva et al., 2020). As cascas de eucalipto são riquíssimas em cálcio, armazenando até 55% de todo cálcio da planta (Vaske, 2012). A NBR 12653 (ABNT, 2015a) fixa em 50% o valor mínimo para o somatório do SiO2, Al2O3 e Fe2O3, em um material pozolânico. A amostra de CFO apresentou o somatório de 25,48%, para estes elementos. A CFO também não atendeu ao requisito mínimo de resistência à compressão de 6 MPa na reação com a cal, visto que a média dos valores obtidos pela CFO foi de 1,07 MPa. A reduzida atividade pozolânica da CFO pode ser explicada pela combustão incompleta do eucalipto e dos grãos, resultando em uma grande quantidade de carbono (Sampaio et al., 2014).
Caracterização do Solo
Os resultados para os ensaios de caracterização química do solo estão apresentados na Tabela 3.
Na análise granulométrica do solo puro foram obtidas as seguintes frações: 4% de areia; 5% de silte e 91% de argila. Estes percentuais revelaram que a amostra de solo utilizado na pesquisa possui frações de finos predominantes, somando 96% de material que passa na peneira de número 200 (abertura de 0,075 mm).
Classificação do solo e das misturas Solo-CFO quanto à parâmetros físicos
Na Tabela 4 estão apresentados os valores obtidos para a massa específica real, os limites de Atterberg (LL - limite de liquidez, LP - limite de plasticidade e IP - índice de plasticidade) e o enquadramento do solo e das misturas solo-CFO nos sistemas de classificação TRB (Transportation Research Board) e SUCS - Sistema Unificado de Classificação de Solos.
Os resultados mostraram que a massa específica real das misturas solo-CFO sofreu reduções em comparação com o solo puro. Essa diminuição já era esperada, uma vez que a massa específica da cinza é menor do que a do solo. Para uma mesma granulometria da cinza, notou-se uma redução gradativa, conforme o aumento do teor de substituição de 25%, para 50% e 75%.
Os resultados de limite de liquidez (50%) e plasticidade (44%) obtidos para o solo mostraram-se relativamente altos, possivelmente devido ao fato do solo ser considerado muito argiloso, composto por 91% de argila, conforme especificado por Michalowicz (2012). A presença da argila no solo faz com que seja necessária uma elevada quantidade de água para que ele perca a coesão das partículas e passe para a forma plástica, além disso a argila necessita de muita água para se manter plástica. Para as misturas solo-CFO, observou-se um aumento do limite de liquidez quando utilizada a granulometria C1, em comparação com o solo puro, para os teores de substituição de 25% e 50%. Para o teor de 75%, esse aumento foi tão grande que inviabilizou a determinação de uma quantidade de água ideal para que houvesse a coesão entre as partículas da mistura, assim como não foi possível se fazer um comparativo pelo fato de a mesma não mudar do estado líquido para o plástico, sendo a mistura considerada não plástica (NP). O aumento do LL e LP devido à adição das cinzas pode ter ocorrido em decorrência da ação dos finos, consequência do aumento da superfície específica (Alcântara et al., 2017). Para as granulometrias C2 e C3, houve uma redução do LL e LP das misturas solo-CFO, em comparação ao solo puro, o que demonstra que o solo se tornou menos plástico nestas condições. Este fato pode ser decorrente das cinzas possuírem granulometrias mais grossas que a do solo e, deste modo, não promover a compacidade das misturas, como no caso da C1.
De acordo com os parâmetros para utilização do solo como pavimentação, as misturas solo-CFO não poderiam ser utilizadas para compor a base, visto que o LL deve ser ≤ 25 % e IP ≤ 6% (DNIT, 2022). De acordo com o sistema TRB (DNIT, 2006) pode-se enquadrar o solo e as misturas na classe A-5, visto que 96% de material passou na peneira n° 200 (0,075 mm), possuindo LL superior a 41% e IP inferior a 10%. De acordo com o sistema unificado de classificação dos solos - SUCS (DNIT, 2006), os materiais (solo puro e misturas solo-CFO) se enquadram na classe MH e ML, quando observados os valores de LL e IP.
Caracterização geotécnica e comportamento mecânico
Compactação
As curvas obtidas para o ensaio de compactação utilizando energia intermediária estão apresentadas nas Figuras 4, 5 e 6.
Os resultados obtidos mostraram uma redução do ρdmáx para todas as misturas em comparação ao solo puro, sendo que, dentro de uma mesma granulometria, visualizou-se uma redução gradativa com o aumento dos teores de substituição de cinza de 25%, 50% e 75%, provavelmente em decorrência do aumento do material fino incorporado ao solo, visto que as cinzas possuem massa específica inferior à do solo, corroborando com outras pesquisas (Renjith et al., 2021; Mohajerani et al., 2017; Bera; Kundu, 2016; Ingles; Metcalf, 1972). As reduções do peso específico aparente seco para a granulometria de cinza C1 foram em termos de 22,78%, 26,67% e 28,89% para os teores de substituição de cinza de 25%, 50% e 75%, respectivamente; em termos de 25,56%, 28,33% e 32,22% para a granulometria C2, e de aproximadamente 31,11%, 32,22% e 34,44%, para a granulometria C3.
Relacionado ao wot, a adição de CFO ao solo resultou no aumento deste parâmetro para todas as misturas da granulometria C1. Para C2, os aumentos aconteceram nos teores de substituição de 25% e 50%. Este comportamento vai ao encontro do apresentado por solos estabilizados com cinzas volantes (Renjith et al., 2021) e cinzas de casca de arroz (Alcântara et al., 2017), isso porque estas são ávidas por água e possuem capacidade de retenção relativamente elevada. Para C3, no entanto, notou-se uma ligeira redução do wot, em comparação com o solo puro.
Índice de Suporte Califórnia
Os resultados obtidos para o ISC realizados com o solo puro com as misturas solo-CFO estão apresentados no gráfico da Figura 7.
Para a granulometria C1, os teores de substituição de 25% e 50% de CO apresentaram ISC superiores ao solo puro, indicando a mistura C1-25 com a maior capacidade de suporte (65,13%) dentre todas as analisadas. Isso pode ter ocorrido devido a C1 possuir a menor granulometria dentre as cinzas ter promovido o fechamento dos vazios da mistura e consequentemente, promovendo o aumento da sua resistência. Todas as misturas utilizando a granulometria C2 apresentaram ISC superiores ao solo puro, com aumentos na ordem de 10,14%, 4,61% e 0,61%, para os teores de 25%, 50% e 75%, respectivamente. O menor ISC encontrado foi de 41,79%, para a granulometria C3 e teor de substituição de 75%. Para a granulometria C3, o teor de substituição de 25% apresentou ISC superior ao solo puro, no entanto, os teores de substituição de 50% e 75% apresentaram ISC com reduções de aproximadamente 0,29% e 4,57%, respectivamente. Os resultados mostraram que o teor de substituição de 75% de CFO, para as três granulometrias, obtiveram os piores valores de ISC dentre os três estudados. Além disso, foi possível constatar que a maioria das misturas apresentaram resistência à penetração maior que a do solo puro e evidenciaram a possibilidade do uso de CFO para estabilização granulométrica do solo estudado, como alternativa para a melhoria das estradas rurais e redução da frequência de manutenção. Pesquisas apontam em aumento de cerca de 80% do ISC de argilas expansivas de alta plasticidade estabilizadas com cinzas volantes de incineração de resíduos sólidos municipais (Zimar et al., 2022). Os parâmetros para utilização do solo em intervenções em pavimentos flexíveis indicam que, para compor a sub-base, os materiais devem possuir ISC ≥ 20% (DNIT, 2010) e para a base, ISC ≥ 60% para um número de repetições do eixo-padrão N ≤ 5 x 106 e ISC ≥ 80% para um número de repetições do eixo-padrão N > 5 x 106 (DNIT, 2022). Diante disso, todas as misturas solo-CFO poderiam ser utilizadas como sub-base e a mistura C1-25 poderia ser empregada também como base, para um número de repetições do eixo-padrão N ≤ 5 x 106.
Expansão
A Figura 8 mostra os valores de expansão obtidos para as amostras com as quais foram realizados os ensaios de ISC.
Pode-se observar uma redução na expansão de todas as misturas solo-CFO em comparação ao solo puro, sendo que os menores valores foram encontrados para as misturas com teor de substituição de 75%, para as três granulometrias C1, C2 e C3, o que possivelmente está relacionado à característica da cinza de forno de olaria, de ser menos expansiva que o solo. Os menores valores encontrados para a granulometria C1 podem estar relacionados à menor presença de vazios das misturas. Por outro lado, a utilização da cinza de granulometria C3 foi a que promoveu as menores reduções nos valores de expansão, em comparação ao solo puro, na ordem de 20,65%, 32,60% e 76,08%, para os teores de 25%, 50% e 75%, respectivamente. Os parâmetros para utilização do solo como pavimentação indicam que para compor a camada de subleito, o valor de expansão deve ser ≤ 2%; como reforço de subleito deve ser ≤ 1% (DNIT, 2010), para utilização como sub-base, a expansão deve ser ≤ 1% (DNIT, 2010) e para base, ≤ 0,5% (DNIT, 2022). Sendo assim, verifica-se que, dentre as misturas solo-CFO estudadas, todas referentes à granulometria da cinza C1 (C1-25, C1-50 e C1-75) e C2 (C2-25, C2-50 e C2-75), assim como a C3-75, enquadraram-se nos usos como reforço de subleito, sub-base e base, enquanto que as misturas C3-25 e C3-50, não poderiam ser utilizadas como base.
Conclusões
Esta pesquisa teve como intuito avaliar a incorporação de cinzas oriundas de fornos de olarias de diferentes granulometrias a fim de promover melhorias no solo de estradas não pavimentadas. Com base nos resultados, concluiu-se que o aumento progressivo de CFO resultou em elevações nos limites de liquidez e plasticidade, aumento na umidade ótima e redução da densidade máxima, para a maioria das misturas, em comparação com o solo puro. As misturas produzidas com cinzas de granulometria mais fina apresentaram os melhores resultados para o ISC e expansão. No entanto, teores de substituição de 75% de CFO prejudicaram as propriedades geotécnicas do solo. O processo de estabilização granulométrica do solo com CFO revelou-se como uma alternativa técnica e economicamente viável, promovendo o aproveitamento responsável de resíduos, especialmente nas misturas solo-C2 para uso como sub-base, conferindo aumento no ISC e atendimento aos parâmetros recomendados de LL e LP. Essas conclusões respaldam a eficácia e a sustentabilidade da incorporação de CFO em estratégias de melhoramento de solos para pavimentação.
Agradecimentos
À Cerâmica Rolim pelo fornecimento da cinza, material essencial desta pesquisa, ao Neilor de Oliveira, técnico do Laboratório de Solos e Estruturas, pela sua prontidão e assistência, e à SauanaHaeffnerCentenaro, pelo auxílio e suporte prestados.
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