Estabilização de solos tropicais com resíduos da construção civil e escória de aciaria para uso em pavimentação

Abstract

Globalmente, o crescente consumo de matérias-primas naturais e o gradual aumento na geração de resíduos sólidos demandam a criação de alternativas de reciclagem. Entre os muitos estudos de reuso de materiais para a construção de pavimentos, o reaproveitamento de agregados reciclados de resíduos sólidos da construção civil (RCCr) e de finos de escória oxidante de aciaria elétrica (FEAE) tem ganho especial destaque, tendo em vista suas vantagens econômicas, sociais, ambientais ou tecnológicas. Com o propósito de contribuir no reaproveitamento destes resíduos, nesta pesquisa, investigou-se a metodologia de Planejamento de Experimentos (DOE) na determinação dos teores ideais de RCCr e FEAE para estabilização de dois distintos solos tropicais, visando à utilização em camadas estruturais de pavimentos. O efeito das variáveis independentes (teor de solo, teor de RCCr e teor de FEAE) nas propriedades de resistência à compressão simples (RCS) e CBR (California Bearing Ratio) foi investigado por análise de equações de regressão e Metodologia de Superfícies de Resposta. Além disso, os materiais e produtos gerados foram investigados por técnicas de fluorescência de raios-X (FRX), difração de raios-X (DRX), microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Os solos e misturas otimizadas foram avaliados quanto a RCS, CBR, módulo de resiliência (MR) e deformação permanente (DP) nas energias do Proctor normal e intermediária nos tempos de cura 0, 7 e 28 dias. Os resultados obtidos mostraram que: (i) a utilização do DOE associado com Metodologia de Superfícies de Resposta e função Desejabilidade permitiu a obtenção de proporções satisfatórias entre os componentes solo e resíduos. Para os modelos de regressão ajustados, as melhores composições, em massa seca dos materiais, foram: 80% de solo, 0% de RCCr e 20% de FEAE, para o solo arenoso, e 18% de solo, 62% RCCr e 20% de FEAE, para o solo argiloso; (ii) a adição dos resíduos aos solos proporcionaram aumento no peso específico aparente seco máximo, redução na umidade ótima, redução da expansibilidade e maior trabalhabilidade; (iii) os RCCr e FEAE proporcionaram ganhos de resistência mecânica aos solos, com incrementos significativos nos valores de RCS e índice CBR. Essas melhorias das características mecânicas observadas estão correlacionadas com o aumento da rigidez das misturas otimizadas após o processo de cura selada. Como destaque, temos as melhorias no índice CBR do solo arenoso de 17% para 101%, na energia Proctor normal, e de 17% para 202%, na energia Proctor intermediária, e do solo argiloso de 7% para 120%, na energia Proctor normal, e de 10% para 212%, na energia Proctor intermediária; (iv) as misturas solo-resíduos apresentaram aumentos expressivos nos valores de MR comparativamente aos solos na condição natural. A incorporação dos resíduos aos solos arenoso e argiloso proporcionaram incrementos nos valores de MR da ordem de 85% e 120%, para compactação na energia Proctor normal, e 87% e 111%, para compactação na energia Proctor intermediária, respectivamente; (v) a adição dos resíduos aos solos conferiu às misturas bom desempenho em relação à DP, apresentando baixas deformações aos 7 dias de cura e atingindo o shakedown em todos os estados de tensões analisados; (vi) os ensaios de DRX e MEV permitiram identificar a formação de produtos cimentícios típicos de reações pozolânicas, como hidróxido de cálcio (CH), silicato de cálcio hidratado (CSH), aluminato de cálcio hidratado (CAH) e sílico- aluminato de cálcio hidratado (CASH). Esses compostos foram formados devido às reações de hidratação do óxido de cálcio presente no FEAE e à sílica e à alumina presentes nos solos e RCCr. Os resultados do estudo permitiram determinar misturas solo-resíduos que atendem aos critérios do DNIT concernentes a parâmetros CBR exigíveis para execução de camadas de base, sub-base e reforço de subleito de pavimentos rodoviários. Palavras-chave: Aproveitamento de resíduos. Resíduos sólidos da construção civil. Escória de aciaria. Estabilização de solos. Pavimentação.

Globally, the increasing consumption of natural raw materials and the increase generation of solid waste demand the creation of recycling alternatives. Among the many studies on the reuse of materials for the construction of pavements, the reuse of recycled aggregates from construction and demolition waste (CDWr) and fines of electrical arc furnace oxidizing slag (FEAE) has stood out for its economic, social, environmental, and technological advantages. In order to contribute to the reuse of these residues, this research investigated the Design of Experiments (DOE) methodology to determine the ideal contents of CDWr and FEAE for stabilizing of two different tropical soils, for use in structural layers of pavements. The effect of the independent variables (soil content, RCCr content and FEAE content) on the properties of unconfined compressive strength (UCS) and CBR index (California Bearing Ratio) was investigated by analysis of regression equations and Response Surface Methodology. In addition, the materials and products generated were investigated by X-ray fluorescence (XRF), X-ray diffraction (XRD), optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM) techniques. Soils and optimized mixtures were evaluated for UCS, CBR index, resilient modulus (MR) and permanent deformation (DP) at standard and intermediate Proctor energies at curing times 0, 7 and 28 days. The results indicated that: (i) the use of DOE associated with Response Surface Methodology and Desirability function allowed obtaining satisfactory proportions between the soil and residue components. For the adjusted regression models, the best compositions, in terms of dry mass of the materials, were: 80% soil, 0% of CDWr and 20% of FEAE for the sandy soil and 18% soil, 62% CDWr and 20% of FEAE for the clayey soil; (ii) the addition of residues to the soils provided an increase in the maximum dry specific weight, a reduction in the optimal moisture content, a reduction in expandability and greater workability. (iii) CDWr and FEAE provided gains in soil mechanical strength, with significant increases in UCS and CBR index values. These improvements in the mechanical characteristics observed are correlated with the increased stiffness of the optimized mixtures after the sealed curing process. The highlights were the improvements in the CBR index of sandy soil from 17% to 101% at standard Proctor compaction effort energy and from 17% to 202% at intermediate Proctor compaction effort energy, and in clay soil from 7% to 120% at standard Proctor compaction effort energy and from 10 % to 212% at intermediate Proctor compaction effort energy; (iv) soil-waste mixtures show significant increases in MR values compared to soils in their natural condition. The incorporation of residues into sandy and clayey soils provided increments in MR values of the order of 85% and 120% for standard Proctor compaction effort and 87% and 111% for intermediate Proctor compaction effort, respectively; (v) the addition of residues to the soils produced mixtures with good performance in relation to DP, presenting low deformations at 7 days of curing and reaching shakedown in all stress states analyzed; (vi) XRD and SEM tests allowed the identification of the formation of cementitious products typical of pozzolanic reactions, such as calcium hydroxide (CH), calcium silicate hydrates (CSH), calcium aluminate hydrates (CAH) and ettringite (CASH). These compounds were formed due to the hydration reactions of calcium oxide present in FEAE and silica and alumina present in soils and CDWr. The study results allowed determining soil-waste mixtures that meet the DNIT criteria regarding the required CBR parameters for the execution of road pavement's base layers, sub-base, and subgrade reinforcement. Keywords: Use of waste. Construction and demolition waste. Steel slag. Soil stabilization. Paving.