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UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS ESCOLA DE ENGENHARIA CIVIL PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DO MEIO AMBIENTE GLAUCIA MACHADO MESQUITA APLICAÇÃO DE MISTURAS DE FOSFOGESSO E SOLOS TROPICAIS FINOS NA PAVIMENTAÇÃO Goiânia 2007
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS ESCOLA DE ENGENHARIA CIVIL
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DO MEIO AMBIENTE
GLAUCIA MACHADO MESQUITA
APLICAÇÃO DE MISTURAS DE FOSFOGESSO E SOLOS TROPICAIS
FINOS NA PAVIMENTAÇÃO
Goiânia 2007
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Dados Internacionais de Catalogação-na-Publicação (CIP)
(GPT/BC/UFG)
Mesquita, Glaucia Machado. M582a Aplicação de misturas de fosfogesso e solos tropicais finos na pavimentação / Glaucia Macha- do Mesquita. – 2007. 144f. : il., Orientadora: Lilian Ribeiro de Rezende. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Goiás, Escola de Engenharia Civil, 2007. Bibliografia: f.139-144. Inclui listas de figuras, tabelas, abreviaturas e siglas e de símbolos. 1. Fosfogesso 2. Resíduos – Subprodutos – Uso – Engenharia civil 3. Materiais de construção 4. Pa- vimentação I. Rezende, Lilian Ribeiro II.Univer- sidade Federal de Goiás, Escola de Engenharia Civil III. Titulo.
CDU: 691.311
GLAUCIA MACHADO MESQUITA
APLICAÇÃO DE MISTURAS DE FOSFOGESSO E SOLOS TROPICAIS FINOS NA PAVIMENTAÇÃO
Dissertação apresentada ao Programa de Pós Graduação em Engenharia do Meio Ambiente – Universidade Federal de Goiás, para obtenção de título de mestre em Engenharia do Meio Ambiente. Área de concentração: Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental. Orientadora: Profa. Lilian Ribeiro de Rezende, DSc.
Goiânia 2007
GLAUCIA MACHADO MESQUITA
APLICAÇÃO DE MISTURAS DE FOSFOGESSO E SOLOS TROPICAIS FINOS NA PAVIMENTAÇÃO
Dissertação apresentada ao Programa de Pós Graduação em Engenharia do Meio Ambiente – Universidade Federal de Goiás, para obtenção de título de mestre em Engenharia do Meio Ambiente, aprovada em 22 de Junho de 2007, pela Banca Examinadora constituída pelos seguintes professores:
Profa. Lilian Ribeiro de Rezende, DSc. – UFG
(Orientadora)
Prof. Silvrano Adonias Dantas Neto, DSc. - UFC (Examinador Externo)
Prof. Regis de Castro Ferreira, DSc. – UFG (Examinador Interno)
Goiânia 2007
Algumas pessoas marcam a nossa vida para sempre, umas porque nos vão ajudando na construção,
outras porque nos apresentam projetos de sonho e outras ainda porque nos desafiam a realizá-los.
Quando damos conta, já é tarde para lhes agradecer.
Estas páginas são dedicadas: À minha família, em especial
aos meus queridos pais, Antônio e Graça, que sempre estiveram ao meu lado me incentivando na busca das
conquistas diárias.
AGRADECIMENTOS
Agradeço com alegria e satisfação:
A Deus, o maior engenheiro de todos os tempos. Pois através de suas obras presentes na
natureza podemos nos inspirar para a realização de grandes projetos.
À professora Lilian Ribeiro de Rezende, pela oportunidade, paciência e dedicação durante a
orientação do trabalho e, acima de tudo, pela confiança depositada em mim.
À Copebrás pelo incentivo e suporte financeiro para execução de ensaios e desenvolvimento
desta pesquisa.
A CAPES pelo apoio para a realização desta pesquisa através da bolsa de mestrado.
Aos professores do Programa de Pós-Graduação ao Meio Ambiente da Universidade Federal
de Goiás e colegas de curso pelo incentivo e colaboração na busca pelo conhecimento. A
Helaine, companheira de ensaios de laboratório.
Ao Laboratório de Mecânica dos Solos da Universidade Federal de Goiás, pela
disponibilização dos equipamentos laboratoriais para execução dos ensaios. Aos técnicos do
laboratório de solos da Universidade Federal de Goiás, em especial ao Elias por sua
contribuição na execução dos ensaios de laboratório.
Ao Setor de Transportes da UFG, pela disponibilidade de veículos para as vistas técnicas e
coleta do material de estudo.
Ao Departamento de Engenharia de Transportes e técnicos do Laboratório de Tecnologia de
Pavimentação da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (LTP-EPUSP) por
permitirem, tão gentilmente a execução de ensaios técnicos de pavimentação.
Aos meus irmãos Marcos Antônio e Thiago, à Tatiely e à minha piluluca Ana Paula, que tanta
alegria me dá. Às minhas amigas, principalmente Antônia de Paula Rocha que sempre
acreditou na minha capacidade e força de vontade.
Enfim, a todos que, direta ou indiretamente, contribuíram para realização e divulgação deste
trabalho.
RESUMO
Com a preocupação ambiental de disponibilizar áreas para servirem de estocagem de resíduos e subprodutos produzidos por diversos tipos de indústrias, tem surgido o interesse de estudar a aplicação do fosfogesso em obras de pavimentação. Além da redução dos danos causados ao meio ambiente, existe a possibilidade de utilizá-lo na execução de pavimentos de baixo custo, obtendo um desempenho satisfatório. O objetivo principal desta pesquisa foi estudar a incorporação do fosfogesso a solos finos locais e analisar a viabilidade ambiental e mecânica da utilização desta mistura em pavimentação. O fosfogesso selecionado para o estudo é produzido numa mineradora localizada no estado de Goiás. Dentro da empresa, são adotados todos os cuidados para que não ocorram problemas ambientais durante a estocagem do subproduto. Para avaliar a questão mecânica, foram realizados ensaios laboratoriais (Peso específico, Limites de consistência, Granulometria, Compactação, Expansão e “California Bearing Ratio” – CBR, Metodologia Miniatura Compactada Tropical - MCT e Módulo resiliente), bem como análises químicas e ensaios ambientais, como lixiviação e solubilização em amostras de solos, fosfogesso e nas Misturas A (50% solo local + 50% fosfogesso), B (80% solo local + 20% fosfogesso) e C (20% solo local + 80% fosfogesso). Os resultados encontrados nesta pesquisa são válidos para o fosfogesso gerado através do processo dihidratado obtido no estado de Goiás. Com os dados obtidos pode-se verificar que o fosfogesso sozinho não pode ser utilizado em obras de pavimentação. Considerando os resultados, verificou-se que a Mistura B (80% solo local + 20% fosfogesso) apresentou o melhor valor de capacidade de suporte quando comparada com os demais materiais. De uma maneira geral, conclui-se que a Mistura B, possui propriedades físicas e mecânicas satisfatórias, comparáveis a materiais tradicionais. Em relação aos ensaios ambientais, verificou-se que não há riscos de contaminação do meio ambiente, pois os materiais foram classificados como pertencentes à Classe II-A - Não inerte e Classe II - Não Perigoso. Na realização do levantamento radiométrico constatou-se baixa emanação de irradiação dos materiais estudados, baseando-se nas normas do Conselho Nacional de Energia Nuclear - CNEN. Assim, estas misturas não apresentam nenhum risco em sua utilização. Tem-se, então, que a aplicação de materiais alternativos, como misturas de fosfogesso e solo fino tropical, pode ser considerada uma solução para vários problemas ambientais. Desta forma, torna-se interessante que sejam fornecidas alternativas para a sua utilização prática. Palavras-Chave: Fosfogesso. Solos tropicais. Pavimentação. Ensaios laboratoriais.
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................ 19 1.1 ASPECTOS GERAIS......................................................................................................19 1.2 OBJETIVOS ....................................................................................................................21 1.2.1 Objetivo geral................................................................................................................21 1.2.2 Objetivos específicos.....................................................................................................21 1.3 ESCOPO DA DISSERTAÇÃO ......................................................................................21
2 O FOSFOGESSO ............................................................. 22 2.1 DEFINIÇÃO ....................................................................................................................22 2.2 ROCHAS FOSFÁTICAS................................................................................................23 2.3 PROCESSOS INDUSTRIAIS ........................................................................................26 2.4 ÁCIDO FOSFÓRICO .....................................................................................................28 2.5 FORMAÇÃO DO FOSFOGESSO ................................................................................31 2.5.1 Processo dihidratado ....................................................................................................32 2.5.2 Processo hemihidratado ...............................................................................................33 2.5.3 Processo anidro .............................................................................................................34 2.6 CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS...............................................................................34 2.7 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS....................................................................................36 2.8 CARACTERÍSTICAS RADIOLÓGICAS....................................................................37 2.9 UTILIZAÇÃO DO FOSFOGESSO...............................................................................44 2.9.1 Na Agricultura ..............................................................................................................45 2.9.2 Na Indústria ..................................................................................................................47 2.9.2.1 Produção do enxofre, ácido sulfúrico, sulfato de amônio e estudos biotecnológicos..47 2.9.2.2 Na indústria cimenteira.................................................................................................49 2.9.3 Na Construção Civil .....................................................................................................50 2.9.4 Na Pavimentação ..........................................................................................................51 2.10 ESTUDOS AMBIENTAIS............................................................................................53
3 SOLOS TROPICAIS ....................................................... 59 3.1 DEFINIÇÕES ..................................................................................................................59 3.2 SOLOS LATERÍTICOS .................................................................................................61 3.3 APLICAÇÃO EM PAVIMENTAÇÃO .........................................................................62 3.4 ESTABILIZAÇÃO QUÍMICA ......................................................................................74 3.4.1 Estabilização solo-cal....................................................................................................75 3.4.2 Estabilização solo-cimento ...........................................................................................76 3.4.3 Estabilização solo-emulsão ..........................................................................................77
4 ENSAIOS LABORATORIAIS ....................................... 79 4.1 INTRODUÇÃO ...............................................................................................................79 4.2 ENSAIOS PARA CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS ....................................79 4.2.1 Granulometria ..............................................................................................................79 4.2.2 Limites de Consistência................................................................................................81 4.2.3 Massa Específica dos Grãos.........................................................................................82 4.2.4 Classificação dos solos ..................................................................................................82 4.3 ENSAIOS PARA PAVIMENTAÇÃO ...........................................................................82 4.3.1 Ensaio de compactação ................................................................................................82 4.3.2 Expansão e “Cafilfornia Bearting Ratio” (CBR) ......................................................83
4.3.3 Módulo Resiliente .........................................................................................................84 4.3.4 Metodologia MCT.........................................................................................................86 4.4 ENSAIOS COMPLEMENTARES ................................................................................88 4.5 ENSAIOS AMBIENTAIS ...............................................................................................89
5 METODOLOGIA ............................................................ 92 5.1 INTRODUÇÃO ...............................................................................................................92 5.2 VISITA TÉCNICA ..........................................................................................................93 5.3 COLETA E PREPARAÇÃO DO FOSFOGESSO .......................................................93 5.4 COLETA E PREPARAÇÃO DO SOLO LOCAL .......................................................94 5.5 PREPARAÇÃO DAS MISTURAS.................................................................................95 5.6 ENSAIOS LABORATORIAIS.......................................................................................95 5.6.1 Caracterização das Amostras ......................................................................................95 5.6.1.1 Análise granulométrica.................................................................................................96 5.6.1.2 Massa específica dos grãos...........................................................................................96 5.6.1.3 Limites de Consistência................................................................................................97 5.6.2 Compactação, Expansão e “California Bearing Ratio” (CBR).................................98 5.6.3 Módulo Resiliente .......................................................................................................100 5.6.4 Metodologia MCT.......................................................................................................101 5.7 ENSAIOS COMPLEMENTARES ..............................................................................104 5.8 ENSAIOS AMBIENTAIS .............................................................................................105 5.8.1 Lixiviação e Solubilização ..........................................................................................105 5.8.2 Avaliação Radiométrica .............................................................................................105
6 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS....... .......................................................... 106 6.1 INTRODUÇÃO .............................................................................................................106 6.2 VISITA TÉCNICA ........................................................................................................106 6.3 ENSAIOS LABORATORIAIS.....................................................................................109 6.3.1 Caracterização das Amostras ....................................................................................109 6.3.1.1 Análise granulométrica...............................................................................................109 6.3.1.2 Massa específica dos grãos.........................................................................................114 6.3.1.3 Limites de Consistência..............................................................................................115 6.3.1.4 Classificação dos materiais.........................................................................................116 6.3.2 Compactação, Expansão e “California Bearing Ratio” (CBR) ..............................117 6.3.3 Módulo Resiliente .......................................................................................................119 6.3.4 Metodologia MCT.......................................................................................................123 6.4 ENSAIOS COMPLEMENTARES ..............................................................................125 6.5 COMPARAÇÃO COM RESULTADOS DE MISTURAS FOSFOGESSO-SOLO-CAL.......................................................................................................................................126 6.6 ENSAIOS AMBIENTAIS .............................................................................................130 6.6.1 Lixiviação e Solubilização ..........................................................................................130 6.6.2 Avaliação Radiométrica .............................................................................................133
7 CONSIDERAÇÕES FINAIS ........................................ 135 7.1 CONCLUSÕES..............................................................................................................135 7.2 SUGESTÕES PARA PESQUISAS FUTURAS ..........................................................137
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS....................................................................139
19
Capítulo 1
1. INTRODUÇÃO
1.1 ASPECTOS GERAIS
No Estado de Goiás, assim como em todo o Brasil e em outros países, existem
indústrias que utilizam de rochas fosfáticas com a finalidade de se obter o ácido fosfórico, o
qual é utilizado na produção de fertilizantes. Em decorrer deste processo químico, origina-se o
fosfogesso, um resíduo sólido ou subproduto, também conhecido como gesso químico.
A rocha fosfática, finamente pulverizada, tem uso limitado como fertilizantes,
sobretudo por ser relativamente baixa à disponibilidade de P2O5 (anidrido fosfórico). Seu
principal consumo, entretanto, é na forma de matéria-prima para a manufatura de ácido
fosfórico, de superfosfato, de fósforo e de compostos de fósforo (SHREVE; BRINK, 1997).
As indústrias que se dedicam à fabricação do ácido fosfórico têm se preocupado
em encontrar aplicações para o fosfogesso e assim evitar o acúmulo deste subproduto. A
estocagem de grande quantidade deste material envolve uma série de problemas, entre os
quais se destacam: a necessidade de dispor-se de grandes áreas para o seu armazenamento e a
realização do monitoramento das pilhas de subprodutos, por se tratar de um material que
apresenta elementos radioativos e alguns traços de metais pesados, podendo causar riscos à
saúde humana e ao meio ambiente. É importante ressaltar que as leis de proteção ao meio
ambiente, tanto no Brasil como em todo o mundo, tornam-se cada vez mais rigorosas no que
se refere aos cuidados a serem observados na estocagem de materiais com estas
características.
A preocupação ambiental associada à disposição em pilhas decorre do fato de que
o fosfogesso, embora composto, principalmente, por sulfato de cálcio dihidratado, contém
certas impurezas, metais pesados, ânions e radionuclídeos das séries naturais, que podem
percolar através da pilha e atingir fontes de água superficiais e subterrâneas (SILVA et al.,
2002). Daí a necessidade de se desenvolverem mecanismos para promover a conscientização
e a busca de soluções para a implantação de tecnologias capazes de minimizar os impactos
20
decorrentes da disposição destes subprodutos no meio ambiente e reduzir os custos
envolvidos nesta atividade.
Nesta visão, a reciclagem de resíduos é fundamental para uma sociedade apoiada
no desenvolvimento sustentável (ENBRI, 1994), capaz de satisfazer as necessidades do
conjunto da população do presente, sem comprometer a capacidade de sobrevivência das
gerações futuras. Desta forma, o desenvolvimento de estudos visando à reutilização dos
resíduos ou subprodutos representa uma alternativa capaz de contribuir para a utilização de
matérias-primas alternativas, diminuindo os custos finais dos setores industriais geradores e
consumidores dos resíduos, além de preservar o meio ambiente.
O fosfogesso tem potencial uso como material de construção de bases ou sub-
bases de pavimentos, por isto suas propriedades mecânicas têm sido objeto de estudos em
diversos centros de pesquisas. Contudo, geralmente, o fosfogesso apresenta baixa resistência à
compressão simples e pouca durabilidade quanto sujeito somente à estabilidade mecânica
devido à compactação (GUTTI et al., 1996).
Os materiais tradicionalmente utilizados na composição de sub-base e base de
pavimentos são granulares. Geralmente, estes materiais apresentam elevada capacidade de
suporte. No entanto, os solos abundantes no Brasil são os tropicais finos. Estudos recentes,
mostram a viabilidade técnica e econômica da utilização desses solos finos lateríticos
estabilizados ou não em pavimentação (NOGAMI; VILLIBOR, 1995).
Com a preocupação ambiental de disponibilizar áreas para servirem de estocagem
de resíduos produzidos por diversos tipos de indústrias, tem surgido o interesse de estudar a
aplicação de resíduos sólidos e solos tropicais finos em obras de pavimentação (REZENDE,
2003). Além da redução dos danos causados ao meio ambiente, existe a proibição de extração
de cascalho, muito utilizado em base e sub-base de pavimentação, pois as jazidas ainda
existentes encontram-se, geralmente em áreas de preservação ambiental. Assim sendo,
executar pavimentos de baixo custo com desempenho satisfatório, utilizando-se de materiais
alternativos, como misturas de fosfogesso e solo fino tropical, podem se tornar uma solução
para vários problemas ambientais.
21
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo geral
O principal objetivo deste trabalho foi estudar a incorporação do fosfogesso nos
solos finos locais (Estado de Goiás) e analisar a viabilidade ambiental e técnica da utilização
desta mistura em pavimentação.
1.2.2 Objetivos específicos
Como objetivos específicos têm-se:
• Caracterizar o fosfogesso produzido na região de Catalão-GO;
• Avaliar os riscos de contaminação ambiental do subproduto estudado;
• Determinar as propriedades mecânicas das misturas e sua viabilidade técnica,
visando sua aplicação em base e sub-base de pavimentos.
1.3 ESCOPO DA DISSERTAÇÃO
Este trabalho foi desenvolvido na forma de dissertação de mestrado, estando
dividido em sete capítulos conforme descrito a seguir.
O Capítulo 1 relata os aspectos mais relevantes para o desenvolvimento desta
pesquisa e seus objetivos. O Capítulo 2 relata a revisão bibliográfica sobre o fosfogesso, tais
como: suas definições, origem, suas características gerais e possíveis utilizações. O Capítulo 3
apresenta as definições de solos tropicais. O Capítulo 4 descreve os ensaios laboratoriais
geralmente realizados em pavimentação e as análises ambientais. O Capítulo 5 apresenta a
metodologia aplicada na pesquisa, às características dos materiais estudados e os ensaios de
laboratório que foram realizados.
O Capítulo 6 apresenta e discute os resultados obtidos nos ensaios laboratoriais
(Peso específico, Limites de consistência, Granulometria, Compactação, Expansão e
“California Bearing Ratio” – CBR, Metodologia MCT e Módulo resiliente), bem como
análises químicas e ensaios ambientais, como lixiviação e solubilização. O Capítulo 7 relata
as conclusões obtidas, considerações finais sobre o trabalho e traz as sugestões para pesquisas
futuras.
22
1 INTRODUÇÃO ...........................................................19 1.1 ASPECTOS GERAIS............................................................................................. 19 1.2 OBJETIVOS ........................................................................................................... 21 1.2.1 Objetivo geral....................................................................................................... 21 1.2.2 Objetivos específicos............................................................................................ 21 1.3 ESCOPO DA DISSERTAÇÃO ............................................................................. 21
22
Capítulo 2
2. O FOSFOGESSO
2.1 DEFINIÇÃO
Fosfogesso é o nome dado ao subproduto da reação química da rocha fosfática
com ácido sulfúrico e água. Por meio desta reação, obtem-se o ácido fosfórico, que é usado,
principalmente, como matéria-prima para a produção de fertilizantes fosfatados.
Além do ácido fosfórico, essa reação forma gesso (fosfogesso) e ácido fluorídrico
(LUTHER et al., 1993). Essa reação química é a seguinte (Equação 2.1):
Ca10(PO4)6F2 + 10H2SO4 + 20H2O →10CaSO4 2H2O+ 6H3PO4 + 2HF (2.1)
O fosfogesso é um dos grandes problemas da produção do ácido fosfórico, pois
são produzidos de 4 a 6 toneladas para cada tonelada de P2O5 (anidrido fosfórico), (BECKER,
1983). A quantidade produzida é variável e depende da relação CaO/P2O5 da rocha fosfática
empregada e do rendimento em P2O5 da fábrica de ácido fosfórico (RAIJ, 2003). No Brasil, a
produção média anual é de aproximadamente 3,55 milhões de toneladas. O fosfogesso
comercializado no ano de 2005 para a agricultura obteve o volume de venda de 278.500
toneladas, sendo que deste total, 137.000 toneladas foram vendidas para clientes do Estado de
Goiás (COPEBRÁS, 2006).
Este material é composto, principalmente, por gesso, ou seja, sulfato de cálcio
dihidratado (CaSO4 2H2O) que tem como impurezas: fluoretos, fosfatos, matéria orgânica e
minerais como alumínio e ferro, metais pesados e radionuclídeos (LUTHER et al., 1993).
Essas impurezas fazem a diferença entre o gesso e o fosfogesso, além de causar restrições
ambientais ao descarte e aplicações do fosfogesso. As substâncias constituídas de sulfato de
cálcio podem ser divididas em três grandes categorias, dependendo do teor da água de
cristalização e da solubilidade: o dihidratado; o hemihidratado; as anidras I, II, e III
(CASTILHO JR. et al., 1998).
O fosfogesso adquire suas impurezas do fosfato, já que o ácido sulfúrico
empregado no processo de fabricação não tem teores relevantes de componentes estranhos.
23
Em termos mundiais, as reservas do Brasil são relativamente pequenas, com predomínio de
fosfatos de origem ígnea (RAIJ, 2003).
O fosfogesso tem um efeito ambiental favorável atuando na melhoria das
propriedades físicas do solo. Isso é marcante em climas áridos e semi-áridos, em que ocorre
perda irreversível de solos para a agricultura, por excesso de sais e de sódio e juntamente com
a erosão, é um dos mais sérios problemas ambientais relacionados ao uso em âmbito mundial
(RAIJ, 2003). O gesso, nesses casos, é praticamente um insumo insubstituível.
2.2 ROCHAS FOSFÁTICAS
De acordo com Cekinski et al. (1990), de um modo geral, os depósitos fosfáticos
dividem-se segundo aspectos genéticos, em quatro grupos principais: jazidas de origem ígnea
ou magmática (com ou sem concentração residual), jazidas de fosforitos de origem
sedimentar, jazidas resultantes de acúmulo de matéria orgânica (guanos) e fosfatos lateríticos
ou de enriquecimento supérgeno. A indústria de fertilizantes utiliza, principalmente, os dois
primeiros grupos.
Os depósitos fosfáticos de origem ígnea são corpos circulares ou elípticos de
intrusões magmáticas do tipo chaminé vulcânica contendo rochas do tipo carbonatitos,
piroxenitos, dunitos e biotititos, algumas vezes associadas a rochas do tipo sienitos. As rochas
mais mineralizadas em fosfatos são as duas primeiras. O principal mineral é a apatita
(fluorapatita) Ca5(PO4)3F. Normalmente, o teor primário de apatita dos carbonatitos e rochas
ultrabásicas associadas (piroxenitos, dunitos etc.) é inferior a 10%; o teor de P2O5 é cerca de
5% (CEKINSKI et al., 1990).
As rochas destes complexos ígneos sujeitam à alteração de intempéries superficiais
são decompostas, promovendo um enriquecimento residual das apatitas, pela solubilização
dos minerais associados (carbonatos das rochas carbonatílicas; olivinas, piroxênios e biotitas
das rochas ultrabásicas). Assim sendo, é necessário distinguir, nas jazidas de origem ígnea, as
rochas frescas que se encontram em profundidade e as rochas alteradas da superfície, onde
ocorreu o citado enriquecimento residual natural, dando origem ao denominado minério
oxidado. Atualmente, na mineradora de Catalão (GO), ainda há o minério residual oxidado
(superficial) já que a mina possui apenas cinco anos de lavra. Outros exemplos de depósitos
fosfáticos de origem ígnea no Brasil são: Araxá e Tapira (MG), Ipanema e Serrote (SP),
24
Anitápolis (SC) e Maicuru (PA). Essas ocorrências, incluindo as de Jacupiranga (SP) e
Catalão (GO), são de idades geológicas mesosóicas (Jurássico-Cretáceo), não sofrendo
nenhuma modificação após a intrusão vulcânica, a não ser a alteração superficial e a erosão
(CEKINSKI et al., 1990). A Figura 2.1 mostra a localização da exploração mundial de rocha
fosfatada (ZAPATA; ROY 2004, modificado de CANUT, 2006).
Figura 2.1 - Exploração mundial de rocha fosfatada (ZAPATA; ROY, 2004, modificado de CANUT, 2006)
As rochas fosfáticas de origem sedimentar constituem camadas, níveis ou extratos,
mais ou menos uniformes, correspondentes ao acúmulo de fosfatos de precipitação química
com ou sem a ajuda de microrganismos em fundos de lagos ou de mares (depósitos de
plataforma continental). Normalmente, essas rochas associam-se a calcários (precipitação
química) com maior ou menor quantidade de sedimentos argilosos (folhetos ou argilitos). Os
minérios sedimentares de fósforo são denominados fosforitos e o principal mineral de fósforo
é o carbonato-apatita com substituições mais ou menos importantes do Ca, F e P2O5,
conforme apresentado a seguir (Equação 2.2).
Ca(10-a)/(2-b) Naa Mgb (PO4)6-x F2-x (CO3)x (2.2)
No Brasil, constituem exemplos de rochas fosfáticas de origem sedimentar as que
ocorrem em Patos de Minas (MG), Irecê (BA), Olinda (PE) e no oeste mato-grossense.
▄ Rochas ígneas • Rochas sedimentares X Ilhas
25
As reservas brasileiras de rochas fosfáticas estão descritas na Tabela 2.1. Segundo
Cekinski et al. (1990), estima-se que estas reservas correspondem a quase 4,0 bilhões de
toneladas de rocha fosfáticas, o que gera cerca de 400 milhões de toneladas de P2O5. Nesta
tabela não foram computadas as reservas de Irecê (BA), onde se estima a existência de 15
milhões de toneladas de rochas fosfáticas, com teores variando entre 16 e 38% de P2O5.
Tabela 2.1 - Reservas nacionais de fosfatos (ANDA, 1987, citado por CEKINSKI et al., 1990)
Teor médio reserva P2O5 Jazida
Reserva Total
(Milhões t) (%) (Milhões de t) Observação
Traufa/Pirocaua (MA) 25,0 21,0 5,2 (a)
Olinda (PE) 15,0 18,0 2,7 Paralisada Paulista (PE) 20,0 18,0 3,6 Em estudo Itatiaia (CE) 115,0 12,0 13,8 Em estudo Araxá (MG) 455,0 14,0 63,7 Em lavra 100,0 8,0 8,0 (a) 103,0 13,3 13,7 Paralisada Lagamar(MG) 3,5 30,0 1,2 Em lavra Patos (MG) 414,0 11,3 46,8 Em lavra Patrocínio (MG) 200,00 8,0 17,8 Paralisada 301,00 11,3 34,0 Paralisada Tapira (MG) 716,0 8,7 62,3 Em lavra 453,0 8,0 36,2 Paralisada Catalão (GO) 285,0 7,0 20,0 Em lavra Ouvidor (GO) 80,0 11,0 8,8 Em lavra Jacupiranga (SP) 75,0 5,3 4,0 Em lavra Iperó (SP) 119,0 6,7 8,0 Paralisada Registro (SP) 18,0 10,0 1,2 Paralisada Anitápolis (SC) 320,0 8,5 27,2 Em estudo Total 3.817,5 378,8
(a) Fosfatos aluminosos
As reservas brasileiras, em termos de P2O5, representam cerca de 1% das reservas
mundiais, sendo que as maiores pertencem a Marrocos e EUA. Em função do baixo teor de
P2O5 das rochas brasileiras, existe a necessidade de que estas sejam beneficiadas para se obter
concentrados fosfáticos com teor de fósforo adequado ao processamento químico subseqüente
(CEKINSKI et al., 1990).
26
2.3 PROCESSOS INDUSTRIAIS
A rocha fosfática é lavrada e transportada por caminhões para ser submetida à
britagem, que é executada em dois estágios sucessivos, com o objetivo da redução
granulométrica do minério até o diâmetro final máximo em torno de 32 mm.
O material britado é estocado em pilhas de homogeneização, que visam prover a
usina de beneficiamento de material homogêneo em granulometria e teor de P2O5 e, também,
servir como estoque regulador de alimentação da usina. A Figura 2.2 mostra a formação da
pilha do material britado de numa das mineradoras existentes em Catalão-GO.
Figura 2.2 - Formação da pilha do material britado, estocagem e homogeneização
Das pilhas de homogeneização, o material é retomado e alimentado à usina,
visando à concentração dos minerais de fósforo através das etapas relacionadas a seguir:
• Moagem e classificação: em geral, a moagem é feita num conjunto de moinhos de barras e
de bolas, por via úmida, operando em circuito fechado com ciclones de classificação;
• Deslamagem: onde se processa a separação de partículas de tamanho menor a 20 μm através
de hidrociclones;
• Condicionamento: nesta etapa, são adicionados vários reagentes ao material em suspensão,
conhecidos como agentes coletores e depressores;
• Flotação: a polpa condicionada é submetida à operação de flotação, cujo objetivo é alcançar
a concentração dos compostos de fósforo pela separação de outros compostos diluentes; a
operação de flotação é efetuada, em geral, em três etapas distintas, cada qual com sua
própria bateria de células de flotação;
(b)
27
• Desaguamento e filtração: a polpa final da operação de flotação, conhecida como
“concentrado de flotação” é submetida a uma operação de espessamento, sendo a seguir
encaminhada à filtração, num filtro a vácuo.
O material sai do filtro com teor de umidade em torno de 10% , sendo submetido à
última etapa do processamento, que é a secagem, utilizando secadores do tipo tambor rotativo
e “flash dryer”. O equipamento de uso mais difundido no País é um secador vertical de fluxo
ascendente e de alta eficiência, resultando num valor de umidade final praticamente nulo. O
agente de secagem, utilizado em qualquer um dos secadores, é gerado de maneira
convencional pela queima de um produto combustível em fornalha.
Na maioria dos casos, o produto final de umidade quase nula contém entre 36 e
38% de P2O5, quando submetido ao circuito completo já descrito. No caso de processamento
parcial (que exclui a flotação), o produto obtido tem um teor próximo de 24% de P2O5.
De modo a complementar este estudo, a Figura 2.3 ilustra a rota industrial de
fabricação dos principais fertilizantes fosfatados no Brasil.
Figura 2.3 - Rotas de fabricação de fertilizantes fosfatados no Brasil (COPEBRÁS, 2006)
28
2.4 ÁCIDO FOSFÓRICO
Segundo Cekinski et al. (1990), a produção de ácido fosfórico na indústria de
fertilizantes é feita mais comumente a partir de ácido sulfúrico e concentrado fosfático pelo
processo via úmida, sendo que cerca de 85% da produção mundial de ácido fosfórico baseia-
se neste tipo de processo. Sendo a fluorapatita, o principal constituinte mineral fosfático
presente no concentrado, pode-se representar a reação de ataque do concentrado pelo ácido
sulfúrico através da Equação 2.3.
Ca10(PO4)6F2 + 10H2SO4 + 10nH2O →10CaSO4 nH2O+ 6H3PO4 + 2HF (2.3)
Onde:
n= 0, 1/2 ou 2, dependendo da forma de hidratação na qual o sulfato de cálcio cristaliza-se.
Esta equação representa o resultado global de dois estágios: reação de fluorapatita
com ácido fosfórico, gerando fosfato monocálcico e reação do fosfato monocálcico com ácido
fosfórico e sulfato de cálcio. Este concentrado contém muitas impurezas, sendo que vão
ocorrer na prática várias outras reações. O HF (ácido fluorídrico), reage com a sílica e outras
impurezas, formando ácido fluossilíco que, por sua vez, vai originar fluossilicatos e outros
compostos (CEKINSKI et al., 1990). De acordo com Cekinski et al. (1990), os processos
industriais para fabricação de ácido fosfórico podem ser classificados de acordo com a forma
de hidratação na qual o sulfato de cálcio cristaliza-se, como pode ser observado na Tabela 2.2.
Tabela 2.2 - Fabricação de ácido fosfórico (CEKINSKI et al., 1990)
Processo Forma cristalina de sulfato de cálcio Anidro CaSO4
Hemihidratado CaSO4.1/2H2O Dihidratado CaSO4.2H2O
A tecnologia para obtenção do ácido fosfórico consiste em desenvolver um meio
reativo ideal, de forma a converter ao máximo o fósforo da rocha fosfática em ácido fosfórico.
Além disso, as reações envolvidas permitem que os cristais de gesso desenvolvam condições
necessárias de tipo e tamanho para minimizar as perdas na filtração (AQUINO, 2005).
As principais etapas envolvidas no processo de produção do ácido fosfórico são:
a) Reação
A quantidade de H2SO4 (ácido sulfúrico) necessária à reação é aproximadamente a
estequiométrica para reagir com o CaO (óxido de cálcio) do concentrado fosfático. Para um
29
cálculo mais preciso, deve-se levar em conta impurezas como Fe2O3, (óxido de ferro), Al2O3
(óxido de alumínio) e MgO (óxido de magnésio).
Estas impurezas apresentam algumas características que merecem um cuidado à
parte. Os principais problemas que podem ocorrer estão relacionados abaixo:
• MgO: forma compostos que dificultam a filtração. Quando o ácido fosfórico é amoniado
para a fabricação de MAP (fosfato de monoamônio) e DAP (fosfato de diamônio) formam-
se cristais nos quais, o fósforo encontra-se insolúvel em água.
• Fe2O3/Al2O3: diminui a recuperação de P2O5, pois forma AlPO4 ou FePO4. Além disso,
forma um lodo espesso após a etapa de concentração.
• SiO2: caso apresente baixo teor, permite a existência de HF, que é corrosivo. Se tiver alto
teor, causa corrosão.
• Cl-: teores acima de 0,01% aumentam a corrosão.
• CO2: produz espuma, que é prejudicial na etapa de reação.
De acordo com a temperatura, concentração de P2O5 e concentração de H2SO4 no
reator durante esta etapa, haverá a cristalização de sulfato de cálcio dihidratado,
hemihidratado ou mesmo anidro, conforme pode ser observado na Figura 2.4. A reação é
altamente exotérmica, havendo necessidade de retirada de calor do reator para conservar as
condições de temperatura ideais para o processo.
30
40
50
60
70
80
90
100
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Concentração de P2O5 (%)
Tem
pera
tura
(o C)
H2SO4 0%
H2SO4 5%
H2SO4 10%
H2SO4 15%
H2SO4 20%
H2SO4 25%
Figura 2.4 - Curva de equilíbrio dihidratado, hemihidratado em solução de ácido fosfórico e sulfúrico (modificado de CEKINSKI et al., 1990)
30
Nesta etapa, deve-se dar atenção especial para a formação do sulfato de cálcio,
pois influi diretamente nas perdas de P2O5 e na etapa de filtração. A forma e o tamanho dos
cristais são afetados, principalmente, pela concentração de sulfato livre no reator. Segundo
Cekinski et al. (1990), uma alta concentração tende à formação de agulhas que filtram
rapidamente, porém são difíceis de lavrar e em concentrações de sulfato um pouco menores,
formam-se cristais romboédricos individuais, o que significa uma rápida filtração e lavagem.
Ainda de acordo com Cekinski et al. (1990), uma maior concentração de sulfato fará com que
haja aglomeração dos cristais romboédricos que fornecem excelente filtração e bons
resultados de lavagem e a redução da concentração de sulfato livre conduz à formação de
cristais delgados como placas, que são difíceis de filtrar e lavrar. Outro importante fator na
etapa de reação é o controle das condições do processo para minimizar as perdas de P2O5.
Essas perdas se devem, principalmente aos fatores relacionados a seguir:
• Concentrado Fosfático não atacado: devido principalmente à formação de uma película de
sulfato de cálcio ao redor do cristal da fluorapatita. Portanto, deve-se tentar operar com um
teor mínimo de sulfato livre no reator;
• Formação de fosfatos insolúveis: devido à estrutura cristalina similar do CaSO4.2H2O e
CaHPO4.2H2O, pode ocorrer uma substituição de fosfato bicálcico no cristal de sulfato de
cálcio. Esta perda é estimada pela Equação 2.4:
( ) soluçãonaSOcomsufatoKperdidoOPde
352 %
% = (2.4)
Onde:
K: normalmente varia de 4,5 a 5,5, dependendo de uma série de fatores característicos dos
concentrados fosfáticos. Verifica-se que esta perda diminui com o aumento de sulfato livre no
sistema.
• Derramamento: esta perda é proveniente do sistema de lavagem das mangueiras e
canalizações. Depende, principalmente, do “lay-out” destes sistemas e do processo de
lavagem.
b) Filtração
A filtração depende basicamente do tamanho e da forma dos cristais do sulfato de
cálcio. No caso dos processos onde forma-se o sulfato de cálcio anidro ou o hemihidratado, a
etapa de filtração é facilitada, embora o processo como um todo seja mais complexo. No caso
31
do sulfato de cálcio dihidratado, seu tamanho e forma são influenciados por alguns
parâmetros do processo. Devem-se tentar obter cristais romboédricos de espessura
substancial, com comprimento não maior a duas ou três vezes sua largura, e os cristais devem
ser grandes para facilitar a lavagem e a filtração.
c) Concentração
Com a concentração de até 40% em P2O5, o ácido fosfórico pode ser produzido a
60ºC sem a formação de sulfato de cálcio hemihidratado, mas isso não é utilizado devido à:
1ª) o resfriamento que a massa reagente deve sofrer para permanecer a 60°C é alto;
2ª) os cristais de sulfato de cálcio dihidratado diminuem rapidamente de tamanho quando se
precipitam em soluções que contêm teor de P2O5 superior a 33%, além de tenderem a se
aglomerar, e tornam a lavagem mais difícil;
3ª) esta faixa de concentração e temperatura origina maior viscosidade e densidade do ácido
produzido, o que dificulta a filtração e lavagem. Em vista destes fatores, o teor do ácido
proveniente da etapa de reação encontra-se na faixa de 28 a 33% em P2O5. A concentração do
ácido é realizada por evaporadores a vácuo que elevam o teor de P2O5 a 54%, um dos
problemas deste processo é a passagem de gases contendo SiF4 e HF nas canalizações, sendo
estes compostos muito corrosivos e requerendo atenção especial.
2.5 FORMAÇÃO DO FOSFOGESSO
O fosfogesso é obtido a partir da produção de ácido fosfórico, principal
componente de fertilizantes fosfatados. Os fertilizantes com formulações comerciais,
denominados de NPK (Nitrogênio, Fósforo e Potássio), são obtidos de minerais fosfóricos
provenientes de rochas fosfáticas (SILVA, 2001). As etapas variam em função do tipo de
processo adotado na geração do ácido fosfórico: processo anidro, hemihidratado ou
dihidratado.
Mangin (1978) relata que os custos de produção relativamente mais altos
possibilitam a obtenção de um fosfogesso produzido em menor quantidade e com menos
impurezas. Mesmo assim, é mais vantajosa, sob o ponto de vista econômico, a utilização dos
processos dihidratado e hemihidratado. A seguir, tem-se um resumo das etapas de cada
processo.
32
2.5.1 Processo dihidratado
No Brasil, o processo dihidratado tem sem uso industrial mais difundido. A maior
diferença entre os processos dihidratado é o tipo de reator utilizado na etapa de reação.
No processo dihidratado, o ácido sulfúrico e um reciclo de ácido fosfórico fraco são
alimentados ao reator em conjunto com o concentrado fosfático na granulometria adequada. É
realizada uma pré-mistura do ácido sulfúrico e do ácido fosfórico fraco, possibilitando
recuperação da energia liberada pela reação entre esses compostos. A fim de controlar a
temperatura entre 78 a 80 °C existe a necessidade de resfriamento do sistema de reação. Uma
das formas de exercê-lo consiste em promover a recirculação de parte da polpa em um
resfriador a vácuo. Outra via bastante utilizada é a circulação forçada de ar através da polpa
de reação (CEKINSKI et al., 1990).
Da etapa de reação, a polpa segue para a seção de filtração e lavagem, composta de
três etapas. Primeiramente é feita a 1ª filtração, sendo este 1º filtrado enviado para estocagem
(H3PO4 a 28-30% de P2O5). Na segunda etapa, composta da 1ª lavagem e 2ª filtração é
produzido o segundo filtrado, que é reciclado ao reator (H3PO4 fraco, 20% de P2O5).
E finalmente, na terceira etapa é feita a segunda lavagem e a 3ª filtração. O 3ª
filtrado segue para realizar a 1ª lavagem e o subproduto sólido separado, denominado
fosfogesso, é enviado para área de armazenamento ou deposição, como observado na Figura
2.5.
Figura 2.5 - Subproduto sólido separado, denominado fosfogesso
O produto obtido no 1º filtrado segue para a unidade de evaporação onde é
concentrado em evaporadores a vácuo. A concentração é feita na maioria dos casos em duas
33
etapas: na primeira, o ácido é levado até a concentração de 40 a 42% de P2O5 e na segunda
etapa, o produto atinge a concentração de 50 a 54% de P2O5. Em cada estágio é aplicado um
evaporador de simples efeito e os estágios são ordenados em série, dependendo da aplicação
posterior à qual o produto é destinado.
Segundo Silvestre (2002), as desvantagens deste processo estão ligadas ao menor
rendimento de produção do ácido fosfórico, onde a concentração de P2O5 varia de 28 a 30%, e
à grande quantidade de impurezas presentes no fosfogesso obtido, tais como: resíduos de
ácidos fosfórico e sulfúrico e de metais pesados, que por suas características e concentrações,
podem poluir o meio ambiente. Este tipo de fosfogesso tem recebido maior incentivo para sua
reciclagem, por ser mais poluente e gerar maior acúmulo de material nos depósitos, em
comparação aos outros tipos (NANGIN, 1978, citado por SILVESTRE, 2002).
2.5.2 Processo hemihidratado
Este é o processo mais empregado na Europa, África e principalmente no Japão. O
processo desenvolve-se a temperatura de 93°C a 132°C e produz ácido fosfórico
hemihidratado a uma concentração de 38 a 42% de P2O5. A média da produção de 1 tonelada
de ácido fosfórico gera 4,3 toneladas de fosfogesso hemihidratado.
De acordo com Silvestre (2002), as vantagens desse processo são as concentrações
mais altas de P2O5 em relação ao processo dihidratado, a dissolução mais rápida da rocha
fosfática e a maior velocidade de filtragem do ácido fosfórico. Kouloheris (1981), citado por
Silvestre (2002), observou que a maior concentração de P2O5 gera um fosfogesso com
partículas mais finas e com menos quantidade de impurezas. Como desvantagem, o processo
exige maiores custos de produção e a presença de pequenas quantidades de cristais de
fosfogesso dihidratado no sistema de filtragem pode causar a hidratação do fosfogesso
hemihidratado, dificultando sua separação do ácido fosfórico.
A maioria das fábricas de fertilizantes fosfatados do Japão utiliza um método
modificado do processo hemihidratado que transforma diretamente o fosfogesso em matéria-
prima para produção de cimento Portland, sem que o mesmo passe por onerosos tratamentos
de purificação. Esse método é conhecido como processo “hemi nissan”, resultando no tipo de
fosfogesso de mesmo nome e utilizado como substituto do gesso natural. A implantação desse
processo no Japão é estimulada pela carência de jazidas minerais contendo gesso natural
(gipsita) em seu território. Goers (1980) relata que esse método, além de ser o primeiro a
34
produzir fosfogesso de qualidade suficiente para o seu emprego imediato na indústria do
cimento, pode se adaptar a outras aplicações do fosfogesso na construção civil, como na
produção de argamassa e blocos de alvenaria.
2.5.3 Processo anidro
Para a produção do fosfogesso em condições anidras o processo se desenvolve a
temperaturas de 120°C a 130°C. A produção de 1 tonelada de ácido fosfórico gera cerca de
3,5 toneladas de fosfogesso anidro. Apesar de produzir menor quantidade de fosfogesso,
poucas fábricas no mundo adotam o processo anidro, em decorrência dos elevados custos de
produção provocados pela corrosão acelerada de máquinas e equipamentos industriais e pelo
alto consumo de energia durante sua operação. Atinge-se aproximadamente uma concentração
de 50% de P2O5 no ácido fosfórico produzido por este método.
2.6 CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS
A composição química do fosfogesso varia com a natureza da rocha fosfática de
origem e das operações industriais para a obtenção do ácido fosfórico. Desta forma, a
concentração de cada elemento ou composto químico desse subproduto varia entre indústrias.
No processo úmido, a definição da composição química do fosfogesso está relacionada aos
processos de reação química entre suas matérias-primas e do grau de filtragem usado na
separação entre o ácido fosfórico e o fosfogesso.
A concentração de gesso ou de sulfato de cálcio no fosfogesso situa-se numa faixa
de 80 a 90%, e o percentual restante é constituído por impurezas. Conforme apresentado na
Tabela 2.3, Silvestre (2002) apresenta alguns resultados de análises químicas de fosfogesso
dihidratado produzidos na Turquia (ERDEM; OLMEZ, 1989), nos estados norte-americanos
da Florida, Lousiana e Texas (TAHA; SEALS, 1991) e na Jordânia (MOHAMMAD et al.,
1999). Os compostos são representados pela sílica (SiO2) e os óxidos de ferro (Fe2O3), e
alumínio (Al2O3).
De acordo com Silvestre (2002), as impurezas encontradas no fosfogesso podem
ser divididas em dois grupos: as pertencentes e as não pertencentes a sua composição química.
As impurezas do primeiro grupo são formadas por vários elementos e compostos. Os
35
elementos mais comuns são: arsênio (As), bário (Ba), cádmio (Cd), cromo (Cr), chumbo (Pb),
mercúrio (Hg), selênio (Se) e prata (Ag), também conhecidos como metais pesados por
possuírem massa atômica elevada e que, a partir de determinadas concentrações, tornam-se
elementos poluentes, oferecendo riscos de contaminação do solo e de mananciais de água que
estejam próximos aos depósitos de fosfogesso. A Tabela 2.4 apresenta as concentrações
típicas destes elementos na composição de um fosfogesso bruto. Outras impurezas desse
grupo é a presença dos elementos radioativos rádio-226 (226Ra), urânio-238 (238U) e radônio-
222 (222Rn), estes elementos do fosfogesso terão suas características radiológicas abordada em
detalhe no item 2.8.
Tabela 2.3 – Composição química dos fosfogesso dihidratado produzidos na Turquia (ERDEM; OLMEZ, 1989), nos estados norte-americanos (TAHA; SEALS, 1991) e na Jordânia (MOHAMMAD et al., 1999) - modificado de Silvestre (2002)
Teor (%) EUA
Composto
Louisiana Texas Florida Turquia Jordânia
CaO 29-31 32,5 25-31 30,7 34,09 SO3 50-53 53,1 55-58 42,66 47,19 SiO2 5-10 2,5 3-18 n/d 1,24
F 0,3-1,0 1,2 0,2-0,8 0,79 n/d P2O5 0,7-1,3 0,65 0,5-4,0 1,02 0,90 Fe2O3 0,1-0,2 0,1 0-0,1 0,5 0,64 Al2O3 0,1-0,3 0,1 0,1-0,3 0,5 0,06
pH 2,8-5,0 2,6-5,0 2,5-6,0 n/d n/d n/d – não determinado
Tabela 2.4 – Concentração dos elementos que pertencem a matriz de impurezas do fosfogesso bruto (Fonte: Florida Institute of Phosphate Research – EUA) - modificado de Silvestre (2002)
Elemento Concentração (ppm) As 1,0-5,0 Ba 50,0 Cd 0,3-0,4 Cr 2,0-5,0 Pb 2,0-10,0 Hg 0,02-0,05 Se 1,0 Ag 0,1-0,2
U3O8 5,0-10,0
As impurezas do segundo grupo são também conhecidas como impurezas livres,
constituídas de areia, matéria orgânica, pequenos fragmentos não reativos de rocha fosfática e
os ácidos fosfórico (H3PO4), sulfúrico (H2SO3) e fluorídrico (HF).
36
Goers (1980), ressaltou a importância de se analisar o teor de P2O5 na massa de
fosfogesso como principal fator na escolha dos métodos de beneficiamento do subproduto.
Gadalla et al. (1990), citado por Silvestre (2002), fizeram uma série de análises
químicas de fosfogesso provenientes de vários depósitos no Texas (EUA) e relataram que o
fosfogesso menos ácido origina-se de depósitos mais antigos e a sua acidez aumenta com a
profundidade de cada depósito. Os autores atribuem essa queda de acidez à lixiviação do
fosfogesso provocada lentamente por agentes climáticos como vento, chuva, sol, etc. Vão
sendo eliminados gradualmente através da lixiviação os ácidos fosfórico e sulfúrico, as
impurezas solúveis em água, em citratos e em sulfatos, substâncias voláteis e os metais
pesados.
2.7 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS
A distribuição granulométrica do fosfogesso depende do processo de produção de
ácido fosfórico e do grau de trituração da rocha fosfática usada. As dimensões das partículas
de fosfogesso, geralmente, variam de 0,02 a 0,05 mm, com mais de 75% do total das
partículas passando na peneira nº. 200 (CHANG; MANTELL, 1991; GHAFOORI; CHANG,
1991, citados por KOBAYASHI, 2000). A Figura 2.6 apresenta a distribuição granulométrica
do fosfogesso do “Freeport-McMoran, Inc.”, obtida através de um estudo de Taha e Seals
(1991), modificados de Kobayashi (2000).
Figura 2.6 - Distribuição granulométrica do fosfogesso de “Freeport-McMoran, Inc”. (TAHA; SEALS, 1991, modificado de KOBAYASHI, 2000)
37
Classificando-se o fosfogesso como um solo pela Classificação “Transportation
Research Board” (TRB), seria um solo siltoso (A-4) com pouca ou nenhuma plasticidade, e
pelo Sistema Unificado de Classificação de Solos (SUCS) ou “Unified Soil Classification
System” (USCS), como um material siltoso de baixa plasticidade (ML) (GERRITY et al.,
1994). De acordo com ensaios de laboratório realizado por Ortiz (1997), para a caracterização
de um fosfogesso anidro, constatou que esse material em seu estado natural possui
granulometria variada com grande percentual de partículas finas, cuja maior parte de seu
diâmetro enquadra-se na faixa entre 0,02 a 0,5mm. Este subproduto apresentou índice de
plasticidade nulo. O material analisado foi obtido de um depósito da indústria FOSFERTIL,
localizada no município de Uberaba (MG).
Os valores de massa específica dos sólidos de fosfogesso dihidratado encontrados
por Gregory et al. (1994), Nanni; Chang (1989), Ghafoori; Chang (1993) e Maccarini (1991),
citados por Silvestre (2002), foram, respectivamente, de 2,30, 2,42, 2,39 e 2,40g/cm3, com
amostras de diferentes fontes. O fosfogesso estudado por Maccarini (1991) foi produzido em
Santa Catarina, Brasil e os demais autores originaram-se dos EUA.
Taha e Seals (1992) realizaram análise física do fosfogesso dihidratado de um
depósito da empresa “Freeport-McMoran, Inc.”, Lousiania, EUA. Os autores mostraram que
este subproduto comporta-se como material não-plástico, com 75% de suas partículas
passantes na peneira nº. 200.
2.8 CARACTERÍSTICAS RADIOLÓGICAS
É de conhecimento que o homem sempre esteve, de forma inevitável, exposto às
radiações de origem natural. Essas radiações, excetuando-se os raios cósmicos, têm como
origem os radionuclídeos naturais dispersos no meio ambiente. Os radionuclídeos naturais
podem, de acordo com a sua origem, pertencer a duas classes: os primordiais e os
cosmogênicos. Os radionuclídeos primordiais são aqueles que existem na crosta terrestre
desde a sua formação, podendo ser integrantes de uma série de decaimento radioativo ou
decair, de forma isolada, diretamente para um isótopo estável (238U, 232Th, 40K). Os
radionuclídeos cosmogênicos são formados a partir de reações nucleares entre os átomos dos
elementos presentes na atmosfera e os raios cósmicos, os principais são o 14C e o 3H (ROSA,
1997).
38
Algumas grandezas e unidades da Física Nuclear são: a exposição, a dose
absorvida, a dose equivalente e a atividade (OKUNO, 1988). A exposição é uma grandeza que
caracteriza o feixe de raios X e gama e mede a quantidade de carga elétrica produzida por
ionização, no ar, por essa radiação, por unidade de massa do ar. A unidade de exposição
inicialmente adotada foi o Roentgen (R), atualmente substituída pela unidade Coulomb por
quilograma (C/kg), do Sistema Internacional de Unidades (SI), sendo que 1R = 2,58.10-4 C/kg
(OKUNO, 1988). A dose absorvida é a energia média cedida pela radiação ionizante à
matéria, por unidade de massa dessa matéria. A sua unidade anterior era o rad (“radiation
absorbed dose”) que corresponde 0,01 J/kg (Joule/kg) e atualmente, pelo SI, é o Gray (Gy),
onde 1 Gy = 1J/kg = 100 rad (OKUNO, 1988).
A dose equivalente considera que, para uma mesma dose absorvida, o efeito
biológico poderá ser maior ou menor, dependendo do tipo de radiação. Anteriormente, a
unidade de dose equivalente era medida em rem (“radiation equivalent in man”), sendo que 1
rem = 1 rad. Conforme o SI, a unidade de dose equivalente é medida em Sievert (Sv), sendo 1
Sv = 1 Gy. A dose equivalente anual a que uma pessoa está submetida, devido à radiação
natural é em média, da ordem de 1 mSv = 100 mrem (OKUNO, 1988). A atividade de uma
amostra radioativa corresponde ao número de desintegrações nucleares de seus átomos, por
unidade de tempo. No SI, a unidade de atividade é o Becquerel, sendo 1 Bq = 1 dps
(desintegração por segundo). O Becquerel substitui o Curie (Ci) que representa a atividade de
1 g de rádio, sendo que 1 Ci corresponde a 3,7x1010 dps e ,consequentemente, a 3,7x1010 Bq
(OKUNO, 1988). A Tabela 2.5 resume as grandezas citadas e as conversões entre unidades.
Tabela 2.5 – Algumas grandezas e unidades da Física das Radiações (OKUNO, 1988) Grandeza Unidade
antiga Unidade no SI
Taxa de Exposição Roentgen (R) 1R = 2,58.10-4 C/kg (Coulomb/kg), Dose Absorvida Rad Gray (Gy); 1 Gy = 1J/kg = 100 rad
Dose Equivalente Rem Sievert (Sv); 1 Sv = 1J/kg (Joule/kg) = 100 rem. Atividade Curie (Ci) Becquerel (Bq); 1 Ci = 3,7x1010 dps = 3,7x1010 Bq
No processamento químico da rocha fosfática ocorre uma ruptura do equilíbrio
radioativo existente, em decorrência das diferenças de afinidades químicas dos radionuclídeos
presentes no minério (ROSA, 1997). O exemplo típico desse comportamento é o apresentado
pelo urânio e o rádio que são predominantemente, encontrados no ácido fosfórico e no
fosfogesso respectivamente.
39
Nas rochas fosfatadas, os vários membros da série natural do Urânio (238U), Tório
(232Th) e seus produtos de decaimento encontram-se em equilíbrio radioativo. Após a digestão
da rocha, em plantas que utilizam o processo por via úmida para a produção de fertilizantes, o
equilíbrio é quebrado, havendo redistribuição dos radionuclídeos. Aproximadamente 86% do 238U e 70% do 232Th vão para o fertilizante, enquanto 80% do 226Ra vão para o fosfogesso
(TITTLEBAUM et al., 1995). Estes radionuclídeos passam então a se comportar de acordo
com suas propriedades químicas. Com o processo, os elementos que se encontram na rocha
matriz são redistribuídos nos produtos intermediários, finais e subprodutos. A série de
decaimento do 238U e do 232Th pode ser observada nas Figuras 2.7 e 2.8. O gás radônio 222Rn é
resultado do decaimento do 226Ra, uma impureza comumente encontrada no fosfogesso. O uso
do fosfogesso como material de construção, principalmente em ambientes onde a taxa de
ventilação é baixa, pode provocar impactos radiológicos devido à exalação do gás 222Rn ser
um risco de se obter doenças cancerígenas (RABI; SILVA, 2005, descrito por CANUT,
2006).
Figura 2.7 - Série de decaimento do 238 U (CANUT, 2006)
40
Figura 2.8 - Série de decaimento do 232 Th (CANUT, 2006)
Segundo Rosa (1997), o crescente interesse da indústria da construção civil em
padronizar os processos construtivos incentivou o uso de gesso em placas e argamassas
projetáveis. Neste estudo foi realizada uma metodologia do equivalente de dose efetiva no
interior de residências, decorrente dos radionuclídeos naturais presentes nos materiais de
construção, considerando as vias de exposição interna e externa. Na avaliação da dose
absorvida resultante da irradiação externa, considera-se o espectro de energias de emissão
gama dos radionuclídeos naturais pertencentes às cadeias do 238U, 232Th e do 40K. Existe
pouca disponibilidade de dados experimentais sobre os coeficientes de transporte para
materiais de construção. Entretanto, a maioria dos dados qualitativos referentes à migração do
radônio no solo, disponíveis na literatura, podem ser consideradas na discussão do transporte
de radônio nos materiais de construção. A Tabela 2.6 apresenta alguns resultados de taxa de
emanação e exalação para materiais de construção comumente utilizados.
Segundo Rosa (1997), estudos realizados por Stranden et al. (1984), mostram que
a taxa de exalação varia com a umidade de maneira diversa da taxa de emanação. Com o
41
aumento da umidade, a taxa de exalação aumenta até que seja atingida uma determinada
concentração de água nos poros da matriz sólida. A partir desse ponto, ela decresce
significativamente, o que pode ser explicado pelo fato de que, apesar do aumento na taxa de
emanação, o transporte por difusão tende a diminuir com o aumento da concentração de água
nos poros, uma vez que o coeficiente de difusão do radônio na água é menor do que no ar.
Tabela 2.6 – Taxas de exalação e de emanação para alguns materiais de construção (FOLKERS, 1983; PORSTENDORFER, 1994, modificado de ROSA, 1997)
Exalação (Bq.m-2.h-1) Emanação (%) Material 220Rn 222Rn 220Rn 222Rn
Gesso 443 2,8 2-4 2-13 Cal 223 4,8 1-2 5-30
Cocreto 155 1,26 6 2-4 Argamassa 86 0,97 0,8 10-25
Tijolo 36 0,18 0,2 0,2-0,7 Areia 184 0,93 - -
Rosa (1997) avaliou o impacto radiológico do uso do fosfogesso na construção
civil. Para tanto, foi realizada a caracterização radiológica do fosfogesso quanto aos teores de
radionuclídeos naturais mais significativos, gerado por duas empresas representativas da
produção nacional. Foi estabelecida uma metodologia para quantificar a exposição à radiação
decorrente do uso de fosfogesso em placas e argamassas numa residência de referência, para
vários cenários de utilização do mesmo. Foram consideradas as vias de irradiação externa e a
inalação de urânio e tório e de seus descendentes de meia-vida curta.
Obteve-se valores para o equivalente de dose efetiva anual individual entre 0,12 a
1,95 mSv.a-1 (média sievert/ano), dependendo da origem e do cenário de utilização do
fosfogesso considerado. A inalação de tório e seus descendentes de meia-vida curta
contribuem com até 80% do valor da dose. Os resultados mostram a importância do
desequilíbrio radioativo da cadeia do tório nesse tipo de avaliação. Mostram também, que essa
prática, dependendo da origem do fosfogesso e do cenário de utilização, conduz a valores de
dose que justificam a adoção de controles. Conclui-se que essa prática deve ser analisada caso
a caso e que a metodologia adotada mostrou-se adequada para quantificar a dose e as
conseqüências do desequilíbrio radioativo da cadeia do tório nesse tipo de avaliação.
De acordo com Bowie e Plant (1983), citado por Raij (2003), os teores médios de
urânio em solos variam de 1 a 5 mg.kg-1, o que não difere muito dos limites dados para rochas
42
e solo na crosta terrestre. Como o urânio apresenta maior mobilidade que o rádio, do ponto de
vista geológico, os dois elementos podem ser separados por processos de intemperismo e
lixiviação. Os teores de rádio são, de acordo com os autores, da ordem de 3,7 a 78 Bq.kg-1.
Estas quantidades dos elementos radioativos tório (232Th) e urânio (238U) já asseguram a
existência de radioatividade em solos.
A irradiação direta existente em reutilização na construção de estradas pode ser
radiologicamente relevante. No entanto, levantamentos realizados em trechos acabados de
estradas na qual o fosfogesso foi utilizado mostraram que as taxas de exposição não
apresentam valores discerníveis (FERNANDES et al., 2004).
As preocupações devidas à radioatividade são de várias naturezas, em geral
associadas ao risco de câncer. Quando possível, o efeito da exposição é expresso em forma do
aumento do risco em contrair câncer com o aumento da exposição. Qualquer consideração
relacionada à exposição à radioatividade, ou melhor, qualquer tipo de radiação, deve levar em
conta o fato de a exposição às radiações representarem uma realidade a que as pessoas estão
sujeitas (BOWIE; PLANT, 1983). A possível ocorrência de elevadas concentrações de
radônio (222Rn) em residências, proveniente do solo, é umas das grandes preocupações que, de
certa forma direcionam as pesquisas e ações práticas. O movimento do radônio no ar depende
de processos de emanação, difusão, advecção, absorção em fase líquida e adsorção em fase
sólida (UNSCEAR, 2000).
A maior preocupação radiológica-ambiental relacionada com o uso do fosfogesso
na agricultura não é a absorção dos radionuclídeos pelas plantas, mas o risco de elevados
níveis de radônio (222Rn) no interior de residências e, no caso de regiões rurais onde o
fosfogesso foi utilizado se transformarem em área urbanas (RUTHERFORD et al., 1994,
citados por SILVA et al., 2002).
Um dos problemas ambientais associados à armazenagem e ao uso do fosfogesso é
a presença do elemento 226Ra, pois este decai para o gás radônio-222 (222Rn), que é liberado
para a atmosfera (FOXWORTHY et al., 1994).
Para minimizar os riscos à saúde humana, que poderiam ser causados pelas
emissões radioativas do fosfogesso, a “Environmental Protection Agency” (EPA), nos
Estados Unidos, estabeleceu critérios para o uso do fosfogesso, através de “National Emission
43
Standards for Radon Emissions from Phosphogypsum Stacks” (40 CFR Part 61), em junho de
1992. A EPA exigiu a armazenagem do fosfogesso em minas ou pilhas monitoradas, proibiu o
uso de fosfogesso na construção rodoviária e de fosfogesso contendo mais de 10 pCi/g (pico
Curie por grama) de 226Ra na agricultura, além de limitar a quantidade de fosfogesso em 318
kg (700 lb) para uso em pesquisas ou projetos em desenvolvimento (JAMES, 1995).
Entretanto, “The Fertilizer Institute” (TFI) solicitou uma reconsideração das exigências da
EPA, devido a um possível erro de cálculo dos riscos ocasionados pelo uso de fosfogesso. O
pedido de reconsideração à EPA foi baseado numa revisão realizada por “SENES Consultant
Ltd.”. Esta revisão indicou diversos fatores que levaram a EPA a superestimar a exposição
razoável máxima, “Maximum Reasonable Exposure” (MRE), por um fator de 6 para a
aplicação do fosfogesso em solos e no uso do fosfogesso na construção rodoviária, e por um
fator de 40 para a aplicação do fosfogesso em laboratórios de pesquisa. Em resposta à
solicitação do TFI, a EPA, em março de 1994, permitiu o uso de 1590 kg (3500 lb) para fins
de pesquisa ou projeto em desenvolvimento (JAMES, 1995, citado por KOBAYASHI, 2000).
Em fevereiro de 1999, após considerar novos fatores de avaliação de riscos do uso
de fosfogesso em laboratório, a EPA adotou, como novo limite máximo, o uso de 3180 kg
(7000 lb) para fins de pesquisa ou projeto em desenvolvimento, através da lei americana “40
CFR Part 61 – Final Rule” (EPA, 1999). Esta lei permite ainda, o uso de fosfogesso segundo
três categorias: (a) uso na agricultura, como condicionador de solos que contenham altas
quantidades de sais ou baixas quantidades de cálcio e outros nutrientes; (b) atividades de
desenvolvimento e pesquisa, como o estudo de materiais para construção civil ou construção
de base rodoviária; (c) outros usos alternativos aprovados pela EPA.
A radioatividade do fosfogesso varia de 17 a 25 pCi/g (pico Curie por grama). As
máximas concentrações permissíveis recomendadas nos Estados Unidos é de 20 pCi/g e, de
25 pCi/g no Reino Unido. Com relação à radiação gama, o fosfogesso tem uma radiação gama
direta de cerca de 30 μR/hr (μRoentgen por hora). Como um ponto de referência, o limite de
exposição ocupacional corresponde a 571 μR/hr (GHAFOORI; CHANG, 1993). Assim,
considerando este aspecto, o fosfogesso poderia ser utilizado como material para construção
de bases e sub-bases de pavimentos por apresentar baixa radiação gama.
As normas brasileiras não estabelecem um limite máximo de exalação de 222Rn,
porém a USEPA (Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos) estabeleceu a média
de 0,74 Bq /m2s (20pCi/ m2s) nas pilhas de fosfogesso em território americano (USEPA,
44
1998). Pelo fato de o Brasil não estabelecer faixas limites de emissão de radônio, a faixa
aplicada é a mesma proposta pela USEPA. É importante ter em mente que esses dados são
valores típicos de outros países, no caso do fosfogesso gerado no Brasil, a situação
provavelmente deve ser diferente, motivado sobretudo, pelas condições de ventilação do
ambiente. Assim sendo, as agências ambientais nacionais, devem estabelecer critérios bem
específicos para a avaliação da periculosidade de resíduos, a partir de estudos prévios bem
estruturados e confiáveis (CANUT, 2006).
Segundo Mazzili (2005), a radioatividade medida no fosfogesso é da mesma
magnitude das observadas nos fertilizantes, fato este que torna viável o reaproveitamento do
fosfogesso como insumo aplicável na engenharia do meio ambiente.
2.9 UTILIZAÇÃO DO FOSFOGESSO
O fosfogesso tem competido economicamente com o gesso natural em países onde
não existem jazidas deste mineral, como por exemplo o Japão. Entretanto, pode haver a
necessidade de secagem e eliminação de suas impurezas, indesejáveis em determinadas
aplicações específicas, o que pode inviabilizar economicamente seu uso. Deve-se considerar
também o fato de que, nem sempre as unidades de ácido fosfórico estão localizadas próximas
ao mercado produtor e consumidor dos derivados de gesso, o que limita ainda mais a sua
utilização (BARTL; ALBUQUERQUE, 1992).
A utilização do gesso químico em quantidades industrialmente interessantes parece
repousar em duas alternativas principais. Uma delas seria a utilização do gesso químico, ou
seja, do sulfato de cálcio, no lugar do calcário para produção do clínquer de cimento Portland.
A outra, seria a utilização do gesso como matéria-prima portadora de cálcio, em que exige que
a mistura crua introduzida no forno de cimento contenha a quantidade mínima de coque ou de
carvão de madeira, necessária para deslocar o enxofre sulfático presente, transformando-o em
SO2 (dióxido de enxofre). O SO2 seria eliminado junto com os gases gerados na utilização de
combustíveis necessários para elevar o conjunto das matérias-primas misturadas à
temperatura exigida para a clinquerização (calcinação redutora) (FREITAS, 2003).
O fosfogesso não pode ser usado em muitas aplicações para substituir o gesso
natural sem um processo caro de purificação. O nível de impurezas encontradas no fosfogesso
45
depende da origem da rocha fosfática, do processo de produção e da eficiência da planta de
processamento. Devido à existência de abundantes reservas de gesso natural com ampla
distribuição geográfica, seu preço de mercado é muito baixo. Desta forma, o uso prático de
fosfogesso requer uma investigação contínua e criativa (CASTILHO JR. et al., 1998).
Atualmente, tem-se a utilização do fosfogesso nos seguintes setores: agricultura,
indústrias, construção civil e pavimentação. A seguir, tem-se o resumo sobre cada tipo de
aplicação.
2.9.1 Na Agricultura
O fosfogesso é largamente usado na agricultura de climas áridos ou semi-áridos,
para remover sódio do solo. A reação é a seguinte (Equação 2.5):
[solo]Na2 + CaSO4 ↔ [solo] Ca + Na2SO4 (2.5)
Ou seja, o gesso remove o sódio do solo e o cálcio entra em seu lugar. Após
aplicação de gesso, o sulfato de sódio deve ser removido por lixiviação promovida por água
de irrigação.
É importante ressaltar a diferença entre calagem e gessagem em solos ácidos. A
calagem atua sobre a acidez da camada superficial ou da camada arável do solo, tendo efeito
em profundidade apenas a longo prazo. Assim, em muitos casos as raízes das plantas não
aprofundam por causa da barreira química representada pela acidez e as produtividades são
comprometidas pela menor absorção de água e nutrientes. Já o gesso atua rapidamente no
subsolo, promovendo o aprofundamento das raízes, favorecendo assim a absorção de água e
nutrientes de camadas profundas, dando maior resistência à seca, além de favorecer a
absorção principalmente de nitrogênio nítrico (RAIJ, 2003).
O potencial de uso do gesso como melhorador do ambiente radicular de subsolos
deve ser muito maior do que o total disponível, se for considerada a enorme região do Brasil
de solos ácidos cultivados com culturas anuais e perenes, além da área de pastagem, algumas
vezes maior e de reflorestamentos. Se for considerada a área cultivada com culturas anuais e
perenes, exclusive pastagens, a aplicação média de 1,5 a 2 toneladas/ha consumiria todo o
estoque de fosfogesso. Se for considerada uma dose de manutenção, para acidez do subsolo
46
de 0,5t/ha, seriam necessárias 25 milhões de toneladas anuais, ou seja, quatro vezes mais do
que a quantidade atualmente produzida de fosfogesso (RAIJ, 2003).
Segundo Chaves e Chieregati (2002), essa aplicação começa a despertar interesse
no Brasil, em função do crescimento das técnicas alternativas de agricultura, especialmente a
agricultura orgânica e a utilização de fertilizantes alternativos aos fertilizantes solúveis
classicamente utilizados. A própria aplicação de rocha fosfática “in natura” precisa ser melhor
estudada, bem como as possibilidades e viabilidade dos diversos tipos de termo-fosfatos. No
Brasil, o fosfogesso tem sido utilizado na agricultura em correção de solos e como fonte de
cálcio e enxofre (ABREU, 1992). O gesso não corrige a acidez, isto é, não aumenta o pH do
solo. Assim sendo, não substitui o calcário, mas completa o seu efeito, reduzindo a
fitotoxicidade do alumínio em profundidade. O gesso aumenta a quantidade de cálcio nas
camadas superficiais quando adequadamente aplicado, isto é, o gesso é um fertilizante que
leva cálcio e enxofre ao solo.
Raij (2003) ressalta a importância do gesso na agricultura brasileira. Para isso
discute-se a natureza dos solos brasileiros e as principais culturas em que o fosfogesso é
empregado. As principais finalidades do insumo são as recuperações de solos alcalinos, a
melhoria do ambiente radicular de subsolos ácidos, o fornecimento de enxofre como
nutriente, o fornecimento de cálcio como fonte diferenciada de cálcio para algumas culturas
exigentes em alta atividade desse nutriente em solos e o condicionamento de propriedades
físicas do solo que afetam erosão, infiltração de água, aeração e compactação. Para a
aplicação de fosfogesso na agricultura, Raij (2003) examinou as conseqüências da presença de
metais pesados e de radionuclídeos no fosfogesso. São substâncias que, embora estejam
distribuídas de forma generalizada em rochas, solos e organismos, encontram-se como
impurezas nos fosfatos e fosfogessos com concentrações em alguns casos bem mais elevadas
do que as encontradas na crosta terrestre. Dessa forma, é necessária atenção para evitar que
eventuais excessos aplicados em solos possam comprometer o meio ambiente ou a segurança
dos alimentos.
O carbonato de cálcio, como calcário agrícola ou como carbonato de alta pureza
para carga em indústrias de tintas e de papel, tem seu mercado atendido (6 milhões e 120 mil
toneladas/ano, respectivamente). O carbonato de cálcio resultante da recuperação de enxofre
poderia substituir o calcário usado na agricultura, a um preço reduzido, visto que o mesmo
47
não necessita de moagem. Seu uso como carga dependeria de um aumento de demanda
(BARTL; ALBURQUEQUE, 1992).
De acordo com estudos já realizados, o uso do fosfogesso na agricultura não
suscita preocupação, do ponto de vista ambiental ou da segurança dos alimentos, relacionados
a metais pesados e radionuclídeos, já que as quantidades adicionadas desses elementos, frente
ao que já existe em solos, são insignificantes.
2.9.2 Na Indústria
2.9.2.1 Produção do enxofre, ácido sulfúrico, sulfato de amônio e estudos biotecnológicos
Bartl e Albuquerque (1992) relatam que praticamente quase todo o enxofre usado
como ácido sulfúrico na produção de fertilizantes, cerca de 68%, fica retido no fosfogesso.
Cada 6,0 toneladas de fosfogesso contêm cerca de 1 tonelada de enxofre recuperável, o que
pode tornar atrativa a recuperação deste enxofre, principalmente nos países carentes de
reservas naturais desta matéria-prima. Esta recuperação pode ser efetuada por três vias, quais
sejam: produção de sulfato de amônio, de ácido sulfúrico ou de enxofre elementar. Em
relação ao mercado, foram consideradas a recuperação do enxofre elementar e como SO2,
produzindo ácido sulfúrico e a obtenção de cimento, carbonato de cálcio, óxido de cálcio e
carbureto de cálcio como co-produtos. O mercado brasileiro de enxofre movimenta cerca de
1,2 a 1,5 milhões de toneladas deste produto anualmente. Considerando que cerca de 80%
deste enxofre é importado, existe a possibilidade de substituição, pelo enxofre recuperado do
fosfogesso, de cerca de 1,0 a 1,2 milhões de toneladas anuais.
Para a produção de ácido sulfúrico, a única alternativa é a substituição do enxofre
utilizado nas plantas existentes pelo enxofre elementar obtido do fosfogesso, já que estas
plantas são totalmente dependentes da energia gerada pela combustão do enxofre. O mercado
brasileiro de ácido sulfúrico encontra-se atendido pela produção atual, o que limita a produção
de SO2 a partir do fosfogesso (BARTL; ALBUQUERQUE, 1992).
De acordo com Silvestre (2002), os sulfatos presentes na composição química do
fosfogesso fornecem dióxido de enxofre (SO2) através de um processo conhecido como
dessulfurização, que consiste na decomposição térmica do fosfogesso misturado com uma
fonte de carbono (geralmente coque de petróleo ou carvão mineral), argila fosfática residual,
48
bentonina, pirita e aditivos químicos de menor importância para ativar a reação entre tais
componentes. Taha e Seals (1992), descrevem que essa reação se desenvolve dentro de um
forno circular rotativo a temperatura média de 1482°C (2700°F), resultando, desta forma, na
formação de gás SO2. O composto assim obtido é usado como matéria-prima para a produção
de ácido sulfúrico. Este processo gera um resíduo sólido, granular e de boa resistência, com
potencialidade de uso como agregado graúdo na construção civil.
Lloyd (1985), citado por Silvestre (2002), relata outro método de dessulfurização
que envolve reações entre fosfogesso, monóxido de carbono e gás hidrogênio, obtendo-se
como produto final o enxofre (S) que é utilizado na fabricação de ácido sulfúrico e alguns
tipos de cimento.
A produção de sulfato de amônio a partir do fosfogesso é feita através do processo
conhecido como Merseberg. Bartl e Albuquerque (1992) relatam que o fosfogesso, depois de
purificado é reagido como amônia e dióxido de carbono, para formar uma mistura de sulfato
de amônio e carbonato de cálcio, de acordo com a seguinte reação (Equação 2.6).
(NH4)2 CO3 + CaSO4 →CaCO3 + (NH4)2 SO4 (2.6)
A reação ocorre em fase líquida, em uma série de reatores e o carbonato de cálcio
é separado do sulfato de amônio por filtração, seguida de cristalização do sulfato de amônio.
A desvantagem deste processo é a crescente substituição do sulfato de amônio como
fertilizante, por outros produtos com maior teor de nitrogênio, tais como nitrato de amônio e
uréia.
Existem microorganismos que, em presença de um substrato orgânico apropriado
(fonte de carbono) e em condições anaeróbicas, são capazes de reduzir os sulfatos, resultando
na produção de H2S, o qual pode ser oxidado a enxofre, também pela ação de
microorganismos. A habilidade das bactérias redutoras de sulfato, como as pertencentes ao
gênero “Dessulfovibrium”, de produzir H2S, tem sido utilizada em processos de metalurgia
extrativa, como modificadores do processo de flotação e na lixiviação de certos metais,
principalmente na Rússia (BARTL; ALBURQUEQUE, 1992).
O uso das bactérias redutoras de sulfato para recuperação de enxofre do fosfogesso
tem sido estudado em vários países. No Brasil, a QUIMBRASIL, em conjunto com a empresa
alemã URANEERZ, desenvolveu estudos preliminares neste campo, cuja maior limitação é a
49
escolha de substratos orgânicos apropriados, ricos em carbono e de baixo custo, de modo a
viabilizar economicamente o processo.
2.9.2.2 Na indústria cimenteira
A indústria brasileira de cimento, com 45 milhões de toneladas de capacidade
instalada, comercializa cerca de 25 milhões de toneladas por ano, operando cerca de 45% de
capacidade ociosa. Entretanto, o óxido obtido do fosfogesso poderia substituir, com
vantagens, o calcário usado na indústria de cimento, em locais onde estas matérias-primas são
de baixa qualidade (BARTL; ALBUQUERQUE, 1992).
Castilho Jr. et al. (1998) relata que cerca de 19% do fosfogesso consumido é usado
como aditivo para o cimento. Adicionando cerca de 3 a 5% de gesso ao cimento, retarda-se o
tempo de pega, reduzindo a fissuração, acelerando o ganho de resistência inicial e
aumentando a resistência final, o que proporciona uma maior resistência a elementos como
sulfatos. O fosfogesso tem que ser tratado para remover impurezas como fosfatos, fluoretos e
componentes orgânicos que afetam a qualidade do cimento. O fosfogesso contém entre 20 a
30% de água, o que dificulta a manipulação durante o transporte e o estoque junto ao cimento.
Geralmente, o gesso é adicionado ao clínquer do cimento para regular o tempo de
pega do mesmo. O gesso ainda influencia o desenvolvimento de resistência, a retração e
expansão durante a cura. A quantidade ótima de gesso a ser adicionado ao cimento está
relacionada com a quantidade de aluminato tricálcico (C3A), finura e conteúdo de álcali no
cimento. Quando a quantidade de SO3 no cimento fica acima de nível, com exceção de
cimentos com quantidade de C3A muito pequena, há um grande aumento na expansão durante
o período de 7 dias. A velocidade de endurecimento aumenta com o aumento da quantidade
de gesso até determinado limite, após o qual, a adição de mais gesso causa diminuição nesta
velocidade de endurecimento. A reação de C3A e gesso, na presença de cal, formam a
etringita, e como conseqüência, pode ocorrer grande expansão. A formação de etringita não é
importante em argamassas de baixa resistência e rigidez, tais como as normalmente usadas em
alvenaria. Por esta razão, foi testado o uso de fosfogesso em lugar do gesso natural para
fabricar cimento para alvenaria (CASTILHO JR. et al., 1998).
50
2.9.3 Na Construção Civil
O fosfogesso tem sido usado em alguns países na fabricação de placas, painéis,
tijolos e ladrilhos, destinados à construção civil. Inicialmente, ele necessita ser purificado, o
que é feito através de calcinação e recristalização para a forma hemihidratada.
Chang e Mantell (1990) mostram que vários usos foram tentados para o fosfogesso
como material de construção. As opções mais bem sucedidas foram as que propuseram o uso
de fosfogesso como substituto para o gesso natural, como matéria-prima para fabricação de
tijolo ou para fabricação de cimento e argamassas. Podem ainda ser encontradas na literatura
indicações de uso em aplicações tais como: mastique para coberturas de pisos, ladrilhos
decorativos, agregado leve, material isolante, blocos calcinados para uso interno e outros.
O fosfogesso passa por um processo de lavagem a fim de remover impurezas
solúveis na água e partículas finas. O fosfogesso purificado passa por um filtro e o material
retido no filtro é secado através de uma centrífuga. Metade da produção de gesso é vendida
como gesso para utilização diversa, sendo que 1/3 é utilizado na produção de painéis. O
fosfogesso para ser utilizado em painéis ou como aditivo para cimento, deve ter as impurezas
removidas ou pela modificação do processo de fabricação do ácido fosfórico ou por processo
de limpeza suplementar (CEKINSKI et al., 1990).
Carmichael (1988) aponta que em 1988, cerca de 15% da produção mundial de
fosfogesso estava sendo utilizada como alternativa ao gesso natural. Dos 85% restantes de
fosfogesso impuro, muito pouco estava sendo utilizado como material de construção. Informa
ainda que têm sido utilizados tijolos de cinza volante com fosfogesso na China. Segundo o
autor, o custo destes blocos é inferior ao custo de tijolos de argila.
Sing e Garg (1995), citados por Castilho Jr. et al. (1998), estudaram as
possibilidades de uso do fosfogesso como componente na fabricação de materiais de
construção (tijolos, painéis, telhas, etc.) junto com outros resíduos (escórias de alto forno e
cinzas volantes).
Tenri et al. (1982), descritos por Castilho Jr. et al. (1998), investigaram a
possibilidade de mistura de fosfogesso no estado natural como aditivo em argamassas e em
cimentos para alvenaria. Os ensaios com adição de fosfogesso como aditivo de argamassas
buscaram determinar a possibilidade de usar fosfogesso como substituto da cal, para conferir
51
à argamassa trabalhabilidade, retenção de água e plasticidade. Os autores buscaram uma
relação de 1:3 na composição (1 parte de cimento e fosfogesso para 3 de areia). A areia usada
no experimento em todas as argamassas tinha módulo de finura de 1,75. A consistência média
na “flow table”, foi de 110 ± 5%. A argamassa foi testada em relação à retenção de água e
resistência à compressão. Os resultados mostraram que fosfogesso aumenta a retenção de
água, e por conseqüência a trabalhabilidade da argamassa, se comparados com argamassa
apenas de cimento e areia. No entanto, não atinge a mesma retenção da argamassa com cal.
2.9.4 Na Pavimentação
Ultimamente, diversos estudos foram desenvolvidos de modo a possibilitar o
aproveitamento do fosfogesso em misturas com solos “in natura” ou com aditivos, visando
melhoria das propriedades dos solos para ser usada como camada final de terraplenagem,
reforço, sub-base e base de rodovias e aterros.
Tem sido proposto na construção rodoviária o emprego de resíduos da geração de
energia, das indústrias do aço, de adubos, fundição e outros produtos comumente descartados,
como pneus e embalagens PET. Diversos estudos têm sido desenvolvidos visando à utilização
do fosfogesso como material de construção de bases ou sub-bases de pavimentos, sendo que a
maior parte das pesquisas tem sido conduzida pelo “Laboratoire Central des Ponts et
Chausees” (LCPC) na França, pelo “Institute for Recyclable Materials” (IRM) e pelo “Florida
Institute of Phosphate Research” (FIPR), sendo estes dois últimos institutos localizados nos
Estados Unidos (OLIVEIRA et al., 2005).
Em trabalhos estudados por Ruggiano e Rau (1982), citados por Castilho Jr. et al.
(1998), o fosfogesso utilizado na construção de rodovias estava na forma dihidratada ou
hemihidratada, isto é, não foi previamente desidratado para seu emprego no campo. Assim, o
fosfogesso estava em seu estado natural, ou seja, nas condições em que se encontrava na pilha
de estocagem. O aquecimento prévio (130°C, aproximadamente) onera em demasia os custos,
diminuindo a competitividade do fosfogesso comparativamente aos materiais tradicionais.
De acordo Castilho Jr. et al. (1998), em todos os casos analisados de aplicação
prática do fosfogesso na construção de pavimentos, constatou-se que:
52
• O mesmo foi utilizado para rodovias secundárias ou de pouco tráfego. Explica-se este fato
facilmente, pois o fosfogesso encontra-se em seu estágio inicial de pesquisa e como tal
ainda não se conhece suficientemente seu comportamento na prática a curto e muito menos
a longo prazo;
• Dos estudos que se dispõem, a médio prazo verificou-se que o fosfogesso parece apresentar
uma melhora nas suas qualidades, como camada de pavimentos, com o passar do tempo,
embora não se tenha comprovado plenamente as causas deste melhoramento;
• Do ponto de vista dos comportamentos mecânico e hidráulico, o fosfogesso apresenta, em
todos os trabalhos analisados, um desempenho considerado tão bom ou superior ao
desempenho de materiais convencionais;
• Os valores de “California Bearing Ratio” (CBR) e expansão nos casos estudados foram
considerados plenamente satisfatórios, isto é, o fosfogesso apresentou baixa expansão e uma
boa capacidade de suporte.
Saylak e Unger (2003) realizaram estudos avaliando duas diferentes pilhas de
fosfogesso, mas com mesmo tipo de armazenagem, em estudo como material de base e sub-
base para pavimentos. O fosfogesso apresentava o mesmo teor de umidade, idade e pH. A
pesquisa foi realizada de acordo com critérios aceitáveis pelo Departamento de Estradas do
Estado do Texas. Foi utilizada uma mistura fosfogesso e cimento Portland na sub-base para
pavimentos. Assim, tem-se que projetos bem sucedidos refletem o uso do fosfogesso como
estabilizador para outros estudos.
O uso de fosfogesso em base e sub-base de pavimentos urbanos e rodoviários já é
realidade em alguns países. Nos Estados Unidos, trechos de rodovias foram construídos
utilizando o resíduo fosfogesso. Um exemplo do sucesso alcançado pelo uso do fosfogesso
está localizado na cidade de La Porte no estado do Texas. Testes e monitoramentos realizados
ao longo de 5 anos, após a construção de um trecho da malha viária, sinalizaram e indicaram
que o pavimento sob tráfego intenso ainda apresenta boa capacidade de suporte, ocasião em
que utilizou-se na base misturas de fosfogesso e cimento nas proporções de 90% e 10%,
respectivamente (CHANG et al., 1989).
53
2.10 ESTUDOS AMBIENTAIS
A maior parte do fosfogesso produzido no mundo é estocada em pilhas, conforme
apresentado na (Figura 2.9d). Estas podem ser executadas a partir de material empolpado
(Figura 2.9a) ou em lagoas de decantação com diques formados pelo próprio material, ou com
o material previamente desaguado sendo o transporte feito por caminhões até a área de
deposição (Figuras 2.9b e 2.9c). O transporte do material em polpa, por sua vez, é realizado
por bombeamento em concentração da ordem de 5 a 20% de sólidos para bacias de
sedimentação. Após a sedimentação, a água que contém resíduos ácidos é retirada e tratada.
Após evaporação natural da umidade, o material é retirado por “drag lines” e depositados em
pilhas. A formação de pilhas sobre o solo (Figura 2.9d), além da ocupação do espaço, pode ter
efeitos sobre o meio ambiente (CASTILHO JR. et al., 1998)
No que se referem à água das lagoas de sedimentação, estas são ácidas e trazem
em sua composição, entre outros, fluoretos e materiais radioativos, os quais podem percolar
no solo e atingir lençóis de águas subterrâneas. As pilhas construídas com material retirado
das lagoas também contêm grandes quantidades de materiais poluentes, que podem ser
lixiviados pelas águas das chuvas e atingir mananciais subterrâneos ou superficiais. Para
prevenir tais problemas várias técnicas são empregadas, como impermeabilização do solo
com mantas impermeabilizantes, sob as pilhas de fosfogesso e o controle da percolação e
escoamento da água, através das construções de canais de drenagem (Figura 2.10). Todas
estas técnicas, no entanto, não dispensam um constante monitoramento da área em torno das
lagoas e pilhas para detectar possíveis percolações de elementos nocivos.
54
Figura 2.9 - Etapas da deposição de fosfogesso: (a) Detalhe do trilho para escoamento do fosfogesso; (b) Detalhe da saída do trilho e depósito do fosfogesso em caminhões; (c) Transporte do fosfogesso para a pilha; (d) Detalhe da pilha de fosfogesso
Figura 2.10 - Sistema de drenagem da pilha de fosfogesso
Freitas (1992) relata que o descarte final do fosfogesso pode ser realizado de duas
maneiras: através de empilhamento em grandes áreas próximas às fábricas ou, mais
(a) (b
(c) (d(d)
(b)
55
raramente, descarregando-o em rios ou oceanos, ambos causando variáveis graus de impacto
ao meio ambiente.
Os problemas ambientais decorrentes da estocagem ao ar livre têm as seguintes
origens: contaminação atmosférica com fluoretos e outros elementos tóxicos; poluição das
águas subterrâneas; inalação de poeiras (partículas minúsculas) e impacto visual.
A reciclagem implica no reaproveitamento do resíduo sólido dentro do processo
gerador, ou em outro tipo de produto de maneira a não dispô-lo no meio ambiente. Quando o
fosfogesso é reutilizado, também devem ver avaliadas essas questões ambientais. Castilho Jr.
et al. (1998) cita que Wissa e Fuleihan (1984) demonstraram que os aspectos ambientais da
disposição do fosfogesso são diretamente relacionados às condições hidrológicas nas áreas em
que este se encontra inseridos e que, a atenuação do lixiviado, depende das características do
subsolo. Segundo os autores, o processo de estocagem do fosfogesso em bacias faz com que a
água percolada e encontrada no interior da bacia, seja fortemente ácida (pH na ordem de
dois). Estes líquidos contêm importantes níveis de concentração de diferentes contaminantes
(fluoretos, fosfatos e sulfatos), variando de 3000 mg/l a 9000 mg/l. Desta forma, o lixiviado
desse tipo de instalação é uma fonte potencial de contaminação.
May e Sweeney (1983), concluíram em seus estudos que a pilhas de fosfogesso da
Flórida não são tóxicas e os elementos traços não são lixiviados. Nesta mesma linha se
orientaram outros estudos que investigaram o potencial de poluição da água subterrânea pelo
fosfogesso utilizado como base para construção de rodovias (CHANG et al. 1989;
BANDYOPADHYAY et al. 1990; NIFONG, 1990, citados por SILVESTRE, 2000). Estes
trabalhos não demonstram efeitos adversos substanciais na qualidade das águas subterrâneas.
Castilho Jr. et al. (1998) realizou ensaios de lixiviação com o fosfogesso coletado
no final do processo industrial e com o fosfogesso coletado nas pilhas da Copebrás-Cubatão
(1997). Este ensaio foi realizado segundo a NBR 10.005 (ABNT, 1987) – Lixiviação de
Resíduos, que fixa as condições para a lixiviação de resíduos, tendo em vista sua classificação
e tem por objetivo separar certas espécies químicas contidas no resíduo por meio de lavagem.
O ensaio de lixiviação consiste em colocar 100g de resíduo previamente seco em estufa em
contato com 1600 ml de água deionizada a uma agitação constante, durante 24 horas. Em
seguida, essa mistura é filtrada, separando-se todas as partículas de diâmetro igual ou superior
a 0,45µm. Após esse procedimento a amostra é encaminhada para a análise dos elementos
56
químicos. A análise da amostra foi realizada no Laboratório Integrado de Meio Ambiente –
LIMA, da UFSC, em 30/12/1997, através do método de Cromatografia de Troca Iônica
(DIONEX 120) e os resultados são apresentados na Tabela 2.7.
Tabela 2.7 – Resultados dos ensaios de lixiviação com o fosfogesso coletado no final do processo industrial e com o fosfogesso coletado nas pilhas da Copebrás-Cubatão (modificado de CASTILHO JR. et al., 1998)
Íons Fosfogesso coletado no final do processo industrial
Fosfogesso coletado nas pilhas
Unidade mg/l mg/kg * Mg/l mg/kg * Sódio 1,44 23,04 0,80 12,80
Amônia ND - 0,40 6,40 Potássio 0,92 14,72 1,17 18,72
Magnésio ND - 0,29 4,64 Cálcio 729,33 11.669,28 696,07 11.137,12
Fluoreto 8,66 138,56 7,99 127,84 Cloreto ND - ND ND Nitrito ND - ND ND Nitrato 8,48 135,68 10,19 163,04 Fosfato 6,41 102,56 ND ND Sulfato 1.717,87 27.485,92 1.681,22 26.899,52
* Concentração iônica solúvel no resíduo
Os resultados obtidos entre as amostra coletadas no final do processo industrial e
as amostras coletadas nas pilhas, não se percebe diferenças significativas de concentrações.
Esta constatação pode ser explicada pelos diferentes tipos de rochas processadas
industrialmente e, portanto, podendo proporcionar concentrações superiores, mesmo após
vários anos de lixiviação natural, o que reduziria estas concentrações finais.
Castilho Jr. et al. (1998) também realizou dois testes repetitivos de solubilização
do resíduo, cujo procedimento observa o mesmo método utilizado para o ensaio de lixiviação.
As amostras foram pesadas após passagem em estufa e em seguida colocadas em contato com
água e agitadas durante 24 horas. Após este período, a amostra sólida é seca em estufa e em
seguida novamente pesada. A diferença de peso resulta na quantidade de sólido solubilizado
em água. Os resultados dos ensaios realizados indicam uma solubilidade de 8,80% para o
fosfogesso no primeiro ensaio e 7,37% no segundo ensaio. Estes valores, praticamente
similares, são indicativos de uma solubilidade média para as duas amostras, o que é aceitável
para uma eventual disposição final no solo, segundo os padrões internacionais (as normas
brasileiras não observam este teste para disposição ou valorização do material).
57
Richardson (1995), descrito por Castilho Jr. et al. (1998) analisou o efeito da
lixiviação sobre o pH. Amostras de 5 g foram retiradas de pilhas de fosfogesso ativas e
misturadas com 25 ml de água deionizada, sendo em seguida submetidas a uma agitação
durante dois minutos. Após a sedimentação, o pH do líquido foi medido. Este procedimento
foi repetido quatro vezes (4 lavagens). Os resultados obtidos são mostrados na Tabela 2.8,
sendo que a lavagem sucessiva do fosfogesso resultou em um acréscimo no pH do lixiviado.
Tabela 2.8 - Resultados do pH (RICHARDSON, 1995, modificado de CASTILHO JR. et al., 1998)
Número de lavagens
1 2 3 4 5
pH 2,8 3,2 3,8 4,0 4,1
Segundo Castilho Jr. et al. (1998), estudos realizados pela Divisão de Estudos
Industriais da UNIDO (1985), foi estimado que aproximadamente 85% de todo fosfogesso
gerado é tanto eliminado em corpos de água quanto disposto e reaproveitados. A deposição do
fosfogesso é feita tanto em corpos de água quanto em aterros. Algumas objeções são feitas em
relação a tornar a área nas proximidades da deposição do fosfogesso, em aterros ou deposição
na superfície, em áreas impróprias para uso recreativo, e ainda na possível lixiviação de
ácidos para o lençol freático utilizado para o abastecimento de água.
Ainda, segundo a UNIDO (1985), inúmeros estudos mostraram que nem o radônio
e os elementos traços, presentes no fosfogesso, poderão ser lixiviados das montanhas de
fosfogesso para o subsolo. Apesar de que, quando estocado o fosfogesso apresenta um baixo
pH, os valores das amostras apresentam uma variação entre 2.10 -3,75, a qual não é
suficientemente baixa para classificar o fosfogesso como corrosivo, segundo as diretrizes da
“Enviromental Protection Agency” (EPA), uma vez que o pH deve ser igual ou inferior a 2,0
para que o material seja classificado como corrosivo.
A eliminação do fosfogesso através da deposição da lama em bacias é algumas
vezes escolhida, tendo em vista que é a solução economicamente das mais razoáveis.
Contudo, existem algumas objeções embasadas sobre a grande acidez e a concentração de
íons encontrados na água do resíduo, conforme apresentado na Tabela 2.9.
58
Tabela 2.9 - Concentrações nas bacias de deposição do fosfogesso (UNIDO 1985, citado por CASTILHO JR. et al., 1998)
Íons Concentração (mg/l) Fosfato (P2O5) 6,0-12,0
Fluoreto 3,0-5,0 Sulfato 2,0-4,0 Cálcio 350-1,2
Amônia 0-100 Nitrato 0-100
pH 1,0-1,5
Após a realização de vários ensaios sobre lixiviação, Carter et al. (1992) descritos
por Castilho Jr. et al. (1998), concluíram que a quantidade anual de chuvas e a velocidade do
escoamento seriam suficientes para lixiviar o rádio (226Ra) e os elementos traços presentes no
fosfogesso. Entretanto, isso não ocorre, pois a mobilidade desses elementos é muito inferior à
velocidade de escoamento. O rádio se desloca a uma razão de 1/215 da velocidade de
escoamento, sendo este fator diretamente dependente da absorção do rádio pelo solo. O
sulfato de rádio tem uma solubilidade de apenas 2,1x10-06 %, ou seja, a mesma do sistema
cristalino do fosfogesso, podendo este primeiro ser fortemente absorvido pelo fosfogesso.
Caso a infiltração através do fosfogesso seja mínima possível, ou seja, inferior ou
igual a 6.6/215 ou 0,03 ft/year (0,99 cm/ano), poderá ser necessário 2300 anos para que o
rádio migre da pilha de fosfogesso com uma altura de 23 metros, e consequentemente o rádio
terá se desintegrado em 37% de sua concentração original, ou seja, neste estudo específico de
7,8 pCi/g. As especificações da EPA para pilhas de urânio permitem uma concentração
máxima de 226Ra de 15 pCi/g distribuídas entre duas camadas de 15 cm de solo (UNIDO
1985, citado por CASTILHO JR. et al., 1998).
Com as informações obtidas anteriormente, pode-se estabelecer certas condições
que podem amenizar o impacto de possíveis contaminantes nas águas subterrâneas, provocado
por pilhas de fosfogesso. Entre elas pode-se citar a geologia subsuperficial, a
impermeabilização, a construção de valas e diques de contenção ou ainda o recurso de
impermeabilização da área de deposição do fosfogesso.
59
Figura 2.1 - Exploração mundial de rocha fosfatada (ZAPATA; ROY, 2004, modificado de
CANUT, 2006) .........................................................................................................................24
Figura 2.2 - Formação da pilha do material britado, estocagem e homogeneização................26
Figura 2.3 - Rotas de fabricação de fertilizantes fosfatados no Brasil (COPEBRÁS, 2006)...27
Figura 2.4 - Curva de equilíbrio dihidratado, hemihidratado em solução de ácido fosfórico e
sulfúrico (modificado de CEKINSKI et al., 1990)...................................................................29
Figura 2.5 - Subproduto sólido separado, denominado fosfogesso..........................................32
Figura 2.6 - Distribuição granulométrica do fosfogesso de “Freeport-McMoran, Inc”. (TAHA;
SEALS, 1991, modificado de KOBAYASHI, 2000) ...............................................................36
Figura 2.7 - Série de decaimento do 238 U (CANUT, 2006).....................................................39
Figura 2.8 - Série de decaimento do 232 Th (CANUT, 2006) ...................................................40
Figura 2.9 - Etapas da deposição de fosfogesso: (a) Detalhe do trilho para escoamento do
fosfogesso; (b) Detalhe da saída do trilho e depósito do fosfogesso em caminhões; (c)
Transporte do fosfogesso para a pilha; (d) Detalhe da pilha de fosfogesso .............................54
Figura 2.10 - Sistema de drenagem da pilha de fosfogesso......................................................54
Tabela 2.1 - Reservas nacionais de fosfatos (ANDA, 1987, citado por CEKINSKI et al., 1990)
..................................................................................................................................................25
Tabela 2.2 - Fabricação de ácido fosfórico (CEKINSKI et al., 1990) .....................................28
Tabela 2.3 – Composição química dos fosfogesso dihidratado produzidos na Turquia
(ERDEM; OLMEZ, 1989), nos estados norte-americanos (TAHA; SEALS, 1991) e na
Jordânia (MOHAMMAD et al., 1999) - modificado de Silvestre (2002) ................................35
Tabela 2.4 – Concentração dos elementos que pertencem a matriz de impurezas do fosfogesso
bruto (Fonte: Florida Institute of Phosphate Research – EUA) - modificado de Silvestre
(2002) .......................................................................................................................................35
Tabela 2.5 – Algumas grandezas e unidades da Física das Radiações (OKUNO, 1988).........38
Tabela 2.6 – Taxas de exalação e de emanação para alguns materiais de construção
(FOLKERS, 1983; PORSTENDORFER, 1994, modificado de ROSA, 1997) .......................41
Tabela 2.7 – Resultados dos ensaios de lixiviação com o fosfogesso coletado no final do
processo industrial e com o fosfogesso coletado nas pilhas da Copebrás-Cubatão (modificado
de CASTILHO JR.et al., 1998) ................................................................................................56
Tabela 2.8 – Resultados do pH (RICHARDSON, 1995, modificado de CASTILHO JR. et al.,
1998).........................................................................................................................................57
60
Tabela 2.9 – Concentrações nas bacias de deposição do fosfogesso........................................58
2 O FOSFOGESSO ...............................................................22 2.1 DEFINIÇÃO ......................................................................................................................22 2.2 ROCHAS FOSFÁTICAS..................................................................................................23 2.3 PROCESSOS INDUSTRIAIS ..........................................................................................26 2.4 ÁCIDO FOSFÓRICO .......................................................................................................28 2.5 FORMAÇÃO DO FOSFOGESSO ..................................................................................31 2.5.1 Processo dihidratado ......................................................................................................32 2.5.2 Processo hemihidratado .................................................................................................33 2.5.3 Processo anidro ...............................................................................................................34 2.6 CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS.................................................................................34 2.7 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS......................................................................................36 2.8 CARACTERÍSTICAS RADIOLÓGICAS......................................................................37 2.9 UTILIZAÇÃO DO FOSFOGESSO.................................................................................44 2.9.1 Na Agricultura ................................................................................................................45 2.9.2 Na Indústria ....................................................................................................................47 2.9.2.1 Produção do enxofre, ácido sulfúrico, sulfato de amônio e estudos biotecnológicos ...47 2.9.2.2 Na indústria cimenteira..................................................................................................49 2.9.3 Na Construção Civil .......................................................................................................50 2.9.4 Na Pavimentação ............................................................................................................51 2.10 ESTUDOS AMBIENTAIS..............................................................................................53
59
Capítulo 3
3. SOLOS TROPICAIS
3.1 DEFINIÇÕES
As variações mineralógicas constatadas nos solos tropicais são muito maiores que
nos solos de outras regiões. Além disso, muitos dos comportamentos peculiares dos solos
tropicais podem ser explicados pela sua constituição mineralógica. O Brasil, país de clima
tropical úmido, apresenta grandes faixas de solos tropicais cuja formação provém da ação de
processos geológicos ou pedológicos ocorridos nessas regiões (NOGAMI; VILLIBOR, 1995).
Já a mecânica dos solos tradicional, não leva em conta a constituição dos grãos em suas
propriedades e comportamento tendo uma atenção direcionada para a forma e o tamanho dos
grãos na análise de seu comportamento.
Solos são materiais naturais não consolidados, isto é, constituídos de grãos
separáveis por processos mecânicos e hidráulicos, de fácil dispersão em água e que podem ser
escavados com equipamentos comuns de terraplanagem. Geralmente, os materiais
constituintes da parte superficial da crosta terrestre e que não se enquadram na condição de
solo são considerados rochas, mesmo que isso contrarie as conceituações adotadas em
geologia e em pedologia. O solo pode apresentar-se como estrutural natural ou artificial. Ele
possui estrutura artificial quando transportado ou compactado mecanicamente, como em
aterros, barragens de terra, reforços do subleito de pavimentos e outros (NOGAMI;
VILLIBOR, 1995). Para que um solo possa ser considerado como tropical não basta que tenha
sido formado na faixa astronômica tropical ou em região de clima tropical úmido. É
indispensável que este possua peculiaridades de interesse geotécnico (NOGAMI; VILLIBOR,
1995).
Dentro da classificação dos solos, aqueles que apresentam propriedades peculiares
e de comportamento em decorrência da atuação de processo geológico ou pedológico típicos
das regiões tropicais úmidas são denominadas de solos tropicais. Dentre os solos tropicais
destacam-se duas classes principais: solos lateríticos e os solos saprolíticos. Os solos
lateríticos são solos superficiais, típicos das partes bem drenadas das regiões tropicais úmidas,
60
resultantes de uma transformação de parte superior do subsolo pela atuação do intemperismo.
Os solos lateríticos têm sua fração argila constituída predominantemente de minerais
cauliníticos e apresentam elevada concentração de ferro e alumínio na forma de óxidos e
hidróxidos, da qual surge sua peculiar coloração avermelhada. Estes sais se encontram,
geralmente, recobrindo agregações de partículas argilosas (PINTO, 2000).
Os solos saprolíticos são aqueles que resultam da decomposição ou desagregação
“in situ” da rocha matriz pela ação das intempéries (chuvas, insolação, geadas), mantendo
ainda de maneira nítida a estrutura da rocha que lhe deu origem (VILLIBOR et al., 2000). A
Figura 3.1 ilustra a ocorrência de solos tropicais no território brasileiro.
Figura 3.1 – Ocorrência de solos lateríticos no território brasileiro (VILLIBOR et al., 2000)
Pelo fato dos solos saprolíticos serem menos abundantes no Brasil e terem
aplicações limitadas em pavimentação, a seguir são apresentados os principais conceitos
relacionados apenas aos solos lateríticos.
61
3.2 SOLOS LATERÍTICOS
Os solos superficiais lateríticos apresentam uma mineralogia relativamente
simples. O quartzo é um mineral encontrado com muita freqüência e, quase sempre, de
maneira predominante. Este mineral imprime ao solo propriedades e comportamentos que
são: elevada resistência à compressão; elevado módulo de elasticidade; elevada dureza; massa
específica absoluta em torno de 2,65 g/cm3 (NOGAMI; VILLIBOR, 1995).
Os solos lateríticos com estruturas naturais geralmente caracterizam-se por terem
elevada permeabilidade, devido principalmente ao desenvolvimento de agregados argilosos
resistentes, mesmo depois da imersão em água. Quando compactados, verifica-se a variação
da permeabilidade encontrada ao longo da curva de compactação. As argilas lateríticas podem
apresentar permeabilidade elevada no ramo seco e as areias argilosas podem ser consideradas
quase impermeáveis na condição ótima de compactação. No campo, prever corretamente a
permeabilidade é muito difícil pelo tipo de estrutura de compactação que é desenvolvida e
pelo aparecimento de trincas de contração por perda de umidade. Essas trincas são
consideradas irreversíveis e quando parte do solo seco é colocada em contato com a água
podem aparecer novas trincas e fissuras.
Na infiltrabilidade a penetração de água no solo depende principalmente da tensão
de sucção. Outras características como inchamento e pressões hidrostáticas podem ser
consideradas. Nas regiões de clima tropical úmido este fenômeno é muito freqüente nas
camadas de solo envolvidas nas obras de pavimentação, devido à intensa evapotranspiração e
boa drenabilidade dos solos lateríticos. Essa propriedade é transiente, sendo evidenciada pelos
períodos de sucessivas chuvas e seca com intensa evaporação. A quantidade de água infiltrada
é dada pelo coeficiente de sorção que diminui em função do tempo. Para o solo saturado, a
análise dos resultados é dificultada pela heterogeneidade do meio e pela possibilidade de
ainda existirem camadas compactadas secas que geram o desenvolvimento de trincas. No caso
do solo não-saturado, os resultados dos ensaios de infiltração têm servido para auxiliar na
classificação, não havendo ainda correlação com problemas hidrológicos associados com a
construção (NOGAMI et al., 1985, descritos por REZENDE, 2003).
O quartzo é o mineral presente com maior freqüência na fração areia. Apesar de
ser encontrado também em solos não tropicais, existem peculiaridades que permitem
identificar seu caráter laterítico. Uma dessas peculiaridades é a presença de películas de
óxidos, que lhe dá uma tonalidade avermelhada, rósea, arroxeada ou amarelada. Além do
62
quartzo, há presença de minerais como a magnetita, turmalina e o zircão. Os solos lateríticos
são materiais mecanicamente resistentes e quimicamente estáveis. A presença dos óxidos de
Fe e Al resultam numa microestrutura esponjosa ou de pipoca possuindo também substâncias
cimentares responsáveis pelo bom desempenho mecânico (REZENDE, 2003).
De acordo com Rezende (2003), Bernucci (1997) abordou o comportamento
resiliente de solos lateríticos compactados como material constituinte das camadas de base,
sub-base e reforço de subleito de pavimentos de rodovias de baixo volume de tráfego. Em
laboratório, observou-se que os solos lateríticos podem apresentar valores de módulos
superiores aos materiais granulares tradicionalmente utilizados podendo ser aplicados em
obras de pavimentação.
3.3 APLICAÇÃO EM PAVIMENTAÇÃO
A importância dos solos tropicais utilizados como material na construção de
pavimentos flexíveis no Brasil foi reconhecido no fim da década de trinta, com o surgimento
da Seção de Solos de Fundação no Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo
(IPT/SP). Neste período, foram iniciados os primeiros trabalhos no campo rodoviário em
convênio com o Departamento de Estradas de Rodagem do Estado de São Paulo (DER/SP)
através do programa de estabilização de solos, visando o revestimento das estradas de terra.
Pelo fato dos procedimentos de estudos geotécnicos e de construção se basearem na
tecnologia norte-americana, das peculiaridades dos solos tropicais, da falta de materiais
granulares naturais, do clima tropical e do trânsito dessas rodovias serem muito elevado, os
resultados não foram considerados tão satisfatórios como era esperado (VARGAS, 1994,
citado por REZENDE, 2003).
Em épocas atrás, os órgãos responsáveis pela construção de pavimentos seguiam
somente as normas gerais apresentadas pelo extinto Departamento Nacional de Estradas de
Rodagem (DNER), hoje denominado de Departamento Nacional de Infraestrutura de
Transporte (DNIT). Estas normas eram baseadas em especificações norte-americanas
(“American Association of State Highway and Transportation Officials” – AASHTO,
“American Society for Testing and Materials” – ASTM, “Asphalt Institute” – AI e “Portland
Cement Association” – PCA) que foram desenvolvidas através da execução de pistas
experimentais nos Estados Unidos da América. Logo, desde já se observa que as análises
63
geradoras das normas foram realizadas com os resultados obtidos para condições específicas
daquele país tais como tipo de solo predominante, condição climática, tipo de tráfego e
disponibilidade de recursos.
Geralmente, quando aplicam-se as normas tradicionais verifica-se através de
ensaios de laboratório (granulometria, limites de liquidez e plasticidade, Índice de Suporte
Califórnia - ISC) que o solo laterítico não é indicado para a utilização em pavimentação,
devido ao fato dos solos lateríticos apresentarem-se, na natureza, geralmente não-saturados e
com índice de vazios elevados, gerando baixa capacidade de suporte (PINTO, 2000). No
entanto, com a realização de pesquisas, a utilização desse material no campo e a definição de
novos parâmetros (módulo resiliente e metodologia MCT – Miniatura Compactado Tropical)
têm-se verificado o seu bom desempenho (REZENDE, 2003).
Quanto aos revestimentos primários (aplicação de material granular, geralmente
pedregulho ou pedra britada, sobre a estrada de terra, sem qualquer adição de material
betuminoso), uma análise de custos mostra que, em muitos casos, um pavimento com base de
solo arenoso fino laterítico (SAFL) tem custo de mesma ordem de grandeza. Isso significa que
com o investimento necessário para se executar um revestimento primário, pode-se construir
um pavimento asfáltico com base de SAFL (NOGAMI; VILLIBOR, 1995).
Para a utilização de solos criteriosamente escolhidos de acordo com o estabelecido
na Figura 3.2 estabelecida para a Classificação MCT, que será melhor abordada no Capítulo
4. É necessária à elaboração de projeto segundo os critérios de boa técnica tradicional e o uso
de procedimentos construtivos a serem recomendados nas seções que se seguem, podendo ou
não garantir o sucesso do pavimento com bases constituídas de solos tropicais finos. É
indispensável que esse tipo de base seja empregado dentro de certas condições sujeitas a
revisão, envolvendo condições ambientais, tipos de solo e, até mesmo, uso de processos
construtivos ainda não utilizados normalmente.
O emprego da tecnologia de solos lateríticos em pavimentos localizados em
regiões com ocorrência destes solos, vem crescendo principalmente nas últimas duas décadas,
preponderantemente para vias de tráfego muito leve a médio. O interesse pelo emprego de
solos lateríticos nos últimos anos na pavimentação se deve principalmente pelo baixo custo
em relação aos materiais convencionais empregados e também pela ocorrência de solos
lateríticos em grande parte do território brasileiro (VILLIBOR et al., 2000). A principal
64
condição para o uso de solos lateríticos de granulação fina como bases, “in natura” ou através
de misturas com agregados, é a ocorrência destes próximos às obras e condições ambientais
adequadas. De acordo, com dados geológicos, pedológicos e climáticos disponíveis, estas
condições existem em regiões de todos os estados brasileiros (Figura 3.1). A precipitação
pluviométrica anula nestas regiões situa-se entre 1000 e 1800 mm, com temperatura média
anual superior 20 °C.
0 ,5
1 ,0
1 ,5
2 ,0
0 ,0 0 ,5 1 ,0 1 ,5 2 ,0 2 ,5 3 ,0C o e fic ien te c '
Índi
ce e
'
L = L A T E R ÍT IC ON = N Ã O L A T E R ÍT IC OA = A R E IAA '= A R E N O S OG '= A R G IL O S OS '= S IL T O S ON A
L A
N A '
N S '
N G '
L A ' L G '
Figura 3.2 - Ábaco da classificação MCT (NOGAMI; VILLIBOR, 1995)
Para utilização de solos lateríticos em pavimentos urbanos, tanto o projeto
geométrico quanto o projeto de drenagem devem atender as características técnicas
apresentadas a seguir:
• Perfil longitudinal com declividade mínima de 1%;
• Secção transversal com declividade entre 3 a 4%;
• Obrigatoriedade de execução de guias e sarjetas;
• Recomendável a execução de passeio, preferencialmente com revestimento em concreto,
para evitar infiltração d’água por trás das guias e sarjetas;
• Execução de um sistema eficiente de captação de água pluviais e servidas evitando o
acúmulo de água em pontos baixos;
• Execução de drenagem profunda para rebaixamento do lençol freático a pelo menos 1,50
m em relação à cota final de terraplenagem (CFT) (VILLIBOR et al., 2000).
No Brasil, existem grandes áreas cobertas com solos arenosos finos, aonde os
solos da parte superficial deste apresentam características próprias devido à atuação de
65
processos pedológicos específicos designados genericamente de laterização. Vários desses
solos são jazidas naturais de solo arenoso fino laterítico (SAFL) apropriado para o emprego
em bases de pavimentos. A ocorrência de solos arenosos finos lateríticos para emprego em
bases de pavimentos no Estado de São Paulo é de aproximadamente 50% de sua área. Este
solo também ocorre nos Estados do Paraná, Goiás, Mato Grosso, Bahia e Minas Gerais
(VILLIBOR et al., 2000).
Na década de 50 até a década de 70, esses solos “in natura” eram usados apenas
em pavimentação como camada de reforço de subleito ou sub-base. Pelo fato dos solos
constituintes destas camadas se encontrarem confinados pela base e eventualmente pela sub-
base, não havia, portanto grande preocupação por parte do meio técnico quanto ao
trincamento ou mesmo quanto à qualidade do acabamento da superfície destas camadas. Para
controle da qualidade dos subleitos e das sub-bases limitava-se portanto à obtenção de um
grau de compactação que garantia um suporte, expresso em termos de CBR, especificado para
a camada. Para o uso de solos arenosos finos lateríticos em bases de pavimentos, outras
características são decisivas para o seu sucesso, pois estas camadas praticamente não são
confinadas, recebendo sobre as mesmas, apenas um revestimento betuminoso esbelto, com
espessura máxima de 3,0 cm. Mesmo assim, as mesmas devem resistir aos esforços
provenientes da construção do revestimento, apresentar boa aderência à camada de
revestimento, além de suportarem os esforços verticais e horizontais provenientes do tráfego e
a ação das intempéries (VILLIBOR et al., 2000). A Tabela 3.1 apresenta as principais cidades
aonde já foram executadas bases de solo arenoso fino laterítico (SAFL).
Villibor et al. (2000) descrevem que as especificações do solo arenoso fino
laterítico são fundamentadas em determinações de suas propriedades mecânicas e hidráulicas.
Essas especificações impõem as seguintes condições para o emprego destes solos como base
de pavimentos:
• Composição granulométrica do solo tal que 100% do mesmo seja constituídos por grãos
que passem integralmente na peneira de abertura de 2,00 mm ou que possua uma
porcentagem de grãos de no máximo 5% retidos nesta peneira;
• Os solos devem pertencer à classe de solos de comportamento laterítico de acordo com a
classificação MCT, ou seja, serem do tipo LA, LA’ ou LG’;
• Os solos devem apresentar propriedades mecânicas e hidráulicas dentro dos intervalos
indicados na Tabela 3.2 quando compactados na Energia Intermediária do Mini-Proctor. A
66
curva granulométrica destes solos é descontínua e os mesmos devem apresentar uma
granulometria que se enquadre na faixa indicada na Tabela 3.3, servindo portanto esta
faixa como orientação para o emprego destes solos como bases de pavimento.
Tabela 3.1 – Principais cidades aonde já foram executadas bases de SAFL. Na espessura de 15,0 cm, ano de execução, bem como área construída com SAFL e grupo MCT destes solos (VILLIBOR et al., 2000)
CIDADE ANO (Início de execução)
CAMADA DE ROLAMENTO ESPESSURA
ÁREA (1000m2)
CLASSIFICAÇÃO MCT
Lins 1986 TSS + CBUQ 3,0 cm 120 LA’ Barra Bonita 1986 TSS + CBUQ 3,0 cm 65 LA
Novo horizonte 1986 TST 50 LA’ – LG’ Ibaté 1987 Macadame Betuminoso 80 LA’
Araraquara 1982 Macadame Betuminoso 400 LA’ – LG’ Presidente Prudente
1982 TSD 1.500 LA’
Álvares Machado 1982 TSD 300 LA’ Rosana 1982 TSD 200 LA’
Araçatuba 1984 TSD 400 LA’ Presidente Prudente
1984 TSD 200 LA’
Rio Branco-AC 1980 TSS + 4,0 cm CBUQ com laterita
300 LA’ – LG’
Rio Brilhante-MS 1982 TSD 200 LA’ – LG’ Obs: TSS – tratamento superficial simples; TSD – tratamento superficial duplo; TST – tratamento superficial triplo; LA – Areia laterítica; LA’ – Solo arenoso; LG’ – Solo argiloso laterítico
Tabela 3.2 – Propriedades mecânicas e hídricas dentro de intervalos indicados (VILLIBOR et al., 2000)
PROPRIEDADES INTERVALOS DE VALORES Mini-CBR sem imersão ≥ 40 %
RIS = 100 X Mini-CBRIS / Mini-CBRhm ≤ 50 % Expansão sem sobrecarga padrão ≤ 0,3 %
Contração 0,1 a 0,5 % Coeficiente de Sorção 10-2 a 10-4 (cm/min½)
Tabela 3.3 – Faixa granulométrica recomendada para bases de solo arenoso fino laterítico (SAFL) (VILLIBOR et al., 2000)
PENEIRAS (mm) PORCENTAGEM QUE PASSA (%) 2,00 100 0,42 85 a100 0,149 40 a 90 0,075 20 a 50
67
Na construção de bases de SAFL constatou-se que alguns solos apresentavam uma
série de problemas construtivos enquanto outros não, a partir deste fato, dividiram-se os solos
de comportamento laterítico em quatro grupos de solos, localizados em áreas distintas do
gráfico da classificação MCT, conforme ilustra a Figura 3.3. Para os solos de cada uma das
áreas da Figura 3.3, foram estudados detalhes da técnica construtiva mais adequada a fim de
se evitar defeitos construtivos e minimizar o custo da construção.
Várias características são observadas durante a vida de serviço dos pavimentos
executados com bases de solo arenoso fino laterítico:
• Baixíssima incidência de ruptura da base, exceto em locais onde o lençol freático se
encontra a menos de 1,0 m de profundidade ou pontos de percolação de água superficiais;
• Pequenas deflexões, geralmente entre 20 e 60 (1/100 mm);
• Pequenas deformações nas rodeiras, porém, sem trincamento do revestimento;
• Baixa contração por secagem ao ar, nos solos da área II, resultando em placas de
dimensões aproximadas de 50 x 50 cm da base, consideradas ideais como padrão de
trincamento. Os solos da área I apresentam contração média a elevada, que conduz à
formação de placas da ordem de 30 x 30 cm;
• Excelente capacidade de receber compactação (solos das áreas I, II), alcançando
facilmente o grau correspondente a 100% da densidade relativa à “energia intermediária”;
• Facilidade no acabamento da base e baixo desgaste superficial sob a ação do trânsito de
serviço;
• Satisfatória receptividade à imprimadura, proporcionando uma boa aderência da camada
de rolamento à base;
• Superfície e borda pouco susceptível ao amolecimento por umedecimento.
Figura 3.3 – Área no gráfico da classificação MCT dos SAFL utilizados em bases de pavimentos (VILLIBOR et al., 2000)
0 , 5
1 , 0
1 , 5
2 , 0
0 , 0 0 , 5 1 , 0 1 , 5 2 , 0 2 , 5 3 , 0C o e f i c i e n t e c '
Índi
ce e
'
L = L A T E R Í T I C ON = N Ã O L A T E R Í T I C OA = A R E I AA '= A R E N O S OG '= A R G I L O S OS '= S I L T O S ON A
L A
N A '
N S '
N G '
L A ' L G '
I II III
IV
68
As características descritas são relativas principalmente às áreas I e II da Figura
3.3, no entanto, cabe ressaltar, que quando da utilização de solos pertencentes às áreas III e
IV, observa-se o seguinte:
• Dificuldade de aceitar compactação. O grau de compactação atinge valores entre 93 a
97% da densidade relativa à “energia intermediária”;
• Propensão para formação de “lamelas” na construção;
• Dificuldade no acabamento da base principalmente sob ação do tráfego de construção e
superfície e borda da base muito susceptíveis ao amolecimento por absorção excessiva de
umidade. Apresentam problemas de erodibilidade na borda quando sujeitas à ação, em
d’água, em segmentos onde não existem guias e sarjetas ou proteção lateral (VILLIBOR
et al., 2000).
Em muitas regiões do território brasileiro existem solos lateríticos finos “in natura”
que não apresentam características adequadas para seu emprego como base de pavimentos.
No entanto, esses solos quando misturados entre si ou com areias, poderão fornecer materiais
adequados com comportamento semelhante ao de um solo arenoso fino laterítico. Dois tipos
de misturas podem ser efetuadas para a utilização destes materiais como base de pavimentos,
ou seja, quando da ocorrência de solos argilosos lateríticos (LG’) nas proximidades da obra,
estas devem ser corrigidos através de acréscimo de areia laterítica quartzosa ou areia lavada
de rio ou quando da presença de areia laterítica (LA), deverá ser acrescentado solo argiloso
laterítico. Portanto, estas misturas são caracterizadas pela natureza laterítica de seu
componente argiloso que passa na peneira 0,075 mm (nº 200) e o uso de areia laterítica (LA)
ou areia de cava ou lavada de rio (VILLIBOR et al., 2000).
Importante mencionar ainda que as misturas de argilas com areia (ALA) são
recomendadas para uso em camadas de sub-base de vias submetidas a tráfego pesado, ou seja,
número de repetições do eixo padrão de 8,2 ton de até 107. Quando utilizadas em camadas de
bases são indicadas para vias de tráfego leve, com um N máximo de 105 (VILLIBOR et al.,
2000). Os componentes da mistura de argila laterítica e areia (ALA) devem atender as
seguintes características para que possam ser considerados apropriados para camadas de base
e sub-base:
69
Solo argiloso:
• Deve pertencer à classe “L” (solo de comportamento laterítico) e grupo LG’ (argilas
lateríticas) da classificação MCT;
• Deve apresentar propriedades mecânicas e hidráulicas, quando compactado na energia
normal, segundo valores indicados a seguir:
Suporte Mini-CBR na energia Normal, sem imersão ≥ 12%;
RIS (Relação do Índice de Suporte) ou razão do Mini-CBR imerso para o Mini-CBR
na umidade de moldagem ≥ 50%;
Expansão, sem sobrecarga padrão ≤ 1%.
Areia:
• Deve pertencer aos grupos LA (areia laterítica quartzosa) e NA (areia não laterítica),
porém isenta de mica, segundo a classificação MCT.
As misturas do tipo ALA devem atender às especificações baseadas na
classificação MCT e em determinações das propriedades mecânicas e hidráulicas, descritas a
seguir:
• Estas misturas devem pertencer à classe de solos de comportamento laterítico;
• As misturas do tipo ALA, quando compactadas, devem possuir propriedades dentro dos
intervalos da Tabela 3.4 e granulometria descontínua com graduação que se enquadre na
faixa indicada na Tabela 3.5.
Tabela 3.4 – Intervalos admissíveis das propriedades da mistura ALA (VILLIBOR et al., 2000)
PROPRIEDADES CONDIÇÃO NECESSÁRIA
CONDIÇÃO DESEJÁVEL
Mini-CBR sem imersão ≥ 40 % ≥ 50 % RIS = 100 X Mini-CBRIS / Mini-
CBRhm ≥ 50 % ≥ 50 %
Expansão sem sobrecarga padrão ≤ 0,3 % ≤ 0,2 % Contração 0,1 a 0,5 % 0,2 a 0,4 %
Coeficiente de infiltração 10-2 a 10-4 (cm/min½) 10-2 a 10-4 (cm/min½)
70
Tabela 3.5 – Faixa granulométrica recomendada para base de solo argiloso e areia (ALA) (VILLIBOR et al., 2000)
PENEIRAS (mm) PORCENTAGEM QUE PASSA (%) 2,00 100 0,42 85 a100 0,149 40 a 90 0,075 20 a 50
As misturas de solo-agregado são consideradas de granulação grossa, ou seja,
apresentam elevada porcentagem de grãos retidos na peneira de abertura de 2,00 mm. Seus
finos, fração que passa na peneira 2,00 mm, devem apresentar comportamento laterítico
segundo a classificação MCT. Os agregados podem ser artificiais (pedra britada ou escória de
alto forno) ou naturais (pedregulho de cava, lateritas concrecionadas ou quartzitos com baixa
porcentagem de material passando na peneira 0,0075 mm) (VILLIBOR et al., 2000).
Quanto à sua graduação, as misturas podem apresentar uma granulometria
contínua ou descontínua. Normalmente, utiliza-se mistura de solo agregado de granulometria
descontínua (SLAD) (menor porcentagem de brita) por motivos econômicos.
Deve-se sempre optar por misturas de solos e agregados naturais de granulometria
contínua, quando a jazida se encontra próxima à obra e o custo do material não for elevado,
pelos seguintes motivos:
• Melhor aderência da camada de rolamento à base executada com misturas de solo-
agregado;
• Facilidade de execução;
• Fácil obtenção de uma elevada capacidade de suporte mesmo quando a mistura é
compactada na energia intermediária.
No entanto, misturas de solo-agregado de granulometria descontínua também têm
sido utilizadas com sucesso, porém sempre quando compactadas na energia modificada. O
bom comportamento das misturas de solo-agregado está sem dúvida na alta qualidade de seus
finos de comportamento laterítico e na baixa umidade de equilíbrio de trabalho dessas bases,
geralmente da ordem de 80% da umidade ótima (VILLIBOR et al., 2000). Portanto, a teoria
proposta para o estudo de bases de granulometria descontínua é consubstanciada no estudo
detalhado de seus finos através da Metodologia MCT e das características dos agregados. O
ângulo de atrito destas misturas é garantido pelos agregados e a coesão pelos finos lateríticos.
71
As misturas descontínuas de SLAD são recomendadas para tráfego variando de
leve a médio e são caracterizadas pelo uso de solo laterítico acrescido de agregado natural ou
britado. Para uma mistura ser considerada apropriada para o uso em bases, o solo, o agregado
e a mistura deverão ter as seguintes características:
Solo laterítico:
Pertencer à classe “L” (solo de comportamento laterítico) dos grupos LA, LA’ e
LG’, da classificação MCT e apresentar as propriedades mecânicas, quando compactados na
energia intermediária, dentro dos intervalos mencionados a seguir:
• Suporte Mini-CBR na energia intermediária, sem imersão ≥ 20%;
• RIS = 100x Mini-CBRI / Mini-CBRhm ≥ 50%;
• Expansão sem sobrecarga padrão ≤ 1 %;
• Contração ≤ 2 %.
Agregado:
Os agregados devem apresentar as seguintes características:
• Porcentagem do material passando na peneira de 25 mm ≤ 100 %;
• Porcentagem em peso na mistura ≥ 40%;
• Desgaste por abrasão Los Angeles ≤ 60 %.
Misturas solo-agregado:
As misturas de solo-agregado devem atender às especificações baseadas na
classificação MCT e quando compactadas devem possuir propriedades mecânicas e
hidráulicas dentro dos intervalos da Tabela 3.6 e granulometria descontínua que se enquadre
na faixa indicada na Tabela 3.7 (VILLIBOR et al., 2000).
Tabela 3.6 - Intervalos admissíveis das propriedades da mistura SLA (VILLIBOR et al., 2000)
TRÁFEGO PROPRIEDADES LEVE N ≤ 105 MÉDIO 105 < N < 106
CBR na energia modificada ≥ 50%. ≥ 80%. Expansão, sem sobrecarga
padrão ≤ 1,0 % ≤ 1,0 %
72
Tabela 3.7– Faixa granulométrica recomendada para bases de SLA (VILLIBOR et al., 2000)
PENEIRAS (mm) PORCENTAGEM QUE PASSA (%) 25,40 100 9,52 50 a 70 4,75 42 a 70 2,00 35 a 62 0,42 30 a 39 0,074 5 a 30
Nas regiões tropicais úmidas ocorrem espessas camadas de solos lateríticos
arenosos e argilosos, sendo os tipos argilosos mais freqüentes, a não ser em certas regiões,
como por exemplo, no noroeste do Estado de São Paulo, onde predominam os tipos arenosos
finos. Diante do exposto, é de extrema importância à utilização de argilas lateríticas em bases
de pavimentos de baixo custo, principalmente nas zonas periféricas de crescimento urbano
mais recente (VILLIBOR et al., 2000).
O comportamento de pavimentos de baixo custo com bases de argila laterítica está
ligado às peculiaridades geotécnicas e de ocorrência das argilas lateríticas utilizadas. Estas
argilas pertencem predominantemente à classe pedológica latossolo roxo e são conhecidas
genericamente por terra roxa, de grande ocorrência na região Centro-Sul do Brasil. Estes solos
se desenvolvem em condições bem drenadas em clima tropical úmido, apresentando ainda a
peculiaridade de conter sempre apreciável porcentagem de substâncias derivadas de rochas
cristalinas básicas (VILLIBOR et al., 2000).
No plano de Pavimentação de 1958, do DER/SP, sub-base e reforços do subleito
foram executadas em grande escala, com uso de argilas lateríticas. A pavimentação urbana
com o emprego de bases de argila laterítica se desenvolveu a partir de um diagnóstico errôneo
de uma jazida que deveria ser de solo arenoso fino laterítico na cidade de Ilha Bela. Nesta
ocasião observou-se que a base recém construída contraiu em demasia resultando em um
trincamento em blocos de 15 cm x 15 cm com abertura de trincas de 3,0 a 4,0 mm. Devido a
este fenômeno, a empresa executante não procedeu à aplicação de um revestimento
betuminoso sobre a base extremamente trincada.
A primeira providência técnica tomada para diagnosticar o elevado grau de
trincamento da base, foi o ensaio pela Metodologia MCT da jazida para a execução desta
camada de base. Como não poderia deixar de ser, esta jazida não se enquadrava na
73
especificação de um solo para o emprego em bases de solo arenoso fino laterítico (SAFL),
pois entre outros problemas apresentava contração superior a 2,5% e CBR na umidade de
moldagem para energia intermediária inferior a 20 %. Para que este solo se enquadre como
SAFL deveria apresentar contração inferior a 0,5% e CBR superior a 40% na umidade ótima.
Portanto, o solo utilizado na realidade era uma argila de comportamento laterítico (LG’),
segundo a classificação MCT (VILLIBOR et al., 2000). A grande preocupação, além do baixo
suporte, era a reflexão das trincas da camada de base para o revestimento, fazendo com que
nos períodos chuvosos a água percolasse para as camadas inferiores através da infiltração
pelas trincas, instabilizando estas camadas.
A Tabela 3.8 ilustra algumas cidades onde já foram executadas bases de argila
laterítica, na espessura de 15,0 cm, ano de execução, bem como área construída com argila
laterítica e grupo MCT destes solos.
Tabela 3.8– Cidades com pavimentos de bases de argila laterítica (VILLIBOR et al., 2000)
CIDADE
ANO (início de execução)
CAMADA DE ROLAMENTO ESPESSURA
ÁREA (1000 m2)
CLASSIFICAÇÃO MCT
Ilha Bela 1982 5,0 cm Macadame hidráulico selado
100 LG’
Jaú 1980 Pé de moleque + CBUQ 3,0 cm
500 LG’
Ribeirão Preto
1975 Cravamento + 5,0 cm Macadame betuminoso selado
500 LG’
Araraquara 1980 Cravamento + 5,0 cm Macadame betuminoso selado
300 LG’
Obs: LG’ – Solo argiloso laterítico
As argilas lateríticas para o emprego em bases de pavimentos devem apresentar as
seguintes características:
• Pertencer à classe “L” (comportamento laterítico) e grupo LG’ (argilas laterítica) da
classificação MCT;
• As argilas lateríticas devem apresentar propriedades mecânicas dentro dos intervalos
indicados na Tabela 3.9 quando compactadas na Energia Normal do Mini-Proctor e
granulometria que se enquadre na faixa indicada na Tabela 3.10.
74
Tabela 3.9 – Valores recomendados para base de argila laterítica (VILLIBOR et al., 2000)
PROPRIEDADES CONDIÇÃO NECESSÁRIA
CONDIÇÃO DESEJÁVEL
Suporte Mini-CBR ≥ 12% ≥ 20% RIS ≥ 50% ≥ 70%
Expansão ≤ 0,5 % ≤ 0,3 % Contração ≤ 3,4 % ≤ 3,0 %
Tabela 3.10– Faixa granulométrica recomendada para bases de argilas laterítica (VILLIBOR et al., 2000)
PENEIRAS (mm) PORCENTAGEM QUE PASSA (%) 2,00 100 0,42 75 a100 0,149 30 a 65 0,075 23 a 55
3.4 ESTABILIZAÇÃO QUÍMICA
Quando os solos disponíveis para serem utilizados em pavimentação não
apresentam naturalmente todas as características exigidas pelas especificações, torna-se
interessante realizar procedimentos de estabilização química. Esta técnica consiste em
incorporar aditivos químicos ao solo que visam corrigir as propriedades necessárias.
As técnicas de melhoramento de solos são de crucial importância para a resolução
de problemas, seja pelas restrições ambientais, seja pela escassez de jazidas capazes de
fornecerem solos adequados para finalidades rodoviárias, seja ainda pelo custo excessivo do
transporte. A estabilização de materiais inadequados, para utilização em camadas de
pavimentos, possibilita utilizar solos locais, dispensando, assim, os custos provenientes de
transporte e atendendo as restrições ambientais.
Villibor (1982), citado por Ferreira (2006), define estabilização de um solo sendo a
alteração de qualquer propriedade do mesmo, que melhore seu comportamento sob o ponto de
vista de aplicação à engenharia. Quando é utilizada para fins rodoviários, constitui-se de um
processo que tem por finalidade conferir ao solo características de deformação e resistência
que o tornem apto a constituir determinada camada do pavimento.
75
De acordo com Cristelo (2001), citado por Ferreira (2006), a estabilização de solos
na construção de pavimentos rodoviários remonta ao tempo das civilizações Mesopotâmica e
Romana. Os gregos e romanos foram os primeiros a utilizar cal como estabilizante. As
técnicas contemporâneas de estabilização de solos iniciadas nos Estados Unidos no ano de
1906. Os resultados favoráveis obtidos com misturas de areia motivaram a execução de
projetos com misturas que incluíam cimento, betume e alguns agentes químicos.
Posteriormente, os países envolvidos na Segunda Guerra Mundial utilizaram
cimento como aditivo para a estabilização de solos dos aeroportos e vias de acesso. Foi
também na década de 40, nos Estados Unidos, que as técnicas de ensaios laboratoriais em
solos foram aplicadas para a avaliação de misturas solo-cal. Existem diversas técnicas para a
estabilização de um solo, sendo que estas devem ser consideradas e avaliadas durante a
criação de um projeto de pavimentação. Dentre elas pode-se citar a estabilização solo-cal,
solo-cimento, solo-emulsão e outros.
3.4.1 Estabilização solo-cal Os dois grandes grupos de materiais de maior importância para as regiões tropicais
são os solos lateríticos e os solos saprolíticos. Sendo que as diferenças básicas entre esses dois
grupos estão relacionadas com a mineralogia e organização dos constituintes. Estas diferenças
influenciam no processo de estabilização dos solos com a cal. A adição de cal é uma das mais
antigas técnicas utilizadas pelo homem para obter a estabilização ou a melhoria de solos
instáveis (FERREIRA, 2006).
De acordo com Lima et al. (1993), citados por Ferreira (2006), as cales mais
empregadas em pavimentação são a cal virgem e a cal hidratada, sendo que no Brasil
predomina o uso da cal hidratada.
Segundo Ferreira (2006) se atribui à estabilização solo-cal dois tipos de ações:
• Uma imediata, reduzindo a plasticidade e a expansão dos materiais, sendo
tradicionalmente atribuída à troca iônica, floculação das argilas e carbonatação;
• Outra em longo prazo, aumentando progressivamente a capacidade de suporte, como
resultado das reações pozolâmicas que dão origem aos produtos cimentantes.
Nas reações entre o solo e a cal, os fatores que influenciam o processo são:
temperatura, tempo de cura e natureza dos materiais (solo e cal). A temperatura é considerada
76
um catalisador das reações pozolâmicas, chegando a obter em poucas semanas a resistência
obtida após meses de serviço, sendo que a temperatura é diretamente proporcional ao
acréscimo de resistência (FERREIRA, 2006).
Para os solos lateríticos o processo mais importante de estabilização é a ação
pozolâmica, devido à mineralogia destes solos apresentarem uma organização peculiar estável
(associação dos argilo-minerais com óxidos e hidróxidos de ferro e alumínio), não
apresentando problemas de plasticidade e expansão (mesmo quando muito argilosos)
(NOBREGA, 1985, citado por FERREIRA, 2006).
Rezende (2003) relata que Nóbrega (1995) analisou as características e os
mecanismos de estabilização de solos tropicais com cal e cimento em uma pista experimental.
A autora ressalta a influência da qualidade e da composição química da cal aplicada.
Observou-se que quando a cal cálcica, e não a dolomítica, é empregada, são mais evidentes as
neoformações minerais, transformações e reorganizações do material da mistura, implicando
numa maior estabilidade.
Rezende (1999) analisou a incorporação de 2% de cal cálcica em peso a uma argila
laterítica. Em laboratório, observou-se ganho significativo na capacidade de suporte com a
estabilização química do solo. O segmento experimental analisado tem mostrado bom
comportamento, mesmo considerando a existência de possíveis falhas no processo de
homogeneização da mistura no campo.
3.4.2 Estabilização solo-cimento
Ribeiro (1999) citado por Ferreira (2006), conceitua solo-cimento como sendo
uma mistura homogênea de solo, cimento e água, em quantidades suficientes para permitir a
hidratação do cimento e trabalhabilidade da mistura, sendo que esta é avaliada pela sua
durabilidade e resistência.
A mistura solo-cimento é mais uma alternativa para melhorar as propriedades dos
solos lateríticos e viabilizar o uso de materiais não tradicionais na estrutura de pavimento.
Consiste na mistura de solo, cimento e água, em proporções determinadas por ensaios de
laboratório. Na dosagem deve-se atender a critérios técnicos (resistência e durabilidade) e
77
econômicos. Os métodos de dosagem geralmente utilizados se baseiam em publicações da
“Portland Cement Association” (PCA) e adaptações da Associação Brasileira de Cimento
Portland (ABCP). Existem duas normas: a Norma Geral e a Norma Simplificada que é mais
adequada para solos granulares e onde a dosagem se processa em um tempo menor. A Norma
Simplificada se baseia na correlação entre os resultados de ensaios feitos com secagem e
molhagem e os obtidos nos ensaios de compressão simples de corpos de prova compactados.
Mesmo assim, no caso de solos lateríticos podem ser especificadas dosagens com quantidade
de cimento acima do necessário. Rezende (2003) cita que estudos mais aprofundados sobre a
estabilização com cimento, principalmente com solos lateríticos, são melhores tratados por
Nogami et al. (1985), Lucena et al. (1986), Cunha et al. (1992), Casanova (1992), Casanova;
Rodrigues (1993), Lima et al. (1993) e Montardo (1999).
A quantidade da mistura solo-cimento depende diretamente da quantidade dos
componentes adicionais, assim como a massa específica a ser alcançada pela compactação.
Não há restrição quanto ao tipo de solo a ser estabilizado, pois qualquer tipo de solo endurece
com a adição de cimento e devidamente compactado (FERREIRA, 2006).
São cinco os fatores de grande importância na estabilização, sendo eles: o tipo de
solo, o teor de cimento, as condições de compactação (teor de umidade e grau de
compactação), o grau de homogeneidade da mistura e as condições de cura (PINTO, 1980;
PESSOA, 2004, descritos por FERREIRA, 2006).
3.4.3 Estabilização solo-emulsão
A estabilização solo-emulsão iniciou-se quando engenheiros rodoviários,
trabalhando nas proximidades de postos petrolíferos, perceberam que ao espalhar o óleo cru
sobre o solo diminuía o pó existente nas estradas e aumentava a resistência aos rigores do
tráfego e do tempo (DENT, 1953; ARAÚJO, 1982; JACINTHO, 2003, citados por
FERREIRA, 2006).
A estabilização de solos com materiais asfálticos compreende a utilização de
materiais como: produtos betuminosos anidros de hidrocarbonetos totalmente solúveis em
bissulfeto de carbono, produtos asfálticos procedentes da destilação e refinamento de petróleo
bruto ou asfaltos naturais e resíduos da destilação destrutiva de materiais orgânicos. Como
78
principal característica desses materiais tem-se a elevada viscosidade, sendo que para a
incorporação no solo eles devem ser aquecidos, emulsificados em água ou rebaixados com um
solvente adequado (ALCÂNTARA et al., 1995, citados por REZENDE, 2003).
A principal função do material asfáltico é conferir coesão e impermeabilização dos
solos, sendo que para os solos de granulometria fina (possuem coesão natural) a emulsão
confere a impermeabilização, enquanto que para os solos de textura arenosa, a emulsão possui
a função de promover a cimentação das partículas (coesão) (JACINTHO, 2003, descrito por
FERREIRA, 2006).
79
3 SOLOS TROPICAIS ........................................................ 59 3.1 DEFINIÇÕES ...................................................................................................................59 3.2 SOLOS LATERÍTICOS ..................................................................................................61 3.3 APLICAÇÃO EM PAVIMENTAÇÃO..........................................................................62 3.4 ESTABILIZAÇÃO QUÍMICA .......................................................................................74 3.4.1 Estabilização solo-cal.....................................................................................................75 3.4.2 Estabilização solo-cimento............................................................................................76 3.4.3 Estabilização solo-emulsão ...........................................................................................77 Tabela 3.1 – Principais cidades aonde já foram executadas bases de SAFL. Na espessura de
15,0 cm, ano de execução, bem como área construída com SAFL e grupo MCT destes solos
(VILLIBOR et al., 2000) ..........................................................................................................66
Tabela 3.2 – Propriedades mecânicas e hídricas dentro de intervalos indicados (VILLIBOR et
al., 2000) ...................................................................................................................................66
Tabela 3.3 – Faixa granulométrica recomendada para bases de solo arenoso fino laterítico
(SAFL) (VILLIBOR et al., 2000).............................................................................................66
Tabela 3.4 – Intervalos admissíveis das propriedades da mistura ALA (VILLIBOR et al.,
2000).........................................................................................................................................69
Tabela 3.5 – Faixa granulométrica recomendada para base de solo argiloso e areia (ALA)
(VILLIBOR et al., 2000) ..........................................................................................................70
Tabela 3.6 - Intervalos admissíveis das propriedades da mistura SLA (VILLIBOR et al.,
2000).........................................................................................................................................71
Tabela 3.7– Faixa granulométrica recomendada para bases de SLA (VILLIBOR et al., 2000)
..................................................................................................................................................72
Tabela 3.8– Cidades com pavimentos de bases de argila laterítica (VILLIBOR et al., 2000).73
Tabela 3.9 – Valores recomendados para base de argila laterítica (VILLIBOR et al., 2000)..74
Tabela 3.10– Faixa granulométrica recomendada para bases de argilas laterítica (VILLIBOR
et al., 2000) ...............................................................................................................................74
Figura 3.1 – Ocorrência de solos lateríticos no território brasileiro (VILLIBOR et al., 2000) 60
Figura 3.2 - Ábaco da classificação MCT (NOGAMI; VILLIBOR, 1995) .............................64
Figura 3.3 – Área no gráfico da classificação MCT dos SAFL utilizados em bases de
pavimentos (VILLIBOR et al., 2000).......................................................................................67
79
Capítulo 4
4. ENSAIOS LABORATORIAIS
4.1 INTRODUÇÃO
Neste capítulo são apresentados os ensaios laboratoriais geralmente necessários
para a avaliação dos materiais que se deseja utilizar na estrutura de um pavimento flexível e
para as análises ambientais de resíduos sólidos.
Para a caracterização e classificação dos materiais tradicionalmente são realizados
os seguintes ensaios: granulometria, limites de consistência, massa específica do material.
Após a caracterização, deve-se obter os parâmetros do material, ou seja, sua umidade ótima e
seu peso específico aparente seco máximo numa dada energia de compactação, podendo ser
utilizada a energia normal, intermediária ou modificada. Finalmente, deve-se determinar a
capacidade de suporte do material através do ensaio de “California Bearing Ratio” (CBR) ou
Índice de Suporte Califórnia (ISC) e analisar sua expansão. Além disso, com a inclusão dos
estudos das deformações resilientes para análise do comportamento estrutural, torna-se
importante determinar o módulo resiliente dos materiais.
Para solos tropicais, existe ainda uma metodologia de ensaios laboratoriais
específicos que permite classificar os materiais em lateríticos ou não. Este estudo foi
desenvolvido por Nogami e Villibor (1981) e a classificação é denominada de MCT
(Miniatura, Compactado, Tropical). Estudos complementares, como análises químicas e pH
podem ser realizados para auxiliar na interpretação de resultados de outros ensaios. No caso
de utilizar resíduos sólidos deve-se, ainda, realizar ensaios ambientais com o objetivo de
determinar parâmetros de solubilização e lixiviação e capacidade radioativa. A seguir tem-se a
descrição de cada ensaio e as normas utilizadas.
4.2 ENSAIOS PARA CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS
4.2.1 Granulometria
Para a determinação da classificação do solo é necessário realizar a análise
granulométrica, que consiste na determinação do tamanho das partículas é da sua distribuição.
80
As especificações do extinto Departamento Nacional de Estradas de Rodagem (DNER),
atualmente denominado Departamento Nacional de Infra-Estrutura de Transportes (DNIT),
estabelecem faixas em que as curvas granulométricas dos materiais granulares que irão
compor as camadas de base dos pavimentos devem estar contidas.
A análise granulométrica, ou seja, a determinação das dimensões das partículas de
solo e das proporções relativas em que elas se encontram, é representada, graficamente, pela
curva granulométrica, a qual é traçada por pontos em um diagrama semi-logarítmico, no qual,
sobre o eixo das abscissas, são marcados os logaritmos das dimensões das partículas e sobre o
eixo das ordenadas as porcentagens, em peso, de material que tem dimensão média menor que
a dimensão considerada (CAPUTO, 1977). A partir desta curva pode-se determinar a
quantidade de pedregulho, areia, silte e argila presentes no material de acordo com as
definições apresentadas na NBR 6502 (ABNT, 1995).
O objetivo da análise granulométrica é agrupar as partículas em diferentes
intervalos de tamanho e determinar a porcentagem relativa, em peso seco, de cada uma das
faixas. Dois métodos distintos são usados na análise granulométrica para cobrir a enorme
diversidade de tamanhos das partículas existentes, que são o peneiramento e a sedimentação
(CAPUTO, 1977).
No peneiramento é utilizado um jogo de peneiras, onde faz-se o material passar em
cada uma delas, utilizando uma peneiradora mecânica que dá ao jogo a vibração necessária
para que os grãos encontrem a melhor posição para passar pelas aberturas da peneiras. A
análise granulométrica de um solo cujas partículas têm dimensões maiores que 0,074mm
(peneira nº 200 da ASTM.- “American Society for Testing and Materials”) é feita pelo
processo comum do peneiramento. Para os solos finos, isto é, com dimensões menores que
0,074mm, emprega-se o método de análise por sedimentação.
Dentre os diversos métodos de análise por sedimentação, o mais simples é o
desenvolvido por Casagrande, baseado na lei de Stokes (1850) que segundo Caputo (1977)
tem-se uma relação entre o diâmetro da partícula e sua velocidade de sedimentação em um
meio líquido de viscosidade e peso específico conhecidos. A NBR 7181 (ABNT, 1984a)
prescreve a forma pelo qual o ensaio deve ser realizado, por peneiramento ou por uma
combinação de sedimentação e peneiramento.
81
4.2.2 Limites de Consistência No limites de consistência são definidos os limites de liquidez (wL), limite de
plasticidade (wP) e índice de plasticidade (IP). No limite de liquidez (wL) é observada a
transição do estado de consistência plástica para o estado de consistência líquida. A amostra
que contém apenas os finos de solos é homogeneizada com teores de água convenientes e
crescentes e o resultado é expresso em porcentagem. A determinação do limite de liquidez
(wL) é feita pelo aparelho de Casagrande, que consiste em um prato de latão, em forma de
concha, sobre um suporte de ebonite; por meio de um excêntrico imprime-se ao prato,
repetidamente, quedas de altura de 1 cm e intensidade constante. Com os valores obtidos
(número de golpes para fechar o sulco) traça-se a linha de escoamento do material, a qual no
intervalo compreendido em 6 e 35 golpes, pode considerar-se como uma reta. Recomenda-se
a determinação de pelo menos 6 pontos. Por definição, o limite de liquidez do solo é o teor de
umidade para o qual o sulco se fecha com 25 golpes (CAPUTO, 1977).
O limite de plasticidade (wP) é observado a partir da transição do estado de
consistência semi-sólida para o estado de consistência plástica, com crescente aumento da
umidade, como visto na Figura 4.1. Quando o limite de plasticidade não pode ser determinado
devido à natureza do material, este é considerado como não plástico (NP).
O índice de plasticidade (IP) é determinado em função da diferença encontrada
entre os limites de liquidez e plasticidade e indica se o solo pode absorver grandes
quantidades de água. Esta absorção pode provocar o aumento sensível de volume do solo. Se
isto ocorrer, o solo será inconveniente como suporte, pois a sua estabilidade estará
prejudicada. Quanto maior o (IP), mais plástico será o solo.
Todos os ensaios têm seus procedimentos definidos pelas Normas Brasileiras
(NBR) publicadas pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), as quais são:
Limite de plasticidade: NBR 7180 (ABNT, 1981) e Limite de liquidez: NBR 6459 (ABNT,
1984b).
wL wP w%(crescendo)
ESTADO ESTADO ESTADO ESTADO LIQUIDO PLÁSTICO SEMI-SÓLIDO SÓLIDO
Figura 4.1 – Esquema dos estados físicos, e limites de consistência
82
4.2.3 Massa Específica dos Grãos
Segundo Senço (1997) a massa específica é a massa por unidade de volume apenas
da parte sólida, excluindo-se todos os vazios, inclusive os ocupados pelo ar e os vazios nos
poros das partículas. O ensaio foi realizado de acordo com a NBR 6508 (ABNT, 1984c), uma
vez que os materiais em análise apresentam-se entre os grãos finos, material passante na
peneira de malha 4,8 mm.
4.2.4 Classificação dos solos
Com os dados obtidos na análise granulométrica e nos limites de consistência
pode-se classificar os solos. As classificações geotécnicas tradicionais, destacam-se a “United
Soil Classification System” – Sistema de Classificação Unificada (SUCS) e a classificação
para finalidades rodoviárias da “American Association of State Higway and Transportation
Officials” (AASHTO) mais conhecida como TRB (“Transportation Research Board”).
4.3 ENSAIOS PARA PAVIMENTAÇÃO
Para avaliação do comportamento das amostras quando utilizadas para
pavimentação são necessárias à realização de ensaios laboratoriais, tais como: ensaio de
compactação, expansão, “California Bearing Ratio” (CBR), módulo resiliente e metodologia
MCT (Miniatura Compactada Tropical).
4.3.1 Ensaio de compactação
Ensaio de compactação de uma amostra é a operação de reduzir os vazios da
mesma comprimindo-a por meios mecânicos. Segundo Proctor (1933), citado por Senço
(1997), a densidade atingida na operação de compactação depende da umidade do material e
da energia utilizada durante a compactação. Esta observação serviu de base para a construção
de toda uma técnica de compactação, onde determina-se o teor de umidade mais conveniente
para se obter um máximo de compactação para uma determinada energia. Alternando-se o
teor de umidade de pelo menos cinco amostras do material compactado, determinam-se seus
respectivos pesos específicos secos. Com esses dados obtém-se a chamada curva de
compactação num gráfico que relaciona a umidade (w) e o peso específico aparente seco (γd).
83
No pico desta curva defini-se o teor de umidade ótima (ωot) e o peso específico aparente seco
máximo (γdmáx).
As curvas de compactação, embora difiram para cada tipo de solo, se assemelham
quanto à forma (CAPUTO, 1977). O equipamento e os procedimentos do ensaio de
compactação estão padronizados pela NBR 7182 (ABNT, 1986).
4.3.2 Expansão e “Cafilfornia Bearting Ratio” (CBR)
No ensaio de expansão, o qual é realizado após a compactação, os corpos-de-prova
são imersos em água durante quatro dias, visando medir o valor da expansão do solo. Já o
parâmetro “California Bearing Ratio” (CBR) ou Índice Suporte Califórnia (ISC), é definido
como a relação percentual entre a pressão necessária para fazer penetrar, de forma
padronizada, um pistão numa amostra de solo convenientemente preparada e a pressão para
fazer penetrar o mesmo pistão, à mesma profundidade, numa amostra padrão de pedra britada,
ou material equivalente. Exige-se a pressão de 1.000 psi (6,90 MPa) para a penetração de 0,1,,
(2,54 mm) ou 1.500 psi (10,35 MPa) para a penetração de 0,2,, (5,08 mm). Para a execução do
ensaio CBR, geralmente moldam-se corpos-de-prova com teores de unidade indicados pelos
ensaios de compactação (SENÇO, 1997).
A operação de penetração deve ser feita de tal modo que a velocidade de
penetração do pistão seja 0,05 polegadas por minuto. Para isto utiliza-se um cronômetro e o
extensômetro, que no início do ensaio é ajustado em zero e, em seguida mede-se a penetração.
Na prancha deve-se controlar as pressões em kgf/cm2 corresponde à penetração de 0,1”, 0,2”,
0,3”, 0,4” e 0,5”. O resultado é uma curva de tensão-penetração, nas abscissas, as penetrações
e, nas ordenadas, as tensões em kgf/cm2. A curva não deve apresentar ponto de inflexão; caso
apresente deve-se corrigí-la, traçando a tangente no ponto de inflexão, que interceptará o eixo
das abscissas em um ponto que será a nova origem para o cálculo do ISC corrigido.
O valor determinado no ensaio reflete a capacidade de suporte do material. Os
ensaios são realizados seguindo os procedimentos definidos pela NBR 9895 (ABNT, 1987).
84
4.3.3 Módulo Resiliente
Os ensaios mecânicos de avaliação das propriedades mecânicas dos materiais de
engenharia procuram simular as condições reais de solicitação no campo. A solicitação
dinâmica dos pavimentos e do subleito, sujeitos a cargas de diferentes intensidades e
freqüências variáveis ao longo do dia e do ano, é de simulação difícil (MEDINA; MOTTA,
2005).
A resiliência ou o Módulo Resiliente (MR) dos solos é determinado para várias
tensões aplicadas e pode ter utilidade para projeto ou estudos de construção e restauração de
pavimentos. Este ensaio se difere do CBR, principalmente, pela forma de aplicação do
carregamento que, neste caso, é dinâmico. De acordo com Senço (1997), o MR de um solo é
definido pela relação entre a tensão desvio (σd) aplicada repetidamente em uma amostra de
solo e a correspondente deformação específica recuperável ou resiliente (εR), conforme
apresentado na Equação 4.1.
R
dMRεσ
= (4.1)
Onde:
• MR = módulo resiliente (MPa);
• σd = tensão desvio (MPa);
• εR = deformação específica.
Medina e Motta (2005) relatam que Hveem (1955) entendia que o trincamento
progressivo dos revestimentos asfálticos se devia à deformação resiliente (elástica) das
camadas subjacentes, em especial do subleito. Este preferiu usar o termo resiliência em vez de
deformação elástica sob o argumento de que as deformações nos pavimentos são muito
maiores do que sólidos elásticos com que lida o engenheiro. O termo resiliência significa
energia armazenada num corpo deformado elasticamente, a qual é devolvida quando cessam
as tensões causadoras das deformações correspondente à energia potencial de deformação.
Em pavimentação, o termo deformação resiliente significa deformação recuperável
da estrutura do pavimento quando este é submetido a carregamentos repetidos. Medina e
Motta (2005) mencionam que o pesquisador Francis Hveem propôs o termo deformação
85
resiliente, ao invés de deformação elástica, pelo fato de as deformações serem muito maiores
nos pavimentos sólidos elásticos como ferro, concreto, vidros, etc.
O ensaio triaxial de cargas repetidas foi introduzido nos estudos de pavimentação
pelo Prof. H. Bolton Seed na década de 1950, na Universidade da Califórnia, Berkeley,
quando da investigação da deformabilidade do solo do subleito da pista experimental da
AASHTO. Medina e Motta (2005) relatam que Seed e Fead (1959) fizeram uma adaptação
para o aparelho pneumático dinâmico do equipamento triaxial estático então existente.
Medina e Motta (2005), descrevem que no início de todo ensaio dinâmico que vise
determinar a deformabilidade elástica de solo ou brita, faz-se um condicionamento prévio que
reduz a influência das deformações permanentes. Aplica-se cerca de 500 vezes uma tensão
desvio σd para uma determinada pressão confinante σ3; em geral se utilizam três pares
distintos de σ1 e σ3. A medição das deformações resilientes só se faz após esta fase de
acomodação das partículas.
Segundo Bernucci (1995), citada por Motta (2005), tem-se que a natureza e o
estado dos materiais, além da solicitação de carga são variáveis intervenientes no valor do
módulo resiliente. Nesta pesquisa, o experimento foi realizado de forma ao especificado na
norma do ME 131 (DNER, 1994a).
Rezende (2003) relata que Medina e Preussler (1980) praticamente iniciaram os
estudos dos solos brasileiros considerando a deformação resiliente. Neste artigo, os autores
relataram os resultados de ensaios triaxiais dinâmicos de vários solos de subleitos e camadas
de pavimentos flexíveis. Como tentativa de classificação dos solos segundo o comportamento
resiliente, eles foram agrupados em função da granulometria, plasticidade e valor de CBR.
Inicialmente, identificou-se dois tipos de comportamento: o granular e o argiloso. Segundo
Rezende (2003), continuando o estudo de solos lateríticos utilizados em pavimentos de baixo
custo, Motta et al. (1985) e Medina e Motta (1988) observaram outro comportamento de solos
chamado de combinado. Observou-se que os materiais não se enquadravam nas
especificações tradicionais e que apresentavam comportamento resiliente intermediário
variando entre o granular e o argiloso.
86
4.3.4 Metodologia MCT
Dentre as classificações geotécnicas não-tradicionais destaca-se a classificação
MCT, desenvolvida por Nogami e Villibor (1981), que visa determinar características
mecânicas e hidráulicas de solos tropicais compactados para uso em obras viárias. Essa
necessidade surgiu devido às diferenças de comportamento de cada tipo de solo apresentado
diante às solicitações de interesse da engenharia, levando a classificá-los segundo as suas
características.
A metodologia MCT desenvolvida por Nogami e Villibor (1981), utiliza corpos-
de-prova miniatura, compactados por meio de procedimento especial e destinados aos solos
tropicais finos. Este estudo surgiu devido às limitações dos procedimentos tradicionais de
classificação dos solos com base nas propriedades índices, que não eram capazes de
caracterizar de forma satisfatória o seu comportamento.
Os ensaios de compactação desta metodologia caracterizam-se pelo uso de moldes
cilíndricos de 50 mm (miniatura) ou 26 mm (subminiatura) de diâmetro, soquetes de seção
plena com peso variável de 2.270 g (tipo leve) a 4.500 g (tipo pesado) com queda livre de 30
cm para o cilindro miniatura e soquete de 1.000 g com queda de 20 cm para o subminiatura,
base do tipo pistão e dispositivo manual para extração dos corpos de prova conforme
apresentado nas normas ME 228 (DNER, 1994a) e ME 258 (DNER, 1994b).
O ensaio de compactação é um dos principais ensaios da metodologia MCT, pois a
partir de seus parâmetros básicos (teor de umidade ótima (wot) e peso específico aparente seco
máximo (γdmáx)) moldam-se corpos-de-prova para a determinação de outras propriedades
geotécnicas da metodologia MCT, sendo eles a permeabilidade, infiltrabilidade, expansão e
contração. Existem dois métodos distintos de compactação. O primeiro corresponde ao
Proctor ou Mini-Proctor, onde se procura fixar uma energia de compactação (normal,
intermediária ou modificada) e compactar uma série de corpos de prova com diferentes teores
de umidade ME 228 (DNER, 1994a). O segundo método é o MCV (“Moisture Condition
Value”) ou Mini-MCV, ME 258 (DNER, 1994b), em que, para cada umidade de
compactação, são aplicadas energias crescentes, sucessivamente, até obter um aumento
mínimo da densidade, resultando ao final do ensaio uma família de curvas de compactação. A
capacidade de suporte é determinada através do ensaio Mini-CBR, onde é possível
caracterizar melhor as peculiaridades dos solos tropicais realizando o ensaio sem imersão em
87
água, com vários tipos de sobrecarga, teores de umidade e energias de compactação e com
lâmina d’água durante a penetração do pistão (REZENDE, 2003).
Para a determinação das propriedades dos solos tropicais são realizados, ainda,
ensaios de expansão por imersão dos corpos-de-prova compactados, contração por perda de
umidade dos corpos-de-prova, infiltrabilidade, permeabilidade, penetração de imprimadura
betuminosa, perda de massa por imersão, resistência à compressão axial, resiliência e outros.
A Tabela 4.1 apresenta as propriedades mais significativas dos grupos MCT e recomendações
quanto à utilização rodoviária.
Tabela 4.1 - Propriedades e recomendações dos grupos de solo segundo a metodologia MCT (modificado – Nogami e Villibor, 1995)
GRANULOMETRIAS TÍPICAS A = argilas S = Siltes AS = areias siltosas Designações do T1-71 do DER-SP SA = siltes arenosos AA = argilas arenosas
k = caolinítico m = micáceo A AS S (k,m) A, AA AS AA A, AAs = sericítico q = quartzoso S (q,s) SA AS, SA AS, SA
COMPORTAMENTO N = Não Laterítico L = LateríticoGRUPO MCT NA NA' NS' NG' LA LA' LG'
e MINI-CBR (%)
d sem imersão M, E E M, E E E E, EE E
a perda por imersão B, M B E E B B B
d EXPANSÃO B, M B E M, E B B B
e CONTRAÇÃO B, M B, M M, E M, E B B, M M, E
i COEF. DE PERMEABILIDADE (k) M,E B B, M B, M B, M B B
r COEFICIENTE DE SORÇÃO (s) E B, M E M, E B B B
p Corpos de prova compactados na
o massa específica aparente seca EE = muito elevado E = elevado M = médio B = baixo
r máxima da energia normal
Po
ã Base de pavimento n 4o n n 2o 1o 3o
ç Reforço do subleito compactado 4o 5o n n 2o 1o 3o
a Subleito compactado 4o 5o 7o 6o 2o 1o 3o
z Aterro (corpo) compactado 4o 5o 6o 7o 2o 1o 3o
i Proteção à erosão n 3o n n n 2o 1o
l Revestimento primário 5o 3o n n 4o 1o 2o
i n = não recomendado
tU
Grupos tradicionais MS MHobtidos de amostras que se USCS SP SC SM,CL MH SP SC MLclassificam nos grupos MCT SM ML ML, MH CH SC CHdiscriminados nos topos A-2 A-4 A-6das colunas AASHO A-2 A-4 A-5 A-7-5 A-2 A-2 A-6
A-7 A-7-5 A-7-5 A-4 A-7-5AASHTO
88
O ensaio de perda de massa por imersão possui o objetivo específico de diferenciar
os solos lateríticos dos solos saprolíticos, podendo também ser utilizados par se ter uma idéia
da erobilidade do material. Os solos saprolíticos apresentam, geralmente, valores de Pi (perda
de massa por imersão) nitidamente superiores aos solos de comportamento laterítico
(NOGAMI; VILLIBOR, 1995).
O coeficiente c’ (coeficiente angular da reta assimilável à curva de
deformabilidade com Mini-MCV = 10) é obtido a partir das curvas de deformabilidade
resultantes do ensaio de compactação; e o índice e’ (Equação 4.2) é calculado em função da
perda de massa por imersão (DNER, 1994d) e da inclinação do ramo seco da curva de
compactação (coeficiente d’), valores estes encontrados através do ensaio Mini-MCV.
Segundo Nogami et al. (1993), é possível obter o grupo MCT em que os solos tropicais se
enquadram através de um procedimento expedito táctil-visual, aproveitando-se a boa
correlação entre o coeficiente c’ e a contração de pastilhas de solo moldadas de maneira
padronizada.
3'
20100
'd
Pie += (4.2)
Onde:
• e' = índice da Classificação MCT;
• Pi = perda de massa por imersão;
• d’ = inclinação do ramo seco da curva de compactação.
4.4 ENSAIOS COMPLEMENTARES
Para complementar o estudo de materiais alternativos utilizados em pavimentação
(resíduos sólidos e solos tropicais finos), torna-se necessária a realização de ensaios com as
amostras para determinação do complexo sortido, pH em água e pH em KCl. As análises
químicas servem para a identificação do potencial hidrogeniônico (pH); determinação da
matéria orgânica (MO); das bases trocáveis; da acidez e da capacidade de troca catiônica
(CTC).
O pH dos solos é de grande importância, pois é um fator que influencia fortemente
na agregação das partículas e, conseqüentemente, na distribuição estrutural entre os vazios e
89
sólidos do solo (CARDOSO, 2002, citado por REZENDE, 2003). O pH pode ser determinado
tanto em H2O como em KCl. A diferença aritmética entre os dois (kCl – água) é conhecida
como ΔpH e pode ser positiva ou negativa. No primeiro caso, tem-se que na amostra ocorre
predominância de oxi-hidróxidos de Fe e Al. Já no segundo, tem-se predominância de argilas
silicatadas.
A oxidação da matéria orgânica é realizada via úmida, determinando-se
inicialmente a quantidade de carbono orgânico (CO). Para o cálculo da matéria orgânica
multiplica-se o resultado de CO por 1,724. Este fator é utilizado por assumir que na
composição média do húmus o carbono participa com 58%. Nas bases trocáveis são
determinadas as quantidades de Ca, Mg, K e Na presentes no solo. O somatório de todas elas
fornece a soma de cátions trocáveis (S). Na acidez trocável determina-se a quantidade de H +
Al liberada pela reação com solução não tamponada de KCl. O somatório ente S e a acidez
fornece a capacidade de troca catiônica (CTC). Além disso, determina-se, ainda, a saturação
de alumínio e de bases como sendo uma porcentagem do valor total da CTC (REZENDE,
2003).
4.5 ENSAIOS AMBIENTAIS
O reaproveitamento de um resíduo e o melhor aproveitamento das matérias primas
é vistos por especialistas como a única saída para a continuidade do processo tecnológico já
implementado, pois atuam em perfeita sintonia com as necessidades do mundo atual (MINAS
AMBIENTE, 1999).
Segundo o CONAMA (2002), a abordagem do reaproveitamento pode ter três
enfoques distintos que são:
• Reciclagem: o processo de reaproveitamento de um resíduo, após ter sido submetido à
transformação;
• Recuperação: extração de algumas substâncias dos resíduos como óxidos, metais e etc;
• Reutilização: o processo de reaplicação de um resíduo, sem envolver a transformação do
mesmo.
A norma brasileira NBR 10.004 - Resíduos Sólidos: classificação (ABNT, 2004a)
define o que é resíduo sólido:
90
Resíduos nos estados sólido e semi-sólido, que resultam de atividades de origem: industrial, doméstica, hospitalar, comercial, agrícola, de serviço e de varrição. Ficam incluídos nesta definição os lodos provenientes de sistema de tratamento de água.
A pesquisa visando o desenvolvimento de possíveis tecnologias e processos que
viabilize o uso de um determinado resíduo é importante tal sob o ponto de vista econômico
quanto social, na medida em que o resíduo comumente é:
• Abundante;
• De baixo custo de aquisição e por conseqüência induz a um baixo valor agregado;
• Possui propriedades que atestem bom desempenho para uma determinada aplicação;
• Solução contra a deterioração ambiental gerada pela estocagem realizada em grandes
áreas.
A classificação de um resíduo é de fundamental importância para seu possível
aproveitamento, pois as decisões técnicas e econômicas tomadas em todas as etapas do
tratamento deste tipo de material (manipulação, armazenagem, coleta, transporte e disposição
final) deverão estar de acordo com a classificação dos mesmos. Através das prescrições
normativas da ABNT é possível padronizar a classificação dos resíduos.
A Norma Brasileira NBR 10.004 - Resíduos Sólidos: classificação (ABNT,
2004a), classifica os resíduos quanto aos seus riscos potenciais ao meio ambiente e à saúde
pública, indicando quais resíduos devem ter manuseio e destinação mais rigidamente
controlados. Estes podem ser classificados como:
• Classe I - perigosos;
• Classe II - resíduos não perigosos, que pode ser dividida em:
a) classe II A - resíduos não inertes;
b) classe II B - resíduos inertes.
Para realizar o estudo da contaminação das amostras pesquisadas ao meio
ambiente, utiliza-se dos ensaios de lixiviação e solubilização. O ensaio de lixiviação é
utilizado para determinar a capacidade de transferência de substâncias orgânicas e inorgânicas
presentes no resíduo sólido, por meio de dissolução no meio extrator, de acordo com a norma
NBR 10.005 (ABNT, 2004b). No ensaio de solubilização, de acordo com a norma NBR
10.006 (ABNT, 2004c) o critério para a seleção dos parâmetros, foi o impacto a ser gerado no
lençol freático. Portanto os elementos são os listados em termos da legislação de potabilidade
de águas.
91
Alguns tipos de resíduos sólidos podem, ainda, conter níveis elevados de
impurezas. Entre essas impurezas pode ocorrer um acréscimo de radioatividade natural devido
à presença de elementos específicos do material. Desta forma torna-se necessário avaliar a
capacidade radioativa das amostras coletadas, utilizando-se do equipamento medidor Geiger,
para medir o nível de radiação.
A norma NN 4.01 “Requisitos de segurança e proteção radiológica para instalação
minero-industriais” (CNEN, 2002), que consta como “em elaboração”, pois está aguardando a
sua aplicação por parte do Departamento Nacional da Produção Mineral (DNPM) é a que
atualmente está sendo utilizada como referência para instalações minero-industriais que
utilizam matérias-primas que contenham radionuclídeos associados das séries naturais do
urânio e tório. Segundo esta norma, as instalações minero-industriais se classificam em três
categorias em função das suas atividades especificas Bq/g (Bequerel por grama) e pela dose a
que possam estar submetidos os seus trabalhadores ou indivíduos do público:
• Categoria I: atividade específica < 500Bq/g ou dose a que está submetido o indivíduo do
público >1,0 mSv/ano;
• Categoria II: atividade específica entre 10 e 500 Bq/g;
• Categoria III: atividade específica < 10 Bq/g e dose a que possam estar submetidos os
trabalhadores > 1,0 mSv/ano.
Uma instalação minero-industrial que for classificada em uma das categorias
acima ficará sujeita ao cumprimento da norma NN 4.01 e também da norma NE 3.01
“Diretrizes básicas de Radioproteção” (CNEN, 1988).
92
4 ENSAIOS LABORATORIAIS ........................................ 79 4.1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................79 4.2 ENSAIOS PARA CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS .....................................79 4.2.1 Granulometria ...............................................................................................................79 4.2.2 Limites de Consistência.................................................................................................81 4.2.3 Massa Específica ............................................................................................................82 4.2.4 Classificação dos solos ...................................................................................................82 4.3 ENSAIOS PARA PAVIMENTAÇÃO ............................................................................82 4.3.1 Ensaio de compactação .................................................................................................82 4.3.2 Expansão e “Cafilfornia Bearting Ratio” (CBR) .......................................................83 4.3.3 Módulo Resiliente ..........................................................................................................84 4.3.4 Metodologia MCT..........................................................................................................86 4.4 ENSAIOS COMPLEMENTARES .................................................................................88 4.5 ENSAIOS AMBIENTAIS ................................................................................................89 Tabela 4.1 - Propriedades e recomendações dos grupos de solo segundo a metodologia MCT
(modificado – Nogami e Villibor, 1995) ..................................................................................87
Figura 4.1 – Esquema dos estados físicos, e limites de consistência .......................................81
92
Capítulo 5
5. METODOLOGIA
5.1 INTRODUÇÃO
Esta pesquisa teve como objetivo avaliar o comportamento laboratorial do solo
local fino misturado com fosfogesso em estruturas de pavimentos.
A partir dos conhecimentos adquiridos com a revisão bibliográfica foi efetuada a
determinação das porcentagens de fosfogesso a serem adicionadas ao solo. Posteriormente,
foram realizados os ensaios para a determinação do comportamento destas misturas. As
seguintes amostras foram pesquisadas (Figura 5.1):
• Solo;
• Mistura A: 50% de solo local + 50% fosfogesso;
• Mistura B: 80% de solo local + 20% fosfogesso;
• Mistura C: 20% de solo local + 80% fosfogesso;
• Fosfogesso.
Figura 5.1 - Amostras pesquisadas
Para o desenvolvimento do trabalho foram realizadas as etapas descritas a seguir.
Solo
Mistura A
Mistura B
Mistura C
Fosfogesso
93
5.2 VISITA TÉCNICA
Inicialmente, foi realizada uma visita à indústria Copebrás, localizada na cidade de
Catalão, Estado de Goiás, visando acompanhar o processo de obtenção e deposição do
fosfogesso. Esta visita foi realizada durante o período de uma semana, de 29 de maio a 2 de
julho de 2006, na qual se pode observar todo o processo de extração da rocha (mina), à
deposição final do fosfogesso. Nesta visita pode ser conhecida toda a unidade Copebrás Ltda.,
empresa do grupo Anglo American.
A Copebrás produz e comercializa fertilizantes fosfatados, além de ser a maior
produtora no mercado interno da principal matéria-prima utilizada em detergentes e sabões
em pó, nas suas três unidades industriais: em Ouvidor (GO), Catalão (GO) e Cubatão (SP). A
produção de rocha fosfática beneficiada é de 99 mil toneladas por ano. As unidades de Ácido
Sulfúrico, Ácido Fosfórico e Granulação de Fertilizantes, possuem uma produção de
fertilizantes fosfatados de aproximadamente 121 mil toneladas/ano, na unidade de Catalão
(GO).
5.3 COLETA E PREPARAÇÃO DO FOSFOGESSO
O fosfogesso utilizado nos ensaios é do tipo dihidratado e foi coletado de um
depósito localizado dentro da unidade Copebrás, situada no município de Catalão (GO). A
área de estoque do fosfogesso da empresa é dividida em lotes que são identificados através de
sua idade. A Copebrás possui uma empresa terceirizada, responsável pela formação das pilhas
de fosfogesso, monitoramento e vendas.
Foram coletados aproximadamente 500 kg, sendo 100 kg em cada ponto de coleta
do fosfogesso (Figura 5.2a) e acondicionado em sacos plásticos de 25 kg, para o transporte do
material até o Laboratório de Mecânica de Solos da Escola de Engenharia Civil - UFG, em
Goiânia–GO. O material foi coletado em cinco pontos distintos da pilha, para apresentar uma
maior representatividade. Durante a coleta das amostras de fosfogesso foi realizado o
levantamento radiométrico da pilha com o medidor Geiger como visto na Figura 5.2b.
Ao chegar no Laboratório de Mecânica dos Solos, o fosfogesso foi etiquetado,
destorroado, colocados em bandejas e seco em temperatura ambiente. Com o auxílio do
repartidor de amostra, ou pelo quarteamento, reduziu-se o material até obter uma amostra
representativa em quantidade suficiente para realização dos ensaios.
94
Figura 5.2 - (a) Coleta do fosfogesso; (b) Leitura radiométrica do fosfogesso
5.4 COLETA E PREPARAÇÃO DO SOLO LOCAL
Foram coletados aproximadamente 200 kg de solos no mês de junho de 2006. A
amostra de solo fino utilizada no desenvolvimento dessa pesquisa foi retirada de uma
profundidade de 0,5m a 2,5m do corte de um talude na área interna da Central de
Abastecimento de Goiás S/A (CEASA), localizada à margem da rodovia BR-153, saída para
Anápolis, no município de Goiânia-GO (Figura 5.3a). A amostra deste solo é atualmente
objeto de estudos e pesquisas tecnológicas para fins de pavimentação rodoviária por
pesquisadores de universidades locais (Universidade Estadual de Goiás - UEG, Universidade
Federal de Goiás - UFG e Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – CEFET-GO) e
FURNAS Centrais Elétricas S/A. Sendo este solo enviado para o Laboratório de Mecânica
dos Solos da Escola de Engenharia Civil da UFG.
Ao chegar no Laboratório de Mecânica dos Solos, o solo foi identificado
(etiquetado), destorroado, colocado em bandejas e seco em temperatura ambiente (Figura
5.3b).
Figura 5.3 – Solo local: (a) Local de coleta do solo; (b) Secagem do solo em temperatura ambiente
(a) (b)
(b) (a)
95
5.5 PREPARAÇÃO DAS MISTURAS
Com auxílio do repartidor de amostra ou pelo processo de quarteamento, reduziu-
se o solo e o fosfogesso até obter uma amostra representativa e homogênea em quantidade
suficiente para realização dos ensaios e preparação das misturas nas proporções definidas no
estudo (Figura 5.4). Iniciou-se a preparação com a Mistura A (na proporção de 50% de solo e
50% de fosfogesso) para conhecer melhor como seria trabalhar com os materiais. Para a
formação de cada mistura pesava-se o solo e o fosfogesso, previamente destorroados e secos
em temperatura ambiente, em quantidade suficiente para a formação de cada mistura (Mistura
A, B e C). Em seguida, misturou-se o solo e o fosfogesso, utilizando o quarteador até obter
um material homogêneo. Após isto, as misturas foram ensacadas para posteriormente serem
ensaiadas em laboratório.
Figura 5.4 – Preparação das misturas
5.6 ENSAIOS LABORATORIAIS
5.6.1 Caracterização das Amostras
As amostras coletadas foram preparadas para realização de ensaios de
caracterização e ensaios de compactação, de acordo com a NBR 6457 (ABNT, 1986a), para o
solo, fosfogesso e Misturas A (50% solo + 50% fosfogesso), B (80% solo + 20% fosfogesso)
e C (20% solo + 80% fosfogesso).
Os ensaios tradicionais para caracterização dos materiais (granulometria; massa
específica dos grãos; limites de consistência; compactação; expansão e “California Bearing
Fosfogesso Solo
96
Ratio” - CBR) foram realizados no Laboratório de Mecânica de Solos - UFG. Com os
resultados obtidos, os materiais foram classificados de acordo com sistemas da “American
Association of State Highway and Transportation Officials” – AASHTO, Sistema Unificado e
Classificação de Solos - SUCS.
5.6.1.1 Análise granulométrica
A determinação da granulometria se deu por meio de peneiramento seguido de
sedimentação (com e sem defloculante-Hexametafosfato de sódio) de acordo com a NBR
7181 (ABNT, 1984a), do material passante na peneira nº 200, como pode ser observado na
Figura 5.5.
Figura 5.5 – Análise granulométrica: (a) Peneiramento; (b) Sedimentação
5.6.1.2 Massa específica dos grãos
O ensaio de massa específica dos grãos ou pesos específicos dos materiais foram
determinados pelo método do picnômetro, conforme NBR 6508 (ABNT, 1988b), grãos de
solos que passam na peneira 4,8 mm, como visto na Figura 5.6.
(a) (b)
97
Figura 5.6 - Determinação da massa específica dos grãos: (a) Solo; (b) Fosfogesso
5.6.1.3 Limites de Consistência
Os limites de consistência referem-se à determinação do limite de liquidez e do
limite de plasticidade. O limite de liquidez (wL) das amostras foram determinados conforme a
NBR 6459 (ABNT, 1984c). O ensaio foi realizado no aparelho de Casagrande (Figura 5.7),
que consiste em um prato de latão, em forma de concha, sobre um suporte de ebonite, por
meio de um excêntrico imprime-se ao prato, repetidamente, quedas de altura de 1 cm e
intensidade constante.
Figura 5.7 – Determinação do limite de liquidez: (a) Aparelho de Casagrande; (b) Solo; (c) Fosfogesso
O limite de plasticidade (wP) das amostras foi realizado segundo a NBR 7180
(ABNT, 1984d). Esta norma prescreve o método para a determinação do limite de
plasticidade e para o cálculo do índice de plasticidade (IP) dos materiais, como pode-se
observar na Figura 5.8.
(a) (b)
(a) (b) (c)
98
Figura 5.8 – Ensaio de limite de plasticidade: (a) Instrumentos utilizados no ensaio; (b) Fosfogesso; (c) Formação do cilindro da Mistura A; (d) Formação do cilindro do solo
5.6.2 Compactação, Expansão e “California Bearing Ratio” (CBR)
Quando se realiza a compactação de um solo, sob diferentes condições de umidade
e para uma determinada energia de compactação conforme NBR 7182 (ABNT, 1986a),
obtém-se a curva de variação dos pesos específicos em função da umidade. Após a
compactação do material na energia Intermediária, onde são aplicados 26 golpes por camada,
e formados cinco camadas no total (Figura 5.9) os corpos-de-prova ficaram imersos em água
por quatro dias consecutivos, sendo efetuada diariamente leitura no extensômetro para
determinar a expansão (Figura 5.10).
Figura 5.9 – Ensaio de compactação: (a) Formação das camadas; (b) Nivelamento do corpo-de-prova
(a) (b)
(c) (d)
(b)(a)
99
Figura 5.10 – Realização do ensaio de expansão: (a) Tanque de imersão; (b) Detalhe do extensômetro e do corpo-de-prova
Com a conclusão do ensaio de expansão, foi realizado o ensaio de CBR que
consiste na aplicação de um carregamento estático em um corpo-de-prova sob condição
saturada (após quatro dias). Conforme NBR 9895 (ABNT, 1987a), este carregamento se dá
por meio da penetração de um pistão de diâmetro padronizado, em velocidade constante,
acompanhado de registros de cargas de reação por meio de um anel dinamométrico acoplado
à prensa (Figura 5.11). A realização do ensaio de CBR teve como objetivo principal definir,
em laboratório, os valores de suporte dos materiais estudados.
Figura 5.11 - Ensaio de CBR: (a) Prensa para determinação do CBR; (b) Pistão de penetração
(a) (b)
(a) (b)
100
5.6.3 Módulo Resiliente
O ensaio para determinação do módulo resiliente (MR) dos materiais foi realizado
no equipamento triaxial de carga repetida de curta duração (Figura 5.12) do Laboratório de
Tecnologia de Pavimentação da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (LTP-
EPUSP), conforme etapas definidas na norma ME 131 (DNER, 1994a). Neste experimento,
são aplicadas tensões de confinamento e tensões axiais de modo a simular as condições de
campo a que o material fica submetido. Foram realizados ensaios de módulo resiliente para o
solo, e as Misturas A, B, C e fosfogesso.
Figura 5.12 – Equipamento triaxial de carga repetida
O procedimento do ensaio triaxial pode ser observado nos seguintes passos:
1º. Após a compactação (corpos-de-prova com 10cm de diâmetro e 20cm de altura) mede-se a
massa do corpo-de-prova (CP) (Figura 5.13a);
2º. Com o auxílio do encamisador, envolve-se o CP com a membrana de borracha;
3º. Coloca-se o CP sobre a base da célula triaxial;
4º. Colocam-se elásticos envolvendo a membrana na altura da base da célula triaxial;
5º. Colocam-se as hastes de fixação da tampa da célula triaxial;
6º. Coloca-se a conexão da haste ao pistão de carga;
7º. Encaixam-se os mangotes de ar comprimido para aplicação das tensões desvio e
confinante (Figura 5.13b);
8º. Libera-se o ar comprimido;
9º. Liga-se o sistema de aquisição e reprodução de dados;
101
10º. Inicia-se a fase de condicionamento, para eliminar ou minimizar os efeitos da deformação
plástica e de história de tensões, com aplicação de 500 pulsos de carga em três estágios de
aplicação de tensão desvio e confinante;
11º. Após condicionamento, ajustam-se novamente os transdutores e inicia-se o ensaio
triaxial;
12º. Após a aplicação do último ciclo de carga, verifica-se os valores e os gráficos
diretamente no monitor e caso todos os pontos tenham sido computados ou nenhuma
anomalia verificada, o ensaio pode ser considerado terminado.
Figura 5.13 – Ensaio triaxial: (a) Compactação do corpo-de-prova; (b) Encaixe dos mangotes de ar comprimido
5.6.4 Metodologia MCT
Para a realização da classificação do solo utilizando a metodologia MCT
executaram-se dois ensaios, sendo eles: compactação pelo método mini-MCV e perda de
massa por imersão. Desta forma a determinação da classificação foi divida em quatro etapas:
1º Etapa – Preparação da amostra – Foi efetuada de acordo com a norma ME 258 (DNER,
1994b), sendo que as amostras foram previamente secas ao ar livre e passadas na peneira de 2
mm. Para a execução do ensaio, foi necessário utilizar uma variação de umidade igual a 3%
entre os pontos. Por se tratar de um solo argiloso, as amostras foram ensacadas para manter a
umidade (Figura 5.14a). A Figura 5.14b mostra os cilindros separados para a realização do
ensaio.
(a) (b)
102
2º Etapa – Compactação – Para efetuar a compactação foram necessários quatro moldes, funil,
assentador e espátula. Despejou-se no molde uma quantidade pré-fixada de 300g de solo
(Figura 5.15a). A compactação foi realizada posicionando o soquete do tipo leve sobre o solo
do molde e executando o primeiro golpe. Logo em seguida era efetuada a leitura do
extensômetro (Figura 5.15b).
3º Etapa – Perda de massa por imersão – Este ensaio foi efetuada de acordo com a norma ME
256 (DNER, 1994c), que tem por objetivo, prescrever o método de determinação da perda de
massa por imersão em água de solos tropicais compactados, em laboratórios, com uso de
equipamento miniatura, visando sua classificação e previsão de sua estabilidade superficial à
ação das intempéries. Os corpos-de-prova compactados foram deslocados, com uso do
extrator, de maneira que seu topo ficasse 10 mm, externo ao cilindro (Figura 5.16a). O molde
com o corpo-de-prova foi transferido para um tanque, onde foi colocado na posição horizontal
(Figura 5.16b). Com a ajuda de um suporte, posicionou-se uma cápsula de alumínio de
maneira que o seu centro coincidisse com a vertical passando pelo centro de base do molde.
Esta cápsula foi usada para a captação da massa que poderia ser desprendida ao imergir o
corpo-de-prova. Encheu-se o tanque, deixando os corpos-de-prova em imersão por 24h.
Após este período, as cápsulas contendo as massas desprendidas foram levadas à
estufa, por 24h. Determinou-se o valor de Pi para cada teor de umidade Equação 5.1 descrita a
seguir.
( )s
di M
aMP
××=
10 (5.1)
Onde:
• Pi = perda de massa por imersão expressa em porcentagem;
• Md = massa de solo seca, da porção desprendida do corpo-de-prova em gramas;
• a = altura do corpo-de-prova em milímetros;
• MS = massa de solo seca do corpo-de-prova em gramas.
O valor do coeficiente Pi para fins classificatórios foi obtido por interpolação
gráfica, traçando-se a curva de variação de porcentagens de Pi em função do mini-MCV. O
valor do Pi é correspondente ao valor de mini-MCV igual a 10 ou a 15, conforme se trate o
solo de baixa ou elevada massa específica aparente, fixado de acordo com o seguinte: a baixa
103
massa específica aparente ocorre à altura final do corpo-de-prova obtido para o mini-MCV
igual a 10 for superior a 48 mm.
4º Etapa – Determinação da Classificação – Traçaram-se as curvas de compactação,
relacionando a massa específica aparente seca com a umidade dos corpos-de-prova para uma
quantidade de golpes 2, 4, 6, 10, 20 e 40 determinando-se valor de d’, inclinação da parte
retilínea do ramo seco da curva de compactação correspondente a 12 golpes.
Figura 5.14 – Preparação do ensaio: (a) Amostras do solo já umedecido; (b) Cilindros para compactação do solo
Figura 5.15 - Compactação: (a) Equipamento para compactação; (b) Detalhe do extensômetro
(b)(a) (b)
(a) (b)
104
Figura 5.16 – Ensaio de perda de massa por imersão: (a) Corpos-de-prova com o topo 10 mm externo ao cilindro; (b) Corpos-de-prova imersos no tanque
Foram determinadas as curvas de deformabilidade, onde se relaciona a quantidade
de golpes com o valor da diferença entre a altura do corpo-de-prova após um número de
golpes n e a altura do corpo-de-prova após 4n golpes (an), fornecendo o coeficiente c’ e o
mini-MCV para cada teor de umidade. Obtido o valor de Pi e d’ pode-se calcular o índice e’
com a Equação 4.2. Utilizando os valores dos coeficientes c’ e do índice e’ pode-se efetuar a
classificação do solo ensaiado por meio do ábaco da Figura 3.2.
Os ensaios para determinação da metodologia MCT foram realizados no
Laboratório de Tecnologia de Pavimentação da Escola Politécnica da Universidade de São
Paulo (LTP-EPUSP).
5.7 ENSAIOS COMPLEMENTARES
Foram realizados análises químicas e pH do solo, das misturas A, B, C e do
fosfogesso. Os ensaios das amostras foram realizados em um laboratório privado credenciado
pela Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (EMBRAPA) localizado no município de
Goiânia-GO.
(a) (b)
105
5.8 ENSAIOS AMBIENTAIS
5.8.1 Lixiviação e Solubilização
O ensaio de lixiviação foi realizado conforme a NBR 10.005 (ABNT, 2004a) que
descreve todos os passos deste ensaio de maneira a proporcionar o efeito de percolação dos
elementos contidos no resíduo sólido ou solo contaminado, e então analisando os elementos
indicados ou impostos pela NBR 10.004 (ABNT, 2004b).
Para o ensaio de solubilização utiliza-se a NBR 10.006 (ABNT, 2004c) que
descreve todos os passos deste ensaio de maneira a proporcionar o efeito de solubilização dos
elementos contidos no resíduo sólido ou solo contaminado, e então analisando os elementos
indicados ou impostos pela NBR 10.004 (ABNT, 2004d).
Para a realização destes ensaios foi contratada uma empresa particular que
apresenta sistema de certificação ISO 9001:2000 e esta de acordo com as normas do
INMETRO OCS 0009. Desta forma, foram enviados aproximadamente 1,5 kg de cada
amostra (solo, fosfogesso, mistura A, B e C) para a realização dos ensaios.
5.8.2 Avaliação Radiométrica
Nesta pesquisa foi utilizado o medidor Geiger da marca Ludlum, modelo 2401
EW, sendo que esta avaliação foi realizada inicialmente no momento da coleta do fosfogesso
na pilha. Para a realização da avaliação radiométrica com as amostras preparadas em
laboratório, foram utilizados os corpos-de-prova confeccionados para o ensaio de
compactação (energia intermediária). Assim, as leituras radiométricas foram executadas em
cada amostra distintamente (Misturas A, B, C, solo e fosfogesso) após a compactação, sendo
esta uma medição direta.
106
5 METODOLOGIA ............................................................. 92 5.1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................92 5.2 VISITA TÉCNICA ...........................................................................................................93 5.3 COLETA E PREPARAÇÃO DO FOSFOGESSO ........................................................93 5.4 COLETA E PREPARAÇÃO DO SOLO LOCAL ........................................................94 5.5 PREPARAÇÃO DAS MISTURAS .................................................................................95 5.6 ENSAIOS LABORATORIAIS........................................................................................95 5.6.1 Caracterização das Amostras .......................................................................................95 5.6.1.1 Análise granulométrica.................................................................................................96 5.6.1.2 Massa específica dos grãos...........................................................................................96 5.6.1.3 Limites de Consistência................................................................................................97 5.6.2 Compactação, Expansão e “California Bearing Ratio” (CBR).................................98 5.6.3 Módulo Resiliente ........................................................................................................100 5.6.4 Metodologia MCT........................................................................................................101 5.7 ENSAIOS COMPLEMENTARES ...............................................................................104 5.8 ENSAIOS AMBIENTAIS..............................................................................................105 5.8.1 Lixiviação e Solubilização...........................................................................................105 5.8.2 Avaliação Radiométrica..............................................................................................105
Figura 5.1 - Amostras pesquisadas ...........................................................................................92
Figura 5.2 - (a) Coleta do fosfogesso; (b) Leitura radiométrica do fosfogesso........................94
Figura 5.3 – Solo local: (a) Local de coleta do solo; (b) Secagem do solo em temperatura
ambiente ...................................................................................................................................94
Figura 5.4 – Preparação das misturas .......................................................................................95
Figura 5.5 – Análise granulométrica: (a) Peneiramento; (b) Sedimentação.............................96
Figura 5.6 - Determinação da massa específica dos grãos: (a) Solo; (b) Fosfogesso ..............97
Figura 5.7 – Determinação do limite de liquidez: (a) Aparelho de Casagrande; (b) Solo; (c)
Fosfogesso ................................................................................................................................97
Figura 5.8 – Ensaio de limite de plasticidade: (a) Instrumentos utilizados no ensaio; (b)
Fosfogesso; (c) Formação do cilindro da mistura A; (d) Formação do cilindro do solo..........98
Figura 5.9 – Ensaio de compactação: (a) Formação das camadas; (b) Nivelamento do corpo-
de-prova....................................................................................................................................98
Figura 5.10 – Realização do ensaio de expansão: (a) Tanque de imersão; (b) Detalhe do
extensômetro e do corpo-de-prova ...........................................................................................99
Figura 5.11 - Ensaio de CBR: (a) Prensa para determinação do CBR; (b) Pistão de penetração
..................................................................................................................................................99
Figura 5.12 – Equipamento triaxial de carga repetida............................................................100
Figura 5.13 – Ensaio triaxial: (a) Compactação do corpo-de-prova; (b) Encaixe dos mangotes
de ar comprimido....................................................................................................................101
107
Figura 5.14 – Preparação do ensaio: (a) Amostras do solo já umedecido; (b) Cilindros para
compactação do solo...............................................................................................................103
Figura 5.15 - Compactação: (a) Equipamento para compactação; (b) Detalhe do extensômetro
................................................................................................................................................103
Figura 5.16 – Ensaio de perda de massa por imersão: (a) Corpos-de-prova com o topo 10 mm
externo ao cilindro; (b) Corpos-de-prova imersos no tanque.................................................104
106
Capítulo 6
6. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS
6.1 INTRODUÇÃO
Neste capítulo estão apresentados os resultados e as análises dos ensaios realizados
para a avaliação do comportamento laboratorial do solo fino misturado com fosfogesso em
estruturas de pavimentos. Primeiramente, são apresentadas imagens da visita à indústria da
qual foi obtido o fosfogesso utilizado no estudo. Em seguida têm-se os resultados
laboratoriais de caracterização e classificação dos materiais. Posteriormente, apresentam-se os
resultados dos ensaios de compactação, expansão e “California Bearing Ratio” - CBR, com
sua massa específica seca máxima e no teor ótimo de umidade das misturas. Têm-se, ainda, os
resultados dos estudos do módulo resiliente e metodologia MCT (Miniatura, Compactado,
Tropical) dos materiais. Ao final do estudo, têm-se os resultados das análises químicas e das
análises ambientais das amostras selecionadas para a pesquisa.
6.2 VISITA TÉCNICA
A visita técnica teve como principal objetivo conhecer a forma de obtenção do
fosfogesso. Por conseqüência, pôde-se conhecer todo o processo industrial a partir da mina de
céu aberto (Figura 6.1), da qual é extraída a rocha fosfática.
Figura 6.1 - Mina de extração da rocha fosfática, localizada em Ouvidor –GO
Vista 1 Vista 2
107
A rocha britada é estocada em pilhas de homogeneização da qual é levada por um
sistema de esteira para a usina de beneficiamento (Figura 6.2), visando à concentração dos
minerais de fósforo, através de etapas relacionadas no Capítulo 2
Figura 6.2 – Transporte do material britado para a usina de beneficiamento
Após passar pela usina de beneficiamento, o material é encaminhado por meio de
um mineroduto para o terminal de condicionamento da rocha. Em seguida, visitou-se a
unidade do Ácido Sulfúrico a qual recebe o enxofre (S), via sistema ferroviário (Figura 6.3a),
para a formação do ácido sulfúrico na própria unidade da Copebrás. Este ácido sulfúrico é
encaminhado por sistemas de tubulações para a unidade do Ácido Fosfórico (Figura 6.3b),
onde o ácido sulfúrico “ataca” o concentrado fosfático. Este processo é conhecido por via
úmida, sendo que aproximadamente 85% da produção mundial de ácido fosfórico baseiam-se
neste tipo de metodologia. Existe a presença de água para manter todo o processo dentro de
uma determinada temperatura, gerando assim o ácido fosfórico. Durante este processo é
obtido o fosfogesso no sistema de filtração, o qual é encaminhado por trilhos à pilha de
fosfogesso (Figura 6.4).
Figura 6.3 – (a) Via férrea, chegado do enxofre; (b) Unidade do Ácido Sulfúrico
(a)
Enxofre
(b)
Sistema de resfriamento Sistema
reacional
Sistema de filtração
108
Figura 6.4 – Deposição do fosfogesso: (a) Trilho para escoamento do fosfogesso; (b) Pilha de fosfogesso
Posteriormente à visita das unidades de Ácido sulfúrico, Ácido fosfórico e a pilha
de fosfogesso, pôde-se conhecer o sistema de tratamento do percolado que sai da pilha de
fosfogesso (Figura 6.5a) e segue pela caneleta em direção a lagoa de percolado (Figura 6.5b).
A lagoa de contenção (Figura 6.5c) de efluente ácido é impermeabilizada com geomembrana
com duas camadas. Ela também recebe as águas de chuvas drenadas da pilha do fosfogesso. A
estação de tratamento de efluentes líquido (ETEL) possui um sistema de filtro prensa (Figura
6.5d).
Figura 6.5 - (a) Saída do percolado da pilha de fosfogesso; (b) Sistemas de canaletas para lagoa de percolado; (c) Lagoa de percolado; (d) Sistema de filtros da ETEL
(a) (b)
(c) (d)
(a) (b)
109
A Tabela 6.1 apresenta os produtos químicos utilizados na usina de
beneficiamento, com suas funções e informações ambientais.
Tabela 6.1 – Produtos utilizados na usina de beneficiamento (COPEBRÁS, 2007)
Produto Composição Função na Usina Informações Ambientais-FISPQ*
Soda Cáustica 30 a 53%
Hidróxido de sódio
Corretor de pH para a flotação (dosado
na flotação de barita)
O produto é rapidamente neutralizado ao pH ambiental.
Sulfopon F715B
Sulfato de álcool graxo em solução
Coletor para a flotação de barita Não persistente e biodegradável
Flotanol 123/93
Não iônico/ Tensoativo/
Solução aquosa
Espurante para a flotação de barita
Demanda química de oxigênio (DQO): cerca 1.109.000 mg/l
Promoflot UFT Amido de milho
Depressor de gangas para a
flotação de apatita Inerte ao meio ambiente
Renex 18 Nonilfenol etoxilado 1,8 EO
Regula a tenção superficial da
flotação de apatita.
O produto pode sofrer de 90 a 100% de degradação em unidades de tratamento biológico. Em água
corrente pode sofrer biodegradação primária superior a
50% em 28 dias. Lioflot 502-A
Ácidos graxos de origem vegetal
Coletor para a flotação de apatita Biodegradável. Insolúvel em água.
* FISPQ - Ficha de Informação de Segurança de Produto Químico
6.3 ENSAIOS LABORATORIAIS
6.3.1 Caracterização das Amostras
6.3.1.1 Análise granulométrica
A Tabela 6.2 apresenta os resultados obtidos nos ensaios de granulometria das
cinco amostras (fosfogesso, solo, Misturas A, B e C) utilizadas na pesquisa. Em seguida, são
apresentadas as curvas granulométricas dos ensaios realizados com e sem defloculante.
Analisando-se as referidas curvas, observa-se que o fosfogesso pode ser incluído na classe dos
110
siltes, com mais de 75% de suas partículas passante na peneira nº 200. Este resultado
mostrou-se coerente com aqueles apresentados no Capítulo 2 (SILVESTRE, 2002;
KOBAYASHI, 2000). No entanto, ao ser realizado o ensaio de sedimentação sem o uso do
defloculante, observa-se diferença entre as curvas granulométricas obtidas para o fosfogesso
(Figura 6.6), sendo que ocorreu aumento no teor de areia e redução na porcentagem de silte.
Isto mostra que o defloculante age no material quebrando as ligação entre partículas menores
que formam um torrão de diâmetro correspondete à fração areia. Conseqüentemente, tem-se
um material mais fino quando o ensaio é feito com defloculante.
Tabela 6.2 – Frações granulométricas dos materiais estudados
Amostras Fosfogesso Solo Mistura A
Mistura B
Mistura C
Pedregulho(%) 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
Areia (%) 21,00 57,29 71,47 74,76 45,42
Silte (%) 76,20 20,79 23,30 22,49 51,13
Com
defloculante
Argila (%) 2,80 21,92 5,23 2,75 3,45
Pedregulho(%) 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
Areia (%) 56,20 85,83 66,71 72,47 54,03
Silte (%) 43,80 14,17 32,81 27,07 45,40
Sem
defloculante
Argila (%) 0,00 0,00 0,48 0,46 0,57
O solo utilizado apresenta maior quantidade de areia (57,29%). No entanto, a
quantidade de finos (silte + argila) no material é considerável (42,71%). Comparando as
curvas granulométricas dos ensaios realizados com e sem defloculante (Figura 6.7),
novamente observa-se variação nos resultados, sendo que com defloculante tem-se as frações
de areia, silte e argila. Já sem defloculante, tem-se apenas as frações areia (85,83%) e silte
(14,17%). Este tipo de comportamento sugere que o solo selecionado para a pesquisa seja um
solo tropical, cujas concreções formadas pela cimentação de partículas menores foram
desfeitas pelo defloculante.
Com relação às misturas, verifica-se que ainda ocorre variação das curvas
granulométricas obtidas com o uso ou não do defloculante (Figuras 6.8, 6.9, e 6.10) No
entanto, estas variações são menos significativas quando comparadas com os resultados
111
obtidos apenas para o fosfogesso e apenas para o solo. Isto indica, que ao serem misturados os
dois materiais, pode estar acontecendo algum tipo de estabilização, impedindo que as ligações
existentes entre uma partícula de solo e outra de fosfogesso sejam defeitas com a presença do
defloculante.
Analisando as frações granulométricas com base nas curvas obtidas no ensaio com
defloculante (Figura 6.11), tem-se que as Misturas A (50% de fosfogesso) e B (20% de
fosfogesso) apresentam maior quantidade de areia. Já na Mistura C (80% de fosfogesso), tem-
se quantidades semelhantes de areia e silte. Ainda é possível verificar que ao acrescentar até
50% de fosfogesso ao solo, ocorre agregação entre os materais, já que a quantidade da fração
areia é maior nas Misturas A e B do que no solo e no fosfogesso sozinhos. Isto mostra que,
provavelmente, estão ocorrendo reações químicas entre os dois materiais. Ao se trabalhar com
grande quantidade de fosfogesso (Mistura C), este fato já não ocorre mais. Assim, com as
curvas apresentadas na Figura 6.11, tem-se que:
• As curvas granulométricas das Misturas A e B acompanham a tendência da curva
granulométrica obtida para o solo. No entanto, elas apresentam grãos mais agregados que
o solo.
• A curva granulométrica da Mistura C acompanha a tendência da curva granulométrica do
fosfogesso. No entanto, a Mistura C apresenta menor quantidade de finos que o
fosfogesso. Assim, novamente constata-se a existência de ligações ou reações químicas
entre as partículas do solo e do fosfogesso.
Avaliando as curvas granulométricas obtidas no ensaio realizado sem defloculante
(Figura 6.12), obtém-se conclusões diferenciadas daquelas observadas na Figura 6.11. Neste
caso, as curvas dos materais estudados possuem tendências semelhantes, sendo que o solo
apresenta-se como o material com maior agregação, provavelmente, devido à presença de
concreções típicas de solos tropicais laterizados. Isto mostra que, à medida que aumenta-se o
teor de fosfogesso incorporado ao solo, o material torna-se mais fino, não havendo, neste
caso, aglomeração de partículas de solo e fosfogesso. Assim, verifica-se que para que ocorram
reações químicas entre o fosfogesso e o solo tropical, é necessário que as partículas finas
desses materiais estejam livres para reagirem entre si.
112
Figura 6.6 – Curva granulométrica do fosfogesso com e sem defloculante
Figura 6.7 - Curva granulométrica do solo com e sem defloculante
Figura 6.8 – Curva granulométrica da Mistura A com e sem defloculante
0102030405060708090
100
0,001 0,01 0,1 1 10Diâmetro (mm)
% q
ue p
assa
Fosfogesso com defloculante
Fosfgesso sem defloculante
0102030405060708090
100
0,001 0,01 0,1 1 10Diâmetro (mm)
% q
ue p
assa
Solo sem defloculante
Solo com defloculante
0102030405060708090
100
0,001 0,01 0,1 1 10Diâmetro (mm)
% q
ue p
assa
Mistura A com defloculante
Mistura A sem defloculante
Fosfogesso sem defloculante
113
Figura 6.9 – Curva granulométrica da Mistura B com e sem defloculante
Figura 6.10 – Curva granulométrica da Mistura C com e sem defloculante
0102030405060708090
100
0,001 0,01 0,1 1 10Diâmetro (mm)
% q
ue p
assa
Fosfogesso SoloMistura A Mistura BMistura C
Figura 6.11 – Curvas granulométricas dos materiais obtidas no ensaio com defloculante
0102030405060708090
100
0,001 0,01 0,1 1 10Diâmetro (mm)
% q
ue p
assa
Mistura B com defloculanteMistura B sem defloculante
0102030405060708090
100
0,001 0,01 0,1 1 10Diâmetro (mm)
% q
ue p
assa
Mistura C com defloculante
Mistura C sem defloculante
114
0102030405060708090
100
0,001 0,01 0,1 1 10Diâmetro (mm)
% q
ue p
assa
Fosfogesso SoloMistura A Mistura BMistura C
Figura 6.12 – Curvas granulométricas dos materiais obtidas no ensaio sem defloculante
6.3.1.2 Massa específica dos grãos
Os valores encontrados na determinação da massa específica dos grãos estão
apresentados na Tabela 6.3. Para o fosfogesso obteve-se valor de 3,359 g/cm3. Este resultado
é superior aos valores de 2,320 g/cm3 e 2,308 g/cm3 obtidos por Takeda (1998) e de 2,262
g/cm3 obtidos por Silvestre (2003). Acredita-se que estes valores podem ter apresentado tais
diferenças, pois os fosfogessos deste e dos demais estudos são provenientes de empresas
distintas, sendo uma localizada no Estado de Goiás e a outra no Estado de Minas Gerais.
Assim, podem existir diferenças nas rochas fosfáticas de origem.
O solo apresentou valor de massa específica comumente encontrado na região.
Para as misturas, observa-se que o valor obtido para o fosfogesso continua prevalecendo para
as Misturas A e C. Já na Mistura B, a massa específica determinada está mais próxima ao
valor da massa do solo.
Tabela 6.3 - Resultados do ensaio de massa específica dos grãos
Propriedade Fosfogesso Solo Mistura A 50%Solo
50%Fosfogesso
Mistura B 80%Solo
20%Fosfogesso
Mistura C 20%Solo
80%Fosfogessoρ (g/cm3) 3,359 2,869 3,236 2,968 3,378
Obs: ρ = massa específica dos grãos
115
6.3.1.3 Limites de Consistência
O ensaio de limite de liquidez, tanto para o fosfogesso, como para a Mistura C
(20% de solo local + 80% fosfogesso), foi considerado inexeqüível, pois a pasta de fosfogesso
e a Mistura C não apresentaram a trabalhabilidade necessária para a realização deste ensaio
(Figura 6.13). Nos estudos anteriores realizados por Ortiz (1997), Takeda (1998), Kobayashi
(2000) e Silvestre (2003), também não se obtiveram êxito na determinação do limite de
liquidez para o fosfogesso. Para o solo e para as Misturas A e B o ensaio foi possível de ser
realizando, obtendo-se os valores apresentados na Tabela 6.4.
Figura 6.13 – Ensaio de limite de liquidez para o fosfogesso
Tabela 6.4 - Resultados dos ensaios de limite de consistência
Propriedades Fosfogesso Solo Mistura A 50%Solo
50%Fosfogesso
Mistura B 80%Solo
20%Fosfogesso
Mistura C 20%Solo
80%FosfogessowL(%) - 37,5 39,2 37,9 - wP (%) - 26,5 34,0 34,7 - IP (%) NP 10,9 5,3 3,3 NP
Obs: wL = Limite de liquidez; wp = Limite de plasticidade; IP = Índice de plasticidade
No ensaio de limite de plasticidade não foi possível realizar a moldagem dos
bastonetes do fosfogesso e da Mistura C. Kobayashi (2000) também não obteve sucesso na
moldagem dos bastonetes no ensaio de plasticidade (Figura 6.14), levando a classificar o
material como não-plástico (NP). Assim, verifica-se que o fosfogesso é um material de
nenhuma plasticidade, conforme constatado também por Chang e Mantell (1990). Entre as
Misturas A e B, obteve valores de limites semelhantes, sendo que ao final as amostras
apresentaram baixos valores de índice de plasticidade. O solo apresentou resultados similares
a estudos já realizados em outras pesquisas (FARIA, 2006).
116
Figura 6.14 – Ensaio de limite de plasticidade: (a) Trabalhando o material; (b) Tentando formar o bastonete
6.3.1.4 Classificação dos materiais
Com os resultados dos ensaios de granulometria com defloculante e dos limites de
consistência, as amostras foram classificadas de acordo com o Sistema de Classificação
Unificado (SUCS) e a classificação para finalidades rodoviárias da “American Association of
State Highway and Transportation Officials” (AASHTO) mais conhecida como
“Transportation Research Board”(TRB).
A Tabela 6.5 apresenta a classificação para as amostras. De acordo com o sistema
SUCS, o solo estudado corresponde a uma areia argilosa (SC). No sistema TRB, o solo é
classificado como um solo argiloso do tipo A-6. Assim, constata-se que para o solo estudado
as duas classificações tradicionais não são coincidentes. Desta forma, torna-se importante
realizar a classificação MCT para este solo, visando indentificá-lo de uma forma mais precisa.
O fosfogesso, assim como a Mistura C, é classificado pelo SUCS como uma areia
fina siltosa (ML) e no sistema TRB como solo siltoso (A-4). Estes índices classificatórios
coincidem com aqueles encontrados por Kobayashi (2000) e Gerrity et al. (1994). As Misturas
A e B foram classificadas como areia siltosa (SM e A-2-4).
Tabela 6.5 – Classificação segundo SUCS e TRB das amostras estudadas
Classificação Fosfogesso Solo Mistura A 50%Solo
50%Fosfogesso
Mistura B 80%Solo
20%Fosfogesso
Mistura C 20%Solo
80%FosfogessoTRB A-4 A-6 A-2-4 A-2-4 A-4
SUCS ML SC SM SM ML
117
6.3.2 Compactação, Expansão e “California Bearing Ratio” (CBR)
Apresentam-se neste item os resultados dos ensaios de compactação executados
com a energia Proctor Intermediária, para a definição da umidade ótima e peso específico
aparente seco máximo. Os mesmos moldes foram utilizados no estudo do “California Bearing
Ratio” (CBR) e da expansão. A Figura 6.15 apresenta as curvas de compactação e de
saturação (Sr = 100%) obtidas para o fosfogesso, o solo e para as Misturas A, B, e C
preparadas em laboratório.
As amostras do fosfogesso e da Mistura C apresentaram certa dificuldade na
determinação da curva de compactação pelo fato de terem sido obtidos valores de umidade
muito elevados para esses materiais. As Mistura A e B não apresentaram nenhuma dificuldade
no momento da compactação. A constatação bibliográfica é de que o fosfogesso, no seu
estado puro, apresenta problemas de compactabilidade no campo em casos de umidade acima
da ótima (CASTILHO JR. et al., 1998). O autor sugere que em caso de aplicação do
fosfogesso para a construção de pavimentos o mesmo seja misturado com material arenoso,
de preferência. No entanto, o mesmo autor afirma que a literatura reporta casos de sucesso de
misturas de fosfogesso com solo argiloso. Com os resultados apresentados nesta pesquisa,
verifica-se que as misturas de fosfogesso e solo argiloso (Misturas A e B) apresentam maior
potencial de uso quando compactadas. Com os valores obtidos na Tabela 6.6, tem-se que com
aumento do teor de fosfogesso na mistura ocorre diminuição no valor do peso específico
aparente seco máximo e aumento no valor da umidade ótima.
Figura 6.15- Curvas de compactação e saturação: (a) Fosfogesso; (b) Solo, Mistura A, Mistura B e Mistura C
8,59,09,5
10,010,511,011,512,012,513,0
25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75w (%)
γd (k
N/m
3 )
FosfogessoSr 100% Fosfogesso
10111213141516171819
15 20 25 30 35 40 45 50w (%)
γd (k
N/m
3 )
Solo Mistura AMistura B Mistura CSr = 100% Solo Sr = 100% Mistura ASr = 100% Mistura B Sr = 100% Mistura C
(a) (b)
118
Tabela 6.6 - Resultados de compactação, expansão e CBR (Energia Proctor Intermediário)
Amostras Propriedades Fosfogesso Solo Mistura A Mistura B Mistura C γdmáx (kN/m3) 11,0 16,9 13,8 16,4 12,0 wot (%) 44,0 20,0 34,4 20,5 43,8 CBR (%) 0,6 15,2 15,0 37,0 7,0 Expansão (%) 0,05 0,02 0,22 0,04 0,40 Obs: γdmáx = peso específico aparente seco máximo; wot = umidade ótima; CBR = “Califórnia Bearing Ratio”
Castilho Jr. et al. (1998) trabalhou com amostras de fosfogesso oriundas de
diferentes empresas. Utilizando-se a energia Proctor Normal ele obteve valores de umidade
ótima de 40,5% e de 46,5% e de peso específico aparente seco 12,1 kN/m3 e 11,1 kN/m3.
Esses valores são semelhantes aos determinados nesta pesquisa.
A Figura 6.16 mostra as curvas de CBR x umidade do fosfogesso, solo e das
Misturas A, B e C. De acordo com a Figura 6.16a, constata-se que o fosfogesso puro não
apresenta capacidade de suporte e, portanto, sozinho, não poderia ser utilizado numa obra. No
entanto, Castilho Jr. et al. (1998) encontrou valores de CBR de 11% e 4% e expansão de
0,47% e 0,18% para as amostras de fosfogesso coletadas em diferentes indústrias e
compactadas na energia Proctor Normal. Neste caso, o autor afirma que em função de suas
propriedades de compactação e capacidade de suporte os materiais estudados poderiam ser
utilizados na construção de pavimentos.
Com os valores de CBR apresentados na Tabela 6.6, verifica-se que a Mistura B
(20 % de fosfogesso) apresentou maior potencial de aplicação, podendo ser utilizada em
camadas de sub-base de pavimentos (CBR ≥ 20%). A Mistura C (80% de fosfogesso) não
seria indicada para uma aplicação prática. O solo e a Mistura A poderiam ser utilizados no
máximo como reforço do subleito ou na construção de aterros em geral. Com relação à
expansão, nenhum material apresentou problema. Para viabilizar a utilização dessas misturas
em outras camadas, visando à melhoria do CBR, torna-se necessário realizar ensaios com
maiores energias de compactação ou proceder à estabilização química do material com
cimento ou cal.
119
Figura 6.16 – Curvas de CBR: (a) Fosfogesso; (b) Solo, Mistura A, Mistura B e Mistura C
6.3.3 Módulo Resiliente
Para a realização do ensaio triaxial dinâmico nas amostras estudadas, inicialmente
foram aplicadas tensões de condicionamento (Tabela 6.7), visando reduzir a influência das
deformações permanentes. Para as tensões de carregamento utilizadas nos ensaios, fixou-se a
tensão confinante (σ3) em 0,021 MPa e variou-se a tensão desvio (σd) conforme apresentado
na Tabela 6.8.
Tabela 6.7 – Tensões de condicionamento
Etapa σ3 (MPa) σd (MPa) 1 0,021 0,070
Os resultados obtidos nos ensaios estão apresentados nas Figuras 6.17 e 6.18. É
importante ressaltar que o corpo-de-prova composto apenas de fosfogesso já rompeu durante
a fase de condicionamento, não apresentando então nenhuma resistência. Para o solo e as
misturas foram obtidas as curvas apresentadas na Figura 6.17. Verifica-se que todos os
materiais apresentam o comportamento denominado de argiloso (MEDINA; MOTTA, 2005),
sendo que os valores do módulo resiliente irão depender da tensão desvio. Observa-se ainda
que a Mistura B apresentou os melhores valores de módulo. Já a Mistura C apresentou o pior
resultado, sendo possível observar o cisalhamento do corpo-de-prova durante a execução do
ensaio (Figura 6.18). Assim, verificam-se mais uma vez que valores de fosfogesso superiores
a 20% na mistura com solos argilosos podem inviabilizar sua utilização em pavimentação.
(a) (b)
0,00
0,10
0,20
0,30
30 34 38 42 46 50 54 58 62 66 70
w (%)
CB
R (%
)Fosfogesso
05
1015202530354045
15 19 23 27 31 35 39 43 47 51
w (%)
CB
R (%
)
Solo Mistura AMistura B Mistura C
120
0
50
100
150
200
250
300
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
Tensão desvio σd (MPa)
Mód
ulo
resi
lient
e (M
Pa)
Solo Mistura AMistura B Mistura C
σd
k4
1
1
k3
k1
k2
MR = k2+k3(k1-σd), σd < k1 MR = k2+k4(σd-k1), σd > k1
MR(a) (b)
Tabela 6.8 – Tensões de carregamento
Amostras Tensão desvio (σd) (MPa)
0,021 0,030 0,053 0,065 0,110 0,142
Solo
0,204 0,021 0,036 0,058 0,073 0,120 0,139
Mistura A
0,227 0,021 0,035 0,043 0,074 0,110 0,151
Mistura B
0,217 0,022 0,036 0,054 0,084
Mistura C
0,111
Figura 6.17 - Módulo resiliente: (a) Resultados dos ensaios; (b) Comportamento argiloso (MEDINA; MOTTA, 2005)
121
Figura 6.18 – Corpos-de-prova utilizados no ensaio de módulo resiliente
A partir das curvas obtidas na Figura 6.17 é possível obter as equações 6.1 a 6.8,
em função do tipo de material. Os coeficientes k1, k2, k3 e k4 foram retirados das curvas
apresentadas na Figura 6.17b.
• Solo:
Para σd < 0,03: ( )dMR σ−⋅+= 03,05000140 (6.1)
Para σd > 0,03: ( )03,083140 −⋅+= dMR σ (6.2)
• Mistura A:
Para σd < 0,04: ( )dMR σ−⋅+= 04,0562575 (6.3)
Para σd > 0,04: ( )04,013575 −⋅+= dMR σ (6.4)
• Mistura B:
Para σd < 0,04: ( )dMR σ−⋅+= 04,06250125 (6.5)
Para σd > 0,04: ( )04,0127125 −⋅+= dMR σ (6.6)
• Mistura C:
Para σd < 0,06: ( )dMR σ−⋅+= 06,0325035 (6.7)
Para σd > 0,06: ( )06,010035 −⋅+= dMR σ (6.8)
Onde:
σd = tensão desvio (em MPa);
MR = módulo resiliente (em MPa).
Utilizando o valor de σ3 definido no ensaio de laboratório (0,021 MPa) e
considerando a aplicação de uma tensão vertical σ1 igual a 0,560 MPa considerada como
sendo a pressão de inflação de um pneu durante o dimensionamento de pavimentos flexíveis,
Fosfogesso Solo Mistura A Mistura B Mistura C
122
tem-se como resultado uma tensão desvio σd de 0,539 MPa. Substituindo este valor nas
equações 6.1 a 6.8, tem-se uma estimativa dos valores de módulos apresentados na Tabela
6.9. Ressalta-se que esta é uma situação mais severa do que acontece na prática, já que a
tensão vertical irá diminuir ao longo da profundidade do pavimento. Assim, como os
materiais estudados estariam sendo aplicados como base ou sub-base de pavimentos, os
valores reais dos módulos na prática podem ser considerados maiores. Para obter resultados
mais precisos, torna-se necessário que seja proposta uma estrutura típica de pavimento e
realizada uma análise numérica com o objetivo de definir melhor a distribuição de tensões ao
longo do pavimento.
Tabela 6.9 – Estimativa dos valores dos módulos resilientes dos materiais
Amostras σd (MPa) k1 MR (MPa) Solo 0,539 0,030 182
Mistura A 0,539 0,040 142 Mistura B 0,539 0,040 188 Mistura C 0,539 0,060 83
Obs: σd = tensão desvio; k1 = coeficiente; MR = módulo resiliente
Com os valores de módulo resiliente obtidos tem-se que:
• A Mistura C não seria indicada para a execução de camadas de pavimentos;
• O solo e a Mistura B apresentaram valores de módulo semelhantes. Provavelmente,
poderiam ser utilizadas para compor a camada de sub-base;
• A Mistura A apresentou valor de módulo intermediário. Ela poderia ser utilizada como
reforço de subleito.
A Figura 6.19 mostra a comparação entre os dados obtidos tanto no ensaio de
CBR como no triaxial dinâmico. Considerando os resultados obtidos no ensaio de CBR,
verificou-se que a Mistura B apresentou o melhor valor de capacidade de suporte quando
comparada com os demais materiais. Isto mostra que ao incorporar 20% de fosfogesso ao
solo, o valor de CBR mais que dobrou (de 15,2% para 37,0%). Já para o módulo resiliente
(MR), percebe-se a Mistura B também apresenta o melhor resultado. No entanto, ao compará-
la com o solo, verifica-se que o ganho de resistência com a incorporação de 20% de
fosfogesso (de 182 MPa para 188 MPa) foi bem menor do que o ganho observado para o
CBR. Esta variação de comportamento entre os resultados obtidos pelos dois ensaios (CBR e
MR) pode ser explicada pela diferença entre os conceitos e as metodologias dos ensaios. Já na
123
Figura 6.20 tem-se a comparação dos valores de CBR e MR sem considerar o tipo de amostra.
Verifica-se a existência de uma tendência entre os dois parâmetros.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Fosfogesso Solo Mistura A Mistura B Mistura C
CB
R (%
)
020406080100120140160180200
MR
(MPa
)
CBRMR
Figura 6.19 – Comparação entre os resultados do ensaio de CBR e triaxial dinâmico
Figura 6.20 – Relação entre os valores de CBR e MR
6.3.4 Metodologia MCT
Foram realizados ensaios da Metodologia MCT apenas com o solo fino. Os
valores dos índices obtidos estão apresentados na Tabela 6.10, que permitem classificar o solo
estudado como argiloso de comportamento laterítico do tipo I. As Figuras 6.21 e 6.22
mostram, respectivamente as curvas de compactação (γd x w), e as curvas de deformabilidade
(variação de altura-dL x número de golpes-NMCT) e perda de massa por imersão (Pi x Mini-
MCV) determinadas. Assim, confirma-se o comportamento observado anteriormente para o
solo nos ensaios de caracterização. Este é um solo tropical característico da região e
encontrado em abundância.
y = -0,2744x2 + 15,515x - 10,251R2 = 0,9697
0
50
100
150
200
250
0 5 10 15 20 25 30 35 40
CBR (% )
MR
(MPa
)
124
CURVAS DE COMPACTAÇÃO - ENSAIO DE M-MCV - SIMPLIFICADO
1,10
1,20
1,30
1,40
1,50
1,60
1,70
1,80
1,90
2,00
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30Teor de Umidade (%)
Den
sida
de
Golpe 2
Golpe 4
Golpe 6
Golpe 10
Golpe 20
Golpe 40
Tabela 6.10 – Resultados dos ensaios da Metodologia MCT para o solo fino c’ d’ Pi (%) e’ Grupo MCT
1,67 70,4 0 0,65 LG’ Obs: c’ = Coeficiente angular da reta assimilável à curva de deformabilidade com Mini-MCV = 10; d’ = Inclinação da parte reta do ramo seco da curva de compactação correspondente a 12 golpes; Pi = Perda de massa por imersão expressa em porcentagem; e’ = Índice da Classificação MCT
ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE TRANSPORTES
Laboratório de Tecnologia de Pavimentação
Figura 6.21 - Curvas de compactação MCT
ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE TRANSPORTES
Laboratório de Tecnologia de Pavimentação
Figura 6.22 – Curvas de deformabilidade MCT e Perda de massa por imersão MCT
CURVAS DE DEFORMABILIDADE - ENSAIO DE M-MCV - SIMPLIFICADO
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
1 10 100 1000Número de Golpes (n)
An
(cm
)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
Pi -
Per
da d
e M
assa
Por
Imer
são
26.4
24,220,5
14,3
12,9Pi - Perda de Massa
C' = 1,67Pi = 0%
d' = 70,4e' = 065
Class: LG´
125
6.4 ENSAIOS COMPLEMENTARES
Na determinação do pH do fosfogesso obteve-se o valor de 3,7. Este resultado
encontra-se no intervalo de variação de 2,4 a 6,0, observado na literatura para diferentes tipos
de fosfogesso (SILVESTRE, 2003; TAKEDA, 1998). Acredita-se que a redução da acidez do
fosfogesso em função do local de retirada da amostra numa mesma pilha seja explicada pelo
maior tempo de exposição às intempéries das camadas mais antigas, que tem como
conseqüência a lixiviação dos elementos constituintes do fosfogesso responsáveis pela acidez.
Os resultados da análise química apresentados na Tabela 6.11 mostram que a diferença entre o
pH em KCl e em água foi positiva e semelhante à diferença encontrada para o solo. A
capacidade de troca catiônica (CTC) do fosfogesso é alta (maior que 11,30 mEq/ 100 cm3). O
fosfogesso apresentou teor de alumínio trocável intermediário e o valor obtido para a
saturação de bases (V) é considerado alto. Neste material constata-se, ainda, a existência de
grande quantidade de cálcio e fósforo, presente na rocha fosfática.
Para o solo utilizado na pesquisa, o pH obtido foi próximo de 6,0, sendo
característico de solos tropicais. Verifica-se que existe predominância de oxi-hidróxidos de
ferro, já que a diferença entre o pH em KCl e em água foi positiva. A CTC do solo é baixa
(menor que 4,62 mEq/ 100 cm3). Para o solo estudado, não existe alumínio trocável. Observa-
se também que o valor obtido para a saturação de bases (V) está situado entre 25 e 50%,
sendo classificado como baixo. Isso indica que o solo é intemperizado.
Nas misturas realizadas com fosfogesso e solo constata-se que:
• Até 50% de fosfogesso misturado ao solo, tem-se a constância do pH em torno de 6,0.
Apenas para maiores teores de fosfogesso, observa-se redução no valor do pH;
• Os valores de ΔpH (KCl - água) tendem a zero;
• A acidez total aumenta nas misturas;
• A CTC apresenta valores elevados, semelhantes ao encontrado para o fosfogesso;
• O Al presente no fosfogesso provavelmente reage com o solo, tornando-se nulo nas
misturas;
• A saturação de base mantém o valor encontrado para o fosfogesso;
• Os teores de cálcio e fósforo nas misturas permanecem elevados, havendo uma redução
desses valores, principalmente, na Mistura B.
126
Tabela 6.11 – Resultados das análises químicas
Características Fosfogesso Solo Mistura A Mistura B Mistura CpH em água 3,7 6,1 6,0 5,9 5,4 pH em KCL 3,9 6,3 5,9 5,9 5,3 ΔpH (KCL - água) 0,2 0,2 -0,1 0,0 -0,1 Ca + Mg (mEq/ 100cm3) 94,8 0,3 94,6 86,9 96,9 Ca (mEq/ 100 cm3) 94,7 0,2 94,5 86,8 96,8 Mg (mEq/ 100 cm3) 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 K (mEq/ 100 cm3) 0,03 0,09 0,05 0,06 0,06 Al (mEq/ 100 cm3) 0,5 0,0 0,0 0,0 0,0 Acidez total H +Al (mEq/ 100 cm3)
0,7 0,4 1,0 1,0 1,4
CTC (mEq/ 100 cm3) 95,5 0,8 95,7 88,0 98,4 Saturação de Alumínio (%Al)
1,0 0,0 0,0 0,0 0,0
Saturação de Bases (%V) 99 49 99 99 99 Matéria Orgânica (%) 0,4 1,0 0,7 0,7 0,7 Fósforo (mg/dm3) 180 1,0 100 100 230 Ca/Mg (%) 947,0 2,0 945,0 868,0 968
Com base nos resultados obtidos na análise química, pode-se explicar a
constatação verificada nas análises realizadas com os dados de granulometria obtidos para as
amostras. Ao misturar fosfogesso e solo, estando suas partículas livres para reagirem, ocorrerá
agregação dos materiais pelo seguinte motivo: como o pH do fosfogesso é baixo, ele
influencia na redução da carga negativa e facilita a floculação por ácidos. Este fato é
confirmado com o aumento da acidez total que gera aumento da carga e, conseqüentemente,
redução da defloculação.
Com os dados obtidos nos ensaios de CBR e MR, verificou-se que a Mistura B
apresentou o melhor desempenho mecânico. Com base nos resultados obtidos nas análises
químicas, pode-se explicar esta maior resistência pelas reações químicas existentes entre o
fosfogesso e o solo, que ocorrem tanto devido à presença de alumínio no fosfogesso (que
chega a zero nas reações), como pela redução nos valores de cálcio e fósforo.
6.5 COMPARAÇÃO COM RESULTADOS DE MISTURAS FOSFOGESSO-SOLO-CAL
Faria (2007) pesquisou a incorporação de cal nas mesmas misturas de fosfogesso
e solo fino utilizado nesta dissertação. Pelo fato de estudos anteriores (PRUDENTE et al.,
2005) indicarem que para este solo argiloso, o teor ideal de cal a ser utilizado no processo de
127
estabilização química é de 6%, este valor também foi adotado no trabalho de Faria (2007).
Assim, têm-se as seguintes amostras:
• Mistura A (6%): solo misturado com 6% de cal e 47% de fosfogesso;
• Mistura B (6%): solo misturado com 6% de cal e 18,8% de fosfogesso;
• Mistura C (6%): solo misturado com 6% de cal e 75,2% de fosfogesso.
A Tabela 6.12 apresenta os resultados dos ensaios de caracterização. Observa-se
que nas misturas com cal, o índice de plasticidade variou entre 10 e 13%. Comparando estes
resultados com os apresentados na pesquisa, tem-se que estes valores são superiores aos
obtidos no item 6.3.1.3. Em relação à massa específica dos grãos os valores obtidos são
semelhantes.
Tabela 6.12 - Resultados dos ensaios de caracterização (FARIA, 2007)
Com Defloculante Sem Defloculante Propriedades Mistura A
(6%) Mistura B
(6%) Mistura C
(6%) Mistura A
(6%) Mistura B
(6%) Mistura C
(6%) wL (%) 52,9 50,3 56,2 - - - wP (%) 40,3 39,9 44,7 - - - IP (%) 12,6 10,4 11,5 - - - Pedregulho (%) 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 Areia (%) 28,5 46,6 3,2 61,2 61,0 47,1 Silte (%) 61,5 49,6 90,0 38,8 39,0 52,9 Argila (%) 9,0 3,8 6,8 0,0 0,0 0,0 ρ (g/cm3) 3,160 2,980 3,320 - - -
Obs: wL = Limite de liquidez; wp = Limite de plasticidade; IP = Índice de plasticidade; ρ = massa específica dos
grãos
Nas Figuras 6.23 a 6.25 têm-se as curvas granulométricas obtidas para as amostras
com ensaios realizados com e sem defloculante. Faria (2007) observou que:
• Para as três amostras têm-se diferenças nas curvas granulométricas com e sem
defloculante. No ensaio com defloculante, os materiais apresentam maior quantidade de
finos;
• Quanto menor é a quantidade de fosfogesso na mistura, menor é a diferença entre as
curvas;
• Quanto maior é a quantidade de fosfogesso misturada ao solo, maior é a porcentagem de
silte presente nas amostras. Assim, a Mistura C (6%) não seria indicada para ser usada na
prática.
128
Figura 6.23 – Curvas granulométricas com e sem defloculante da Mistura A
Figura 6.24 – Curvas granulométricas com e sem defloculante da Mistura B
Figura 6.25 – Curvas granulométricas com e sem defloculante da Mistura C
Comparando estes dados com os obtidos no item 6.3.1.1 verifica-se que ao inserir
cal nas misturas, nas curvas sem defloculante não existem diferenças significativas entre as
porcentagens das frações. No entanto, nas curvas com defloculante, os dados obtidos por
0102030405060708090
100
0,001 0,01 0,1 1 10 100Diâmetro (mm)
% q
ue p
assa
Mistura A com defloculanteMistura A sem defloculante
0102030405060708090
100
0,001 0,01 0,1 1 10 100Diâmetro (mm)
% q
ue p
assa
Mistura B com defloculanteMistura B sem defloculante
0102030405060708090
100
0,001 0,01 0,1 1 10 100Diâmetro (mm)
% q
ue p
assa
Mistura C com defloculanteMistura C sem defloculante
129
Faria (2007) mostram menores porcentagens de areia e maiores porcentagens de finos
(silte+argila) do que os valores obtidos no estudo sem cal. Assim tem-se que, inicialmente, a
cal não auxilia no processo de aglomeração entre as partículas. Além disso, a proporção do
aumento de finos com o uso do defloculante foi muito maior nas misturas com cal do que nas
sem cal.
Com os resultados obtidos neste trabalho (Tabela 6.13 e Figura 6.26), pode-se
observar aumento no valor do CBR com a adição de 6% de cal nas Misturas A, B e C, sendo
que a Mistura B (6%) atingiu valores de CBR na ordem de 60%, possibilitando sua utilização
em camadas de base de pavimentos. Os valores do CBR quase que dobraram
proporcionalmente, em relação às misturas sem cal e os valores de expansão diminuíram.
Com relação à umidade ótima e ao peso específico aparente seco máximo, tem-se que as
maiores variações são observadas entre a Mistura B (Tabela 6.6) e a Mistura B (6%). Isto
mostra que, provavelmente, o ganho de resistência gerado pela incorporação de cal aos
materiais depende mais de reações químicas que acontecem entre a cal e solo argiloso do que
entre a cal e o fosfogesso.
Tabela 6.13 - Resultados de compactação, expansão e CBR (Energia Proctor Intermediário)
Propriedades Mistura A (6%) Mistura B (6%) Mistura C (6%) γdmáx (kN/m3) 13,1 14,9 11,8
wot (%) 31,2 27,5 40,0 CBR (%) 24,0 62,0 18,0
Expansão (%) -0,01 0,01 -0,01 Obs: γdmáx = peso específico aparente seco máximo; wot = umidade ótima; CBR = “California Bearing Ratio”
Figura 6.26 – (a) Curvas de Compactação das Misturas com adição de 6 % de cal; (b) Curvas de CBR das Misturas com adição de 6 % de cal
0102030405060708090
20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48w (% )
CB
R (%
)
Mistura A (6%) Mistura B (6%)Mistura C (6%)
(a) (b)
10,0
11,0
12,0
13,0
14,0
15,0
16,0
17,0
18,0
20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50w (% )
γd (k
N/m
3 )
Mistura A(6%) Mistura B(6%)Mistura C(6%) Sr = 100% Mistura A(6%)Sr = 100% Mistura B(6%) Sr = 100% Mistura C(6%)
130
6.6 ENSAIOS AMBIENTAIS
6.6.1 Lixiviação e Solubilização
A NBR 10.004 (ABNT, 2004a) estabelece alguns ensaios que fornecem dados para
a classificação do resíduo sólid,o ou solo, a ser analisado. Para a realização destas análises
foram obedecidos os critérios expostos na NBR 10.005 (ABNT, 2004b) e 10.006(ABNT,
2004c), as quais tratam dos ensaios de lixiviação e solubilização, respectivamente. O método
analítico adotado foi de acordo com “Standard Methods for the Examination of Water and
Wastewater” em sua 21a Edição.
O fosfogesso apresentou como característica cor amarela, aspecto sólido (pó),
umidade de 0,94% e pH (solução a 50%) de 6,88. A Mistura C apresentou cor bege, aspecto
sólido, umidade de 1,83% e pH (solução a 50%) de 7,10. O solo apresentou cor marrom,
aspecto sólido, umidade de 2,07% e pH (solução a 50%) de 7,22. Já as Misturas A e B
apresentaram características de cor marrom claro, aspecto sólido, umidade de 5,93% e 5,03%
e pH (solução a 50%) de 7,33 e 7,29, respectivamente.
De acordo com a NBR 10.004 (ABNT, 2004a) o pH da amostra deve ser inferior a
2 e superior ou igual a 12,5 para se caracterizar como um material corrosivo. Com isso, as
amostras não apresentam características de corrosividade. No teste “Point Filter” não há
líquidos livres, portanto não há percolado junto do resíduo. A Tabela 6.14 apresenta os
resultados obtidos para o ensaio de massa bruta para o fosfogesso, solo e as Misturas A, B e
C.
Os parâmetros identificados no ensaio de massa bruta em concentrações maiores
do que o permitido, segundo a norma da NBR 10.004 (ABNT, 2004a) para as amostra
estudadas foram:
• Fosfogesso: Chumbo, Cobre, Cromo Total;
• Solo: Chumbo, Cobre, Cromo Total e Zinco;
• Mistura A: Cádmio, Chumbo, Cobre, Cromo Total e Zinco;
• Mistura B: Chumbo, Cobre, Cromo Total e Zinco;
• Mistura C: Chumbo, Cobre, Cromo Total e Zinco.
131
Assim, observa-se que, com exceção do Zinco, o fosfogesso apresenta os mesmos
elementos presentes na massa bruta do solo. Já as Mistura A e C apresenta o Cádmio, mas em
pequena quantidade.
Tabela 6.14 – Resultados das características químicas da massa bruta das amostras estudadas Características da massa bruta (mg/kg)* Parâmetros
Fosfogesso Solo Mistura A Mistura B Mistura C L.D.
(mg/kg)*Óleos e Graxas < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 1%
Arsênio < 10 < 10 < 10 < 10 < 10 10 Berílio < 3 < 3 < 3 < 3 < 3 3 Cádmio < 5 5 6 5 6 5 Chumbo 27 24 26 23 25 10 Cianeto < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 1 Cobre 11 36 33 29 17 3
Cromo Total 36 166 89 125 59 5 Cromo
Hexavalente < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 1
Fenol < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 1 Vanádio < 20 < 20 < 20 < 20 < 20 20 Mercúrio < 10 < 10 < 10 < 10 < 10 10
Zinco < 5 44 66 40 44 5 Selênio < 10 < 10 < 10 < 10 < 10 10 Níquel < 10 < 10 < 10 < 10 < 10 10
(*) L.D. – Limite de Detecção / abaixo da sensibilidade analítica, resultados obtidos considerando-se massa (peso) para a análise igual a 2 (duas) gramas e a sensibilidade dos equipamentos utilizados
A Tabela 6.15 mostra os resultados obtidos no ensaio de lixiviação para as
amostras estudadas. Os resultados dos parâmetros inorgânicos das amostras analisadas
encontram-se dentro dos limites especificados pela norma brasileira.
Tabela 6.15 - Resultados das características químicas do extrato lixiviado das amostras estudadas
Resultados das características químicas do lixiviado (mg/L) Parâmetros Fosfogesso Solo Mistura A Mistura B Mistura C L.D. (mg/L)
Arsênio < 0,20 < 0,20 < 0,20 < 0,20 < 0,20 0,20 Bário < 1,0 < 1,0 < 1,0 < 1,0 < 1,0 1,0 Cádmio < 0,05 0,05 0,05 0,06 0,05 0,05 Chumbo < 0,20 0,24 0,37 < 0,20 < 0,20 0,20 Cromo Total < 0,20 < 0,20 < 0,20 < 0,20 < 0,20 0,20 Mercúrio < 0,1 < 0,1 < 0,1 < 0,1 < 0,1 0,1 Prata < 0,05 < 0,05 < 0,05 < 0,05 < 0,05 0,05 Selênio < 0,20 < 0,20 < 0,20 < 0,20 < 0,20 0,20 Fluoretos 4,36 < 1,0 10,1 6,87 15,4 1,0
132
A Tabela 6.16 mostra os resultados obtidos no ensaio de solubilização para as
amostras estudadas. Pode-se observar que o solo apresentou concentração de Fluoreto no
extrato solubilizado acima dos especificados pela norma. O fosfogesso e as Misturas A e C
apresentaram valores de Alumínio, Bário, Fluoreto e Sulfato acima dos especificados nos
extratos dos solubilizados. A Mistura B apresentou valores de Alumínio, Fluoreto e Sulfato
acima dos limites do extrato do solubilizado. Assim, constata-se que os elementos
identificados nas amostras estão vinculados às rochas que deram origem tanto ao fosfogesso
como ao solo. Com relação ao fosfogesso, verifica-se que não ocorre influência dos elementos
químicos utilizados no processo da usina de beneficiamento. Esses elementos foram descritos
no item 6.2 (Tabela 6.1).
Tabela 6.16 – Resultados das características químicas do extrato solubilizado das amostras estudadas
Resultados das características químicas do solubilizado (mg/L) Parâmetros
Fosfogesso Solo Mistura A Mistura B Mistura C
Limite Máximo(mg/L)*
Alumínio 4,61 < 0,20 1,24 1,36 4,10 0,20 Arsênio < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01 0,01 Bário 0,81 < 0,5 0,81 < 0,5 0,81 0,7
Cádmio < 0,005 < 0,005 < 0,005 < 0,005 < 0,005 0,005 Chumbo < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01 0,01 Cianeto < 0,05 < 0,05 < 0,05 < 0,05 < 0,05 0,07 Cloreto 30,0 2,0 25,0 25,0 40,0 250,0 Cobre 0,15 0,08 0,10 0,10 0,10 2,0
Cromo Total < 0,05 < 0,05 < 0,05 < 0,05 < 0,05 0,05 Fenol < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01 0,01 Ferro 0,1 < 0,1 < 0,1 < 0,1 < 0,1 0,3
Fluoreto 10,4 1,7 25,7 17,8 20,1 1,5 Manganês 0,3 < 0,1 < 0,1 < 0,1 0,1 0,1 Mercúrio < 0,001 < 0,001 < 0,001 < 0,001 < 0,001 0,001 Nitrato ** 0,40 0,90 1,50 1,00 0,60 10,0
Prata < 0,05 < 0,05 < 0,05 < 0,05 < 0,05 0,05 Selênio < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01 0,01 Sódio 10,5 14,4 9,8 7,4 13,1 200,0
Surfactantes 0,5 < 0,1 < 0,1 < 0,1 < 0,1 0,5 Sulfato 2750,0 8,0 2200,0 2250,0 480,0 250,0 Zinco 1,47 0,15 0,64 0,45 0,73 5,0
(*) Limite máximo nos extratos solubilizado conforme a NBR 10004 (ABNT,2004); (**) O parâmetro nitrato expresso em N
133
Devido às características químicas identificadas nos ensaios de solubilização as
amostras são classificadas como Classe II A - Não Inerte. Nos ensaios de lixiviação das
amostras ensaiadas, tem-se que as mesmas são classificadas como material, Classe II - Não
Perigoso. As amostras foram classificadas como não inerte, pois quando submetidas a um
contato dinâmico e estático com água destilada ou deionizada, à temperatura ambiente, não
geraram alguns parâmetros solubilizados em concentração superiores aos padrões de
potabilidade da água.
Apesar de alguns parâmetros químicos dos extratos solubilizados serem
encontrados em quantidades superiores ao permitido pela NBR 10.004 (ABNT, 2004a), há
que se levar em consideração que muitas vezes estes elementos já fazem parte da composição
das matérias-primas das amostras.
Assim, tem-se que os materiais estudados nesta pesquisa devem ser
acondicionados e identificados adequadamente e destinados para co-processamento,
reaproveitamento ou disposição em aterro industrial para resíduos Classe II.
6.6.2 Avaliação Radiométrica
O levantamento radiométrico foi realizado no momento da coleta do fosfogesso e
posteriormente no solo, no fosfogesso e nas Misturas A, B, e C. A Figura 6.27 mostra os
pontos da pilha onde foram realizadas as coletas e as medições radiométricas.
Figura 6.27 – Foto aérea do complexo industrial (COPEBRÁS, 2006)
134
Foi realizado a leitura da taxa de exposição em mile roentgen/hora (mR/h), em 5
pontos na pilha de fosfogesso no momento da coleta. No ponto 6 foi medido o “background”
(ponto de referência) próximo à portaria da indústria, como visto na Figura 6.27. Na Tabela
6.17, tem-se os resultados obtidos. Pode-se observar que a média da taxa da área da pilha está
em 0,09 mR/h. Portanto, dentro das normas de segurança estabelecida (Categoria III:
atividade específica < 10 Bq/g e dose a que possam estar submetidos os trabalhadores > 1,0
mSv/ano)
Posteriormente aos ensaios de compactação, foi realizada a leitura radiométrica,
nos corpos-de-prova do solo, do fosfogesso e das Misturas A, B, C para verificar se ocorre
algum risco de contaminação radiométrica durante o processo de reaproveitamento do
fosfogesso. Nesta etapa foram obtidas leituras 0,00mR/h, mostrando a baixa emanação de
irradiação dos materiais estudados. Assim, estas misturas não apresentam nenhum risco de
utilização.
Tabela 6.17 – Levantamento radiométrico da pilha de gesso
RESULTADOS OBTIDOS PONTO TAXA DE EXPOSIÇÃO (mR/h)
1 0,10 2 0,10 3 0,11 4 0,09 5 0,10 6 0,08
MÉDIA 0,09
135
6 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS . 106 6.1 INTRODUÇÃO ..............................................................................................................106 6.2 VISITA TÉCNICA .........................................................................................................106 6.3 ENSAIOS LABORATORIAIS......................................................................................109 6.3.1 Caracterização das Amostras .....................................................................................109 6.3.1.1 Análise granulométrica...............................................................................................109 6.3.1.2 Massa específica dos grãos.........................................................................................114 6.3.1.3 Limites de Consistência..............................................................................................115 6.3.1.4 Classificação dos materiais.........................................................................................116 6.3.2 Compactação, Expansão e “California Bearing Ratio” (CBR) ...............................117 6.3.3 Módulo Resiliente ........................................................................................................119 6.3.4 Metodologia MCT........................................................................................................123 6.4 ENSAIOS COMPLEMENTARES ...............................................................................125 6.5 COMPARAÇÃO COM RESULTADOS DE MISTURAS FOSFOGESSO-SOLO-CAL........................................................................................................................................126 6.6 ENSAIOS AMBIENTAIS ..............................................................................................130 6.6.1 Lixiviação e Solubilização ...........................................................................................130 6.6.2 Avaliação Radiométrica ..............................................................................................133 Figura 6.1 - Mina de extração da rocha fosfática, localizada em Ouvidor –GO....................106 Figura 6.2 – Transporte do material britado para a usina de beneficiamento ........................107 Figura 6.3 – (a) Via férrea, chegado do enxofre; (b) Unidade do Ácido Sulfúrico................107 Figura 6.4 – Deposição do fosfogesso: (a) Trilho para escoamento do fosfogesso; (b) Pilha de fosfogesso ...............................................................................................................................108 Figura 6.5 - (a) Saída do percolado da pilha de fosfogesso; (b) Sistemas de canaletas para lagoa de percolado; (c) Lagoa de percolado; (d) Sistema de filtros da ETEL........................108 Figura 6.6 – Curva granulométrica do fosfogesso com e sem defloculante...........................112 Figura 6.7 - Curva granulométrica do solo com e sem defloculante......................................112 Figura 6.8 – Curva granulométrica da Mistura A com e sem defloculante............................112 Figura 6.9 – Curva granulométrica da Mistura B com e sem defloculante ............................113 Figura 6.10 – Curva granulométrica da Mistura C com e sem defloculante ..........................113 Figura 6.11 – Curvas granulométricas dos materiais obtidas no ensaio com defloculante ....113 Figura 6.12 – Curvas granulométricas dos materiais obtidas no ensaio sem defloculante ....114 Figura 6.13 – Ensaio de limite de liquidez para o fosfogesso ................................................115 Figura 6.14 – Ensaio de limite de plasticidade: (a) Trabalhando o material; (b) Tentando formar o bastonete ..................................................................................................................116 Figura 6.15- Curvas de compactação e saturação: (a) Fosfogesso; (b) Solo, Mistura A, Mistura B e Mistura C..........................................................................................................................117 Figura 6.16 – Curvas de CBR: (a) Fosfogesso; (b) Solo, Mistura A, Mistura B e Mistura C119 Figura 6.17 - Módulo resiliente: (a) Resultados dos ensaios; (b) Comportamento argiloso (MEDINA; MOTTA, 2005) ...................................................................................................120 Figura 6.18 – Corpos-de-prova utilizados no ensaio de módulo resiliente ............................121 Figura 6.19 – Comparação entre os resultados do ensaio de CBR e triaxial dinâmico..........123 Figura 6.20 – Relação entre os valores de CBR e MR...........................................................123 Figura 6.21 - Curvas de compactação MCT...........................................................................124 Figura 6.22 – Curvas de deformabilidade MCT e Perda de massa por imersão MCT...........124 Figura 6.23 – Curvas granulométricas com e sem defloculante da Mistura A.......................128 Figura 6.24 – Curvas granulométricas com e sem defloculante da Mistura B.......................128 Figura 6.25 – Curvas granulométricas com e sem defloculante da Mistura C.......................128
136
Figura 6.26 – (a) Curvas de Compactação das Misturas com adição de 6 % de cal; (b) Curvas de CBR das Misturas com adição de 6 % de cal ....................................................................129 Figura 6.27 – Foto aérea do complexo industrial (COPEBRÁS, 2006).................................133
Tabela 6.1 – Produtos utilizados na usina de beneficiamento (COPEBRÁS, 2007)..............109
Tabela 6.2 – Frações granulométricas dos materiais estudados .............................................110
Tabela 6.3 - Resultados do ensaio de massa específica dos grãos .........................................114
Tabela 6.4 - Resultados dos ensaios de limite de consistência...............................................115
Tabela 6.5 – Classificação segundo SUCS e TRB das amostras estudadas ...........................116
Tabela 6.6 - Resultados de compactação, expansão e CBR (Energia Proctor Intermediário)118
Tabela 6.7 – Tensões de condicionamento.............................................................................119
Tabela 6.8 – Tensões de carregamento...................................................................................120
Tabela 6.9 – Estimativa dos valores dos módulos resilientes dos materiais ..........................122
Tabela 6.10 – Resultados dos ensaios da Metodologia MCT para o solo fino ......................124
Tabela 6.11 – Resultados das análises químicas ....................................................................126
Tabela 6.12 - Resultados dos ensaios de caracterização (FARIA, 2007)...............................127
Tabela 6.13 - Resultados de compactação, expansão e CBR (Energia Proctor Intermediário)
................................................................................................................................................129
Tabela 6.14 – Resultados das características químicas da massa bruta das amostras estudadas
................................................................................................................................................131
Tabela 6.15 - Resultados das características químicas do extrato lixiviado das amostras
estudadas.................................................................................................................................131
Tabela 6.16 – Resultados das características químicas do extrato solubilizado das amostras
estudadas.................................................................................................................................132
Tabela 6.17 – Levantamento radiométrico da pilha de gesso.................................................134
135
Capítulo 7
7 CONSIDERAÇÕES FINAIS
7.1 CONCLUSÕES
Com a preocupação ambiental de disponibilizar áreas para servirem de estocagem
de resíduos e subprodutos produzidos por diversos tipos de indústrias, tem surgido o interesse
de estudar a aplicação do fosfogesso em obras de pavimentação. Além da redução dos danos
causados ao meio ambiente, existe a possibilidade de utilizá-lo na execução de pavimentos de
baixo custo obtendo um desempenho satisfatório. A utilização de materiais alternativos, como
misturas de fosfogesso e solo fino tropical, pode ser considerada uma solução para vários
problemas ambientais.
Como o fosfogesso selecionado para o estudo é produzido numa mineradora
localizada no estado de Goiás, considera-se que a visita realizada na indústria foi de suma
importância para o entendimento sobre os processos envolvidos na obtenção do material.
Dentro da empresa, são adotados todos os cuidados para que não ocorram problemas
ambientais durante a estocagem do subproduto. No entanto, torna-se interessante que sejam
fornecidas alternativas para a sua utilização prática.
Com os resultados obtidos a partir de ensaios de laboratório realizados nesta
pesquisa tem-se que:
• Analisando-se as curvas granulométricas, observa-se que o fosfogesso pode ser incluído na
classe dos siltes, com mais de 75% de suas partículas passante na peneira nº 200. Tem-se
que as Misturas A (50% de fosfogesso) e B (20% de fosfogesso) apresentam maior
quantidade de areia. Já na Mistura C (80% de fosfogesso), tem-se quantidades semelhantes
de areia e silte. Da mesma forma que na literatura são observadas diferenças entre as curvas
granulométricas obtidas nos ensaios de sedimentação com e sem defloculante para solos
tropicais, verifica-se o mesmo comportamento para o fosfogesso, mostrando existência de
agregações nos materiais;
• Com relação à massa específica dos grãos, para as misturas com maior quantidade de
fosfogesso, obteve-se valores próximos de 3,3 g/cm3;
136
• O fosfogesso não apresenta limites de consistência. Nas Misturas A (50% de fosfogesso) e
B (20% de fosfogesso) houve redução no valor da plasticidade quando comparado com o
solo puro;
• Quando compactados, observa-se que quanto maior a quantidade de fosfogesso presente na
mistura, menor é o valor do peso específico aparente seco máximo (em torno de 12 kN/m3)
e maior é o teor de umidade ótima (superior a 30%);
• Todos os materiais estudados apresentaram valores de expansão muito baixos;
• Para os materiais compactados na energia Proctor Intermediária, constata-se que o
fosfogesso puro não apresenta capacidade de suporte e, portanto, sozinho, não poderia ser
utilizado em obras de pavimentação (CBR = 0,6%). No entanto, verifica-se que a Mistura B
(20 % de fosfogesso) apresentou maior potencial de aplicação, podendo ser utilizada em
camadas de sub-base de pavimentos (CBR = 37%). A Mistura C (80% de fosfogesso) não
seria indicada para uma aplicação prática, pois apresentou capacidade de suporte baixa e
semelhante aos solos normalmente encontrados nos subleitos brasileiros (CBR = 7,0%). O
solo e a Mistura A (50% de fosfogesso) poderiam ser utilizados no máximo como reforço
do subleito ou na construção de aterros em geral (CBR = 15%). Para viabilizar a utilização
dessas misturas em outras camadas, visando à melhoria do CBR, torna-se necessário realizar
ensaios com maiores energias de compactação ou proceder à estabilização química do
material com cimento ou cal;
• No ensaio triaxial dinâmico, verifica-se que todos os materiais apresentam o comportamento
denominado de argiloso. Observa-se, ainda, que a Mistura B apresenta os melhores valores
de módulo (MR = 188 MPa). Já a Mistura C apresentou o pior resultado (MR = 83 MPa),
onde foi possível observar o cisalhamento do corpo-de-prova durante a execução do ensaio.
A Mistura A apresentou valor de módulo intermediário (MR = 142 MPa) podendo ser
utilizada como reforço de subleito. O solo e a Mistura B apresentaram valores de módulo
semelhantes. Provavelmente, poderiam ser utilizados para compor a camada de sub-base;
• Considerando os resultados obtidos, verificou-se que a Mistura B apresentou o melhor valor
de capacidade de suporte quando comparada com os demais materiais. Isto mostra que ao
incorporar 20% de fosfogesso ao solo, o valor de CBR mais que dobrou (de 15,2% para
37,0%). No entanto, ao considerar os parâmetros de resiliência e comparar a Mistura B com
o solo, verifica-se que o ganho de resistência com a incorporação de 20% de fosfogesso (de
182 MPa para o solo e 188 MPa para a Mistura B) foi bem menor do que o ganho observado
para o CBR. Esta variação de comportamento entre os resultados obtidos (CBR e MR) pode
137
ser explicada pela diferença entre os conceitos e as metodologias utilizados nos dois
ensaios;
• Os ensaios da Metodologia MCT foram realizados apenas com o solo fino, a qual o
classificou como argiloso de comportamento laterítico do tipo I. Esta classificação explica o
comportamento observado para o solo nos ensaios de caracterização. Este é um solo tropical
característico da região, sendo encontrado em abundância;
• Com os resultados obtidos nas análises químicas, podem ser observadas a existência de
reações entre as partículas do solo e do fosfogesso, o que explica as variações de resistência
obtidas nos ensaios mecânicos;
• As Misturas A, B e C, o solo e o fosfogesso, foram ambientalmente classificados como,
pertencentes à Classe II-A - Não inerte e Classe II - Não Perigoso. Alguns componentes
apresentaram valores superiores aos limites especificados pela NBR-10.004 (ABNT,
2004a). No entanto, esta constatação não impede o uso do fosfogesso, porque esses
elementos podem ser característicos da rocha fosfática de origem;
• Na realização do levantamento radiométrico constatou-se baixa emanação de irradiação dos
materiais estudados. Assim, estas misturas não apresentam nenhum risco em sua utilização.
Os resultados obtidos nesse estudo são válidos para o fosfogesso gerado através do
processo dihidratado obtido no estado de Goiás. A partir das metodologias adotadas, permite-
se concluir que o fosfogesso misturado a solos finos regionais pode ser utilizado na
construção de aterros, camadas de reforço do subleito e até sub-base de pavimentos. No
entanto, não é interessante a incorporação de elevados teores de fosfogesso na mistura, sendo
recomendado trabalhar com teores inferiores a 30% devido apenas à questão de resistência
mecânica. Com base nos estudos ambientais, nenhum problema foi detectado.
7.2 SUGESTÕES PARA PESQUISAS FUTURAS
A partir dos dados obtidos nesta pesquisa, sugere-se a continuidade de estudos
nesta linha , conforme listado a seguir:
• Realizar ensaios acrescentado cimento e cal às misturas;
• Realizar ensaios utilizando outras dosagens (no máximo 30% de fosfogesso) e solos
tropicais encontrados em outros locais;
138
• Realizar ensaios de resistência à compressão simples, principalmente nas misturas
realizadas com cimento e cal;
• Realizar microscopia eletrônica por varredura, para verificar a questão estrutural das
amostras;
• Construir trechos experimentais com a utilização de misturas de solo e fosfogesso em suas
camadas e avaliar o comportamento estrutural durante a construção e ao longo do tempo;
• Investigar se ocorrem variações na resistência dos materiais em função do tempo de cura;
• Comparar os custos envolvidos, incluindo os ganhos ambientais, na construção de
pavimentos compostos de materiais tradicionais e de misturas com fosfogesso.
139
7 CONSIDERAÇÕES FINAIS ......................................... 135 7.1 CONCLUSÕES...............................................................................................................135 7.2 SUGESTÕES PARA PESQUISAS FUTURAS ...........................................................137
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AASHTO “American Association of State Highway and Transportation Officials” ABCP Associação Brasileira de Cimento Portland ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas AI “Asphalt Institute” ALA Misturas de argila laterítica e areia an Diferença de altura dos corpos de prova no ensaio mini-MCV ANDA Associação Nacional para Difusão de Adubos ASTM “American Society for Testing and Materials” CBR “California Bearing Ratio” CBUQ Concreto betuminoso usinado a quente CEASA Central de Abastecimento de Goiás S/A CETESB Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental CFT Cota final de terraplenagem CNEM Conselho Nacional de Energia Nuclear DER/SP Departamento de Estradas de Rodagem do Estado de São Paulo DNER Departamento Nacional de Estradas de Rodagem DNIT Departamento Nacional de Infraestrutura de Transporte DNPM Departamento Nacional da Produção Mineral EMBRAPA Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária EPA “Environmental Protection Agency” EPUSP Escola Politécnica da Universidade de São Paulo FIPR “Florida Institute of Phosphate Research” FISPQ Ficha de Informação de Segurança de Produto Químico IBRAFOS Instituto Brasileiro do Fosfato IPT/SP Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo IRM “Institute for Recyclable Materials” ISC Índice de Suporte Califórnia LA Areia laterítica LCPC “Laboratoire Central des Ponts et Chausees” LG’ Solos argilosos lateríticos LTP Laboratório de Tecnologia de Pavimentação MCT Miniatura, Compactado, Tropical (Classificação de solos) ML Areia fina siltosa ML Material siltoso de baixa plasticidade, segundo Sistema Unificado de
Classificação de Solos MRE “Maximum Reasonable Exposure” NA Areia não laterítica NBR Norma Brasileira NPK Nitrogênio, Fósforo e Potássio PCA “Portland Cement Association” rad “radiation absorbed dose”. rem “radiation equivalent in man” RIS Relação do Índice de Suporte SAFL Solo arenoso fino laterítico SC Areia argilosa SLAD Misturas de solo laterítico e agregado de granulometria descontínua
SM Areia siltosa SUCS Sistema Unificado e Classificação de Solos TFI “The Fertilizer Institute” TRB “Transportation Research Board” TSS Tratamento superficial simples TSD Tratamento superficial duplo TST Tratamento superficial triplo USCS “Unified Soil Classification System” USEPA “United State Environmental Agency”
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - Exploração mundial de rocha fosfatada (ZAPATA; ROY, 2004, modificado de
CANUT, 2006) .........................................................................................................................24
Figura 2.2 - Formação da pilha do material britado, estocagem e homogeneização................26
Figura 2.3 - Rotas de fabricação de fertilizantes fosfatados no Brasil (COPEBRÁS, 2006)...27
Figura 2.4 - Curva de equilíbrio dihidratado, hemihidratado em solução de ácido fosfórico e
sulfúrico (modificado de CEKINSKI et al., 1990)...................................................................29
Figura 2.5 - Subproduto sólido separado, denominado fosfogesso..........................................32
Figura 2.6 - Distribuição granulométrica do fosfogesso de “Freeport-McMoran, Inc”. (TAHA;
SEALS, 1991, modificado de KOBAYASHI, 2000) ...............................................................36
Figura 2.7 - Série de decaimento do 238 U (CANUT, 2006).....................................................39
Figura 2.8 - Série de decaimento do 232 Th (CANUT, 2006) ...................................................40
Figura 2.9 - Etapas da deposição de fosfogesso: (a) Detalhe do trilho para escoamento do
fosfogesso; (b) Detalhe da saída do trilho e depósito do fosfogesso em caminhões; (c)
Transporte do fosfogesso para a pilha; (d) Detalhe da pilha de fosfogesso .............................54
Figura 2.10 - Sistema de drenagem da pilha de fosfogesso......................................................54
Figura 3.1 - Ocorrência de solos lateríticos no território brasileiro (VILLIBOR et al., 2000) 60
Figura 3.2 - Ábaco da classificação MCT (NOGAMI; VILLIBOR, 1995) .............................64
Figura 3.3 - Área no gráfico da classificação MCT dos SAFL utilizados em bases de
pavimentos (VILLIBOR et al., 2000).......................................................................................67
Figura 4.1 - Esquema dos estados físicos, e limites de consistência ........................................81
Figura 5.1 - Amostras pesquisadas ...........................................................................................92
Figura 5.2 - (a) Coleta do fosfogesso; (b) Leitura radiométrica do fosfogesso........................94
Figura 5.3 - Solo local: (a) Local de coleta do solo; (b) Secagem do solo em temperatura
ambiente ...................................................................................................................................94
Figura 5.4 - Preparação das misturas........................................................................................95
Figura 5.5 - Análise granulométrica: (a) Peneiramento; (b) Sedimentação .............................96
Figura 5.6 - Determinação da massa específica dos grãos: (a) Solo; (b) Fosfogesso ..............97
Figura 5.7 - Determinação do limite de liquidez: (a) Aparelho de Casagrande; (b) Solo; (c)
Fosfogesso ................................................................................................................................97
Figura 5.8 - Ensaio de limite de plasticidade: (a) Instrumentos utilizados no ensaio; (b)
Fosfogesso; (c) Formação do cilindro da mistura A; (d) Formação do cilindro do solo..........98
Figura 5.9 - Ensaio de compactação: (a) Formação das camadas; (b) Nivelamento do corpo-
de-prova....................................................................................................................................98
Figura 5.10 - Realização do ensaio de expansão: (a) Tanque de imersão; (b) Detalhe do
extensômetro e do corpo-de-prova ...........................................................................................99
Figura 5.11 - Ensaio de CBR: (a) Prensa para determinação do CBR; (b) Pistão de penetração
..................................................................................................................................................99
Figura 5.12 - Equipamento triaxial de carga repetida ............................................................100
Figura 5.13 - Ensaio triaxial: (a) Compactação do corpo-de-prova; (b) Encaixe dos mangotes
de ar comprimido....................................................................................................................101
Figura 5.14 - Preparação do ensaio: (a) Amostras do solo já umedecido; (b) Cilindros para
compactação do solo...............................................................................................................103
Figura 5.15 - Compactação: (a) Equipamento para compactação; (b) Detalhe do extensômetro
................................................................................................................................................103
Figura 5.16 - Ensaio de perda de massa por imersão: (a) Corpos-de-prova com o topo 10 mm
externo ao cilindro; (b) Corpos-de-prova imersos no tanque.................................................104
Figura 6.1 - Mina de extração da rocha fosfática, localizada em Ouvidor –GO....................106
Figura 6.2 - Transporte do material britado para a usina de beneficiamento .........................107
Figura 6.3 - (a) Via férrea, chegado do enxofre; (b) Unidade do Ácido Sulfúrico ................107
Figura 6.4 - Deposição do fosfogesso: (a) Trilho para escoamento do fosfogesso; (b) Pilha de
fosfogesso ...............................................................................................................................108
Figura 6.5 - (a) Saída do percolado da pilha de fosfogesso; (b) Sistemas de canaletas para
lagoa de percolado; (c) Lagoa de percolado; (d) Sistema de filtros da ETEL........................108
Figura 6.6 - Curva granulométrica do fosfogesso com e sem defloculante ...........................112
Figura 6.7 - Curva granulométrica do solo com e sem defloculante......................................112
Figura 6.8 - Curva granulométrica da Mistura A com e sem defloculante ............................112
Figura 6.9 - Curva granulométrica da Mistura B com e sem defloculante.............................113
Figura 6.10 - Curva granulométrica da Mistura C com e sem defloculante...........................113
Figura 6.11 - Curvas granulométricas dos materiais obtidas no ensaio com defloculante.....113
Figura 6.12 - Curvas granulométricas dos materiais obtidas no ensaio sem defloculante .....114
Figura 6.13 - Ensaio de limite de liquidez para o fosfogesso.................................................115
Figura 6.14 - Ensaio de limite de plasticidade: (a) Trabalhando o material; (b) Tentando
formar o bastonete ..................................................................................................................116
Figura 6.15 - Curvas de compactação e saturação: (a) Fosfogesso; (b) Solo, Mistura A,
Mistura B e Mistura C ............................................................................................................117
Figura 6.16 - Curvas de CBR: (a) Fosfogesso; (b) Solo, Mistura A, Mistura B e Mistura C 119
Figura 6.17 - Módulo resiliente: (a) Resultados dos ensaios; (b) Comportamento argiloso
(MEDINA; MOTTA, 2005) ...................................................................................................120
Figura 6.18 - Corpos-de-prova utilizados no ensaio de módulo resiliente.............................121
Figura 6.19 - Comparação entre os resultados do ensaio de CBR e triaxial dinâmico ..........123
Figura 6.20 - Relação entre os valores de CBR e MR............................................................123
Figura 6.21 - Curvas de compactação MCT...........................................................................124
Figura 6.22 - Curvas de deformabilidade MCT e Perda de massa por imersão MCT ...........124
Figura 6.23 - Curvas granulométricas com e sem defloculante da Mistura A .......................128
Figura 6.24 - Curvas granulométricas com e sem defloculante da Mistura B........................128
Figura 6.25 - Curvas granulométricas com e sem defloculante da Mistura C........................128
Figura 6.26 - (a) Curvas de Compactação das Misturas com adição de 6 % de cal; (b) Curvas
de CBR das Misturas com adição de 6 % de cal ....................................................................129
Figura 6.27 - Foto aérea do complexo industrial (COPEBRÁS, 2006) .................................133
LISTA DE SÍMBOLOS
°C Graus Celsius °F Graus Fahrenheit 222Rn Radônio 226Ra Rádio 232Th Tório 238U Urânio a Altura do corpo-de-prova em milímetros A-4 Solo siltoso (IG < 8), segundo Classificação TRB Ag Prata Al Alumínio Al2O3 Óxido de alumínio As Arsênio Ba Bário Bq Becquerel c’ Coeficiente angular da reta assimilável à curva de deformabilidade com Mini-
MCV = 10 C3A Aluminato tricálcico Ca Cálcio Ca(PO4)3 Fluorapatita CaO Óxido de cálcio ou cal CaSO4 Sulfato de cálcio Cd Cádmio Cr Cromo CTC Capacidade de troca catiônica d’ Inclinação da parte reta do ramo seco da curva de compactação
correspondente a 12 golpes DAP Fosfato de diamônio e' Índice da Classificação MCT Fe Ferro Fe2O3 Óxido de ferro H2O Água H2SO4 Ácido sulfúrico H3PO4 Ácido fosfórico HF Ácido fluorídrico Hg Mercúrio IP Índice de plasticidade MAP Fosfato de Monoamônio Md Massa de solo seca, da porção desprendida do corpo-de-prova em gramas MgO Óxido de magnésio MR Módulo resiliente MS Massa de solo seca do corpo-de-prova em gramas P2O5 Anidrido fosfórico Pb Chumbo pCi/g Pico Curie por grama pH Logaritmo negativo da concentração hidrogeniônica Pi Perda de massa por imersão expressa em porcentagem
R Roentgen Se Selênio SiO2 Sílica ou óxido de silício SO2 Dióxido de enxofre SO3 Anidrido sulfúrico Sv Sievert U3O8 Óxido de urânio w Teor de umidade wL Limite de liquidez wot Umidade ótima wP Limite de plasticidade γd Peso específico aparente seco γdmáx Peso específico aparente seco máximo μm Micrômetro ou 0,001 mm μR/hr μRoentgen por hora σd Tensão desvio εR Deformação específica
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 - Reservas nacionais de fosfatos (ANDA, 1987, citado por CEKINSKI et al., 1990)
..................................................................................................................................................25
Tabela 2.2 - Fabricação de ácido fosfórico (CEKINSKI et al., 1990) .....................................28
Tabela 2.3 - Composição química dos fosfogesso dihidratado produzidos na Turquia
(ERDEM; OLMEZ, 1989), nos estados norte-americanos (TAHA; SEALS, 1991) e na
Jordânia (MOHAMMAD et al., 1999) - modificado de Silvestre (2002) ................................35
Tabela 2.4 - Concentração dos elementos que pertencem a matriz de impurezas do fosfogesso
bruto (Fonte: Florida Institute of Phosphate Research – EUA) - modificado de Silvestre
(2002) .......................................................................................................................................35
Tabela 2.5 - Algumas grandezas e unidades da Física das Radiações (OKUNO, 1988) .........38
Tabela 2.6 - Taxas de exalação e de emanação para alguns materiais de construção
(FOLKERS, 1983; PORSTENDORFER, 1994, modificado de ROSA, 1997) .......................41
Tabela 2.7 - Resultados dos ensaios de lixiviação com o fosfogesso coletado no final do
processo industrial e com o fosfogesso coletado nas pilhas da Copebrás-Cubatão (modificado
de CASTILHO JR. et al., 1998) ...............................................................................................56
Tabela 2.8 - Resultados do pH (RICHARDSON, 1995, modificado de CASTILHO JR. et al.,
1998).........................................................................................................................................57
Tabela 2.9 - Concentrações nas bacias de deposição do fosfogesso ........................................58
Tabela 3.1 - Principais cidades aonde já foram executadas bases de SAFL. Na espessura de
15,0 cm, ano de execução, bem como área construída com SAFL e grupo MCT destes solos
(VILLIBOR et al., 2000) ..........................................................................................................66
Tabela 3.2 - Propriedades mecânicas e hídricas dentro de intervalos indicados (VILLIBOR et
al., 2000) ...................................................................................................................................66
Tabela 3.3 - Faixa granulométrica recomendada para bases de solo arenoso fino laterítico
(SAFL) (VILLIBOR et al., 2000).............................................................................................66
Tabela 3.4 - Intervalos admissíveis das propriedades da mistura ALA (VILLIBOR et al.,
2000).........................................................................................................................................69
Tabela 3.5 - Faixa granulométrica recomendada para base de solo argiloso e areia (ALA)
(VILLIBOR et al., 2000) ..........................................................................................................70
Tabela 3.6 - Intervalos admissíveis das propriedades da mistura SLA (VILLIBOR et al.,
2000).........................................................................................................................................71
Tabela 3.7 - Faixa granulométrica recomendada para bases de SLA (VILLIBOR et al., 2000)
..................................................................................................................................................72
Tabela 3.8 - Cidades com pavimentos de bases de argila laterítica (VILLIBOR et al., 2000) 73
Tabela 3.9 - Valores recomendados para base de argila laterítica (VILLIBOR et al., 2000) ..74
Tabela 3.10 - Faixa granulométrica recomendada para bases de argilas laterítica (VILLIBOR
et al., 2000) ...............................................................................................................................74
Tabela 4.1 - Propriedades e recomendações dos grupos de solo segundo a metodologia MCT
(modificado de NOGAMI; VILLIBOR, 1995) ........................................................................87
Tabela 6.1 - Produtos utilizados na usina de beneficiamento (COPEBRÁS, 2007) ..............109
Tabela 6.2 - Frações granulométricas dos materiais estudados..............................................110
Tabela 6.3 - Resultados do ensaio de massa específica dos grãos .........................................114
Tabela 6.4 - Resultados dos ensaios de limite de consistência...............................................115
Tabela 6.5 - Classificação segundo SUCS e TRB das amostras estudadas............................116
Tabela 6.6 - Resultados de compactação, expansão e CBR (Energia Proctor Intermediário)118
Tabela 6.7 - Tensões de condicionamento..............................................................................119
Tabela 6.8 - Tensões de carregamento ...................................................................................120
Tabela 6.9 - Estimativa dos valores dos módulos resilientes dos materiais ...........................122
Tabela 6.10 - Resultados dos ensaios da Metodologia MCT para o solo fino .......................124
Tabela 6.11 - Resultados das análises químicas .....................................................................126
Tabela 6.12 - Resultados dos ensaios de caracterização (FARIA, 2007)...............................127
Tabela 6.13 - Resultados de compactação, expansão e CBR (Energia Proctor Intermediário)
................................................................................................................................................129
Tabela 6.14 - Resultados das características químicas da massa bruta das amostras estudadas
................................................................................................................................................131
Tabela 6.15 - Resultados das características químicas do extrato lixiviado das amostras
estudadas.................................................................................................................................131
Tabela 6.16 - Resultados das características químicas do extrato solubilizado das amostras
estudadas.................................................................................................................................132
Tabela 6.17 - Levantamento radiométrico da pilha de gesso .................................................134
139
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