tese de doutoramento - sandra ferreira - 2010.pdf

S

andr

a M

arin

a Re

is Fe

rreira

Julho de 2010UMin

ho |

201

0C

ompo

rtam

ento

Mec

nic

o e

Ambi

enta

l de

Mat

eria

isGr

anul

ares

. Apl

ica

o

s Es

cri

as d

e Ac

iari

a N

acio

nais

Universidade do MinhoEscola de Engenharia

Sandra Marina Reis Ferreira

Comportamento Mecnico e Ambiental deMateriais Granulares.Aplicao s Escrias de Aciaria Nacionais

Julho de 2010

Tese de DoutoramentoDoutoramento em Engenharia Civil

Trabalho efectuado sob a orientao doProfessor Doutor Antnio Gomes Correia

Sandra Marina Reis Ferreira

Comportamento Mecnico e Ambiental deMateriais Granulares.Aplicao s Escrias de Aciaria Nacionais

Universidade do MinhoEscola de Engenharia

Ao Jorge Miguel, o Sol da minha vida

Ao Artur (in memoriam), o meu Anjo da Guarda

A valorizao dos resduos um desafio

inadivel para as sociedades

contemporneas

i

AGRADECIMENTOS

O trabalho de investigao apresentado nesta tese de doutoramento deu-me a oportunidade de

passar quatro anos no Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Minho. Estes

quatro anos foram para mim tempos de formao acadmica e cientfica mas, tambm de

enriquecimento pessoal e isso deveu-se a todos aqueles com quem fui trabalhando e

convivendo. Assim, como esta tese o fruto do trabalho de muitos, quero expressar os meus

agradecimentos s entidades e pessoas que me apoiaram na sua realizao, nomeadamente:

Siderurgia Nacional, Empresa de Produtos Longos, SA e Fundao para a Cincia e a

Tecnologia, pelo financiamento do doutoramento atravs da concesso de uma bolsa de

doutoramento em empresa;

ao Professor Doutor Antnio Gomes Correia, orientador cientfico deste trabalho, pelos

ensinamentos e rigor cientfico transmitidos, pela leitura crtica do manuscrito e, sobretudo,

pela confiana depositada;

ao Eng. Antnio Cavalheiro, orientador empresarial deste trabalho, pelo empenho na

concesso e manuteno da bolsa, o que me permitiu dedicar em exclusivo a esta tese;

ao Investigador Eng. Antnio Jos Roque, pela leitura crtica do manuscrito no se que refere

componente ambiental, o que muito contribuiu para a melhoria deste trabalho;

ao Professor Doutor Jaime Francisco C. Fonseca e ao Tcnico Carlos Manuel A. Torres, pelo

apoio na componente electrnica deste trabalho;

ao Professor Doutor Jean-Marie Fleureau, pela disponibilidade manifestada para o apoio

interpretao e anlise dos resultados e elaborao da tese;

Professora Doutora Ktia Bicalho, pela disponibilidade manifestada para a leitura crtica do

manuscrito e pelo carinho que sempre me demonstrou;

ao Professor Doutor Michele Jamiolkowski, pelo envio de alguma bibliografia, o que

contribuiu para o esclarecimento de algumas dvidas que surgiram durante o trabalho;

aos tcnicos do Laboratrio de Engenharia Civil da Universidade do Minho, nomeadamente,

Eng Carlos Palha, Hlder Torres, Ricardo Magalhes, Carlos Jesus, Marco Jorge, Paulo

Caetano, Fernando Pokee e Jos Matos, por todo o apoio dado em laboratrio e, ao tcnico

Jos Gonalves, pela colaborao em todos os ensaios de laboratrio e de campo, pela

disponibilidade e, principalmente, pela dedicao posta em todas as actividades;

ii

aos tcnicos do Laboratrio Nacional de Engenharia Civil, Rui Coelho, Joaquim Timteo,

Antnio Gomes e amiga Ana Cristina Louro, pela colaborao nos ensaios de campo e pelo

empenho e sentido crtico colocado no trabalho;

Carla secretaria do Departamento de Engenharia Civil e Susana, Elsa e Irene,

funcionrias do Centro para a Valorizao dos Resduos, pelas palavras amigas;

aos meus colegas e amigos, nomeadamente, Marta, Tiago, Ivo, Vtor, Eduardo e Sandra,

pelo tempo bem passado, alm disto, ao Rgis, pelas importantes trocas de impresses, ao

Joo Paulo pelo apoio na realizao e interpretao dos ensaios de campo e ao Nuno, pela

grande ajuda na instrumentao da cmara triaxial;

ao primo e grande amigo, Professor Doutor Lus Manuel Ferreira Gomes, pelo estmulo;

ao meu Pai, minha Me, ao meu Irmo, Xila e ao Gouveia, os amigos e companheiros de

todas as horas, pelo apoio incondicional;

ao Jorge Miguel, pela alegria que trouxe minha vida e, sobretudo, por me ensinar como

enfrentar e reagir s contrariedades que vo surgindo no dia-a-dia.

A todos um Muito Obrigada, do fundo do corao!

iii

COMPORTAMENTO MECNICO E AMBIENTAL DE

MATERIAIS GRANULARES. APLICAO S ESCRIAS

DE ACIARIA NACIONAIS

RESUMO: Nesta tese estudou-se o comportamento mecnico e ambiental de materiais

granulares e muito particularmente os agregados processados das escrias de aciaria

produzidas na Siderurgia Nacional, com o principal objectivo de promover a sua valorizao

(reciclagem) como material de construo nas infraestruturas de transporte e obras

geotcnicas.

Neste sentido, estabeleceu-se um programa experimental para a caracterizao

ambiental e mecnica, quer em laboratrio, quer no campo, dos agregados processados das

escrias de aciaria nacionais, bem como de dois materiais naturais (Saibro Grantico e

Agregado Grantico), com o propsito de se compararem as suas propriedades.

Em laboratrio, o principal ensaio mecanicista utilizado para determinar as

propriedades de deformabilidade dos materiais granulares tem sido o triaxial cclico,

desenvolvido durante este programa de investigao. Uma cmara triaxial com 150mm de

dimetro e 300mm de altura foi instrumentada internamente para medio directa da fora

aplicada e dos deslocamentos no provete de ensaio.

Paralelamente ao estudo sobre a valorizao dos agregados processados das escrias

de aciaria nacionais efectuou-se um outro, relativo influncia do ndice de vazios e da

granulometria nas caractersticas de deformabilidade dos materiais granulares. Esse estudo

envolveu a realizao de ensaios triaxiais cclicos, em provetes com diferentes granulometrias,

combinando diferentes dimenses mdias das partculas (D50) e diferentes ndices de vazios.

Os resultados do estudo mostraram, claramente, que as equaes relativas ao ndice de vazios

obtidas sobre areias, e normalmente utilizadas em materiais granulares com fraces mais

grossas, no descrevem o comportamento destes materiais, sobretudo quando bem

compactados. Com base nos resultados obtidos props-se para a normalizao do mdulo de

deformabilidade em relao ao ndice de vazios uma nova expresso matemtica que

incorpora um factor que depende da granulometria dos materiais. Os resultados mostraram

ainda que o mdulo de deformabilidade dos materiais granulares depende da dimenso

mxima das partculas e do D50.

No campo, a avaliao dos desempenhos mecnico e ambiental dos materiais

efectuou-se recorrendo construo de um trecho experimental, integrado numa estrada

nacional em servio, constitudo por trs seces distintas. Numa foram utilizados apenas os

dois materiais naturais (no aterro e nas camadas de leito do pavimento e base), noutra foi

iv

utilizado exclusivamente agregado processado (no aterro e nas camadas de leito do pavimento

e base) e na restante aplicou-se o Saibro Grantico, no aterro e na camada de leito do

pavimento, e o agregado processado, na camada de base. A avaliao do desempenho

mecnico e ambiental dos materiais efectuou-se durante e aps a fase de construo. A

avaliao do desempenho mecnico durante a fase de construo realizou-se atravs do

controlo dos parmetros de estado e da deformabilidade dos materiais, com recurso a

diferentes ensaios. A avaliao do desempenho mecnico, aps a fase de construo,

efectuou-se ao longo de dois anos, quer ao nvel interno das camadas do pavimento com

recurso a extensmetros e do aterro atravs de vares extensomtricos instalados durante a

fase de construo, quer ao nvel do comportamento global do aterro atravs de campanhas de

nivelamento topogrfico de preciso e no pavimento com recurso a ensaios com deflectmetro

de impacto pesado. A avaliao do desempenho ambiental efectuou-se, ao longo de um ano,

com recurso a instrumentao original em Portugal nesta aplicao: instalao de dois

lismetros.

Os resultados experimentais obtidos neste estudo mostraram que os agregados

processados das escrias de aciaria nacionais so inertes e apresentam um desempenho

mecnico superior ao dos materiais naturais, contribuindo decisivamente para a sua

valorizao em infraestruturas de transporte e obras geotcnicas. Presentemente, so

comercializados pela Siderurgia Nacional como um novo material de construo, com

Marcao CE e marca registada com a designao de Agregado Siderrgico Inerte para a

Construo (ASIC).

Palavras-chave: Valorizao; agregados naturais; agregados reciclados; pavimentos;

aterros estruturais; propriedades ambientais; propriedades mecnicas; ensaio triaxial cclico de

grandes dimenses; trecho experimental; monitorizao mecnica; monitorizao ambiental;

lismetro; mdulo de deformabilidade

v

ENVIRONMENTAL AND MECHANICAL BEHVIOUR OF

GRANULAR MATERIALS. APPLICATION TO NATIONAL

STEEL SLAGS

ABSTRACT: This thesis studied the mechanical and environmental behaviour of granular

materials and more specifically processed steel slag aggregates produced in National Iron and

Steel Company, with the primary objective of promoting their use (recycling) as a building

material in transport infrastructures and geotechnical work.

In this context an experimental programme was established in order to environmentally

and mechanically characterise, both in laboratory and in the field, the national processed steel

slag aggregates, in addition to two natural materials (Granitic gravel and Granite Aggregate),

with the purpose of comparing their properties.

In the laboratory, the main mechanical test used to determine the deformation

properties of granular materials has been the precision cyclic triaxial, developed during this

research programme. A triaxial chamber 150mm in diameter and 300mm in height was

internally instrumented for the direct measurement of displacement and applied force.

Parallel to the study for promoting processed aggregates of national steel slags another

laboratory study was carried out on the influence of void ratio and grading on the deformation

characteristics of granular materials. This study involved carrying out precision cyclic triaxial

tests on specimens with different gradations, combined with different particle size average and

different void ratios. The results of the study clearly showed that the equations for the void ratio

obtained for sand, and normally used in granular material with coarser fractions, do not describe

the behaviour of these materials especially when they are well compacted. Based on the results

obtained, a new mathematical expression that incorporates a factor that depends on the

gradation of the material is proposed for the normalisation of the modulus of deformability in

relation to the void ratio. The results also showed that this modulus in the granular material

depends on the maximum size of the particles and on the particle size average.

In the field, the assessment of the mechanical and environmental performance of the

materials was carried out at the construction of a full scale test integrated in a national road in

use which consisted of three distinct sections. In one section, only the two natural materials

were used (in the embankment, capping and base layers of pavement), in another section only

processed aggregate was used (in the embankment, capping and base layers of pavement) and

in the remaining section Granitic Gravel was used, in the embankment and the capping layers

of pavement, and processed aggregate was used in the base layer. The assessment of the

mechanical and environmental performance of the materials was done during and after the

construction phase. The mechanical performance during the construction phase was evaluated

by controlling the state parameters and the deformability of the materials by using different

vi

tests. After the construction phase this was done throughout two years by assessing the

pavement layers by using strain gauges. Furthermore embankment performance was evaluated

by using strain gauge rods installed during the construction phase as well by precision

topographic levelling campaigns. The assessment of pavement performance was done by using

tests with a heavy falling weight deflectometer. The assessment of the environmental

performance was carried out throughout one year by means of two lysimeters, instrumentation

that is original in Portugal in this application.

The experimental results obtained in this study show that the aggregate of national

processed steel slags are inert and have a better mechanical performance than that of natural

materials, decisively contributing to the promotion of these recycled materials in transport

infrastructures and geotechnical works. Presently, this new construction material, with EC

marking, registered as a trademark under the name of Agregado Siderrgico Inerte para a

Construo (ASIC) [Inert Steel Aggregate for Construction - ISAC], has led to an increased

demand in the national market with obvious benefits for the National Iron and Steel Company.

Key-words: Valorisation; natural aggregate; recycled aggregate; pavement; structural

embankment; environmental properties; mechanical properties; precision cyclic triaxial test; full

scale test; mechanical monitoring; environmental monitoring; lysimeter; modulus of deformability

vii

NDICE DE MATRIAS

1. INTRODUO

1.1. Justificao do tema e enquadramento da tese .. 1

1.2. Objectivos da tese.. 3

1.3. Metodologia de estudo para atingir os objectivos. 5

1.3.1. Programa experimental de laboratrio aplicado valorizao dos agregados. 5

1.3.2. Programa experimental de laboratrio para o estudo da influncia do ndice

de vazios e da composio granulomtrica no mdulo de deformabilidade

dos materiais granulares (domnio das pequenas deformaes) 8

1.3.3. Programa experimental de campo .. 8

1.4. Estrutura da tese 10

2. ESTUDO BIBLIOGRFICO SOBRE AS ESCRIAS DE ACIARIA

2.1. Introduo 13

2.2. Principais tipos de escrias de aciaria e processamento efectuado com vista sua

Valorizao como agregado siderrgico 14

2.3. Evoluo da produo de escrias de aciaria em Portugal 15

2.4. Processos envolvidos na produo de escrias de aciaria em Portugal.. 16

2.5. Processamento realizado nas escrias de aciaria nacionais.. 17

2.6. Principais valorizaes das escrias de aciaria 20

2.7. Propriedades das escrias de aciaria processadas 21

2.8. Avaliao do comportamento ambiental 23

2.9. Alguns estudos realizados sobre as escrias de aciaria quando utilizadas em

infraestruturas rodovirias 24

2.10. Principais problemas das escrias de aciaria processadas quando utilizadas nas

infraestruturas de transporte 25

2.11. Documentos e especificaes tcnicas para utilizao das escrias de aciaria

processadas em infraestruturas rodovirias ........ 26

viii

2.11.1. Situao internacional 26

2.11.2. Situao em Portugal . 32

2.12. Concluses 34

3. ESTUDO BIBLIOGRFICO SOBRE OS FACTORES QUE INFLUENCIAM AS DEFORMAES REVERSVEIS

E PERMANENTES DOS MATERIAIS GRANULARES QUANDO SUJEITOS A CARREGAMENTOS CCLICOS

3.1. Introduo ... 35

3.2. Principais factores que influenciam as deformaes reversveis .. 36

3.2.1. Caractersticas do carregamento . 36

3.2.2. Histria das tenses ... 37

3.2.3. Nvel de tenso ... 37

3.2.4. Nvel de deformao .. 40

3.2.5. Compacidade .. 41

3.2.5.1. Proposta de Hardin e Richart (1963) 42

3.2.5.2. Proposta de Lo Presti et al. (1995)... 44

3.2.5.3. Estudos de Kokusho e Yoshida (1997) 46

3.2.6. Teor em gua .. 47

3.2.7. Influncia da granulometria ... 48

3.2.7.1. Percentagem em finos ... 49

3.2.7.2. Dimenso mxima das partculas 50

3.2.8. Mineralogia .. 50

3.2.9. Morfologia das partculas .. 51

3.3. Principais factores que influenciam as deformaes permanentes .. 51

3.3.1. Repetio e frequncia do carregamento .. 52

3.3.2. Nvel de tenso ... 53

3.3.3. Rotao das tenses principais 57

3.3.4. Histria das tenses ... 58

3.3.5. Compacidade .. 59

3.3.6. Teor em gua .. 61

ix

3.3.7. Influncia da granulometria ... 62

3.3.7.1. Percentagem em finos ... 63

3.3.7.2. Dimenso mxima das partculas 64

3.3.8. Mineralogia .. 64

3.3.9. Morfologia das partculas .. 65

3.4. Concluses . 65

4. DESCRIO DOS ENSAIOS LABORATORIAIS. CARACTERIZAO CORRENTE DOS MATERIAIS EM

ESTUDO

4.1. Introduo ... 67

4.2. Metodologia adoptada para a caracterizao dos materiais .. 68

4.2.1. Escria da Maia .. 68

4.2.2. Escria do Trecho .. 69

4.2.3. Escria do Seixal 69

4.2.4. Agregado Grantico 70

4.2.5. Saibro Grantico .. 70

4.3. Ensaios mecanicistas realizados para estudar o comportamento mecnico .. 70

4.3.1. Ensaio triaxial convencional .. 71

4.3.1.1. Equipamento 71

4.3.1.2. Preparao dos provetes .. 72

4.3.1.3. Procedimento de ensaio para provetes de pequena e grande

dimenso 73

4.3.1.4. Procedimento de ensaio para provetes de muito grande dimenso .. 74

4.3.2. Ensaio triaxial cclico de curta durao ... 74



4.3.2.3. Procedimento de ensaio para o estudo do comportamento elstico e

linear ... 77

4.3.2.4. Procedimento de ensaio para o estudo da influncia do ndice de

vazios e da granulometria nas caractersticas de deformabilidade.. 77

x

4.3.3. Ensaio triaxial cclico de longa durao .. 78



4.3.3.3. Procedimento de ensaio para o estudo do comportamento reversvel 83

4.3.3.4. Procedimento de ensaio para o estudo do comportamento s

deformaes permanentes atravs de um nico nvel de tenso 85

4.3.3.5. Procedimento de ensaio para o estudo do comportamento s

deformaes permanentes atravs de multi-estgios de tenso . 85

4.3.4. Ensaio de compresso unidimensional .. 86


4.3.4.2. Preparao do provete .. 87

4.3.4.3. Procedimento de ensaio 87

4.4. Caracterizao corrente dos materiais .. 87






4.5. Concluses . 100

5. TRABALHO EXPERIMENTAL EM LABORATRIO. ESTUDO DA INFLUNCIA DO NDICE DE VAZIOS E DA

GRANULOMETRIA NAS CARACTERSTICAS DE DEFORMABILIDADE NO DOMNIO DAS PEQUENAS

DEFORMAES

5.1. Introduo ... 103

5.2. Curvas granulomtricas estudadas 104

5.3. Estudo da influncia do ndice de vazios .. 105

5.3.1. Caractersticas dos provetes ensaiados . 105

5.3.2. Resultados obtidos . 106

5.3.3. Modelos utilizados .. 107

5.3.4. Mtodo utilizado para determinao dos parmetros dos modelos .. 107

xi

5.3.5. Discusso dos resultados . 108

5.4. Confronto entre a proposta de Hardin e Richart (1963) e a nova proposta . 111

5.5. Estudo da influncia da granulometria .. 112

5.5.1. Caractersticas dos provetes ensaiados . 112

5.5.2. Resultados obtidos . 112

5.5.3. Validao da nova proposta para a funo do ndice de vazios 113

5.5.4. Discusso dos resultados . 114


6. TRABALHO EXPERIMENTAL EM LABORATRIO. ESTUDO DA RESISTNCIA E DEFORMABILIDADE DOS

MATERIAIS EM ESTUDO

6.1. Introduo ... 119

6.2. Ensaio de compresso unidimensional . 119

6.3. Ensaios triaxiais convencionais (TC) . 121

6.3.1 Escria da Maia .. 121

6.3.1.1. Resultados dos ensaios nos provetes de grande dimenso ... 121

6.3.1.2. Multi-estgios e estgio simples .. 128

6.3.1.3. Resultados dos ensaios nos provetes de muito grande dimenso 131

6.3.1.4. Comparao dos resultados obtidos nos provetes de muito grande e

grande dimenso .. 132


6.3.3. Comparao dos resultados obtidos na Escria da Maia e Escria do

Trecho ... 139



6.4. Ensaio triaxial cclico de curta durao (TCCD) .. 147





xii


6.5. Ensaio triaxial cclico de longa durao . 154

6.5.1. Acondicionamento e comportamento s deformaes reversveis 154

6.5.2. Comportamento s deformaes permanentes 160

6.5.2.1. Procedimento multi-estgios . 160

6.5.2.2. Procedimento com um nico estgio de tenso 165

6.5.2.3. Comparao dos resultados obtidos nos procedimentos multi-estgios

e um nico estgio de tenso . 166

6.6. Influncia do nvel de deformao nos mdulos de deformabilidade das Escrias da

Maia . 167


7. TRABALHO EXPERIMENTAL DE CAMPO

7.1. Introduo ... 175

7.2. Caractersticas gerais do trecho experimental . 176

7.2.1. Localizao .. 176

7.2.2. Planeamento construtivo ... 176

7.2.3. Instrumentao 177

7.2.3.1. Instrumentao utilizada no corpo do aterro .. 178

7.2.3.2. Instrumentao utilizada nas camadas do leito e da base do

pavimento .. 181

7.2.3.3. Instrumentao utilizada nas camadas betuminosas ... 182

7.3. Caracterizao dos materiais .. 182

7.4. Metodologia adoptada para o controlo da qualidade de construo 185

7.4.1. Ensaios para controlo de compactao atravs dos parmetros de estado

dos materiais 186

7.4.2. Ensaios para controlo de compactao atravs da deformabilidade 187

7.5. Resultados obtidos no controlo de compactao 191

7.5.1. Resultados obtidos para os parmetros de estado dos materiais . 191

7.5.2. Resultados obtidos para deformabilidade .. 194

xiii

7.5.2.1. Resultados obtidos nas camadas de aterro e leito do pavimento .. 194

7.5.2.2. Resultados obtidos nas camadas de base, regularizao e desgaste .. 198

7.6. Correlao entre os mdulos de deformabilidade obtidos no campo e em laboratrio . 200

7.7. Correlao entre os mdulos de deformabilidade obtidos no campo atravs dos

diferentes ensaios . 203

7.8. Resultados obtidos nas campanhas de monitorizao ... 206

7.8.1. Monitorizao mecnica 206

7.8.1.1.Medio dos deslocamentos internos .. 206

7.8.1.2. Comparao dos deslocamentos internos com os deslocamentos

superficiais . 209

7.8.1.3.Observao do comportamento mecnico atravs de ensaios FWD . 210

7.8.1.4.Observao das deformaes verticais ao nvel do topo do aterro e do

topo da camada de leito do pavimento e das deformaes transversais

e longitudinais ao nvel da base da camada de regularizao sob

carregamento do FWD

214

7.8.2. Monitorizao ambiental 221


8. VALORIZAO DOS AGREGADOS SIDERRGICOS INERTES PARA A CONSTRUO

8.1. Introduo ... 231

8.2. Metodologia de estudo utilizada no estudo da viabilidade de utilizao do ASIC em

infraestruturas de transporte 232

8.3. Caracterizao ambiental: estudo da viabilidade ambiental .. 233

8.4. Caracterizao mecnica: estudo da viabilidade dos ASIC atravs de ensaios

empricos 235

8.4.1. Propriedades geomtricas, fsicas e mecnicas correntes e classificao . 235

8.4.2. Comparao das propriedades ndice com os valores estabelecidos para

os materiais naturais nos cadernos de encargos das estradas de Portugal

para as camadas de base, sub-base, leito de pavimento e aterro . 237

8.5. Caracterizao mecnica: estudo da viabilidade dos ASIC atravs de ensaios

mecanicistas .. 242

xiv

8.5.1. Propriedades relativas compresso uniaxial, resistncia ao corte e

deformabilidade ... 242

8.5.2. Classificao do ASIC atravs do comportamento s deformaes

reversveis 243

8.5.3. Classificao dos ASIC de acordo com as deformaes permanentes 245

8.6. Comparao das propriedades do ASIC com outros materiais 246

8.6.1. Propriedades geomtricas, fsicas e mecnicas correntes . 246

8.6.2. Propriedades de deformabilidade 248

8.6.2.1. Comportamento reversvel determinado atravs de ensaios triaxiais

cclicos de curta durao . 248

8.6.2.2. Comportamento reversvel determinado atravs de ensaios triaxiais

cclicos de longa durao 249

8.6.3. Comportamento s deformaes permanentes 250

8.7. Comparao da viabilidade do ASIC determinada atravs dos ensaios empricos e

mecanicistas .. 250


9. CONCLUSES E DESENVOLVIMENTOS FUTUROS


9.1.1. Concluses do programa experimental em laboratrio relativas

valorizao do ASIC ... 255

9.1.2. Concluses do programa experimental de laboratrio para o estudo da

influncia do ndice de vazios e da composio granulomtrica no mdulo de

deformabilidade dos materiais granulares (domnio das pequenas

deformaes) ... 260

9.1.3. Concluses do programa experimental de campo 260

9.1.4. Concluses relativas valorizao do ASIC . 263

9.2. Desenvolvimentos futuros 264

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS .. 267

xv

NDICE DE FGURAS

1. INTRODUO

Sem Figuras


Figura 2.1: Processamento da escria de aciaria nacional: a) em fosso; b) na zona

impermeabilizada; c) na zona de armazenamento/tratamento. (Roque et al., 2006) . 18

Figura 2.2: Processamento da escria de aciaria nacional: a) fragmentao; b) parte

metlica restante aps a separao das partes metlica e no metlica (Roque et al.,

2006) . 19

Figura 2.3: Processamento da escria negra nacional: a) Peneirao em fraces

granulomtricas; b) Armazenamento e maturao por hidratao ao ar livre (Roque et

al., 2006) .. 20

Figura 2.4: Pavimento com utilizao de escria de aciaria mal maturada (Silva, 2002); a)

deformao excessiva; b) fendilhamento ... 26



Figura 3.1: Exemplos de resultados triaxiais com tenso de confinamento constante e

varivel (adaptada de Allen e Thompson, 1974) ... 37

Figura 3.2: Mdulo reversvel em funo do nvel de deformao para materiais

granulares densamente compactados (Gomes Correia, 2004) .. 41

Figura 3.3: Efeito do grau de compactao (Gc) no mdulo reversvel (Kolisoja, 1994) . 42

Figura 3.4: Modelo de esferas uniformes (Hertz) ... 45

Figura 3.5: Diagrama esquemtico do efeito de Cu na relao do ndice de vazios e no

mdulo de deformabilidade. (Adaptado de Gomes Correia et al., 2001) .. 47

Figura 3.6: Influncia da granulometria no mdulo reversvel para (adaptada de Hoff,

1999) . 49

Figura 3.7: Curvas granulomtricas ensaiadas por Hoff (1999) ... 49

Figura 3.8: Efeito quantitativo da fraco fina no comportamento mecnico do agregado

consistindo maioritariamente em partculas grosseiras (adaptado de kolisoja, 1997) 50

xvi

Figura 3.9: Classificao de materiais granulares de diferentes origens geolgicas de

acordo com as suas propriedades mecnicas (adaptado de Paute et al, 1994) . 51

Figura 3.10: influncia do nvel de tenso na deformao plstica de alguns dos

materiais (adaptado de Barksdale, 1972) ... 54

Figura 3.11: Deformao permanente em funo das tenses aplicadas (Brown e Hyde,

1985) . 54

Figura 3.12: Diagrama esquemtico sobre a influncia do nmero de ciclos e do nvel de

tenso no comportamento s deformaes permanentes (adaptado de Werkmeister,

2003) . 56

Figura 3.13: Tenses produzidas pelo movimento dos rodados nas camadas granulares

dos pavimentos (adaptada de Gidel, 2001) 57

Figura 3.14:Influncia da histria do carregamento na deformao permanente

(adaptada de Brown, 1975) .. 58

Figura 3.15:Influncia da histria do carregamento na deformao permanente

(Monismith (1975) ... 59

Figura 3.16: A no influncia da histria das tenses de carregamento quando a relao

p/q constante (Adaptada de Gidel, 2001) 59

Figura 3.17: Influncia da compacidade (expressa pelo grau de compactao) nas

deformaes permanentes (Adaptada de Gomes Correia, 2000) 60

Figura 3.18: Dependncia do nmero de contactos das partculas na porosidade, para

partculas esfricas com diferentes arranjos (Cumberland e Crawford 1987) .. 60

Figura 3.19: Deformao permanente em funo do numero de camadas utilizadas na

compactao dos provetes (VC: Vibrocompactao; VH: Martelo vibrante) (Adaptada

de Galjaard et al. 1996) . 61

Figura 3.20: Evoluo da deformao permanente caracterstica em funo do teor em

gua para diferentes materiais granulares (Hornych et al., 1998) .. 62

Figura 3.21: Influncia da drenagem no desenvolvimento das deformaes permanentes

(Dawson 1990) 62

Figura 3.22: Efeito da gradao e da compactao na deformao plstica (adaptada de

Thom e Brown, 1988) . 63

Figura 3.23: Influncia da % de finos nas deformaes permanentes (Barksdale, 1972).... 63

Figura 3.24: Influncia da dimenso mxima das partculas na formao das rodeiras

(adaptado de Korkiala-Tanttu, 2008) ... 64

xvii

Figura 3.25: Influncia da natureza mineralgica na evoluo das deformaes axiais e

radiais (Hornych et al. 1993) . 64


ESTUDO

Figura 4.1: Cmaras triaxiais: a)T30 (LNEC); b)T15 (LEC-UM) ... 71

Figura 4.2:Curvas obtidas com medies externas e internas (Gomes Correia, 1985) ... 75

Figura 4.3: LDT: a) Esquema de funcionamento; b) Sistemas de fixao (LEC-UM) .. 76

Figura 4.4: Ensaio triaxial cclico de curta durao: a) procedimento do ensaio; b) ciclo de

carga/descarga de muito pequena amplitude .... 77

Figura 4.5: Procedimento do ensaio para o estudo da influncia do ndice de vazios e da

granulometria nas caractersticas de deformabilidade . 78

Figura 4.6: Princpio do ensaio triaxial cclico de longa durao com tenso de

confinamento varivel (adaptado de Hornych et al., 2004) . 79

Figura 4.7: Esquema do ensaio triaxial cclico de longa durao utilizado neste trabalho

(Gomes Correia et al., 2010) . 81

Figura 4.8: Sistema triaxial cclico desenvolvido: a) grupo hidrulico; b) servo-actuador

axial; c) servo-actuador radial; d) software de ensaio; e) estrutura de reaco; f)

cmara triaxial . 82

Figura 4.9: Pormenor: a) da instrumentao interna para aferio das deformaes;

b)sistema de fixao para o LDT radial .. 83

Figura 4.10: Cmara, E50, utilizada no ensaio de compresso unidimensional ... 87

Figura 4.11: Valores mdios da composio qumica da Escria da Maia aos 3 e 6

meses de maturao . 89

Figura 4. 12: Aspecto geral e de fases presentes na escria da Maia, com tempos de

maturao de: a) 3 meses; b) 6 meses ... 90

Figura 4.13: Valores mdios da composio qumica da Escria do Seixal aos 3 e 6

meses de maturao .. 94

Figura 4.14: Aspecto geral e de fases presentes na escria do Seixal .. 95



DEFORMAES

xviii

Figura 5.1: Curvas granulomtricas estudadas .... 104

Figura 5.2: Mdulo de deformabilidade em funo da tenso vertical, para provetes com

diferentes ndices de vazios e para as curvas: a) A (0/19); b) B (0/6,35); e c) C (0/2).. 106

Figura 5.3: Relao entre o mdulo de deformabilidade medido e calculado utilizando a

proposta de Hardin e Richart (1963) para a funo do ndice de vazios 108

Figura 5.4: Relao entre o mdulo de deformabilidade medido e calculado utilizando a

proposta de Lo Presti et al. (1995) para a funo do ndice de vazios 109

Figura 5.5: Mdulo de deformabilidade normalizado para a tenso vertical em funo do

ndice de vazios .... 110

Figura 5.6: Variao do expoente para a funo do ndice de vazios em funo do Cu .. 110

Figura 5.7: Extrapolao de E atravs das equaes de Hardin e Richart (1963) e a

nova proposta 111

Figura 5.8: Mdulo de deformabilidade em funo da tenso vertical .. 113

Figura 5.9: Ajuste do modelo ... 114

Figura 5.10: Mdulo de deformabilidade em funo da tenso vertical para curvas

granulomtricas com diferentes Dmax e com a) Cu = 1; b) Cu = 17; c) diferentes

valores de Cu 115

Figura 5. 11: Mdulo de deformabilidade em funo da tenso vertical para curvas

granulomtricas com igual Dmax: a) Dmax = 2mm; b) Dmax = 6,35mm; a) Dmax =

19,1mm .. 116

Figura 5.12: Evoluo do mdulo de deformabilidade com o D50, para diferentes

Dmax 117

6. TRABALHO EXPERIMENTAL EM LABORATRIO. ESTUDO DA RESISTNCIA E DEFORMABILIDADE DOS

MATERIAIS EM ESTUDO

Figura 6.1:Resultados do ensaio de compresso uniaxial: a) relao entre a tenso a

deformao axial; b) compresso e expanso unidimensional 120

Figura 6.2: Resultados dos ensaios triaxiais convencionais para o provete MT1 .. 123

Figura 6.3: Resultados do ensaio triaxial convencional para o provete MT2 .. 124

Figura 6.4: Resultados dos ensaios triaxiais para as curvas virgem . 127

Figura 6.5: Tenso de desvio em funo da deformao axial, para a Escria da Maia, 128

xix

para a tenso de confinamento de: a) 200kPa; b) 300kPa ...

Figura 6.6: Envolventes de ruptura para as curvas virgem e quando se consideram os

resultados obtidos em todos os provetes . 129

Figura 6.7: Evoluo do ngulo de atrito interno de pico secante com a tenso de

confinamento . 130

Figura 6.8: Resultados dos ensaios triaxiais para os provetes de muito grandes

dimenses . 131

Figura 6.9: Envolventes de ruptura para o material integral (LNEC) e truncado (LEC-

UM) . 133

Figura 6.10: Mdulo de deformabilidade secante em funo da deformao axial, em

provetes de grande (material truncado) e muito grande (material quase integral)

dimenso, para a tenso de confinamento de: a) 100kPa; b) 200kPa; c) 300kPa 133

Figura 6.11: Mdulo de deformabilidade secante, para 1% de deformao axial, em

funo da tenso vertical total para o material, truncado (LEC-UM)) e integral

(LNEC) 134

Figura 6.12: Resultados dos ensaios triaxiais convencionais obtidos no provete TT1 .. 136

Figura 6.13: Resultados dos ensaios triaxiais convencionais obtidos sobre o provete

TT2 .. 137

Figura 6.14: Resultados dos ensaios triaxiais convencionais obtidos nas curvas virgem. 138

Figura 6.15: Envolventes de ruptura para a Escria da Maia e a Escria do Trecho ... 139

Figura 6.16: Mdulo de deformabilidade secante em funo da deformao axial, para

a Escria da Maia e Escria do Trecho, para a tenso de confinamento de: a)

100kPa; b) 200kPa; c) 300kPa .. 140

Figura 6.17: Mdulo de deformabilidade secante, para 1% de deformao axial, em

funo de 1 para os agregados processados das escrias ... 140

Figura 6.18: Resultados dos ensaios triaxiais convencionais obtidos no provete AG

TT1.. 142

Figura 6. 9: Resultados dos ensaios triaxiais convencionais obtidos sobre o provete AG

TT2 .. 143

Figura 6.20: Resultados dos ensaios obtidos nas curvas virgem .. 144

Figura 6.21: Resultados dos ensaios triaxiais obtidos para o Saibro Grantico .. 145

xx

Figura 6.22: Influncia da tenso vertical total no mdulo de deformabilidade vertical da

Escria da Maia 148

Figura 6.23: Influncia da anisotropia induzida nas caractersticas de deformabilidade

da Escria da Maia .. 148

Figura 6.24: Mdulo de deformabilidade secante em funo da deformao axial para o

provete: a) MTP1; b) MTP2 .... 149


Escria do Trecho 150

Figura 6.26: Influncia do nvel de deformao axial no mdulo de deformabilidade

secante da Escria do Trecho 150


Escria do Seixal .. 151

Figura 6.28: Mdulo de deformabilidade secante em funo da deformao axial, para

o provete: a) STP1; b) STP2 .. 152

Figura 6.29: Influncia da tenso vertical total no mdulo de deformabilidade vertical do

Agregado Grantico .. 152


secante do Agregado Grantico . 153

Figura 6.31: Influncia da tenso vertical total no mdulo de deformabilidade vertical do

Saibro Grantico 153


secante do Saibro Grantico ... 154

Figura 6.33: Esec/Emax em funo da deformao axial, para o Saibro Grantico .. 154

Figura 6.34: Comportamento observado no 1 ciclo e no 20000 ciclo durante o

acondicionamento do provete 155

Figura 6.35: Evoluo, com o nmero de ciclos: a) tenso de desvio ao longo do

carregamento b) deformaes vertical total e permanente; c) deformaes vertical

reversvel 156

Figura 6.36: Comportamento tenso/deformao durante a aplicao dos diferentes

carregamentos triaxiais cclicos . 157

Figura 6.37: Mdulo de deformabilidade reversvel em funo da tenso vertical . 158

Figura 6.38: Relao entre a deformao radial e axial em funo da tenso de

confinamento.. 158

xxi

Figura 6.39: Influncia do nvel de tenso no coeficiente de Poisson reversvel .... 159

Figura 6.40: Deformao vertical permanente para uma tenso de confinamento de

20kPa para a: a) primeira trajectria de tenso; b) ltima trajectria de tenso 161

Figura 6.41: Influncia das leituras interna e externa na deformao permanente .... 161

Figura 6.42: Influncia do nmero de ciclos e do nvel de tenso nas deformaes

verticais permanentes para a tenso de confinamento: a) 20kPa; b) 45kPa; c)

70kPa; d) 100kPa; e) 150kPa . 162

Figura 6.43: Influncia do nmero de ciclos e do nvel de tenso nas deformaes

verticais reversveis para a tenso de confinamento: a) 20kPa; b) 45kPa; c) 70kPa;

d) 100kPa; e) 150kPa .. 163

Figura 6.44: Comportamento das deformaes em funo do nmero de ciclos

aplicados 164

Figura 6.45: Limites de shakdown e cedncia plsticos para a Escria da Maia ... 165

Figura 6.46: Comportamento de deformao observado no 1 e ltimo ciclo (80000) .. 165

Figura 6.47: Evoluo, com o nmero de ciclos: a) tenso de desvio ao longo do

carregamento b) deformaes vertical total e permanente; c) deformaes vertical

reversvel 166

Figura 6.48: A influncia da histria das tenses nas deformaes verticais

permanentes da Escria da Maia .. 167

Figura 6.49: Mdulo de deformabilidade secante determinado com diferentes tcnicas

de medio de deformao, para a tenso de confinamento de: a) 100kPa; b)

200kPa; c) 300kPa ... 168

Figura 6.50: Influncia do nvel de deformao e de tenso no mdulo de

deformabilidade 169


Figura 7.1: a) Perfil transversal tipo E.N.; b) localizao do trecho experimental ... 176

Figura 7.2: Mancha de emprstimo de a) Saibro Grantico; b) ASIC .... 176

Figura 7.3: a) Estrutura do pavimento b) compactao das camadas experimentais de

ASIC e de Saibro Grantico . 177

Figura 7.4: Localizao do sistema de instrumentao no trecho experimental . 179

Figura 7.5: a) Marca superficial; b) ponto de referncia .. 180

xxii

Figura 7.6: Vares extensomtricos: a) pormenor da localizao; b) instrumentao .. 180

Figura 7.7: a) Extensmetro vertical; b) colocao na camada . 181

Figura 7.8: a) Instalao dos lismetros na seco ASIC+ ASIC; b) recolha do lixiviado

na seco abge + Saibro (Roque et al., 2007) 181

Figura 7.9: a) Extensmetros horizontais (transversais e longitudinais); b) colocao na

camada .. 182

Figura 7.10: Termopares na camada de regularizao e de desgaste . 182

Figura 7.11: Vista em planta e corte longitudinal do trecho experimental: esquema da

diviso das camadas (Gomes Correia et al., 2008b) . 186

Figura 7.12: Determinao do peso volmico e teor em gua in situ com: a) ensaio de

garrafa de areia; b) ensaio de membrana; c) gamadensmetro 187

Figura 7.13: Ensaio de carga com pneu: a) vista geral; b) pormenor do transdutor .. 188

Figura 7.14: FWD, pormenor: a) da barra metlica instrumentada com os geofones; c)

da placa .. 189

Figura 7.15: Deflectmetro de impacto ligeiro (DIP) .... 189

Figura 7.16: Geoguage - Humboldt Stiffness Gauge (SSG) ... 190

Figura 7.17: Ensaio de carga esttica com placa: a) ensaio in situ; b) interpretao .... 191

Figura 7.18: Portancemtre: a) aspecto geral; b) esquema de funcionamento .. 191

Figura 7.19: Variao da massa volmica seca determinada in situ, nas camadas

experimentais em ASIC, em funo do nmero de passagens do cilindro 192

Figura 7.20: Variao da massa volmica seca determinada in situ, nas camadas

experimentais em Saibro Grantico, em funo do nmero de passagens do cilindro:

a)1 camada; b) 2 camada; c) 3 camada .. 192

Figura 7.21: Mdulos de deformabilidade em funo do n. de passagens do cilindro

nos ensaios ECP e/ou DIP obtidos nas camadas experimentais: a) 1 camada; b) 2

camada; c) 3 camada . 194

Figura 7.22: Mdulos de deformabilidade em funo do n. de passagens do cilindro

nos ensaios Portancemtre obtidos nas camadas experimentais: a) 1 camada; b) 2

camada; c) 3 camada . 195

Figura 7.23: Mdulos de deformabilidade, obtidos na camada do leito do pavimento, em

funo do n. de passagens do cilindro nos ensaios: a) DIP, b) Portancemtre .. 195

xxiii

Figura 7.24: Deflexes e mdulos de deformabilidade obtidos para a camada de base

para 8 passagens do cilindro para os ensaios: a) FWD; b) DIP e ECP .. 199

Figura 7.25: Deflexes obtidas nos ensaios FWD para as camadas; a) de

regularizao; b) de desgaste 199

Figura 7.26: Influncia do nvel de deformao no mdulo de deformabilidade do ASIC

para um ndice de vazios de valor igual a 0,35 e uma tenso vertical de 200kPa 201

Figura 7.27: Relao entre os valores do mdulo de deformabilidade obtidos com o

ECP e com o DIP e Portancemtre: a) potencia; b) linear 204

Figura 7.28: Relao entre os mdulos de deformabilidade obtidos nos ensaios

geogauge e DIP 205

Figura 7.29: a) Assentamentos totais da fundao nas seces em Saibro Grantico e

ASIC; b) assentamento das camadas inferiores de aterro em Saibro Grantico e

ASIC medidos a 1,60 m da base do aterro; c) precipitao mensal na estao

meteorolgica de Amarante 208

Figura 7.30: Resultados das campanhas de ensaios FWD realizadas em: a) 15-02-08;

b) 04-04-08; c) 13-05-08; d) 17-06-08; e) 01-08-08; f) 02-10-08; g) 16-01-09; h) 06-

07-09; i) 09-09-09; j) 06-11-09; k) 24-03-10 . 211

Figura 7.31: a) evoluo das deflexes mximas, para uma carga aproximadamente

igual a 47kN; b) temperatura na superfcie do pavimento; c) precipitao mensal na

estao meteorolgica de Amarante . 212

Figura 7.32: Evoluo da deflexo/deformao, com a tenso de pico dinmica

aplicada pelo FWD para a seco construda em ASIC a) deflexo mxima; b)

deformao horizontal longitudinal; c) deformao vertical no topo da camada do

leito do pavimento; d) deformao vertical na ltima camada do corpo do aterro 214

Figura 7.33: Evoluo, da deflexo /deformao com a tenso de pico dinmica

aplicada pelo FWD para a seco construda em material tradicional a) deflexo

mxima; b) deformao horizontal longitudinal; c) deformao vertical no topo da

camada do leito do pavimento; d) deformao vertical ltima camada do corpo do

aterro .. 215

Figura 7.34: Deformaes verticais, para uma carga de cerca de 47kN, medidas: a) no

topo da ltima camada do corpo do aterro; b) no topo da camada de leito do

pavimento .. 216

Figura 7.35: Deformaes horizontais longitudinais na base da camada de

regularizao, para uma carga de cerca de 47kN .. 216

xxiv

Figura 7.36: Evoluo no tempo a) das deformaes verticais no topo da camada de

leito do pavimento (LP) e no topo da ltima camada do corpo do aterro (a); b) das

deformaes horizontais longitudinais (L) e transversais (T) na base da camada de

regularizao; c) temperatura na superfcie do pavimento; d) precipitao mensal na

estao meteorolgica de Amarante . 217

Figura 7.37: Evoluo e comparao de alguns elementos doseados nos lixiviados do

Saibro Grantico e do ASIC: a) sulfatos e cloretos; b) fenis e fluoretos 225


Figura 8.1: Comparao das curvas granulomtricas do ASIC da Maia do ASIC do

Trecho e do ASIC do Seixal com o fuso granulomtrico especificado no Caderno de

Encargos das Estradas de Portugal para os materiais naturais britados a aplicar em

camadas de base, sub-base e leito de pavimento .. 239

Figura 8.2: Comparao das curvas granulomtricas do ASIC da Maia, do ASIC do

Trecho e do ASIC do Seixal com o fuso granulomtrico especificado no Caderno de

Encargos das Estradas de Portugal para os materiais naturais no britados a aplicar

em camadas de base, sub-base e leito de pavimento ... 240

Figura 8.3: Comparao das curvas granulomtricas do ASIC com o fuso

granulomtrico especificado no Caderno de Encargos das Estradas de Portugal para

os materiais rochosos a aplicar em camadas de aterro . 241

Figura 8.4: Aptido do ASIC da Maia quando utilizado em camadas de base sob

camada betuminosa fina . 246

Figura 8.5: Classificao de diferentes agregados atravs dos ensaios mecnicos

empricos 248

Figura 8.6: Comparao do modulo de deformabilidade do ASIC com os materiais

estandardizados para as camadas de base dos pavimentos ... 249

Figura 8.7: Comparao da classe obtida atravs do ensaio triaxial cclico de longa

durao para o ASIC da Maia com diferentes materiais 249

Figura 8.8: Comparao dos limites de shakedown plstico entre os ASIC da Maia e os

materiais naturais . 250

Figura 8.9: A evidncia da no correlao entre as classificaes baseadas em ensaios

empricos e mecanicistas . 251


Sem Figuras

xxv

NDICE DE QUADROS

1. INTRODUO

Sem Quadros


Quadro 2.1: Valores limite para a utilizao das escrias de aciaria processadas em

infraestruturas de transporte no Japo . 28

Quadro 2.2: Valores limite para a utilizao das escrias de aciaria em infraestruturas

de transporte no Brasil . 29

Quadro 2.3: Fusos granulomtricos para materiais alternativos segundo o caderno de

encargos PG-3 para pavimentos e pontes ... 30

Quadro 2.4: Valores limite para a utilizao das escrias de aciaria processadas em

infraestruturas de transporte em Espanha ... 31

Quadro 2.5: Fusos granulomtricos requeridos para os materiais alternativos utilizados

em camadas de base e sub-base no Reino Unido . 31

Quadro 2.6: Classes das escrias de aciaria processadas segundo a norma EN 13242.. 32

Quadro 2.7: Valores mximos de admissibilidade previstos no Decreto-Lei n. 152/2002

para os resduos admissveis em aterros para resduos inertes em Portugal 33



Quadro 3.1: Diferentes valores de B, encontrados na bibliografia, para materiais

granulares .. 43

Quadro 3.2: Valores para o expoente, x, para materiais granulares 44

Quadro 3.3: ndices fsicos para diferentes arranjos das esferas (Biarez e Hicher,

1994) 45

Quadro 3.4: Relaes entre as deformaes axiais permanentes com o nmero de

ciclos ... 53

Quadro 3.5: Relaes entre a deformao axial permanente com o nvel de tenso ... 56

xxvi


ESTUDO

Quadro 4.1: Caractersticas gerais do ensaio ... 81

Quadro 4.2: Trajectrias de tenso aplicadas no estudo do comportamento reversvel ... 84

Quadro 4.3: Trajectrias de tenso aplicadas no estudo do comportamento s

deformaes permanentes atravs do procedimento multi-estgios .. 86

Quadro 4.4: Composio qumica da Escria da Maia ... 88

Quadro 4.5: Composio qumica do lixiviado da Escria da Maia .. 89

Quadro 4.6: Propriedades geomtricas, fsicas e mecnicas da Escria da Maia . 91

Quadro 4.7: Propriedades geomtricas, fsicas e mecnicas da Escria do Trecho . 93

Quadro 4.8: Composio qumica da Escria do Seixal . 94

Quadro 4.9: Propriedades geomtricas, fsicas e mecnicas da Escria do Seixal ... 96

Quadro 4. 10: Propriedades geomtricas, fsicas e mecnicas do Agregado Grantico 97

Quadro 4. 11: Propriedades geomtricas, fsicas e mecnicas do Saibro Grantico . 98

Quadro 4.12: Composio qumica do lixiviado do Saibro Grantico .... 99



DEFORMAES

Quadro 5.1: Caractersticas geomtricas das curvas granulomtricas... 105

Quadro 5. 2: Caractersticas dos provetes ensaiados para a determinao da influncia

do ndice de vazios no mdulo de deformabilidade . 105

Quadro 5.3: Parmetros encontrados para os modelos e respectivos coeficientes de

determinao .. 109

Quadro 5.4: Caractersticas dos provetes ensaiados para o estudo da influncia da

granulometria no mdulo de deformabilidade .. 112

Quadro 5.5: Valor do expoente da nova F(e) para as diferentes curvas granulomtricas... 113

Quadro 5.6: Parmetros do modelo para as diferentes curvas granulomtricas e valor do

R2 .. 114

6. TRABALHO EXPERIMENTAL EM LABORATRIO. ESTUDO DA RESISTNCIA E DEFORMABILIDADE

DOS MATERIAIS EM ESTUDO

xxvii

Quadro 6.1: Condies de compactao dos provetes da Escria da Maia . 121

Quadro 6.2: Sntese dos resultados obtidos para a Escria da Maia atravs do ensaio

triaxial convencional para os provetes de grande dimenso .. 128

Quadro 6.3: Sntese dos resultados obtidos para a Escria da Maia atravs dos

procedimentos de ensaio multi-estgios e estgio simples 130

Quadro 6.4: Sntese dos resultados obtidos para o material integral (LNEC) e truncado

(LEC-UM) 135

Quadro 6.5: Condies de compactao dos provetes ensaiados com a Escria do

Trecho .. 135

Quadro 6.6: Sntese dos resultados obtidos para a Escria do Trecho atravs dos

ensaios triaxiais convencionais ... 138

Quadro 6.7: Sntese dos resultados obtidos para a Escria da Maia (no material integral

(LNEC) e truncado (LEC-UM)) e para a Escria do Trecho ... 141

Quadro 6.8: Condies de compactao dos provetes construdos com o Agregado

Grantico .. 141

Quadro 6.9: Sntese dos resultados obtidos para o Agregado Grantico atravs do

ensaio triaxial convencional . 144

Quadro 6.10: Condies de compactao dos provetes construdos com o Saibro

Grantico .. 145

Quadro 6.11: Sntese dos resultados obtidos para o Saibro Grantico atravs do ensaio

triaxial convencional .. 146

Quadro 6.12: Condies de compactao dos provetes construdos com a Escria da

Maia submetidas ao ensaio triaxial cclico de curta durao . 147

Quadro 6.13: Condies de compactao dos provetes construdos com a Escria do

Seixal submetidos ao ensaio triaxial cclico de curta durao 151

Quadro 6.14: Influncia do nvel de tenso no coeficiente de Poisson reversvel obtido

para a Escria da Maia . 160


Quadro 7.1: Propriedades geomtricas, fsicas e mecnicas do ASIC .. 183

Quadro 7.2: Propriedades geomtricas, fsicas e mecnicas do Agregado Grantico .... 184

Quadro 7.3: Propriedades geomtricas, fsicas e mecnicas do Saibro Grantico .. 185

xxviii

Quadro 7.4: Valores de massa volmica seca e teor em gua obtidos atravs do

gamadensmetro para a seco construda em Saibro Grantico . 193

Quadro 7.5: Valores de mdulo de deformabilidade atravs do ensaio de carga em placa

nas camadas experimentais .... 196

Quadro 7.6: Valores de mdulo de deformabilidade obtido atravs dos ensaios

geogauge e DIP para as camadas de aterro e leito do pavimento (LP) na seco

construda com ASIC e Saibro Grantico ... 197

Quadro 7.7: Valores das deflexes (: mm) obtidas para o ensaio de carga com pneu na

2 camada experimental .. 198

Quadro 7.8: Valores das deflexes (: mm) obtidas para o ensaio de carga com pneu

nas diferentes seces . 198

Quadro 7.9: Mdulos de deformabilidade determinados no campo atravs do ensaio de

carga em placa e em laboratrio, para o ASIC e o Saibro Grantico 202

Quadro 7.10: Mdulos de deformabilidade determinados em campo atravs do ensaio

geoaguge e em laboratrio atravs do ensaio triaxial de curta durao, para o Saibro

Grantico .. 203

Quadro 7.11: Comparao entre os mdulos de deformabilidade determinados atravs

do ensaio geogauge e EV2 para o Saibro Grantico tendo em conta o nvel de tenso

e deformao .. 206

Quadro 7.12: Assentamentos medidos atravs dos vares extensomtricos e das

marcas superficiais 209

Quadro 7.13: Relao entre a deflexo mxima () medida na seco construda em

ASIC e em material tradicional, na via direita ... 212

Quadro 7.14: Valores das deflexes mximas obtidas dos ensaios FWD para uma carga

aproximada de 47kN e da temperatura registada pelos termopares, no lado direito da

via . 213

Quadro 7.15: Valores das deformaes verticais para os extensmetros colocados no

topo da camada de leito do pavimento (LP) e no topo da ltima camada do corpo do

aterro (A) e das temperaturas medidas pelos termopares para uma solicitao do

FWD correspondente a uma carga de cerca de 47kN 218

Quadro 7.16: Valores das deformaes horizontais longitudinais (L) e transversais (T)

medidos pelos extensmetros colocados na base da camada de regularizao e das

temperaturas medidas pelos termopares para uma solicitao do FWD

correspondente a uma carga de cerca de 47kN .. 219

xxix

Quadro 7.7: Relao entre as deformaes verticais, medidas no topo da ltima camada

de aterro e no topo da camada do leito do pavimento, e das deformaes horizontais

longitudinais medidas na base da camada de regularizao medidas na seco

construda em ASIC e em material tradicional para uma solicitao do FWD

correspondente a uma carga de cerca de 47kN .. 219

Quadro 7.18: Amostras recolhidas no lismetro situado na seco construda com ASIC.. 222

Quadro 7.19: Amostras recolhidas no lismetro situado na seco construda com Saibro

Grantico .. 222

Quadro 7.20: Resultados obtidos nas amostras de lixiviado recolhidas no lismetro da

seco do aterro em ASIC (adaptado de Roque et al., 2009) 223

Quadro 7.21: Resultados obtidos nas amostras de lixiviado recolhidas no lismetro da

seco do aterro em Saibro Grantico (adaptado de Roque et al., 2009) 224


Quadro 8.1: Valores dos parmetros medidos no lixiviado do ASIC e valores mximos

de admissibilidade para os resduos inertes previstos no Decreto-Lei n. 152/2002 . 234

Quadro 8.2: Propriedades geomtricas, fsicas e mecnicas correntes do ASIC .... 236

Quadro 8.3: Classe dos agregados segundo a norma XP P 18-540 (1990) . 237

Quadro 8.4: Propriedades ndice do ASIC e especificaes do Caderno de Encargo das

Estradas de Portugal para os materiais naturais britados a aplicar em camadas de

base, sub-base e leito de pavimento ..

238

Quadro 8.5: Propriedades ndice do ASIC da Maia, do ASIC do Trecho e do ASIC do

Seixal e as especificaes do Caderno de Encargo das Estradas de Portugal para os

materiais naturais no britados a aplicar em camadas de sub-base e leito de

pavimento 239

Quadro 8.6: Propriedades ndice do ASIC e especificaes do Caderno de Encargo das

Estradas de Portugal para os materiais naturais rochosos a aplicar em camadas de

aterro. 241

Quadro 8.7: Comparao das propriedades relativas compresso uniaxial, resistncia

ao corte e deformabilidade obtidas para o ASIC da Maia, o ASIC do Trecho e o ASIC

do Seixal .. 242

Quadro 8.8: Classes de desempenho dos agregados determinadas a partir de ensaios

mecanicistas (NF P98-129, 1994) .. 244

xxx

Quadro 8.9: Classes de desempenho dos agregados determinadas a partir de ensaios

mecanicistas (EN 13286-7, 2004) ... 244

Quadro 8.10: Comparao das propriedades geomtricas, fsicas e mecnicas correntes

do ASIC com outros materiais ..... 247


Sem Quadros

xxxi

SIMBOLOGIA1

LETRAS LATINAS MAISCULAS

A: Parmetro funo do material e das tenses

Abs: Absoro de gua

B: Parmetro da funo do ndice de vazios proposta por Hardin e Richart (1963)

B: Parmetro de Skemptom

C: Parmetro funo do material e das tenses

CBR: ndice de Suporte Californiano

CBRi: ndice de Suporte Californiano imediato

Cc: Coeficiente de Curvatura

Cc: Coeficiente de Curvatura

Cc: ndice de compressibilidade

Cr: ndice de recompressibilidade

Cs: ndice de expanssibilidade

Cu: Coeficiente de Uniformidade

D: Parmetro funo do material e das tenses

D10: Dimetro equivalente que corresponde a 10% de partculas com dimenses inferiores




DG: Degradabilidade

Dmax: Dimetro mximo das partculas

Dr: Densidade relativa

E : Mdulo de deformabilidade ou de Young

E*: Mdulo de deformabilidade medido nos provetes

1 Alguns dos smbolos utilizados aparecem com mais do que um significado ao longo do texto, tal

acontece porque se tentou respeitar a simbologia adoptada por cada autor.

xxxii

E*200kPa: Mdulo de deformabilidade correspondente a uma tenso de 200kPa

E*25kPa Mdulo de deformabilidade correspondente a uma tenso de 25kPa

EA: Equivalente de areia

Ec: Mdulo de deformabilidade caracterstico

EDes(CV): Mdulo de deformabilidade retirado na descarga dos ensaios triaxiais convencionais

para as curvas virgem

EDes(M-E): Mdulo de deformabilidade retirado na descarga dos ensaios triaxiais convencionais

para no procedimento multi-estgios

EDes: Mdulo de deformabilidade retirado na descarga dos ensaios triaxiais convencionais

EDIP: Mdulo de deformabilidade determinado atravs do ensaio de deflectmetro de impacto

ligeiro (DIP)

Eedo : Mdulo edomtrico secante

EG: Mdulo de deformabilidade determinado atravs do ensaio Geogauge

)kPa200;10x1(G 3E : Mdulo de deformabilidade obtido do ensaio Geogauge normalizado para o

estado de tenso e deformao imposto no ensaio ECP

Eg: Mdulo de deformabilidade dos gros

Ei: Valor do mdulo de deformabilidade medido

ELab: Mdulo de deformabilidade obtidos em laboratrio

Em : Mdulo de deformabilidade da mistura betuminosa

Emx: Mdulo de deformabilidade inicial ou mximo

Enor: Mdulo de deformabilidade normalizado

EPortancemtre: Mdulo de deformabilidade obtido do ensaio Portancemtre

Er: Mdulo de deformabilidade reversvel

Esec: Mdulo de deformabilidade secante

EV2: Mdulo de deformabilidade calculado para o segundo ciclo de carregamento do ensaio de

carga em placa

E : Valor mdio do mdulo de deformabilidade

F(e): Funo de ndice de vazios

F(e)campo: Funo de ndice de vazios para um ndice de vazios determinado em campo

F(e)Lab: Funo de ndice de vazios para um ndice de vazios determinado em laboratrio

xxxiii

F: Fora aplicada

FI: ndice de achatamento

FR: Fragmentabilidade

G: Mdulo de Distoro ou de Corte

Ga: Parmetro do modelo de Boyce

GC: Grau de compactao

Gp: Ordenada na origem da envolvente de rotura dos valores de pico

Gs: Densidade das partculas slidas

Id2: ndice de desgaste

IP: ndice de Plasticidade

Is50: Resistncia carga pontual

K: Mdulo de compressibilidade volumtrico

Ka: Parmetro do modelo de Boyce

L: Afastamento

L: Comprimento da trajectria das tenses

LA: Coeficiente de Los Angeles

LL: Limite de liquidez

Lmax: Comprimento mximo da trajectria das tenses

LP: Limite de plasticidade

M: Inclinao da recta de rotura no estado crtico no plano (p,q)

MDe: Micro-Deval

Mp: Inclinao da recta de rotura nos valores de pico no plano (p,q)

N: Nmero de ciclos

N80: Nmero de eixos-padro de 80kN

Nc: Nmero de pontos de contacto entre os gros

R: Raio das esferas

R2: Coeficiente de determinao

Rf: Relao entre q e o p na rotura

S: Seco do provete

xxxiv

S: Soma do quadrado dos desvios

S0: Seco inicial do provete

SAterro: Assentamento do aterro

Sfundao: Assentamento da fundao

SI: ndice de forma ou alongamento

Sotal: Assentamento total (fundao mais aterro)

Sr: Grau de Saturao

T: Temperatura

V: Varincia

Vb: Percentagem volumtrica de betume no volume total

VBS: Valor de azul de metileno

Vs: Velocidade de propagao das ondas de corte

LETRAS LATINAS MINSCULAS

a: Parmetro do modelo

b: Parmetro do modelo

c: Coeso

e: ndice de vazios

e0: ndice de vazios inicial

ecv: ndice de vazios para as curvas virgem

eec: ndice de vazios de estado crtico

efc: ndice de vazios no final da consolidao

ei/a: ndice de vazios quando a tenso normal mdia tem valor igual a 1kPa para a linha de

compresso isotpica/anisotrpica

eiso/aniso: ndice de vazios para a linha de compresso isotpica/anisotrpica

ek: ndice de vazios quando a tenso normal mdia tem valor igual a 1kPa para a linha dos

valores de pico

emax: ndice de vazios mximo

emin: ndice de vazios mnimo

ep: ndice de vazios de pico

xxxv

f(e): Funo do ndice de vazios

f(enor): Funo do ndice de vazios para um valor normalizado

f(N): Lei entre p1 e N

f: Frequncia

fi: Valor do mdulo de deformabilidade calculado

fn(N): Factor que depende de N

k: Declive da linha dos valores de pico

k1: Constante do modelo K- ou do modelo de Uzan et al. (1992)

k2: Constante do modelo K- ou do modelo de Uzan et al. (1992)

k3: Constante do modelo de Uzan et al. (1992)

Kcv: Declive da linha de compresso isotrpica para as curvas virgem

Kiso/aniso: Declive da linha de compresso isotrpica/anisotrpica

n(): Declive n funo do nvel de deformao

n: Expoente

n: Parmetro do modelo

p*: Interseco entre a recta de rutura o e o eixo p no plano (p,q)

p*: Tenso mdia com parmetro de anisotropia no modelo de Hornych e tal. (1998)

p: Presso de contacto do pneu

p': Tenso mdia efectiva

p: Tenso normal mdia

pa: Presso de referncia de valor 100 kPa

pec: Tenso normal mdia de estado crtico

pmax: Tenso normal mdia mxima

pp(CV): Tenso normal mdia de pico para as curvas virgem

q*: Tenso de desvio com parmetro de anisotropia no modelo de Hornych e tal. (1998)

q: Tenso de desvio

q0: Tenso de desvio prxima de zero

qc: Tenso de desvio cclica

qec: Tenso de desvio no estado crtico

xxxvi

qmax/2: Metade do valor da tenso de desvio mxima

qmax: Tenso de desvio mxima

qp(CV): Tenso de desvio de pico para as curvas virgem

qp: Tenso de desvio de pico

qp: Tenso normal mdia de pico

s: Ordenada na origem da linha de rotura do material

w: Teor em gua

wOPM: Teor em gua ptimo referido ao ensaio Proctor modificado

wOPN: Teor em gua ptimo referido ao ensaio Proctor normal

x: Expoente da funo do ndice de vazios proposta por Lo Presti et al (1995)

LETRAS GREGAS MAISCULAS

D: Deslocamento relativo entre o centro das esferas

: ndice de vazios quando a tenso normal mdia tem valor igual a 1kPa no estado crtico

LETRAS GREGAS MINSCULAS

: Parmetro que define o limite de skakedown plstico

: Parmetro do modelo de Boyce

: Parmetro que define o limite de skakedown plstico

: Deflexo mxima

ABGE: Deflexo mxima medida na seco construda em ABGE e Saibro

ASIC: Deflexo mxima medida na seco em ASIC

Saibro: Deflexo mxima medida na seco em Saibro

1: Deformao vertical

3: Deformao horizontal

q : Deformao de corte

T: Deformao horizontal transversal

v

t : Deformao limite sem variao volumtrica

xxxvii

v: Deformao volumtrica

p

v : Deformao volumtrica permanente

1c

: Deformao axial caracterstica

ps : Deformao permanente de corte acumulada aps N ciclos

S95,0 : Deformao a 95% da tenso esttica mxima

p1 : Deformao axial permanente

*p1 : Deformao axial permanente acumulada a partir dos 100 primeiros ciclos

pult,1 : Deformao axial permanente ltima

01p

: Deformao dos N0 primeiros ciclos

)( refp N1 : Deformao axial permanente acumulada a partir de Nref ciclos

( )50001p : Deformao axial permanente acumulada aos 5000 ciclos

( )30001p : Deformao axial permanente acumulada aos 3000 ciclos

r1 : Deformao axial reversvel

: Dimetro

ec: ngulo de atrito interno de estado crtico

p: ngulo de atrito interno de pico

p(sec): ngulo de atrito interno de pico secante

: Coeficiente de anisotropia

: Parmetro que define o limite de cedncia plstico

: Parmetro que define o limite de cedncia plstico

: Declive da linha do estado crtico

: Soma das tenses principais

: Massa volmica do solo

d: Massa volmica seca

dOPM: Massa volmica seca mxima referida ao ensaio Proctor modificado

xxxviii

dOPN: Massa volmica seca mxima referida ao ensaio Proctor normal

g: Massa volmica dos gros

i: Massa volmica do material impermevel

s: Massa volmica das partculas saturadas

: Tenso normal

: Tenso efectiva normal

1: Tenso vertical

1max: Tenso vertical mxima

pD: Tenso de pico dinmica

3: Tenso de confinamento

: Tenso tangencial, corte ou cisalhamento

: Tenso de corte efectiva

: Coeficiente de Poisson

r: Coeficiente de Poisson reversvel

g: Coeficiente de Poisson dos gros

: Factor que depende dos parmetros elsticos e do arranjo das esferas

SMBOLOS ESPECIAIS

Variao

Derivada

Proporcional

ABREVIATURAS MAIS UTILIZADAS

ASIC: Agregado Siderrgico Inerte para a Construo

BDE: Bolsa de Doutoramento em Empresa

CE: Condutividade Elctrica

CVR: Centro para a Valorizao de Resduos

DNER: Departamento Nacional de Estradas de Rodagem

xxxix

EAF: Forno de Arco Elctrico

ECP: Ecole Centrale Paris

EP: Estradas de Portugal

IBS: Instituto Brasileiro de Siderurgia

ISRM: International Society of Rock Mechanics

LEC UM: Laboratrio de Engenharia Civil da Universidade do Minho

LNEC: Laboratrio Nacional de Engenharia Civil

LDT: Local Deformation Transducer

LVDT: Linear Variable Deformation Transducer

NP: No plstico

TCC: Tenso Confinamento Constante

TCV: Tenso Confinamento Varivel

UM: Universidade do Minho

1

1. INTRODUO

1.1. JUSTIFICAO DO TEMA E ENQUADRAMENTO DA TESE

As polticas ambientais tm vindo a limitar fortemente a extraco de materiais naturais e a

incentivar a utilizao de materiais obtidos a partir de resduos, incluindo os resduos das obras

de engenharia. A utilizao de resduos, ou de produtos obtidos a partir do seu processamento,

que apresentem propriedades mecnicas e ambientais adequadas em obras de engenharia,

permitir adaptar a sua utilizao aos princpios do desenvolvimento sustentvel,

nomeadamente, atravs da reduo das quantidades de resduos a depositar em aterro, da

criao de um novo e importante mercado nacional e da preservao dos materiais naturais

no renovveis.

Sendo os agregados naturais, o terceiro recurso natural mais utilizado em todo o

mundo e a indstria produtora de ao, uma grande geradora de resduos (escrias) com

potencial de serem valorizados como agregados, o seu estudo fundamental, luz das actuais

polticas de gesto integrada de resduos.

De facto, a Siderurgia Nacional (SN) prev que a mdio prazo a produo anual de

escrias de aciaria nos seus fornos de arco elctricos seja de cerca de 400 000 toneladas,

sendo a gesto deste importante volume de resduos uma fonte de preocupao para a

Empresa e para o Pas. neste quadro que a SN e a Fundao para a Cincia e a Tecnologia

(FCT) apoiam a realizao deste trabalho, quer atravs de uma Bolsa de Investigao de

Doutoramento em Empresa (BDE), quer ainda atravs de um Projecto de Investigao e

Desenvolvimento (I&D) PPCDT/ECM/56952/2004 intitulado Aplicao de resduos em

infraestruturas de transporte e obras geotcnicas Valorizao de escrias de aciaria, em que

a autora deste trabalho participou como bolseira de investigao. O Projecto de I&D

coordenado pelo Laboratrio Nacional de Engenharia Civil (LNEC) e nele participam tambm a

Universidade do Minho (UM) e o Centro para a Valorizao de Resduos (CVR). Este Projecto

contou ainda com o apoio das Estradas de Portugal (EP) e do Instituto dos Resduos (INR,

actualmente integrado na Agncia Portuguesa do Ambiente).

2

De acordo com os ensaios e os critrios normalmente utilizados para os materiais

naturais, comummente de base emprica, os materiais no tradicionais so normalmente

considerados inapropriados para trabalhos geotcnicos, nomeadamente, quando utilizados nas

camadas granulares, quer dos pavimentos quer das vias-frreas. De facto, quando se pretende

avaliar o desempenho tcnico e ambiental de um novo produto para o mercado h que dar

prioridade aos ensaios de laboratrio relacionados com as propriedades mecnicas

(determinadas atravs de ensaios mecanicistas) e ambientais, bem como aos ensaios de

campo. A monitorizao para observar o desempenho do novo material no campo deve permitir

aferir o mesmo tipo de propriedades que as determinadas em laboratrio (Gomes Correia et al.,

2009a).

por estas razes que, no sentido de avaliar a viabilidade tcnica de utilizao dos

agregados processados das escrias negras de aciaria, produzidos pela SN, na construo de

infraestruturas virias e obras geotcnicas, durante o Projecto de I&D em curso, e durante este

trabalho, para alm de se dar prioridade aos ensaios de laboratrio relacionados com as

propriedades ambientais, as quais so relevantes para os materiais no naturais, se d

tambm prioridade s propriedades de engenharia relacionadas, sobretudo, com as

propriedades mecanicistas, bem como aos ensaios de campo, envolvendo monitorizao,

seguindo assim as recomendaes mais relevantes dos projectos da Comunidade Europeia

(COURAGE, 1999, ALT-MAT, 1999 e SAMARIS, 2005).

Uma vez que os mtodos de dimensionamento correntes so muito simplistas, no

sendo possvel ainda hoje utilizar todas as potencialidades do desempenho dos materiais

granulares, quando utilizados nos pavimentos e nas vias-frreas, h uma forte necessidade de

melhorar esta situao com repercusses ambientais e econmicas na concepo,

dimensionamento, construo e explorao deste tipo de estruturas. Para isso, necessrio

desenvolver e introduzir no dimensionamento parmetros mais realistas resultantes de ensaios

mecnicos apropriados que traduzam o desempenho do comportamento, quer s deformaes

reversveis, quer s deformaes permanentes. De facto, uma vez que estes materiais quando

utilizados nestas aplicaes so sujeitos a aces de carregamentos cclicos, estes so os dois

tipos de comportamento mais significativos na resposta da estrutura.

Relativamente ao comportamento reversvel deste tipo de materiais sabe-se, que para

alm do nvel de deformao, do estado de tenso, da histria do pr-carregamento, entre

outros, um parmetro que influncia o mdulo de deformabilidade o ndice de vazios. No caso

dos materiais granulares, este parmetro na avaliao da deformabilidade elstica

considerado muito importante por diversos autores (Iwasaki e Tatsuoka, 1977 e Gomes Correia

et al., 2001). Contudo, as propostas existentes para a influncia do ndice de vazios nas

caractersticas de deformabilidade so na maioria baseadas em estudos sobre areias,

sabendo-se muito pouco sobre esta influncia no caso de materiais com fraces mais grossas

e, sobretudo, quando bem compactados e de granulometria bem graduada. Outro parmetro

3

tambm muito pouco estudado a influncia da granulometria no comportamento reversvel

destes materiais.

No sentido de se responder a todas estas questes, nesta tese estuda-se o

comportamento mecnico e ambiental dos materiais granulares, nomeadamente dos

agregados processados das escrias negras nacionais produzidas nos fornos elctricos de

arco da SN da Maia e do Seixal, de um Saibro Grantico e de um Agregado Britado de

Granulometria Extensa, de origem grantica (Agregado Grantico). Os trabalhos descritos e

desenvolvidos durante esta tese, que vo muito alm dos desenvolvidos no mbito do Projecto

I&D, pretendem promover a valorizao de materiais alternativos, muito particularmente os

agregados processados das escrias negras produzidas nos fornos elctricos de arco da SN,

como material de construo de infraestruturas de transporte e obras geotcnicas.

Paralelamente a este estudo de valorizao dos agregados processados das escrias

negras de aciaria nacionais, ainda efectuado um outro estudo, de natureza cientfica mais

fundamental, relativo influncia do ndice de vazios e da composio granulomtrica, nas

caractersticas de deformabilidade dos materiais granulares no domnio das pequenas

deformaes.

1.2. OBJECTIVOS DA TESE

O principal objectivo deste trabalho o de estudar o comportamento mecnico e ambiental dos

materiais granulares, nomeadamente um Agregado Grantico e um Saibro Grantico e, em

particular, os agregados processados das escrias negras produzidas nos fornos elctricos de

arco da SN da Maia e da SN do Seixal, para promover a sua valorizao como material de

construo de infraestruturas de transporte e obras geotcnicas.

Relativamente ao comportamento mecnico dos materiais enumerados, para alm dos

parmetros de resistncia, pretende-se estudar em laboratrio, muito particularmente, o

comportamento reversvel e o comportamento s deformaes permanentes, uma vez que

quando os materiais so utilizados nas camadas granulares de pavimentos so sujeitos a

cargas cclicas e estes so os principais tipos de comportamento exibidos pelos materiais.

Quanto ao estudo da resistncia, pretende-se no s avaliar os parmetros de

resistncia dos materiais em estudo, como tambm verificar se o procedimento de ensaio multi-

estgios (aplicao de vrios carregamentos sobre o mesmo provete) nos agregados

processados das escrias negras, conduz a valores de ngulos de atrito interno de pico

idnticos aos obtidos do procedimento tradicional (aplicao de um nico estgio de tenso),

tal como acontece nos materiais naturais (Folque e Pinto, 1970).

Quanto ao estudo do comportamento reversvel pretende-se, para alm de estabelecer

a lei constitutiva do comportamento dos materiais em estudo, avaliar e classificar o

desempenho dos agregados processados das escrias negras produzidas na SN quando

determinado atravs de ensaios mecanicistas (muito particularmente o ensaio triaxial cclico de

longa durao), e compar-lo com o comportamento observado nos materiais naturais. Alm

4

disso, pretende-se estudar o ndice de vazios e a influncia da granulometria nas

caractersticas de deformabilidade dos materiais granulares. Com o estudo da influncia do

ndice de vazios nos materiais granulares, tambm se pretende obter a funo de ndice de

vazios mais adequada aos materiais com fraces mais grossas (dimetro superior ao das

areias).

Do estudo do comportamento s deformaes permanentes pretende-se avaliar e

classificar o desempenho dos agregados obtidos das escrias negras de aciaria, determinado

atravs de ensaios mecanicistas (ensaio triaxial cclico de longa durao), e ainda comparar o

seu desempenho com o observado em materiais naturais. Alm disso, pretende-se tambm

verificar se, no caso do agregado processado das escrias negras produzidas pela SN, o

procedimento de ensaio multi-estgios, preconizado na norma europeia EN 13286-7 (2004),

conduz a valores idnticos aos obtidos quando se aplica um nico estgio da tenso, tal como

acontece nos materiais naturais.

Para alcanar estes objectivos necessrio realizar ensaios que simulem to prximo

quanto possvel as condies de carregamento cclico existentes nos pavimentos. Os ensaios

comummente utilizados na caracterizao dos materiais granulares so os triaxiais cclicos

porque permitem estudar, tanto o comportamento reversvel, como o comportamento s

deformaes permanentes. Alm disso, o material pode ser ensaiado em condies

representativas das existentes in situ (teor em gua e ndice de vazios), em condies

drenadas, podendo ainda ser simuladas diferentes condies de carregamento, como por

exemplo, carregamento monotnico ou cclico, com a tenso de confinamento constante ou

varivel. Estes ensaios devem ser objecto de instrumentao interna dos provetes de ensaio na

cmara triaxial em virtude dos nveis de deformao envolvidos para as solicitaes

representativas das condies in situ (pequenas a mdias deformaes).

Assim, um outro objectivo no decorrer deste trabalho o de implementar uma cmara

triaxial com 150mm de dimetro, na Seco de Geotecnia do Laboratrio de Engenharia Civil

da Universidade do Minho. Esta cmara instrumentada internamente com transdutores de

deslocamento internos tipo LDT (Local Deformation Transducer Goto et al., 1991) e clula de

carga interna. Pretende-se ainda implementar um sistema de aplicao de carregamentos

cclicos, de modo a ser possvel o estudo do comportamento reversvel e do comportamento s

deformaes permanentes, para um nmero elevado de cargas cclicas.

Relativamente ao comportamento ambiental dos agregados processados das escrias

negras, pretende-se avaliar em laboratrio a sua perigosidade, ou seja, verificar se os resduos

em estudo representam um risco para a sade pblica e para o meio ambiente.

Um outro objectivo do trabalho o de calibrar os resultados laboratoriais e avaliar o

desempenho mecnico e ambiental dos agregados processados das escrias negras

produzidas na SN quando colocados em obra, ao nvel das camadas de aterro, de leito de

pavimento e de base. Neste sentido, construiu-se um trecho experimental em aterro num

itinerrio em servio, com diferentes seces, tendo-se utilizado os materiais naturais em

5

estudo e os agregados processados das escrias negras. Para comprovar e avaliar o

desempenho mecnico dos materiais procede-se medio das deformaes e dos

deslocamentos a diferentes nveis das seces. A avaliao do desempenho ambiental realiza-

se com recurso instalao de lismetros.

Finalmente, pretende-se comparar o desempenho mecnico dos agregados

processados das escrias negras produzidas na SN, avaliado a partir da monitorizao da

obra, com os desempenhos previstos quando se utilizam as normas que classificam os

materiais atravs de ensaios empricos correntes (Los Angeles e micro-Deval) e atravs de

ensaios mecanicistas (triaxiais cclicos de longa durao).

1.3. METODOLOGIA DE ESTUDO PARA ATINGIR OS OBJECTIVOS

Como j referido, o principal objectivo desta tese o de estudar o comportamento mecnico e

ambiental dos materiais granulares em geral e, em particular, o dos agregados processados

das escrias negras produzidas nos fornos elctricos de arco da SN da Maia e da SN do

Seixal, para promover a sua valorizao como material de construo de infraestruturas de

transporte. Paralelamente, efectua-se ainda outro estudo, de natureza cientfica mais

fundamental, relativo influncia do ndice de vazios e da composio granulomtrica nas

caractersticas de deformabilidade dos materiais granulares, no domnio das pequenas

deformaes.

A metodologia de estudo que se realiza para conseguir estes objectivos envolve um

vasto programa experimental de laboratrio e de campo, sobre os agregados obtidos das

escrias negras produzidas nos fornos elctricos de arco da SN da Maia e da SN do Seixal e

os dois materiais naturais (um Agregado Grantico e um Saibro Grantico).

1.3.1. Programa experimental de laboratrio aplicado valorizao dos agregados

Uma vez que aos resduos exigida, para alm da sua caracterizao mecnica, a sua

caracterizao ambiental, esta com o objectivo de evidenciar o potencial poluente do material

para o meio ambiente, o programa experimental a realizar em laboratrio, com o intuito de

valorizar os agregados processados das escrias produzidas na SN, envolve ensaios de

caracterizao mecnica e ambiental. O programa experimental envolve ainda a caracterizao

ambiental e mecnica de dois materiais naturais, com o propsito de se compararem as suas

propriedades laboratoriais com as dos agregados processados das escrias produzidas na SN.

i) Caracterizao mineralgica, qumica e ambiental

A caracterizao qumica, mineralgica e ambiental em laboratrio dos agregados processados

das escrias produzidas na SN realiza-se atravs de vrios ensaios, nomeadamente:

espectrometria de fluorescncia de raios X, para determinar a sua composio qumica;

difraco de raios X, complementada por observao em microscopia electrnica de

6

varrimento, para determinar a composio mineralgica; perda ao rubro, para determinar a

estabilidade com a temperatura; ensaios de sulfato de magnsio e ensaio de lixiviao. Os

valores obtidos do ensaio de lixiviao, so comparados com os valores limites de lixiviao

para resduos admissveis em aterros para resduos inertes (uma vez que as entidades

reguladoras do sector s permitem a utilizao em obra destes resduos) previstos pela

legislao portuguesa, que data da realizao do trabalho o Decreto-Lei n. 152/2002, de

23 de Maio.

A caracterizao ambiental em laboratrio do material natural (Saibro Grantico)

realiza-se atravs do ensaio de lixiviao utilizado na caracterizao dos agregados

processados das escrias da SN, cujo objectivo o de permitir a comparao da sua

composio com a dos lixiviados obtidos nos agregados processados das escrias.

ii) Caracterizao mecnica

A caracterizao mecnica em laboratrio envolve o estudo das propriedades geomtricas,

fsicas e mecnicas correntes e das propriedades mecnicas, designadamente resistncia e

deformabilidade, muito particularmente a compressibilidade, o comportamento reversvel e o

comportamento s deformaes permanentes. Note-se que a caracterizao mecnica envolve

a realizao de ensaios mecanicistas e correntes com o intuito de se confrontarem os

desempenhos dos materiais obtidos atravs destes ensaios com os observados em obra.

O estudo das propriedades geomtricas, fsicas e mecnicas correntes tem como

objectivo, para alm da caracterizao dos materiais, compararem-se os valores obtidos nos

agregados processados das escrias com os valores estabelecidos no Caderno de Encargos

das Estradas de Portugal para os materiais naturais a aplicar nas camadas de base, de sub-

base, de leito de pavimento e em aterro.

Para o estudo relativo resistncia dos agregados processados das escrias

produzidas na SN da Maia realizam-se ensaios triaxiais convencionais, utilizando contudo

cmaras triaxiais com dimenses pouco vulgares (150mm e 300mm de dimetro). A realizao

dos ensaios triaxiais com diferentes dimenses das cmaras tem por objectivo verificar se a

composio granulomtrica influencia as caractersticas de resistncia dos agregados

processados das escrias. O estudo relativo resistncia dos materiais naturais faz-se

igualmente atravs de ensaio triaxiais convencionais com dimenso da cmara triaxial de

150mm, no caso do Agregado Grantico e de 100mm no caso do Saibro Grantico. Estes

ensaios realizam-se com dois procedimentos de ensaio distintos, multi-estgios (aplicao de

diferentes nveis de tenso sobre o mesmo provete) e procedimento tradicional (aplicao de

um nico estgio de tenso), com o objectivo de se avaliar se as caractersticas de resistncia,

no que se referem ao seu valor de n

tese de doutoramento - sandra ferreira - 2010.pdf

Documents