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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
4.3.2.1. Equipamento 75
4.3.2.2. Preparao dos provetes .. 76
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
4.3.3.1. Equipamento 80
4.3.3.2. Preparao dos provetes .. 83
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
4.3.4.1. Equipamento 86
4.3.4.2. Preparao do provete .. 87
4.3.4.3. Procedimento de ensaio 87
4.4. Caracterizao corrente dos materiais .. 87
4.4.1. Escria da Maia .. 88
4.4.2. Escria do Trecho .. 92
4.4.3. Escria do Seixal 93
4.4.4. Agregado Grantico 97
4.4.5. Saibro Grantico .. 98
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
5.6. Concluses . 117
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
6.3.2. Escria do Trecho .. 135
6.3.3. Comparao dos resultados obtidos na Escria da Maia e Escria do
Trecho ... 139
6.3.4. Agregado Grantico 141
6.3.5. Saibro Grantico .. 145
6.4. Ensaio triaxial cclico de curta durao (TCCD) .. 147
6.4.1. Escria da Maia .. 147
6.4.2. Escria do Trecho .. 149
6.4.3. Escria do Seixal 150
6.4.4. Agregado Grantico 152
xii
6.4.5. Saibro Grantico .. 153
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
6.7. Concluses . 169
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
7.9. Concluses . 225
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
8.8. Concluses . 252
9. CONCLUSES E DESENVOLVIMENTOS FUTUROS
9.1. Concluses . 255
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
2. ESTUDO BIBLIOGRFICO SOBRE AS ESCRIAS DE ACIARIA
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
3. ESTUDO BIBLIOGRFICO SOBRE OS FACTORES QUE INFLUENCIAM AS DEFORMAES REVERSVEIS
E PERMANENTES DOS MATERIAIS GRANULARES QUANDO SUJEITOS A CARREGAMENTOS CCLICOS
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
4. DESCRIO DOS ENSAIOS LABORATORIAIS. CARACTERIZAO CORRENTE DOS MATERIAIS EM
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
5. TRABALHO EXPERIMENTAL EM LABORATRIO. ESTUDO DA INFLUNCIA DO NDICE DE VAZIOS E DA
GRANULOMETRIA NAS CARACTERSTICAS DE DEFORMABILIDADE NO DOMNIO DAS PEQUENAS
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
Figura 6.25: Influncia da tenso vertical total no mdulo de deformabilidade vertical da
Escria do Trecho 150
Figura 6.26: Influncia do nvel de deformao axial no mdulo de deformabilidade
secante da Escria do Trecho 150
Figura 6.27: Influncia da tenso vertical total no mdulo de deformabilidade vertical da
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
Figura 6.30: Influncia do nvel de deformao axial no mdulo de deformabilidade
secante do Agregado Grantico . 153
Figura 6.31: Influncia da tenso vertical total no mdulo de deformabilidade vertical do
Saibro Grantico 153
Figura 6.32: Influncia do nvel de deformao axial no mdulo de deformabilidade
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
7. TRABALHO EXPERIMENTAL DE CAMPO
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
8. VALORIZAO DOS AGREGADOS SIDERRGICOS INERTES PARA A CONSTRUO
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
9. CONCLUSES E DESENVOLVIMENTOS FUTUROS
Sem Figuras
xxv
NDICE DE QUADROS
1. INTRODUO
Sem Quadros
2. ESTUDO BIBLIOGRFICO SOBRE AS ESCRIAS DE ACIARIA
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
3. ESTUDO BIBLIOGRFICO SOBRE OS FACTORES QUE INFLUENCIAM AS DEFORMAES REVERSVEIS
E PERMANENTES DOS MATERIAIS GRANULARES QUANDO SUJEITOS A CARREGAMENTOS CCLICOS
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
4. DESCRIO DOS ENSAIOS LABORATORIAIS. CARACTERIZAO CORRENTE DOS MATERIAIS EM
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
5. TRABALHO EXPERIMENTAL EM LABORATRIO. ESTUDO DA INFLUNCIA DO NDICE DE VAZIOS E DA
GRANULOMETRIA NAS CARACTERSTICAS DE DEFORMABILIDADE NO DOMNIO DAS PEQUENAS
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
7. TRABALHO EXPERIMENTAL DE CAMPO
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
8. VALORIZAO DOS AGREGADOS SIDERRGICOS INERTES PARA A CONSTRUO
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
9. CONCLUSES E DESENVOLVIMENTOS FUTUROS
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
D30: Dimetro equivalente que corresponde a 30% de partculas com dimenses inferiores
D50: Dimetro equivalente que corresponde a 50% de partculas com dimenses inferiores
D60: Dimetro equivalente que corresponde a 60% 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
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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