Resistência ao cisalhamento não saturada de areias descartadas de fundição

Abstract

Um dos grandes problemas da indústria de fundição nos dias de hoje é a geração de resíduos sólidos industriais, sendo o principal a areia descartada de fundição (ADF). Atualmente, grande parte da ADF é destinada para aterros industriais, se tornando uma prática de elevado custo e problemática do ponto de vista ambiental, além de representar um desperdício de potencial matéria prima. Diante do exposto, uma alternativa para o reaproveitamento da areia descartada de fundição é a sua aplicação em obras geotécnicas, situações que envolvem a utilização de grandes volumes desse material. Entretanto, há pequena quantidade de informação sobre o comportamento geomecânico deste material e por exemplo, inexistem trabalhos que avaliem o efeito da sucção sobre a resistência ao cisalhamento. Para este fim, o objetivo do presente trabalho é analisar resistência ao cisalhamento não saturada das areias descartadas de fundição. O propósito consiste em compreender o comportamento geotécnico da ADF a partir da correlação entre os níveis de coesão aparentes alcançadas nos ensaios de cisalhamento direto, com os níveis de sucção representados pela curva característica da areia descartada de fundição e avaliar os impactos do estado não saturado sobre a estabilidade de um aterro executado com esse material. Para isto, foram compactados corpos de prova na umidade ótima com energia normal de compactação. Após compactados, alguns corpos de prova foram submetidos aos processos de umedecimento e secagem, variando a umidade +2%, +4%, -2% e -4% em relação a umidade ótima. Com isso, foram executados ensaios de cisalhamento direto em corpos de prova de ADF na umidade ótima e nas condições +2% +4% (umedecimento) e -2% e -4% (secagem). A curva característica da ADF foi obtida através do método do papel filtro. Para avaliação da contribuição da sucção na resistência ao cisalhamento, foram comparados os resultados da umidade ótima com as demais condições. As amostras submetidas a secagem apresentaram valores mais elevados de coesão total e ângulo de atrito interno em relação a umidade ótima, com valores de coesão total e ângulo de atrito interno variando de 11,25kPa para 13,185 e 17,217 kPa e 32,509° para 36,405° e 36,431°, respectivamente. O aumento no teor de umidade nas amostras umedecidas (+2% e +4%) ocasionou uma redução na resistência ao cisalhamento, com os parâmetros variando de 11,25kPa para 5,762 e 3,015 kPa e 32,509° para 32,464° e 31,237°. Para relacionar os níveis de coesão aparente e de sucção, foi proposto um modelo de equação de resistência ao cisalhamento não saturada através da correlação entre as variáveis de tensão normal, cisalhante e sucção. Observou-se uma boa relação entre as variáveis tensão normal e cisalhante, no entanto, constatou-se uma dificuldade em relacionar a contribuição da sucção por meio de uma correlação linear. Através das análises de estabilidade, observou-se que os fatores de segurança aumentam à medida que ocorre a diminuição no teor de umidade do material devido o acréscimo de resistência gerado pela sucção. Os valores variaram de 1,095 na condição crítica sem coesão, para 2,255 na condição de secagem -4%. Este estudo pode contribuir para um melhor entendimento das potencialidades e limitações da areia descartada de fundição em condição não saturada, o que visa oferecer subsídio para que este material possa ser reaproveitado em aplicações geotécnicas, bem como para a gestão da segurança dos aterros de disposição de ADF existentes.

One of the major problems of the foundry process nowadays is the generation of industrial solid waste, the main one being waste foundry sand (WFS). Today, a large part of the WFS is sent for industrial landfills, becoming a practice of high cost and problematic from an environmental point of view, besides representing a waste of raw material. An alternative reuse of waste foundry sand is in geotechnical works, which lead to the use of large volumes of this material. However, there is a small amount of information about the geomechanical behavior of this material, mainly under unsaturated condition. The objective of the present work is to analyze unsaturated shear strength of waste foundry sand under different degrees of saturation. The purpose is to understand the geotechnical behavior of the WFS from the correlation between the apparent cohesion levels achieved in the direct shear tests, with the suction levels represented by the characteristic curve of the waste foundry sand. In addition, it aims to evaluate the impacts of the apparent cohesion on the stability of a landfill built with this material. For this, specimens were compacted in the optimal moisture content with normal compaction energy. After compacted, some specimens were submitted to wetting and drying processes, varying the moisture content +2%, +4%, -2% and -4% in relation to the optimal moisture content. Direct shear tests were carried out on WFS specimens at optimal moisture content and conditions +2% +4% for wetting and -2% and -4% for drying. The WFS characteristic curve was determined using the filter paper method. The results of optimal moisture content were compared with the other conditions to evaluate the contribution of suction on shear strength. The specimens submitted to drying showed higher values of total cohesion and internal friction angle in relation to optimal moisture content, with values ranging from 11.25kPa to 13.185 and 17.217 kPa and 32.509° to 36.405° and 36.431°, respectively. The increase in the moisture content in the wetted samples (+2% and +4%) caused a reduction in shear strength, with parameters ranging from 11.25kPa to 5.762 and 3.015 kPa and 32.509° to 32.464° and 31.237°. To describe the relationship between apparent cohesion and suction, an unsaturated shear strength equation was proposed through the correlation of the variables of normal, shear and suction stress. A good relationship between the variables normal and shear stress was found. However, relating the contribution of suction through a linear correlation was difficult. Through stability analyses, it was observed that safety factors increase as the moisture content of the material decreases due to the increase in resistance generated by suction. The values ranged from 1.095 in the critical condition without cohesion, to 2.25 in the condition of drying -4%. This study can contribute to a better understanding of the potential and limitations of waste foundry sand in unsaturated condition, which aims to provide support for this material to be reused in geotechnical applications, as well as for the safety management of existing WFS landfills.