Comportamento mecânico e ambiental de materiais granulares : aplicação às escórias de aciaria nacionais

Abstract

Nesta tese estudou-se o comportamento mecânico e ambiental de materiais granulares e muito particularmente os agregados processados das escórias de aciaria produzidas na Siderurgia Nacional, com o principal objectivo de promover a sua valorização (reciclagem) como material de construção nas infraestruturas de transporte e obras geotécnicas. Neste sentido, estabeleceu-se um programa experimental para a caracterização ambiental e mecânica, quer em laboratório, quer no campo, dos agregados processados das escórias de aciaria nacionais, bem como de dois materiais naturais (Saibro Granítico e Agregado Granítico), com o propósito de se compararem as suas propriedades. Em laboratório, o principal ensaio mecanicista utilizado para determinar as propriedades de deformabilidade dos materiais granulares tem sido o triaxial cíclico, desenvolvido durante este programa de investigação. Uma câmara triaxial com 150mm de diâmetro e 300mm de altura foi instrumentada internamente para medição directa da força aplicada e dos deslocamentos no provete de ensaio. Paralelamente ao estudo sobre a valorização dos agregados processados das escórias de aciaria nacionais efectuou-se um outro, relativo à influência do índice de vazios e da granulometria nas características de deformabilidade dos materiais granulares. Esse estudo envolveu a realização de ensaios triaxiais cíclicos, em provetes com diferentes granulometrias, combinando diferentes dimensões médias das partículas (D50) e diferentes índices de vazios. Os resultados do estudo mostraram, claramente, que as equações relativas ao índice de vazios obtidas sobre areias, e normalmente utilizadas em materiais granulares com fracções mais grossas, não descrevem o comportamento destes materiais, sobretudo quando bem compactados. Com base nos resultados obtidos propôs-se para a normalização do módulo de deformabilidade em relação ao índice de vazios uma nova expressão matemática que incorpora um factor que depende da granulometria dos materiais. Os resultados mostraram ainda que o módulo de deformabilidade dos materiais granulares depende da dimensão máxima das partículas e do D50. No campo, a avaliação dos desempenhos mecânico e ambiental dos materiais efectuou-se recorrendo à construção de um trecho experimental, integrado numa estrada nacional em serviço, constituído por três secções distintas. Numa foram utilizados apenas os dois materiais naturais (no aterro e nas camadas de leito do pavimento e base), noutra foi utilizado exclusivamente agregado processado (no aterro e nas camadas de leito do pavimento e base) e na restante aplicou-se o Saibro Granítico, no aterro e na camada de leito do pavimento, e o agregado processado, na camada de base. A avaliação do desempenho mecânico e ambiental dos materiais efectuou-se durante e após a fase de construção. A avaliação do desempenho mecânico durante a fase de construção realizou-se através do controlo dos parâmetros de estado e da deformabilidade dos materiais, com recurso a diferentes ensaios. A avaliação do desempenho mecânico, após a fase de construção, efectuou-se ao longo de dois anos, quer ao nível interno das camadas do pavimento com recurso a extensómetros e do aterro através de varões extensométricos instalados durante a fase de construção, quer ao nível do comportamento global do aterro através de campanhas de nivelamento topográfico de precisão e no pavimento com recurso a ensaios com deflectómetro de impacto pesado. A avaliação do desempenho ambiental efectuou-se, ao longo de um ano, com recurso a instrumentação original em Portugal nesta aplicação: instalação de dois lisímetros. Os resultados experimentais obtidos neste estudo mostraram que os agregados processados das escórias de aciaria nacionais são inertes e apresentam um desempenho mecânico superior ao dos materiais naturais, contribuindo decisivamente para a sua valorização em infraestruturas de transporte e obras geotécnicas. Presentemente, são comercializados pela Siderurgia Nacional como um novo material de construção, com Marcação CE e marca registada com a designação de Agregado Siderúrgico Inerte para a Construção (ASIC).

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 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 Siderúrgico Inerte para a Construção (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.