Avaliação do Emprego do Resíduo do Processo SulfaTreat como
Material de Construção de Pavimentos
Patrício José Moreira Pires e José Tavares Araruna
Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de
Janeiro, Rio de Janeiro.
Ricardo Campos Vaqueiro
Petróleo Brasileiro S/A, Petrobras, Brasil
RESUMO: O presente estudo busca avaliar a incorporação de um resíduo sólido industrial como material de construção
de pavimentos. O resíduo avaliado é proveniente de um processo de tratamento utilizado em refinarias, que remove o
sulfito de hidrogênio (H2S) em linhas de vapor. Esse processo é denominado de SULFATREAT®. De acordo com a
NBR 10.004 - Resíduos Sólidos – Classificação, tal resíduo se classifica como um resíduo não-inerte Classe II-A, dada
a concentração dos elementos alumínio, zinco e cromo estarem acima da permitida no extrato do solubilizado.
Para tal estudo foram realizados ensaios mecânicos, que incluíram o ensaio de Índice de Suporte Califórnia (ISC) e o
ensaio de compactação do tipo Proctor, para determinar a sua qualidade como material de pavimento. Ensaios de
coluna foram realizados a fim de se verificar se a incorporação a uma matriz terrosa liberaria elementos perigosos que
venham a contaminar o solo e a água subterrânea.
PALAVRAS-CHAVE: Resíduos Sólidos, SULFATREAT®, Índice de Suporte Califórnia, Ensaios de coluna.
1
INTRODUÇÃO
A Petrobrás em suas diversas unidades emprega
o processo SULFATREAT® para a remoção de
sulfito de hidrogênio (H2S) em linhas de vapor.
Este processo, esquematizado na Figura 1,
emprega um reagente granular contido em um
vaso de pressão (reator) para formar um
produto estável e seguro.
A vida útil do leito do reagente, visto em
azul na Figura 1b, é função, entre outros
fatores, da concentração de H2S do vapor de
entrada, da vazão de vapor a ser tratado e da
temperatura do
vapor. O monitoramento do processo é
realizado através da determinação da
concentração de H2S na saída do reator. Quando
esta concentração atinge um valor próximo à de
entrada, torna-se necessário a troca do leito no
interior do reator.
De acordo com o fabricante, o resíduo do
processo é estável e seguro. Estas
características levaram aos profissionais de
SMS da UN-Bahia a encomendar um projeto
experimental ao Departamento de Engenharia
Civil da PUC-Rio para avaliar a sua possível
aplicação como material de construção de
pavimentos.
Figura 1 – Processo SULFATREAT: (a) diagrama esquemático e (b) diagrama do reator
A utilização do resíduo dar-se-ia com a
sua incorporação a uma matriz terrosa com a
finalidade de obtenção de um material de base
ou sub-leito para pavimentos. Os potenciais
locais para as aplicações do resíduo do processo
SulfaTreat: é como material de construção do
pavimento para praça de acesso ao poço e ou
material de construção para via de acesso ao
poço.
2
2.1
METODOLOGIA EMPREGADA
Ensaio Proctor Normal
O ensaio de compactação busca determinar a
relação entre teor de umidade e peso específico
seco como também determinar o peso
específico seco máximo e o teor de umidade
ótimo. É através dessa correlação que se
encontra a umidade ótima de compactação na
qual é moldada a amostra do Índice Suporte
Califórnia.
2.2
Ensaio ISC
O ensaio de Índice de Suporte Califórnia foi
realizado seguindo as recomendações contidas
na NBR 9895 e consistiu de três etapas:
preparação das amostras, ensaio de expansão e
ensaio de penetração.
A amostra da matriz terrosa foi espalhada
em uma travessa de alumínio e seca ao ar. Após
a secagem, foram separados 14 kg da matriz
terrosa e 3 kg do resíduo do processo
SulfaTreat. Estes materiais foram destorroados
e passados em uma peneira com abertura de
malha de 19mm.
Ao fim do peneiramento, foi realizada a
determinação da umidade higroscópica do solo
e do resíduo a fim de calcular a massa de cada
material para se obter as incorporações de 10%
e 20% do resíduo do processo SulfaTreat, bem
como o teor de umidade necessária para a
obtenção da umidade ótima.
As
amostras
incorporadas
foram
compactadas com o teor de umidade ótimo. A
energia de compactação que proporcionaria um
peso específico seco idêntico ao peso específico
seco máximo obtido no ensaio Proctor foi
ajustada.
O procedimento incluiu, em uma
primeira instância, o ajuste referente à troca do
martelo por um empregado no ensaio Proctor
Modificado (4,5 kgf), a fim de empregar a
mesma energia de compactação.
A energia de compactação foi ajustada à
energia do ensaio de compactação através do
emprego da seguinte formulação:
(1)
onde E é a energia de compactação, P o peso do
soquete, n o número de camadas, N o número
de golpes, V o volume do cilindro e h a altura
de queda. Neste caso, o número de golpes
correspondente ao soquete de 4,5kgf, para o
solo compactado em cinco (5) camadas e um
cilindro de volume igual 3256,11cm3, foi de 19
golpes.
Em seguida, deu-se inicio a fase de saturação
e expansão. Nesse estágio, os corpos de prova,
dentro do molde cilíndrico, foram imersos em
água e sobre o molde cilíndrico instalado um
aparato para determinação da expansão linear
vertical. Para tal, foi utilizado um extensômetro
de resolução de 0,01mm. A Figura 2, apresenta
um conjunto cilindro, corpo de prova e
extensômetro durante a fase de saturação e
expansão.
Figura 2 – Processo de saturação e expansão.
A imersão foi realizada no decorrer de 96
horas. A cada 24 horas, eram feitas leituras nos
extensômetros a fim de medir os deslocamentos
verticais.
Ao fim das 96 horas, o conjunto cilindro e
corpo de prova foi retirado do recipiente com
água e por 15 minutos foi retirado o excesso
d´água e iniciado o processo de penetração.
Para tal, o cilindro foi instalado em uma prensa,
vista na Figura 3, a qual é empregada em
ensaios oedométricos de taxa de deslocamento
constante (CRD), devido à facilidade de
aquisição automática de dados.
2.3
Ensaio de coluna
O ensaio de coluna foi realizado em
permeâmetros de parede rígida com aplicação
da carga realizada por meio de um sistema de
pressão a ar comprimido (vide Figura 4). O
fluxo é vertical ascendente e o percolado é
coletado em reservatórios de acrílico, vistos na
Figura 5. Foram compactadas no interior do
permeâmetro três amostras distintas, sendo uma
sem adição de resíduo e outras duas com 10% e
20% de adição de resíduo do processo
SulfaTreat.
Os corpos de provas foram compactados
estaticamente no interior do permeâmetro no
teor de umidade ótima mais 2%. Este
procedimento foi empregado a fim de facilitar a
compactação e minimizar a possibilidade de
aparecimento de caminhos preferenciais de
percolação entre a parede do permeâmetro e o
corpo de prova. Além disto, este teor de
umidade proporciona que o corpo de prova
atinja mais facilmente a saturação.
Figura 3 – Equipamento empregado no ensaio.
Durante a fase de penetração empregou-se
uma célula de carga para monitorar a resistência
do solo a penetração e um transdutor de
deslocamento para medir a penetração. Os
transdutores foram conectados a uma unidade
de aquisição de dados que procedia a leitura e o
armazenamento do sinal dos transdutores a cada
15 segundos. Durante o ensaio, empregou-se
uma velocidade de carregamento de 1mm/min.
O Índice de Suporte Califórnia é obtido
através da razão da tensão necessária a
penetração de 2,5mm e 5,0mm no material
ensaiado a tensão necessária à mesma
penetração do material pétreo padrão, de acordo
com:
(2)
O material padrão, uma brita, segundo a
NBR-9895 precisa de uma tensão de 70kgf/cm2
para a penetração de 2,5mm e 105kgf/cm2 para a
penetração de 5mm. De acordo com a NBR9895, o Índice de Suporte Califórnia é o maior
valor calculado entre as duas penetrações.
Figura 4 – Detalhe do sistema de aplicação de pressão e
dos permeâmetros de parede rígida.
Figura 5 – Detalhe dos frascos coletores de percolado.
O equipamento, visto na Figura 6, foi
projetado na PUC-Rio especialmente para
ensaios
com
produtos
potencialmente
perigosos. A parede interna do permeâmetro é
construída em Teflon® para não causar
interferência com a solução líquida a ser
percolada durante o ensaio.
3
RESULTADOS OBTIDOS
As Figuras 6 e 7 apresentam a relação teor de
umidade versus massa específica seca para o
solo Pederva e para o resíduo. A linha amarela
representa a curva de saturação enquanto que a
linha vermelha foi obtida através de um ajuste
de tendência com os pontos determinados no
ensaio de compactação.
Conforme pode ser observado nas Figuras
6 e 7 o respectivos teores de umidades ótimas
são, 20% para a matriz terrosa e de 49% para o
resíduo.
A Tabela 1 apresenta o resultado do teste
de expansão dos corpos de prova de solo
incorporados com 10% e 20% de resíduo.
1,90
Massa Específica Seca (g/cm³)
1,80
1,70
1,60
1,50
1,40
1,30
1,20
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
Teor de Umidade (%)
Figura 6 – Matriz Terrosa - Relação teor de umidade
versus massa específica seca
1,30
Massa Específica Seca (g/cm³)
A carga constante é aplicada através de um
sistema de pressão, por meio de uma interface
ar e água, vista na Figura 4, que permite a
imposição da carga hidráulica. A carga
hidráulica imposta foi monitorada no
transcorrer dos ensaios por intermédio de um
transdutor de pressão conectado a um sistema
de aquisição de dados.
A fim de determinar a permeabilidade dos
corpos de prova, foi medido o volume
percolado por intermédio de mini-balanças
eletrônicas, com capacidade nominal de 1kg e
resolução de 1g, o que permitia a medição de
volumes da ordem de 1mL. As balanças eram
ligadas a um sistema de aquisição de dados que
permitiu a leitura direta e contínua.
Os ensaios visavam a desorver os
constituintes perigosos da incorporação do
resíduo ao solo Pederva através da percolação
de água deionizada, que simularia a água de
chuva. Não se utilizou água potável dada à
presença de cloro residual que poderia interferir
nos resultados.
Dada a inexistência de dados sobre a
composição do resíduo, resolveu-se determinar
os seus constituintes mais perigosos através de
ensaios de lixiviação e solubilização. Estes
ensaios foram conduzidos seguindo os ditames
das NBR 10.005 e 10.006. Estes constituintes
seriam os analisados nas amostras dos fluidos
percolados.
1,20
1,10
1,00
0,90
30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60
Teor de Umidade (%)
Figura 7 – Resíduo do processo SulfaTreat - Relação teor
de umidade versus massa específica seca
Tabela 1 – Resultado do teste de expansão.
Teor de
Altura (mm)
Expansão (%)
Incorporação
Inicial
Final
do Resíduo
10%
119,3
125,92
5,55
20%
119,3
125,12
4,88
Verifica-se que a expansão foi elevada para
ambos os teores de incorporação de resíduo,
sendo que esta apresentou uma diminuição em
relação ao teor de incorporação. Os resultados
apresentados sugerem que, dado o elevado grau
de expansão, a incorporação do resíduo ao solo
Pederva inviabiliza o seu emprego como
material de base, sub-base e subleitos em obras
rodoviárias.
A Tabela 2 apresenta os resultados do ensaio
de penetração, Índice Suporte Califórnia.
Observa-se uma redução no Índice de Suporte
Califórnia com a elevação do teor de
incorporação do resíduo ao solo Pederva.
Tabela 2 – Resultado do Índice Suporte Califórnia.
Corpo
Tensão (kgf/cm2)
I.S.C. (%)
Penetração
de
Brita Corpo de
Parcial Total
(mm)
Padrão
prova
prova
2,50
70
2,45
3,50
10%
3,50
5,00
105
2,15
2,05
2,50
70
1,15
1,64
20%
2,02
5,00
105
1,12
2,02
O valor do Índice para ambas as
incorporações foi muito baixo. Caso este índice
seja empregado para avaliar o desempenho das
misturas como material de pavimentação,
recomenda-se que as misturas resultantes da
incorporação do resíduo do processo SulfaTreat
ao solo Pederva sejam empregadas como
material de sub-leito. Um material com ISC
inferior a três (3) apresenta um baixo
desempenho como material para base de
pavimentos.
Os resultados das análises químicas
realizadas no resíduo estão apresentados na
Tabela 3. Os resultados apenas apresentam os
elementos que estão acima do valor máximo
permitido. As análises químicas conduzidas nos
extratos
lixiviados
não
detectaram
concentrações de nenhum elemento analisado
com valor acima do máximo permitido.
Tabela 3 – Constituintes perigosos do resíduo do
processo SulfaTreat
Limite
Resultad
Valor
de
Parâmetro Unidade
o da
Máximo
Detecçã
Análise
Permitido
o
Solubilizado
Alumínio
mg/L
0,005
407
0,2
Cromo
mg/L
0,005
3,85
0,05
Total
Zinco
mg/L
0,005
7,32
5,0
Os resultados revelaram que o resíduo do
processo SulfaTreat é um resíduo não-inerte
Classe II A, dada a concentração dos elementos
alumínio, zinco e cromo estarem acima da
permitida no extrato do solubilizado.
Em função destes resultados, resolveu-se
monitorar a concentração de alumínio, cromo e
zinco nas amostras do percolado por meio da
realização do ensaio de coluna.
Para a realização do ensaio de coluna, os
corpos de prova foram compactados com um
teor inicial correspondente a umidade ótima do
solo Pederva. Este teor de umidade proporciona
um corpo de prova com um valor próximo a
100% de saturação, indicado pela curva amarela
na Figura 7, o que minimiza o tempo necessário
para saturar os corpos de prova durante a
realização do ensaio de coluna.
A Tabela 4 mostra que o teor de umidade ao
final do processo de compactação não atingiu a
meta pré-estabelecida, i.e. 20%. O corpo de
prova com o solo Pederva ficou bem abaixo
desta meta. Já o corpo de prova com 10% de
incorporação de resíduo ficou com um teor de
umidade ligeiramente inferior a meta enquanto
que o corpo de prova com 20% de incorporação
ficou com um teor de umidade ligeiramente
acima.
Tabela 4 – Umidades dos corpos de prova no ensaio de
coluna
Solo + 10%
Solo + 20%
Amostra
Solo
de resíduo
de resíduo
Umidade (%) 13,33
18,99
23,09
Os ensaios de coluna realizados nas misturas
com e sem incorporação revelaram uma
redução do valor da condutividade hidráulica do
solo Pederva com a incorporação do resíduo. Os
valores apresentados na Tabela 5 mostram que
o material resultante da incorporação apresenta
uma condutividade hidráulica semelhante à de
solos silto-argilosos.
Tabela 5 – Valores de Condutividade Hidráulica.
Amostra
Sem resíduo
Com 10% de
Resíduo
Com 20% de
Resíduo
k (cm/s)
q (cm3/s)
2,38 x 10-4
0,296
i
3,32
2,83 x 10-4
0,351
3,32
2,22 x 10-5
0,028
3,32
Os valores das concentrações dos
constituintes de interesse no percolado, e.g. teor
de zinco,alumínio e zinco, estão descritos na
Tabela 6. As análises foram realizadas em
amostras de 500mL. Para a amostra sem
incorporação de resíduo, o volume de 500mL
corresponde a 7,42 vezes o seu volume de
vazios; enquanto que para a amostra com 10% e
20% de resíduo incorporado, o volume de
500mL representa, respectivamente, 5,57 e 4,31
vezes o volume de vazios.
Caso consideremos a advecção como o
principal mecanismo de transporte, um
gradiente hidráulico unitário, e que o pavimento
a ser construído tenha uma espessura de 30cm,
o tempo simulado pelos ensaios é cerca de 7
dias para a incorporação de 10% de resíduo ao
solo Pederva e 67 dias para a incorporação de
20% de resíduo ao solo Pederva
Os resultados apresentados na Tabela 6
revelaram que as concentrações de alumínio e
zinco ficaram superiores aos padrões de
potabilidade de água recomendados pelo
Ministério da Saúde e que não foi detectada
mobilização do cromo. Constatou-se também
que as concentrações de alumínio e zinco
detectadas no percolado é função do teor de
incorporação.
Em face disto, sugere-se que a
incorporação do resíduo do processo SulfaTreat
ao Solo Pederva torna o material resultante
inadequado para aplicação em pavimento.
4
CONCLUSÕES
Os materiais ensaiados apresentaram uma
elevada expansibilidade. Os resultados sugerem
que, dado o elevado grau de expansão, o que
inviabiliza o seu emprego como material de
base, sub-base e subleitos em obras rodoviárias.
Os resultados desfavoráveis devem-se em
parte a presença de uma grande quantidade de
finos nos materiais resultantes. Ressalta-se que
um dos constituintes do solo é a ilita, um
argilomineral expansivo.
O valor do Índice de Suporte Califórnia
revela que ambas as incorporações só podem
serem empregadas como material de sub-leito.
Já os resultados dos ensaios de coluna nos
materiais resultantes da incorporação revelaram
que as concentrações de alumínio e zinco
ficaram superiores aos padrões de potabilidade
de água recomendados pelo Ministério da
Saúde e que não foi detectada mobilização do
cromo.
Constatou-se também que as concentrações
de alumínio e zinco detectadas no percolado é
função do teor de incorporação. Com base na
análise conjunta dos resultados, sugere-se que
os materiais resultantes da incorporação do
resíduo do processo Sulfatreat são inadequados
para utilização em pavimentos.
REFERÊNCIAS
Associação Brasileira de Normas Técnicas (1984). NBR06457 Preparação para Ensaios de Compactação e
Ensaios de Caracterização. SP.
Associação Brasileira de Normas Técnicas (2004). NBR10004 Resíduos Sólidos - Classificação.SP.
Associação Brasileira de Normas Técnicas (2004). NBR10005 Lixiviação de Resíduos -Procedimento. São
Paulo.
Associação Brasileira de Normas Técnicas (2004). NBR10006 Solubilização de Resíduos-Procedimento. São
Paulo.
Ministério da Saúde (2004). Procedimentos e
responsabilidades rel ao controle e vigilância da
qualidade água para consumo humano e seu padrão
de potabilidade.Portaria N0 518 de 25 de março de
2004. Brasília, DF.
Tabela 6 – Concentração dos Constituintes de Interesse no Percolado
Unidades
Alumínio
Cromo
Zinco
Branco
L.D.
Solo
N.D.
N.D.
N.D.
0,001
0,010
0,001
N.D.
N.D.
N.D.
N.D. não detectado / L.D. limite de detecção analítico
Solo + 10% de Resíduo Solo + 20% de Resíduo
(mg/L)
77,79
217,47
N.D.
N.D.
8,44
37,12
VMP
(1)
0,2
0,05
5,0