Autor(es):
Ferreira, Sandra Reis 
Data: 2010
Identificador Persistente: http://hdl.handle.net/1822/12264
Origem: RepositóriUM - Universidade do Minho
Assunto(s): Valorização; Agregados naturais; Agregados reciclados; Pavimentos; Aterros estruturais; Propriedades ambientais; Propriedades mecânicas; Ensaio triaxial cíclico de grandes dimensões; Trecho experimental; Monitorização mecânica; Monitorização ambiental; Lisímetro; Módulo de deformabilidade; Valorisation; Natural aggregate; Recycled aggregate; Pavement; Structural embankment; Environmental properties; Mechanical properties; Precision cyclic triaxial test; Full scale test; Mechanical monitoring; Environmental monitoring; Modulus of deformability; Lysimeter
Descrição
Tese de doutoramento em Engenharia Civil 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.
