Technological evaluation of steel coproducts aiming to improve engineering properties of tropical soils

O aproveitamento de resíduos siderúrgicos em obras de engenharia, em especial a escória de aciaria elétrica, apresenta várias vantagens sob o ponto de vista da sustentabilidade ambiental. A preservação dos recursos naturais, a redução do consumo de energia, a falta de espaço para disposição de resíduos e a degradação ambiental tornam o aproveitamento destes materiais uma alternativa atraente. Diante do exposto, o objetivo desse trabalho de pesquisa foi realizar a caracterização tecnológica de finos de escórias de aciaria elétrica oxidante Eletric Arc Furnace (F EAF ) e redutora Ladle Furnace (F LF ) em misturas com solos tropicais visando a utilização em camadas estruturais de pavimentos e obras geotécnicas. No estudo, foram coletadas amostras deformadas de dois solos do município de Viçosa-MG, e realizou-se um programa experimental de ensaios de laboratório, conforme segue: (i) ensaios de caracterização geotécnica, ensaios de compactação na energia do Proctor normal, resistência à compressão simples, resistência à tração por compressão diametral, índice de suporte Califórnia (ISC ou CBR), e módulo de resiliência; (ii) ensaios de caracterização química, física, morfológica e microestrutural (iii) ensaios de compactação na energia do Proctor Normal nas misturas solo-finos (F EAF e F LF ) com 2,5, 5, 10 e 15% de teor de coprodutos siderúrgicos em relação à massa de solo seco; (iv) ensaios de resistência à compressão simples, tração por compressão diametral, CBR e módulo de resiliência com cura em câmara úmida variando entre 7, 28 e 56 dias, nas misturas solo-finos com teores de 15% em relação a massa de solo seco. Os resultados obtidos mostraram que a adição dos finos F EAF e F LF as amostras de solos proporcionaram:(i) aumento no peso especifico aparente seco máximo e redução na umidade ótima; (ii) ganhos de resistência mecânica evidenciados nos ensaios de resistência à compressão simples, resistência a tração por compressão diametral e CBR, os quais estão diretamente relacionados com os períodos de cura adotados; (iii) redução na expansibilidade no ensaio CBR; e (iv) aumento no valor do módulo resiliente das misturas solo-escória de aciaria elétrica em relação as amostras de solo no estado natural para um dado par de tensões. Os principais destaques foram o aumento nos valores deCBR de 8% para 44% no solo 1 e de 7 % para 140 % no solo 2, quando em mistura com os F LF. Para as misturas usando os F EAF o destaque foi o aumento no modulo de resiliência, de 247 MPa para 320 MPa, no solo 1, de 242 MPa para 352 MPa, no solo 2. O ganho de resistência mecânica e as mudanças nas propriedades de engenharia dos solos após o tratamento com os finos de escória de aciaria elétrica podem ser explicados pelas reações de hidratação, onde os produtos de hidratação das amostras de solos estabilizados com os F LF e F EAF incluem o hidróxido de cálcio (CH), silicato de cálcio hidratado (CSH), aluminato de cálcio hidratado (CAH) e a etringita; trocas catiônicas e pela ação do efeito filler. Além disso, o desenvolvimento de reações pozolânicas promovidas pela presença de hidróxido de cálcio nos finos de escória de aciaria elétrica estudados, foi responsável pelo ganho de resistência dos solos em idades mais avançadas. Sendo assim, os resultados possibilitaram inferir que, a adição de finos de escórias de aciaria elétrica F EAF e F LF é eficaz e viável tecnicamente para a melhoria das propriedades de engenharia das amostras de solos tropicais analisadas, apontando para a possibilidade de redução dos desperdícios na siderurgia mediante a utilização desse subproduto. Palavras-Chave: Estabilização de solos. Resíduos siderúrgicos. Pavimentação. Obras geotécnicas.The reuse of steelmaking wastes in geotechnical works, especially steelmaking slags, presents several advantages in terms of environmental sustainability. The preservation of natural resources, the reduction of energy consumption, the lack of space for waste disposal, and the environmental degradation make the reuse of these materials an attractive alternative. Therefore, the present work aimed to develop a technological characterization of fines of electrical arc furnace oxidizing slag (F EAF ) and ladle furnace reducing slag (F LF ) mixed with tropical soils for use in structural layers of pavements and geotechnical applications. In this study, deformed samples were collected from two soils of the city of Viçosa-MG. An experimental program of different laboratory tests was developed, as follows: (i) tests of geotechnical characterization, standard Proctor compaction tests, unconfined compressive strength, tensile strength by diametral compression, California Bearing Ratio (ISC or CBR) index, and resilient modulus; (ii) tests of chemical, physical, morphological, and microstructural characterization; (iii) standard Proctor compaction tests of mixtures between soils and slag fines (F EAF and F LF ) with steel coproduct contents of 2,5, 5, 10, and 15% (in relation to the dry soil mass); (iv) unconfined compression, diametral compression, CBR, and resilient modulus tests of mixtures between soils and a 15% content of fines, after 7, 28, and 56 days of curing in moist chamber. The results indicated that the addition of F EAF and F LF fines to the soil samples provided (i) an increase in the maximum dry specific weight and a reduction in the optimal moisture content; (ii) mechanical strength gains in unconfined compression, diametral compression, and CBR tests, which were directly associated with the curing periods; (iii) reductions in CBR swelling; and (iv) increases in the resilient modulus of mixtures between soil and steel slags, in comparison to soil samples in their natural state. The main highlights were the improvement in CBR index from 8% to 44% in soil 1 and 7% to 140% in soil 2, in mixtures containing F LF . In F EAF mixtures, some highlights were the resilient modulus increases from 247 MPa to 320 MPa in soil 1, and from 242 MPa to 352 MPa in soil 2. The improvementsof the soil engineering properties can be attributed to hydration reactions in which the main hydration products of soil samples stabilized with F LF and F EAF include calcium silicate hydrates (CSH), calcium aluminate hydrates (CAH), and ettringite; cation exchange reactions; and filler effect. In addition, the development of pozzolanic reactions associated with the presence of calcium hydroxide was able to provide soil strength gains in the long-term. Therefore, the results indicated that the addition of fines of F EAF and F LF steel slag is effective and technically feasible for improving the engineering properties of the studied tropical soils samples, which provided environmental and economic benefits for the steelmaking sector, based on the application of these products. Keywords: Soil stabilization. Steelmaking wastes. Pavement. Geotechnical applicationsFAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerai