Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (especialização em Construções). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Especialização em Construções). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Estruturas, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Doutor Campos e Matos

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Civil, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação dos Prof. Doutor Joaquim Ribeiro Sarmento e Prof. Doutor Manuel de Azeredo

Dissertação para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Civil, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Doutor Arnaldo Humberto Pereira de Sousa Melo

A extração e processamento de minério resultam na geração de elevadas quantidades de resíduos, cuja disposição gera impacto e risco ambiental. Nesta dissertação é apresentado um estudo referente às campanhas de investigação geotécnica em área de disposição de resíduos de bauxita, procedimento necessário à extração da alumina. Os estudos referem-se a resíduos do processamento da lama de lavagem de uma mina localizada no estado do Pará, depositados em forma de lama, em reservatórios ditos ARBs (Área de Resíduos de Bauxita). No presente trabalho foram utilizados dados de dois reservatórios de deposição, ARB #2 e ARB #3. Ênfase foi dada à interpretação de ensaios de piezocone em diferentes pontos da área de deposição de resíduos. A análise integrada entre a resistência à penetração, excesso de poro pressão e poro pressão de equilíbrio possibilitaram uma avaliação correta das condições de contorno do reservatório, com identificação precisa da posição do nível d’água (uo) no período de realização dos ensaios, bem como da estimativa dos parâmetros geotécnicos do resíduo expressos através da resistência ao cisalhamento não-drenada Ensaios de laboratório em equipamentos convencionais e equipamentos desenvolvidos especialmente para esse tipo de material complementaram as informações geotécnicas obtidas in situ. A análise conjunta dos ensaios de campo e de laboratório possibilitou a caracterização do resíduo e a estimativa de parâmetros constitutivos necessários a projetos geotécnicos e geo-ambientais nestes materiais. Uma nova metodologia foi proposta para identificação das condições de drenagem dos ensaios, com base na normalização dos resultados. Estes estudos sugeriram que os ensaios possam ser interpretados no espaço definido pela relação do parâmetro de velocidade V versus à resistência normalizada do cone, sendo V definido em função da velocidade de penetração do cone (v), diâmetro de sonda (d) e coeficiente de adensamento (Cv), expressa na forma adimensional como V = v.d/Cv. Com base na metodologia proposta é possível identificar, para áreas de deposição de resíduos, as condições de drenagem que, uma vez estabelecidas, permitem uma estimativa racional dos parâmetros constitutivos que controlam o comportamento geo-mecânico do resíduo. / Production and deposition of mining tailings is a problem confronting geotechnical engineers given the dimension of tailing deposits and their environmental risk assessment given the relevance of this topic. A case study reporting a site characterization programme in an area of disposal of tailings from bauxite mining operations is investigated in the present work. The studies focos on residues of a processing of the slime of washing of a mine located in the state of Pará, deposited in slime form in tailings called ARBs (Bauxite tailings), in particular from two tailings of deposition named, ARB #2 and ARB #3. Emphasis is given to the interpretation of piezocone tests carried out in different locations along these tailing dams. A combined interpretation of penetration resistance and pore pressure enabled boundary conditions in the dam to be established, with an accurate identification of the ground water pressure at the time of the testing programme. In addition, the piezocone data constitutive parameters of tailings to be predicted, expressed in terms of undrained shear strength Su . The laboratory testing in conventional equipment and an equipment especially developed to this type of material had complemented the geomechanical information obtained from the in situ tests. The combined analysis of the laboratory and field test made possible the characterization of the residue and the estimate of necessary constitutive parameters to geotecnical and geo-environment projects. A new methodology was offered to identify the drained conditions in residues which is basead on the normalization of test result in a space of normalized velocity V expressed as a fuction of normalized cone penetration. Values of U are defined as a function of cone penetration (v), diameter of the cone (d) and coefficient of consolidation (Cv), expressed in dimensionless form as V = v.d/Cv. Basead in this methodology drainage conditions have been established, giveng tthe posssibility of separating out the stress paths from drained, partially drained and undrained tests.

Um dos principais fatores limitantes da vida útil de uma prótese total de articulação de quadril (PTAQ) é sua baixa resistência ao desgaste. O tempo de vida útil de uma prótese atualmente é em média dez anos. Tanto para o desenvolvimento de novas próteses de quadril, como para o registro destas junto à ANVISA, o ensaio de desgaste tem se apresentado extremamente importante. Em função disso, desenvolveu-se uma máquina capaz de realizar o ensaio de desgaste em PTAQ normalizado segundo norma ABNT NBR ISO 14242-1, observando os quatro graus de liberdade (força, movimentos de flexão/extensão, adução/abdução e rotação interna/externa). Em seguida, foram realizados ensaios de desgaste em uma amostra composta de uma cabeça femoral de 28 mm de diâmetro de aço inox ASTM F138 (classe especial do aço AISI 316L para aplicações ortopédicas) e acetábulo de polietileno de ultra-alto peso molecular. Durante o ensaio foram realizadas as avaliações de perda de massa, de volume e de rugosidade, com intervalos predefinidos de 0,75, 1,5, 3 e 5 milhões de ciclos. Durante os intervalos, o equipamento sofreu os ajustes necessários para validação dos graus de liberdade aplicados na amostra. Observou-se no acetábulo redução da rugosidade logo nos primeiros ciclos de ensaio, estabilizando em 0,13μm a partir de 1,5Mc. Situação inversa foi encontrada para a cabeça femoral, que apresentou um aumento da rugosidade durante o ensaio, finalizando em 0,05 μm. A taxa de desgaste encontrada foi de 33,34mg/Mc na leitura gravimétrica foi de 27,37mm3 /Mc na digitalização 3D. O fator de desgaste foi de 0,9x10-6 mm3 /Nm e o desgaste linear foi de 0,12mm/Mc. O equipamento construído apresenta reprodutibilidade dos ensaios e concordância com os resultados de diferentes fontes de referência. Com baixo custo relativo, o equipamento ainda mostrou-se estável quanto aos graus de liberdade durante todo o ensaio, garantindo a sua reprodutibilidade. / One of the major limiting factors for the endurance of a total hip prosthesis (THP) is its low wearing strength. The endurance of such prosthesis is about ten years. Both for the development of new hip prostheses and for their registration by the Brazilian National Board ANVISA, the wearing tests are of extreme relevance. The developed equipment is able to perform wearing tests in THP standardized by the ABNT NBR ISO 14242-1, observing the four degrees of freedom (strength, flexion-extension, adduction-abduction movements and internal-external rotation). After development, wearing tests were carried out in a sample consisting of a femoral head (28mm diameter) made of stainless steel ASTM F138 (special class of AISI 316L steel for orthopedic applications) and an ultra-high molecular weight polyethylene acetabulum. Assessments of mass loss, volume and roughness were performed during testsfor the intervals of 0.75, 1.5, 3 and 5 million of cycles. Some adjustments were necessary to fit specifications during the procedure. It was observed a reduction in roughness in the acetabulum during the first cycles of tests, stabilizing at 1.5Mc in 0.13 μm. Inverse relation was found for femoral head, which presented a roughness increase during tests, stabilizing in 0.05 μm. The wearing rate was 33.34mg/Mc for gravimetric reading and 27.37 mm3 /Mc for 3D digitalization. Wearing factor was 0.9x10-6 mm3 /Nm and the linear wearing was 0.12mm/Mc. The designed equipment has a relative low cost, and was stable regarding the degrees of freedom during tests, allowing reproducibility.

Este trabalho é camposto por dois estudos basicamente: um estudo teórico sobre os blocos sílico-calcários de areia-cal e um estudo prático sobre a viabilidade técnica de produção destes blocos em uma região determinada. A pesquisa teórica procurou elucidar o que vem a ser um bloco síilico-calcário, buscando a viabilidade da pesquisa prática e os pontos principais a serem abordados. Foram estudados, nesta parte, as matérias-primas e o processo produtivo empregado na confecção destes elementos, mostrando a importância de cada item para as características do produto final. Foi dada atenção ainda às características técnicas, aos fatores que determinam a produção e emprego e aos aspectos positivos e negativos dos elementos deste tipo produzido em outros locais. A pesquisa prática buscou a disponibilidade de matéria-prima conveniente para a produção de blocos sílicos-calcários, e o efeito das variações do processo produtivo sobre os produtos confeccionados com os materiais estudados. A matéria-prima empregada foi uma areia quartzosa da região de Santa Maria-RS, cal calcítica virgem de São Sepé-RS, e cinza volante da termoelétrica Presidente Médici, em Bagé-RS, fazendo-se variações nas percentagens destes componentes. As variações do processo produtivo foram efetuadas no tipo de moldagem dos corpos de prova, em que foi usada pressão, vibração e vibro-compressão, e na pressão de autoclavagem. Para todas as variações efetuadas foram obtidas as seguintes características: variações por autoclavagem, massa específica aparente, absorção d´água, resistência à compressão, resistência à tração e módulo de elasticidade à compressão, as quais foram relacionadas através de quadros e figuras às diversas variações. / This report is compounded by two basic studies: a theoretical study about calcium silicate blocks and a practical study about the technical possibility of production of these blocks in a determined region. The theoretical research tried to show what is a calcium silicate block, looking for the feasibility of the practical research and the principal points to be studied. At this part raw materials and the productive process used in the formation of these elements were studied showing the importance of each item for the characteristics of the final product. A special attention was also given to technical characteristics, to the factors that determine production and use, and to the positive and negative aspects of the elements of this type produced in other places. Pratical research looked for the avaliability of the right raw material for the production of calcium silicate blocks and the effects of the variations of the productive process upon the products made with the materials studied. The raw materials used were: a quartz sand from the region os Santa Maria-RS, calcitic quickline from São Sepé-RS and fly ash from the thermoeletric "Presidente Médici", from Bagé-RS, variations being made in the percentages of these compounds. Variations of the productive process were done on the type models of the proof blocks, where it was used pressure, vibration and vibro-compression and in the pressure of the autoclaving. For every variation done were got the following characteristics; variations per autoclaving, apparent specific gravity, apparent porosity, water absortion, compreessive strenght, tensile strenght and elasticity modulus in compression, wich several variations were reported throughout the charts and figures of this paper.

A globalização, a busca pela qualidade e produtividade, a competitividade do mercado, fizeram com que a Construção civil iniciasse a busca pela melhoria nos processos, visando diminuir o desperdício e as perdas. Por outro lado, as empresas construtoras têm buscado a certificação dos seus sistemas de qualidade, o mesmo ocorrendo, ainda que de forma incipiente, com os fornecedores da indústria da construção civil. Considerando a cadeia produtiva deste setor, os laboratórios de ensaios aparecem ensaiando os produtos que buscam a certificação, realizando controle tecnológico nas obras, caracterizando os materiais utilizados, entre outros, mostrando assim a sua importância tanto para os fornecedores quanto para os construtores. Para garantir melhorias no setor da construção civil, não é importante apenas a implantação de sistemas da qualidade nas empresas construtoras, mas também é de grande relevância a certificação de produtos utilizados. Para tanto, é necessário a existência de laboratórios credenciados que desempenhem o papel de ensaiar o produto. A necessidade da existência de laboratórios credenciados é visível no país, para garantir aspectos referentes à confiabilidade e confidencialidade dos resultados, além da rastreabilidade dos padrões utilizados. Também é importante que a execução dos ensaios seja feita por pessoal treinado e qualificado, com utilização de procedimentos permanentemente revisados e atualizados. O objetivo deste trabalho é levantar as principais dificuldades e não-conformidades vivenciadas pelos laboratórios de ensaios de construção civil para alcançar o credenciamento, identificando-as através de questionários. Este diagnóstico pretende apontar diretrizes que viabilizem o processo de credenciamento de laboratórios de ensaios de construção civil de forma a facilitar a disseminação desta prática em todo o país.

O presente estudo propõe uma metodologia para caracterizar o comportamento eletroforético e reológico de argilas em meio aquoso para visando ao processamento eletroforético de barbotinas. Para tanto, foram utilizadas seis argilas com características cauliníticas, caulinítica-esmectítica e esmectíticas de diferentes procedências. Foram desenvolvidos três dispositivos que permitiram analisar suspensões aquosas dessas argilas, obtendo-se informações que dizem respeito à corrente elétrica, viscosidade relativa e mobilidade eletroforética de barbotinas em fluxo, além de dispositivos de conformação eletroforética de amostras de argilas. As suspensões de argilas, com e sem adição de silicato de sódio, foram feitas em água deionizada. Foram determinados ainda o potencial zeta, a viscosidade aparente e o índice de azul de metileno dessas suspensões. O principal resultado em destaque, no presente trabalho, foi o comportamento singular da variação da corrente elétrica quando da adição de silicato de sódio às suspensões aquosas de argila. A quantidade relativa de silicato de sódio e argila determinada por essa singularidade levou à realização de experimentos associados à viscosidade e mobilidade eletroforética. Os resultados obtidos para a corrente elétrica, viscosidade relativa e mobilidade eletroforética a partir de experimentos com suspensões aquosas de argila sem e com silicato de sódio foram analisados e correlacionados sob o enfoque do fenômeno eletroforético. A metodologia desenvolvida apresenta as correlações das três propriedades eletroforéticas citadas, além do potencial zeta e índice de azul de metileno (que é uma medida da capacidade de troca catiônica da argila), com as análises das propriedades físicas, como área superficial e distribuição do tamanho de partícula. O método mostrou-se eficaz na interpretação dessas correlações, determinando com precisão o ponto em que a suspensão aquosa de argila atinge sua melhor estabilidade pela adição de silicato de sódio. O conhecimento exato desta estabilidade é de suma importância nos processos de conformação eletroforética de barbotinas. / The present study shows experiments with aqueous suspensions of clays. It was studied six kaolinitics clays from different sources, but mainly a kaolinite-smectite and smectite clay. Three devices have been developed that allowed the analysis of aqueous suspensions of these clays, obtaining information concerning the electrical conductance, viscosity and electrophoretic mobility of the slips in flow. It was also built a device for electrophoretic conformation of pieces. Aqueous suspensions and solution of sodium silicate were made with deionized water. Laboratory tests were also performed of zeta potential, viscosity and methylene blue index. The main result highlighted in this study, was the singular behavior of the variation of the electric current when the addition of sodium silicate to an aqueous suspensions of clay. The relative amounts of sodium silicate and clay determined by of the uniqueness of the performed experiments were associated with viscosity and electrophoretic mobility. The results for the electrical conductance, relative viscosity and electrophoretic mobility from these tests, i.e., experiments with clay aqueous suspensions with and without sodium silicate, were correlated and analyzed under the approach of electrophoretic phenomena. The developed method showed the correlation of these three properties, electrophoresis, zeta potential and methylene blue index, with the physical properties of the clays such as surface area and particle size distribution. Thus, the method was effective in interpreting these correlations, and determining the precise point where the aqueous clay suspension reaches its improved stability by the addition of sodium silicate. Accurate knowledge of this stability is of paramount importance in electrophoretic process and slip casting.