A partir da realização de seus experimentos pioneiros, Darcy concluiu que a velocidade de descarga da água é diretamente proporcional ao gradiente médio da energia através do solo e ao coeficiente de permeabilidade. Após es- tas observações, feitas empregando areais limpas, ele propôs uma equação (6), conhecida desde então como a lei de Darcy.
v =−k×ih (6)
Onde v é a velocidade de descarga da água [LT-1]; k é o coeficiente de permea- bilidade do solo [LT-1], i
h é o gradiente médio de energia através do solo [adi-
mensional].
Na Figura 12 se apresentam as faixas de variação dos valores típicos para o valor de k segundo o tipo de solo (Casagrande e Fadum, 1940). As ca- racterísticas de escoamento ou drenagem são definidos como bons dentro da faixa de 1 x 102 – 10-02, pobres entre 10-03 – 10-07 e impermeáveis entre 10-07 – 10-09. Destaca-se que para o caso da confecção de barreiras minerais, alvo deste trabalho, o principal objetivo é a impermeabilização e não a drenagem.
Figura 12. Faixas de variação do coeficiente de permeabilidade segundo a classificação do solo (Adaptado: Casagrande e Fadum, 1940).
Diversos são os fatores que condicionam o valor de k à água e a outros fluidos segundo o tipo de solo, sendo os mais influentes os seguintes (LAMBE e WHITMAN, 1969):
• Estrutura do solo
• Tortuosidade dos vazios • Temperatura ambiente
• Distribuição e tamanho das partículas • Mineralogia
• Umidade natural do solo
• Grau de saturação (ou umidade) de compactação e densidade seca máxima
Destes todos, o teor de umidade na moldagem e o peso específico seco obtido no processo de compactação são variáveis de controle experimental, porquanto o foco é prevenir futuras contaminações pelo uso de barreiras minerais compactadas. Estes fatores, em conjunto com a granulometria e mineralogia, regem os valores de k, pelo menos no que concerne ao meio poroso.
Em solos não saturados e fluidos água/ar, o conteúdo de água modifica a permeabilidade do solo, visto que a seção de líquido disponível ao fluxo é modificada. Assim, a obtenção da curva de condutividade hidráulica à água é necessária para a realização de simulações de fluxo na zona não saturada ou vadosa. A curva de condutividade hidráulica possui como valor máximo a permeabilidade unifásica ou saturada do solo (solo saturado à água), sendo que o k decresce à medida que o solo seca.
Para o caso de fluxo multifásico, o teor do fluido mais molhante (normal- mente a água) influenciará na permeabilidade do fluido menos molhante (nor- malmente o NAPL). Neste caso a permeabilidade obtida será a permeabilidade efetiva, a qual se obtém pelo produto da permeabilidade relativa por uma per- meabilidade de referência (normalmente a permeabilidade unifásica do fluido em questão). Este é essencialmente o caso dos ensaios realizados em amos- tras compactadas de solo na umidade ótima. É de se supor que o conteúdo de água influenciará na permeabilidade ao NAPL (óleo diesel). O foco deste traba- lho está na permeabilidade obtida para o NAPL nas condições de compactação na umidade ótima especificamente, pelo que o valor de k será tratado de forma idêntica ao valor de permeabilidade unifásica.
Mesri e Olson (1971) verificaram que em solos argilosos a permeabilida- de é influenciada por variáveis mecânicas e físico-químicas. As variáveis físico- químicas influenciam na dispersão ou na agregação das partículas de argila. Isto ocorre porque a molécula de água, com um grande momento dipolo, liga- se fortemente à partícula sólida de grande área superficial (as argilas). Nesse meio, a maior parte do líquido existente nos poros se torna um filme adsorvido, sendo mantida no lugar por atrações intermoleculares de vários tipos, conforme já discutido nos itens que versam sobre carga superficial e a camada dupla. A existência de uma camada de água adsorvida sobre a superfície das partículas do solo reduz eficazmente o tamanho dos canais dos poros livres para o fluxo, diminuindo a capacidade do fluido se mover através do solo.
Fluidos que têm polaridades menores do que a água, como é o caso de muitos líquidos orgânicos, são menos fortemente ligados aos minerais do solo, e assim fluem mais facilmente através dos poros interstícias. Para Budhu et al. (1991), os fatores potencialmente importantes nas propriedades hidráulicas de solos argilosos permeados por líquidos orgânicos, são as propriedades dos permeantes, a composição físico-química do solo e a natureza da adsorção do permeante pelas partículas sólidas.
No que refere à distribuição do tamanho das partículas, a permeabilida- de é influenciada pelo tamanho dos vazios, nos quais o fluxo ocorre sofrendo mudança pela proporção relativa entre as diferenças de tamanho das partículas
sólidas. Segundo Benson et al (1994), quando o solo é bem graduado e a fra- ção argilosa governa o comportamento hidráulico, existe uma alta probabilida- de de se encontrar valores baixos de k. As Figuras 13.a e 13.b, apresentam os resultados dos estudos feitos por Benson et al. (1994), sobre a variação da per- meabilidade em relação à água e aos LA (WL e IP).
Figura 13. O coeficiente de permeabilidade em relação ao: a) WP b) IP (Adaptado: Benson et al, 1994).
Observa-se, uma diminuição acelerada do k entre a faixa de 10 – 30% de WL e o IP. Porém, a permeabilidade torna-se menos sensível a estes parâ- metros depois de atingir o 40% para o WL e 30% para o IP. Esta tendência é a esperada pois, como apresentado na seção 2.2.1, os LA estão diretamente re- lacionados com a mineralogia dos solos e o teor de finos (siltes e argila). Um aumento no teor de argila, como visto por Oliveira (2001), ou na presença de argilominerais mais ativos, com redução no tamanho dos microporos resulta em uma diminuição do coeficiente de permeabilidade (Lambe, 1954; Benson et al., 1994). Também, Benson e Trast (1995), apontam que a composição do solo pode afetar significativamente o valor de k. A Figura 14, apresenta como as di- ferentes energias de compactação e o grau de saturação inicial afetam o valor de k encontrado nas argilas estudadas.
Figura 14. Coeficiente de permeabilidade em relação à energia de compactação e o grau de saturação inicial (Benson e Trast, 1995).
A Figura 14 mostra a tendência decrescente do coeficiente de permeabi- lidade, k, com o aumento do grau de saturação inicial e mediante a aplicação de uma maior energia de compactação. Especialmente quando o solo for com- pactado na faixa úmida da curva de compactação, onde o fluxo é controlado pelo tamanho, forma e a conectividade dos micróporos. Além disso, quando o teor de umidade incrementa acima da umidade ótima, junto com um alto esfor- ço (energia) de compactação, o valor de k diminui. Benson e Trast (1995), afir- maram que todas as amostras estudadas, quando compactadas com grau de saturação inicial maior que 85%, atingiram coeficientes de permeabilidades me- nores que 1x10-09 m·s-1, atingindo os valores mínimos de referência estabeleci- dos na normativa para as barreiras minerais no Brasil.