Rio de Janeiro

ANÁLISE DOS PARÂMETROS GEOTÉCNICOS, FÍSICO-QUÍMICOS E ELÉTRICOS DE DOIS SOLOS CAULINÍTICOS APÓS ENSAIOS ELETROCINÉTICOS

Carla Miranda Fabris

Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil, COPPE, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil.

Orientadora: Maria Claudia Barbosa

Rio de Janeiro

Abril de 2016

ANÁLISE DOS PARÂMETROS GEOTÉCNICOS, FÍSICO-QUÍMICOS E ELÉTRICOS DE DOIS SOLOS CAULINÍTICOS APÓS ENSAIOS ELETROCINÉTICOS

Carla Miranda Fabris

DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO LUIZ COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE) DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA CIVIL.

Examinada por:

________________________________________________

Prof

Maria Claudia Barbosa, D.Sc.

________________________________________________

Prof

Celina Aída Bittencourt Schmidt, D.Sc.

________________________________________________

Prof

Maria Esther Soares Marques, D.Sc.

________________________________________________

Prof. Romero César Gomes, D.Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL

ABRIL DE 2016

iii Fabris, Carla Miranda

Análise dos parâmetros geotécnicos, físico-químicos e elétricos de dois solos cauliníticos após ensaios eletrocinéticos/Carla Miranda Fabris. – Rio de Janeiro:

UFRJ/COPPE, 2016.

XX, 156 p.: il.; 29,7 cm.

Orientadora: Maria Claudia Barbosa

Dissertação (mestrado) – UFRJ/COPPE/Programa de Engenharia Civil, 2016.

Referências Bibliográficas: p. 147-155.

1. Eletrocinética. 2. Solos Tropicais. 3. Parâmetros

geotécnicos. I. Barbosa, Maria Claudia. II. Universidade

Federal do Rio de Janeiro, COPPE, Programa de

Engenharia Civil. III. Título.

iv

“Se quer seguir-me, narro-lhe; não uma aventura, mas experiência, a que me induziram, alternadamente, séries de raciocínios e intuições. Tomou-me tempo, desânimos, esforços. Dela me prezo, sem vangloriar-me [...]. Tudo, aliás, é a ponta de um mistério. Inclusive, os fatos. Ou a ausência deles. Duvida? Quando nada acontece, há um milagre que não estamos vendo.”

O Espelho, João Guimarães Rosa

v

Aos meus pais, Maria

Luiza e Carlos Renato,

pelo apoio incondicional.

vi

AGRADECIMENTOS

Agradeço aos meus pais, que não mediram esforços para a concretização de mais um sonho.

Ao Attila, pelo carinho e pelo companheirismo. Sem você minha jornada seria muito mais difícil e sem graça. Tive muita sorte em tê-lo ao meu lado durante esse tempo.

À minha orientadora Maria Claudia Barbosa, pela dedicação, pela confiança, pelos ensinamentos transmitidos e pelo respeito.

Aos meus colegas da COPPE, os “COPPERATIVOS”, em especial à Marcela, ao Zé e ao Louis, pela amizade e por tornarem meus dias mais coloridos. Espero levá-los sempre comigo.

À minha companheira de luta, Clarisse, por ter dividido comigo tantos momentos felizes e de dificuldades no laboratório.

Ao Jonathan, por ter generosamente compartilhado conosco parte do seu conhecimento de eletrocinética. À aluna de doutorado Camila, que muitas vezes me ajudou nos experimentos ou simplesmente me deu uma palavra de conforto.

À Karen e à Alessandra, pela dedicação, competência e, sobretudo, pela amizade.

Uma pesquisa experimental envolve a colaboração de várias pessoas. Por isso, agradeço a todos do Laboratório de Geotecnia da COPPE que de alguma forma contribuíram para a realização desta pesquisa. Especialmente, sou grata à Maria da Glória, que tanto se dedicou às análises químicas deste projeto e as fez com muita competência. Ao Serginho, pelo auxílio nos ensaios de resistência dos solos e adensamento e pelos muitos momentos de descontração. Agradeço também ao Carlinhos, pelo apoio na caracterização das amostras, e ao Luizão, por sempre ser tão prestativo e me surpreender com um gesto de carinho.

Ao restante da equipe do Laboratório: à Alice, à Márcia, à Andreia, à Maiara, ao Cid, ao Ricardo Gil, ao Mauro e ao Álvaro. Sou muito grata pelo respeito, pela cooperação e por tornarem minha estadia no Rio muito mais agradável.

Ao CETEM, onde foram realizadas as análises de difração de raios X e de

determinação do ponto de carga zero das amostras, em especial ao geólogo Luiz

Carlos Bertolino, à Débora e à Elaynne.

vii

Aos professores do Programa de Engenharia Civil da COPPE, da área de Geotecnia, por serem exemplos de dedicação aos alunos e por exercerem a profissão de forma tão inspiradora.

À CAPES e à FAPERJ, pelo financiamento.

viii

Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)

ANÁLISE DOS PARÂMETROS GEOTÉCNICOS, FÍSICO-QUÍMICOS E ELÉTRICOS DE DOIS SOLOS CAULINÍTICOS APÓS ENSAIOS ELETROCINÉTICOS

Carla Miranda Fabris

Abril/2016

Orientadora: Maria Claudia Barbosa

Programa: Engenharia Civil

Foram realizados ensaios eletrocinéticos em dois solos caulíniticos: um solo natural, proveniente de Rondônia, e um solo fabricado com caulim. Os parâmetros geotécnicos das amostras foram determinados com o solo sem aplicação da técnica e após a aplicação, na intenção de se verificar os efeitos das reações eletroquímicas, que ocorrem durante a eletrocinética, nesses parâmetros.

As principais alterações dos parâmetros geotécnicos observadas no caulim foram, após a eletrocinética, um aumento do limite de liquidez na fatia do anodo em relação à fatia do catodo e um acréscimo de até 100 % na resistência não drenada do solo na região próxima ao anodo. O solo de Rondônia apresentou comportamento muito distinto quando comparado com o caulim e as alterações nos parâmetros geotécnicos foram pouco pronunciadas, assim como a eletro-osmose nesse solo, possivelmente devido ao seu elevado ponto de carga zero.

O pH entre as fatias do caulim variou substancialmente. Nas amostras de

Rondônia as variações desse parâmetro foram pouco significativas. A densidade de

corrente elétrica do caulim superou em pelo menos uma ordem de grandeza a

densidade de corrente das amostras de Rondônia, e possivelmente as reações

eletroquímicas no solo de Rondônia foram menos importantes do que as reações no

caulim.

ix

Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)

ANALYSIS OF THE GEOTECHNICAL, PHYSICOCHEMICAL AND ELECTRICAL PROPERTIES OF TWO KAOLINITIC SOILS AFTER ELECTROKINETICS

Carla Miranda Fabris

April/2016

Advisor: Maria Claudia Barbosa

Department: Civil Engineering

Electrokinetic experiments were performed on two kaolinitic soils: a natural soil, from the State of Rondônia, and an industrial kaolin soil fabricated in the laboratory. In order to analyze the electrochemical effects on the soil properties, geotechnical parameters of the samples were determined for both soils before and after the application of the electrokinetic procedure.

The main changes in the geotechnical properties of the industrial kaolin soil after the electrokinetic procedure were an increase in the liquid limit near the anode and an increase in the shear strength of about 100 %. The behavior of the Rondônia soil was not similar to that observed in the kaolin and the changes in the geotechnical parameters after electrokinetics were not pronounced, as well as the electroosmotic flow, possibly due to the higher point of zero charge of the natural soil.

Concerning the kaolin, the pH between the sections changed significantly. The

Rondônia soil exhibited small changes in this parameter. The electric current density in

the kaolin was at least one order of magnitude greater than the one observed in the

Rondônia soil, and it is believed that the electrochemical reactions in the Rondônia soil

were less important than those observed in the kaolin.

x SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO... 1

1.1. APLICAÇÃO DA ELETRO-OSMOSE ... 2

1.2. OBJETIVOS ... 3

1.3. DESCRIÇÃO DOS CAPÍTULOS ... 4

2. FUNDAMENTOS E ESTADO DA ARTE ... 6

2.1. CARACTERÍSTICAS DOS SOLOS TROPICAIS ... 6

2.1.1. Caulinita ... 7

2.2. PROPRIEDADES ELÉTRICAS DE SISTEMAS ARGILA-ÁGUA ... 9

2.2.1. Teoria da Dupla Camada ... 9

2.2.2. Potencial Zeta ... 12

2.3. ELETROCINÉTICA ... 13

2.3.1. Eletro-osmose ... 13

2.3.2. Condições de drenagem ... 15

2.3.3. Adensamento eletro-osmótico ... 16

2.3.4. Reações eletroquímicas no solo e seus efeitos ... 18

2.3.5. Eficiência da eletro-osmose ... 20

2.4. TEMPO DE EQUALIZAÇÃO ... 22

2.5. ESTUDOS PRELIMINARES ... 23

3. METODOLOGIA ... 27

3.1. SOLOS ESTUDADOS ... 27

3.2. PLANO DE ENSAIOS ... 30

3.2.1. Determinação do tempo de equalização ... 31

3.2.2. Análise dos parâmetros geotécnicos ... 32

3.2.3. Repartição das amostras de Triunfo, RO ... 33

3.3. ENSAIOS REALIZADOS ANTES DA ELETROCINÉTICA ... 34

3.3.1. Caulim ... 34

3.3.2. Amostras de Triunfo, RO ... 35

xi

3.4. ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA E MINERALÓGICA ... 38

3.4.1. Capacidade de troca de cátions e ataque sulfúrico ... 38

3.4.2. Capacidade tampão do solo ... 38

3.4.3. Difração de raios X ... 39

3.4.4. Ponto de carga zero ... 42

3.4.5. Fluorescência de raios X ... 43

3.5. MOLDAGEM DO CORPO DE PROVA PARA ENSAIO ELETROCINÉTICO 43 3.5.1. Caulim ... 43

3.5.2. Amostras de Triunfo, RO ... 45

3.6. ENSAIO ELETROCINÉTICO ... 47

3.7. ENSAIOS REALIZADOS APÓS A ELETROCINÉTICA ... 51

3.7.1. Caulim ... 51

3.7.2. Amostras de Rondônia ... 52

4. RESULTADOS – CAULIM ... 54

4.1. ENSAIOS REALIZADOS ANTES DA ELETROCINÉTICA ... 54

4.1.1. Índices físicos e medida do pH ... 54

4.1.2. Adensamento unidimensional ... 56

4.2. ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA E MINERALÓGICA ... 58

4.2.1. Capacidade de troca de cátions ... 58

4.2.2. Ataque sulfúrico ... 58

4.2.3. Difração de raios X ... 58

4.2.4. Ponto de carga zero ... 59

4.3. ENSAIO ELETROCINÉTICO ... 60

4.3.1. Resumo ... 72

4.4. ENSAIOS REALIZADOS APÓS A ELETROCINÉTICA ... 73

4.4.1. Teores de umidade ... 73

4.4.2. pH, potencial redox e condutividade elétrica específica ... 76

4.4.3. Limites de Atterberg ... 81

4.4.4. Resistência ao cisalhamento dos solos ... 84

xii

4.4.5. Resumo ... 87

5. RESULTADOS – AMOSTRAS DE TRIUNFO ... 89

5.1. ENSAIOS REALIZADOS ANTES DA ELETROCINÉTICA ... 89

5.1.1. Índices físicos e medida do pH ... 89

5.1.2. Resistência ao cisalhamento e adensamento unidimensional ... 94

5.2. ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA E MINERALÓGICA ... 99

5.2.1. Capacidade de troca de cátions (CTC) ... 99

5.2.2. Ataque sulfúrico ... 100

5.2.3. Capacidade tampão ... 101

5.2.4. Difração de raios X ... 103

5.2.5. Ponto de carga zero ... 108

5.2.6. Fluorescência de raios X ... 109

5.3. ENSAIO ELETROCINÉTICO ... 110

5.3.1. Resumo ... 121

5.4. ENSAIOS REALIZADOS APÓS A ELETROCINÉTICA ... 122

5.4.1. Teores de umidade ... 122

5.4.2. pH, potencial redox e condutividade elétrica específica ... 124

5.4.3. Limites de Atterberg ... 130

5.4.4. Ensaios de resistência ao cisalhamento dos solos ... 132

5.4.5. Resumo ... 138

6. CONCLUSÕES... 140

6.1. ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA E MINERALÓGICA ... 140

6.2. VARIAÇÃO DOS PARÂMETROS ELÉTRICOS DOS SOLOS ... 140

6.3. ALTERAÇÕES DAS PROPRIEDADES GEOTÉCNICAS DOS SOLOS APÓS ENSAIOS ELETROCINÉTICOS ... 142

6.4. TEMPO DE EQUALIZAÇÃO ... 144

6.5. SUGESTÕES PARA PESQUISAS FUTURAS ... 145

REFERÊNCIAS ... 147

ANEXO I – ESPECIFICAÇÃO DO CAULIM ... 156

xiii

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 – Esquema de representação da caulinita ... 7

Figura 2.2 – Distribuição de cargas da caulinita ... 8

Figura 2.3 – Fluxo eletro-osmótico em tubos capilares ... 10

Figura 2.4 – Representação da dupla camada difusa ... 11

Figura 2.5 – Representação do Potencial Zeta ... 12

Figura 2.6 – Condições de drenagem e o desenvolvimento de poropressões ... 16

Figura 3.1 – Aspecto das amostras 201 (a) e amostra imediatamente acima (b) ... 28

Figura 3.2 - Perfis de sondagem da região de Triunfo/RO, nos trechos de interesse para a pesquisa ... 29

Figura 3.3 – Sequência de extração, fatiamento e armazenamento da amostra 301b 32 Figura 3.4 – Esquema de fatiamento do solo para ensaios de equalização ... 32

Figura 3.5 – Divisão das amostras para determinação do tempo de equalização ... 33

Figura 3.6 - Divisão dos amostradores - avaliação dos parâmetros geotécnicos ... 34

Figura 3.7 – Pistão utilizado para extração do líquido intersticial do solo ... 34

Figura 3.8 – Cravação do molde, extrusão e acabamento (amostra 102) ... 36

Figura 3.9 – Sequência de realização da capacidade tampão da amostra 301 ... 39

Figura 3.10 – Lâminas preparadas para análises de DRX ... 39

Figura 3.11 – Preparação da fração argila ... 40

Figura 3.12 – Agitação da amostra 202 ... 41

Figura 3.13 – Amostras 301 e 101 após agitação ... 41

Figura 3.14 – Colocação da amostra na centrífuga ... 42

Figura 3.15 – Preparação do caulim para adensamento ... 44

Figura 3.16 – Adensamento do caulim ... 45

Figura 3.17 – Disco e anel biselado usados para extrusão do solo ... 45

Figura 3.18 – Amostra envolvida por abraçadeiras e segmento metálico ... 46

Figura 3.19 – Extrusão da amostra 202 ... 46

Figura 3.20 – Célula montada com amostra 202 ... 47

Figura 3.21 – Medidas da célula eletrocinética ... 47

Figura 3.22 – Posição dos eletrodos ... 47

Figura 3.23 – Esquema do equipamento eletrocinético ... 48

Figura 3.24 – Equipamento eletrocinético em funcionamento com amostra caulim 2 . 49 Figura 3.25 – Alterações dos ensaios eletrocinéticos ... 50

Figura 3.26 – Ensaio palheta sendo realizado no caulim ... 52

Figura 4.1 - Curva granulométrica do caulim ... 55

xiv

Figura 4.2 – Relação índice de vazios e tensão - caulim ... 56

Figura 4.3 – DRX do caullim ... 59

Figura 4.4 - Potencial Zeta do caulim ... 59

Figura 4.5 – Trincas no solo durante o ensaio eletrocinético ... 61

Figura 4.6 – Parâmetros elétricos do caulim 1 entre os pinos 1 e 5 ... 63

Figura 4.7 - Parâmetros elétricos do caulim 2 entre os pinos 1 e 5 ... 63

Figura 4.8 - Parâmetros elétricos do caulim 3 entre os pinos 1 e 5 ... 64

Figura 4.9 - Parâmetros elétricos do caulim 4 entre os pinos 1 e 5 ... 64

Figura 4.10 - Parâmetros elétricos do caulim 5 entre os pinos 1 e 5 ... 65

Figura 4.11- Parâmetros elétricos do caulim 6 entre os pinos 1 e 5 ... 65

Figura 4.12 - Parâmetros elétricos do caulim 7 entre os pinos 1 e 5 ... 66

Figura 4.13 - k

calculado no caulim 1 e caulim 2 ... 66

Figura 4.14 - k

calculado no caulim 3 ao caulim 7 ... 66

Figura 4.15 - Tensão elétrica nos pinos 1 a 5 - caulim 1 ... 67

Figura 4.16 - Tensão elétrica nos pinos 1 a 5 - caulim 2 ... 67

Figura 4.17 - Tensão elétrica nos pinos 1 a 5 - caulim 3 ... 68

Figura 4.18 - Tensão elétrica nos pinos 1 a 5 - caulim 4 ... 68

Figura 4.19 - Tensão elétrica nos pinos 1 a 5 - caulim 5 ... 69

Figura 4.20 - Tensão elétrica nos pinos 1 a 5 - caulim 6 ... 69

Figura 4.21 - Tensão elétrica nos pinos 1 a 5 - caulim 7 ... 70

Figura 4.22 – Teores de umidade - caulim 1 e caulim 2 ... 73

Figura 4.23 - Teores de umidade - caulim 3 ... 74

Figura 4.24 - Teores de umidade - caulim 4 ... 74

Figura 4.25 - Teores de umidade - caulim 5, caulim 6 e caulim 7 ... 74

Figura 4.26 – Variação do pH - caulim 1 e caulim 2 ... 76

Figura 4.27 - Variação do pH - caulim 3 e caulim 4 (equalização) ... 76

Figura 4.28 - Variação do pH - caulim 5, caulim 6 e caulim 7 ... 77

Figura 4.29 – CEE - caulim 3 e caulim 4 (equalização) ... 79

Figura 4.30 – CEE - caulim 5, caulim 6 e caulim 7 ... 79

Figura 4.31 – Eh - caulim 3 e caulim 4 (equalização) ... 80

Figura 4.32 – Eh - caulim 5, caulim 6 e caulim 7 ... 81

Figura 4.33 – Limites de plasticidade - caulim ... 82

Figura 4.34 – Limites de liquidez - caulim ... 82

Figura 4.35 – Índice de plasticidade - caulim ... 82

Figura 4.36 – Ensaio palheta caulim 5 ... 84

Figura 4.37 – Ensaio palheta caulim 6 ... 84

Figura 4.38 - Ensaio palheta caulim 7 ... 85

xv

Figura 5.1 – Diferentes camadas na amostra 202 ... 90

Figura 5.2 - Curva granulométrica da amostra 202 ... 91

Figura 5.3 - Curva granulométrica da amostra 301 ... 91

Figura 5.4 - Curva granulométrica da amostra 101 ... 92

Figura 5.5 - Curva granulométrica da amostra 201 ... 92

Figura 5.6 - Curva granulométrica da amostra 102 ... 93

Figura 5.7 – Floculação da amostra 102 ... 93

Figura 5.8 - Curva de adensamento da amostra 202 ... 95

Figura 5.9 - Curva de adensamento da amostra 201 ... 96

Figura 5.10 – Curva de adensamento da amostra 102 ... 97

Figura 5.11 – Curva de adensamento da amostra 101 ... 98

Figura 5.12 - Envoltória de Mohr e tensões de ruptura da amostra 202 ... 99

Figura 5.13 - Capacidade tampão da amostra 202 ... 101

Figura 5.14 - Capacidade tampão da amostra 301 ... 101

Figura 5.15 - Capacidade tampão da amostra 201 ... 102

Figura 5.16 - Capacidade tampão da amostra 102 ... 102

Figura 5.17 - Capacidade tampão da amostra 101 ... 102

Figura 5.18 – DRX da amostra 202 ... 103

Figura 5.19 - DRX dos argilominerais da amostra 202 ... 103

Figura 5.20 - DRX da amostra 301 ... 104

Figura 5.21 – DRX dos argilominerais da amostra 301 ... 104

Figura 5.22 - DRX da amostra 201 ... 105

Figura 5.23 - DRX dos argilominerais da amostra 201 ... 105

Figura 5.24 - DRX da amostra 102 ... 106

Figura 5.25 - DRX dos argilominerais da amostra 102 ... 106

Figura 5.26 - DRX da amostra 101 ... 107

Figura 5.27 - DRX dos argilominerais da amostra 101 ... 107

Figura 5.28 – Potencial Zeta das amostras 201, 102 e 101 ... 108

Figura 5.29 – Parâmetros elétricos da amostra 202 entre os pinos 1 e 5 ... 113

Figura 5.30 - Parâmetros elétricos da amostra 301a ... 114

Figura 5.31 - Parâmetros elétricos da amostra 301b ... 114

Figura 5.32 - Parâmetros elétricos da amostra 201 ... 115

Figura 5.33 - Parâmetros elétricos da amostra 102 ... 115

Figura 5.34 - Parâmetros elétricos da amostra 101 ... 116

Figura 5.35 - k

calculado nas Amostras de Triunfo ... 116

Figura 5.36 - Tensão elétrica nos pinos 1 a 5 – Amostra 202 ... 117

Figura 5.37 - Tensão elétrica nos pinos 1 a 5 - Amostra 301a ... 117

xvi

Figura 5.38 - Tensão elétrica nos pinos 1 a 5 - Amostra 301b ... 118

Figura 5.39 - Tensão elétrica nos pinos 1 a 5 - Amostra 201 ... 118

Figura 5.40 - Tensão elétrica nos pinos 1 a 5 - Amostra 102 ... 119

Figura 5.41 - Tensão elétrica nos pinos 1 a 5 - Amostra 101 ... 119

Figura 5.42 - Teores de umidade - amostra 202 ... 122

Figura 5.43 – Teores de umidade - amostras 301a e 301b ... 123

Figura 5.44 – Teores de umidade - amostras 101, 102 e 201 ... 123

Figura 5.45 - Variação do pH - amostra 202 ... 125

Figura 5.46 - Variação do pH - amostra 301a ... 125

Figura 5.47 - Variação do pH - amostra 301b ... 126

Figura 5.48 – Variação do pH - amostras 101, 102 e 201 ... 126

Figura 5.49 – Quebra da amostra 301a e seu armazenamento ... 126

Figura 5.50 - CEE - amostra 301b ... 128

Figura 5.51 – CEE - amostras 101, 102 e 201 ... 128

Figura 5.52 - Eh - amostra 301b ... 129

Figura 5.53 – Eh - amostras 101, 102 e 201 ... 130

Figura 5.54 - Limites de plasticidade - amostras 101, 102 e 201 ... 131

Figura 5.55 - Limites de liquidez - amostras 101, 102 e 201 ... 131

Figura 5.56 – Índice de plasticidade – amostras 101, 102 e 201 ... 132

Figura 5.57 - Envoltória de Mohr e tensões de ruptura da amostra 201 ... 133

Figura 5.58 - Tensão cisalhante x deslocamento horizontal da amostra 201 ... 133

Figura 5.59 - Deslocamento vertical x deslocamento horizontal – amostra 201 ... 133

Figura 5.60 – Envoltória de Mohr e tensões de ruptura da amostra 102 ... 134

Figura 5.61 – Tensão cisalhante x deslocamento horizontal da amostra 102 ... 134

Figura 5.62 – Deslocamento vertical x deslocamento horizontal – amostra 102 ... 134

Figura 5.63 - Envoltória de Mohr e tensões de ruptura da amostra 101 ... 135

Figura 5.64 - Tensão cisalhante x deslocamento horizontal da amostra 101 ... 135

Figura 5.65 – Deslocamento vertical x deslocamento horizontal - amostra 101 ... 135

Figura 5.66 – Tensão de pico durante cisalhamento ... 137

LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 – Publicações pertinentes sobre o tema ... 25

Tabela 3.1 – Amostras disponíveis do solo de Triunfo/RO ... 28

Tabela 3.2 – Plano de ensaios do caulim ... 30

Tabela 3.3 – Plano de ensaios das amostras de Triunfo ... 31

Tabela 3.4 – Tensões normais aplicadas nos ensaios de cisalhamento direto ... 37

xvii

Tabela 3.5 – Análise química da água deionizada ... 50

Tabela 3.6 – Análise química da solução utilizada nas amostras de Triunfo ... 50

Tabela 3.7 – Tensão aplicada, tempo de duração e objetivo dos ensaios EK ... 51

Tabela 4.1 – Parâmetros geotécnicos e pH do caulim ... 54

Tabela 4.2 – Parâmetros geotécnicos do caulim 3, 4, 5, 6 e 7 - antes do adensamento ... 54

Tabela 4.3 - Parâmetros geotécnicos do caulim – pré EK e após o adensamento ... 55

Tabela 4.4 - Composição granulométrica - caulim (NBR ABNT 6502:1995) ... 55

Tabela 4.5 – Valores de σ’

e c

para o caulim ... 57

Tabela 4.6 - Ataque sulfúrico do caulim ... 58

Tabela 4.7 - Ponto de carga zero do caulim ... 60

Tabela 4.8 – Resumo das principais condições utilizadas e observações durante a eletrocinética no caulim ... 71

Tabela 4.9 – Resistência ao cisalhamento não drenada do caulim – pré e pós EK .... 86

Tabela 5.1 – Parâmetros geotécnicos e pH do solo de Triunfo ... 89

Tabela 5.2 – Parâmetros geotécnicos do solo de Triunfo antes dos ensaios EK ... 89

Tabela 5.3 – Composição granulométrica - amostras de Triunfo (NBR ABNT 6502:1995) ... 90

Tabela 5.4 – Atividade das amostras de Triunfo ... 94

Tabela 5.5 - Valores de σ’

e c

para a amostra 202 ... 95

Tabela 5.6 - Valores de σ’

e c

para a amostra 201 ... 96

Tabela 5.7 - Valores de σ’

e c

para a amostra 102 ... 97

Tabela 5.8 - Valores de σ’

e c

para a amostra 101 ... 98

Tabela 5.9 – Capacidade de troca de cátions das amostras de Triunfo ... 100

Tabela 5.10 – Ataque sulfúrico nas amostras de Triunfo ... 100

Tabela 5.11 - Ponto de carga zero das amostras 201, 102 e 101 ... 109

Tabela 5.12 – Fluorescência de raios X do solo de Triunfo ... 109

Tabela 5.13 – Resumo das principais condições utilizadas e observações durante a

eletrocinética no solo de Triunfo ... 120

xviii

LISTA DE SÍMBOLOS, SIGLAS E ABREVIATURAS

A Área da seção transversal, Ampère

ABNT Associação Brasileira de Normas

Técnicas

CEE Condutividade elétrica específica

CETEM Centro de Tecnologia Mineral

COPPE Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-

Graduação e Pesquisa de Engenharia

COPPETEC Coordenação de Projetos, Pesquisas e

Estudos Tecnológicos

CTC Capacidade de Troca de Cátions

c

Coeficiente de adensamento

D Constante dielétrica do fluido, Diâmetro

da palheta

d

Deslocamento horizontal na ruptura

DRX Difração de raios X

E Potencial elétrico

e Índice de vazios

e

Índice de vazios inicial

EDTA Ácido etilenodiamino tetra-acético

Eh Potencial Redox

EK Eletrocinética

G

Densidade real dos grãos

I Corrente elétrica

i

Gradiente elétrico

IP Índice de Plasticidade

j Densidade de corrente

k

Coeficiente de permeabilidade eletro-

osmótica

k

Coeficiente de permeabilidade hidráulica

k

Eficiência da eletro-osmose

K

Relação molecular SiO

/Al

O

L Comprimento, Dimensão de espaço

m

Coeficiente de variação volumétrica do

solo

n Porosidade

NA Nível d’água

xix

NBR Norma Brasileira

NSPT Índice de Resistência à Penetração

pH Potencial hidrogeniônico

pH

Ponto de carga zero

pH

pH do solo em água

pH

pH do solo em KCl

Q

Vazão eletro-osmótica

R Resistência elétrica

S Grau de saturação, Siemens

S

Resistência não drenada

t Tempo

T Torque, Dimensão de tempo

t

Tempo em que ocorre 50% do

adensamento primário

t

Tempo até a ruptura

T

Fator tempo

u Poropressão

v Velocidade

V Volt

Valor S Soma de cátions trocáveis

Valor T Capacidade de troca de cátions

W Watt

w

Teor de umidade inicial

w

Limite de liquidez

w

Limite de plasticidade

γ

Peso específico aparente seco

γ

Peso específico natural

γn

Peso específico natural adotado

γn

Peso específico natural calculado

γ

Peso específico saturado

γ

Peso específico da água

ΔP Perda ao fogo

ε Energia por unidade de volume

ζ Potencial Zeta

η Viscosidade do fluido

ρ Resistividade elétrica

σ Tensão normal e condutividade elétrica

específica do solo

xx

σ’

Tensão vertical efetiva

σ’

Tensão efetiva de campo

σ’

Tensão de sobreadensamento

τ Tensão cisalhante

τ

Tensão cisalhante na ruptura

Ω Ohm

1 1. INTRODUÇÃO

O adensamento de solos finos através da aplicação de uma diferença de potencial elétrico na massa de solo, denominado adensamento eletro-osmótico, embora seja objeto de estudos desde a década de 1930, ainda é um tema que merece ser investigado. Não obstante sejam relativamente bem compreendidas, as reações eletroquímicas desenvolvidas durante a eletrocinética contribuem para a complexidade do procedimento, cuja previsibilidade exige conhecimentos que fogem da engenharia geotécnica clássica. Somado a esses fatores, em alguns casos a técnica requer gastos energéticos significativos, o que pode inviabilizar a utilização da eletrocinética para fins de adensamento do solo.

Por essas razões, desde a primeira utilização do adensamento eletro-osmótico por Casagrande, em 1939 (CASAGRANDE, 1952), a aplicação da eletrocinética para fins de drenagem em solos em geral não é a alternativa optada de imediato, sendo normalmente utilizada após a impossibilidade de aplicação de outras técnicas, como nos casos reportados por Dearstyne e Newman (1963), Bjerrum et al. (1967), Fetzer (1967) e Chappell e Burton (1975).

Além da eletro-osmose, outros fenômenos eletrocinéticos são desenvolvidos quando uma corrente elétrica é aplicada a uma massa úmida de solo, tais como a eletroforese, o potencial de corrente e o potencial de sedimentação. Durante a eletrocinética, além do transporte de água pode-se observar reações de eletrólise, oxidação e redução, desenvolvimento de gradiente de pH, difusão iônica, troca iônica, secagem pela geração de calor, decomposição dos minerais, precipitação, hidrólise, adsorção química e física e mudanças na microestrutura. Todos esses processos são responsáveis por mudanças nas propriedades do solo (MITCHELL E SOGA, 2005).

Com a evolução da técnica eletrocinética ao longo dos anos e a melhor compreensão

dos processos gerados durante a sua aplicação, algumas reações químicas que

ocorrem nos solos e são potencializadas durante o procedimento eletrocinético – e.g.,

precipitação iônica, dissolução e alterações no complexo sortivo solo – começaram a

ser exploradas tendo em vista a melhoria das propriedades físicas do solo, no

denominado tratamento eletroquímico. Atualmente, além do tratamento eletroquímico,

grande parte da aplicação da eletrocinética é voltada à remediação do solo.

2 1.1. APLICAÇÃO DA ELETRO-OSMOSE

A eletro-osmose para o adensamento de solos foi utilizada pela primeira vez em 1939, em Salzgitter, na Alemanha, e foi conduzida por Leo Casagrande (CASAGRANDE, 1952). Durante a escavação para a construção de uma ferrovia e após a ocorrência de deslizamentos, os trabalhos foram interrompidos e algumas ações emergenciais tiveram que ser tomadas. Após a verificação da impossibilidade de utilização de ponteiras filtrantes, decidiu-se pelo emprego da técnica eletrocinética. O procedimento, que durou algumas semanas, foi bem-sucedido e as obras puderam ser finalizadas.

Após a utilização pioneira e com sucesso da eletrocinética, a técnica foi aplicada em outras ocasiões, como em uma escavação de uma argila sensível para a construção de um abrigo submarino na Noruega, durante a Segunda Guerra Mundial. Casagrande (1952) enfatiza que, para que a técnica seja econômica e eficiente, o gradiente elétrico deve ser no máximo 0,5 V/cm. Segundo o autor, os anodos utilizados podem ser peças metálicas, como trilhos usados e, para a saída de água no catodo, pode-se utilizar tubos perfurados ou ponteiras filtrantes.

O vislumbramento da eletrocinética para além dos seus efeitos de adensamento eletro-osmótico ganhou notoriedade quando, em 1937, Casagrande patenteou a utilização de eletrodos de alumínio para o que ele denominou de eletroendurecimento do solo. A técnica foi utilizada para a estabilização de um talude no norte da Itália.

Em 1961, foi registrada a aplicação da eletrocinética tendo em vista o tratamento eletroquímico do solo combinado com a eletro-osmose (BALLY E ANTONESCU, 1961). O procedimento, denominado “eletrosilicatização”, foi realizado em uma areia movediça siltosa na Romênia, com aplicação simultânea de uma corrente elétrica e injeção de soluções de silicato de sódio e cloreto de cálcio nos anodos. Após o tratamento, que permitiu o adensamento do solo e a circulação das soluções, o estado de areia movediça foi contornado e as partículas de solo foram endurecidas através da formação de silicato de cálcio, “revestindo” as partículas e aumentando a resistência do solo.

Pode-se citar também Dearstyne e Newman (1963) que, na década de 1960, utilizaram um tratamento eletroquímico, com introdução de soluções para impermeabilização do solo do Aeroporto de Seattle-Tacoma, nos Estados Unidos, evitando a percolação de água nas trincas das pistas do aeroporto, sem interferência no tráfego aéreo.

Outra aplicação importante da eletro-osmose no adensamento do solo ocorreu no ano

de 1964, quando Bjerrum e sua equipe fizerem uso da eletro-osmose para a

3

estabilização de uma escavação em uma argila sensível, tendo em vista a construção de uma estação de tratamento de esgoto, na cidade de As, na Noruega (BJERRUM et al., 1967). Os eletrodos eram barras de 19 mm de diâmetro e 10 m de comprimento e o procedimento durou 120 dias.

De acordo com Bjerrum et al. (1967), nas proximidades dos anodos o teor de umidade diminuiu 7% e a resistência ao cisalhamento do solo aumentou mais de 1000 % e, próximo aos catodos, não houve aumento de resistência. A sensibilidade da argila diminuiu drasticamente. Após o tratamento, o limite de liquidez aumentou aproximadamente 30% próximo aos anodos e permaneceu inalterado próximo aos catodos. O limite de plasticidade não mudou de forma significativa. A mudança nos limites de Atterberg foi atribuída à variação do pH do solo, que ocasionou uma alteração no seu complexo sortivo, em especial a incorporação de íons de alumínio no argilomineral. Em contrapartida, Gray e Schlocker (1969) observaram uma diminuição do limite de liquidez de uma bentonita quando submetida à eletrocinética com introdução de íons de alumínio, especialmente próximo ao anodo.

Além das aplicações mencionadas, pode-se citar: Fetzer (1967), que reportou a utilização da eletrocinética para a estabilização de uma barragem de terra em Ohio, nos Estados Unidos; Chappell e Burton (1975), na estabilização de um aterro em Singapura; Lo e Ho (1991), no adensamento de uma argila sensível no Canadá. Mais recentemente, alguns exemplos de utilização da eletrocinética no tratamento eletroquímico do solo, com utilização de silicato de sódio e cloreto de cálcio, podem ser destacados, como os casos reportados por Barker et al. (2004), no tratamento de uma argila siltosa no País de Gales, e Chien et al. (2014), que aplicaram a eletrocinética em um solo fino de Taiwan.

1.2. OBJETIVOS

O principal objetivo da pesquisa foi o estudo dos parâmetros geotécnicos de um solo fabricado e de um solo natural tropical após a aplicação da técnica eletrocinética.

Paralelamente, foram feitas investigações concernindo a evolução do pH após o ensaio, almejando-se a determinação do “tempo de equalização” do solo, definido como o período necessário para que o solo recuperasse a condição de equilíbrio físico-químico após o fim da eletrocinética.

A evolução dos parâmetros elétricos dos solos, monitorados durante os ensaios

eletrocinéticos, e a relação desses parâmetros com as propriedades físico-químicas

dos solos – tais como o ponto de carga zero, a capacidade tampão e a capacidade de

4

troca de cátions – também foram abordadas. Os mecanismos intervenientes na quantidade de fluxo eletro-osmótico extraído durante os ensaios eletrocinéticos foram aprofundados, tendo em vista que ambos os solos, embora cauliníticos, apresentaram comportamentos distintos quando da utilização da técnica.

As amostras de solo tropical são altamente intemperizadas e apresentam óxido de ferro e alumínio na sua composição. Além de serem muito heterogêneas, as amostras possuem agregados formados por partículas de argila ligadas entre si por agentes alumino-ferruginosos. Dessa forma, este trabalho também objetivou a caracterização e o estudo do comportamento mecânico de solos tropicais, através da realização de diversos ensaios, como de granulometria, difração de raios X, resistência ao cisalhamento e limites de Atterberg.

Finalmente, como objetivo secundário, tem-se a adaptação do aparato eletrocinético concebido por Schmidt (2004), através da substituição dos eletrodos de aço inox e grafite por eletrodos de DSA® e da alteração da localização dos eletrodos para um posicionamento junto ao solo, tendo em vista que, até então, eles eram utilizados afastados da amostra. Com isso esperava-se reduzir a corrosão dos anodos e também aumentar a eficiência do potencial elétrico aplicado na amostra em relação ao potencial elétrico aplicado externamente.

1.3. DESCRIÇÃO DOS CAPÍTULOS

O Capítulo 2 trata de algumas características de solos tropicais cauliníticos e dos principais fundamentos da eletrocinética utilizados no desenvolvimento da pesquisa, como a Teoria da Dupla Camada, o Potencial Zeta, os fenômenos eletrocinéticos propriamente ditos e os fatores intervenientes na utilização da técnica. Ao fim do capítulo, é apresentado o conceito de “Tempo de equalização”.

O Capítulo 3 engloba a metodologia utilizada nos ensaios de laboratório, apresentando os solos utilizados, os procedimentos de moldagem dos corpos-de-prova e a descrição da metodologia utilizada nos ensaios eletrocinéticos. Os métodos utilizados com o solo sem estar submetido à eletrocinética e após a utilização da técnica também são abordados.

O Capítulo 4 apresenta os resultados dos ensaios realizados no caulim e o Capítulo 5

os resultados obtidos com as amostras de solo tropical. Os dois capítulos exibem a

caracterização geotécnica e química dos solos, além dos resultados dos ensaios

eletrocinéticos e dos experimentos realizados após a técnica.

5

As principais conclusões do trabalho são apresentadas no Capítulo 6, além das

sugestões para pesquisas futuras.

6 2. FUNDAMENTOS E ESTADO DA ARTE

O comportamento dos solos quando submetidos à técnica eletrocinética depende das características das instalações elétricas (e.g., material, dimensões e arranjo dos eletrodos; diferença de potencial elétrico aplicada) e das propriedades físico-químicas e elétricas do solo e da sua solução intersticial. Dessa forma, o tema abordado abrange muitos conceitos e tratamentos mais aprofundados podem ser visualizados, por exemplo, em Casagrande (1949), Casagrande (1952), Mitchell e Soga (2005) e Schmidt (2004). Neste trabalho, são apresentados os principais fundamentos da eletro-osmose aplicada a solos tropicais e os aspectos mais relevantes no que tange as alterações das propriedades geotécnicas dos solos quando da utilização da técnica.

2.1. CARACTERÍSTICAS DOS SOLOS TROPICAIS

A fração de argila dos solos é formada por minerais cujas cargas superficiais são constantes e por minerais cujas cargas dependem do pH da solução do solo. Os solos consistem em uma mistura desses dois tipos de minerais (VAN RAIJ, 1973; UEHARA, 1979). Durante muitos anos, grande parte das pesquisas estava voltada para os minerais de cargas permanentes, predominantes na América do Norte e na Europa.

Apenas após a Segunda Guerra Mundial, com o desenvolvimento de novas tecnologias, como a difração de raios X, os conhecimentos acerca da ciência dos solos começaram a ser organizados em uma escala global, destacando-se o manual norte americano “Soil Taxonomy”, de 1975 (UEHARA, 1979).

Os solos de clima temperado são compostos predominantemente por minerais do tipo 2:1 (e.g., esmectita, vermiculita, ilita, clorita). Os minerais 1:1 (e. g., caulinita e haloisita) são predominantes em solos altamente intemperizados, onde a precipitação é elevada e que possuem boa drenagem (MITCHELL E SOGA, 2005). De acordo com van Raij (1973), em minerais do tipo 2:1, a carga negativa dos argilominerais é permanente e decorre de substituições isomórficas na estrutura cristalina. Em contrapartida, minerais 1:1 apresentam poucas substituições isomórficas e suas cargas são variáveis.

Uma característica muito relevante em solos tropicais é a presença de estruturas

ligadas umas às outras por agentes alumino-ferruginosos, formando agregados. Esses

agregados, quando solicitados, podem ser destruídos e, por essa razão, a presença

dessas estruturas pode não ser apreciada do ponto de vista de engenharia

(VAUGHAN, 1990; GIDIGASU, 1976).

7

Segundo o “Mapa de Solos do Brasil”, do IBGE e da Embrapa (2001), nas proximidades do distrito de Triunfo, Rondônia, localidade de um dos solos estudados, há o predomínio de latossolos amarelos e vermelho-amarelos.

Conforme o documento “Sistema Brasileiro de Classificação de Solos”, da Embrapa (2006), os latossolos são caracterizados por baixa capacidade de troca de cátions, elevado grau de intemperização e argila com alta resistência à dispersão. A relação molecular SiO

/Al

O

(Ki) é inferior a 2,2 e a capacidade de troca de cátions deve ser menor que 17 meq/100g de solo seco. Latossolos têm predominância de caulinita e óxidos de ferro e alumínio em sua constituição.

2.1.1. Caulinita

A unidade cristalográfica das caulinitas é composta por lâminas de sílica e alumina, ligadas fortemente por átomos de oxigênio. As unidades cristalográficas são ligadas entre si por ligações de hidrogênio e forças de van der Waals, formando um reticulado sem expansão (MITCHELL E SOGA, 2005). O esquema da estrutura da caulinita é apresentado na Figura 2.1.

Figura 2.1 – Esquema de representação da caulinita

As pontas do tetraedro de sílica, formadas por íons de oxigênio, e um dos planos de

átomos da lâmina octaédrica são comuns. Dois terços dos átomos no plano comum às

duas lâminas são oxigênios e são compartilhados por cátions das duas lâminas. O

restante dos átomos nesse plano são hidroxilas, ligadas a íons de alumínio da lâmina

octaédrica. Os íons de oxigênio no plano basal da lâmina tetraédrica na caulinita são

ligados por um par de íons de silício, enquanto os íons de oxigênio na ponta da lâmina

tetraédrica são ligados por dois íons de alumínio, assim como as hidroxilas no interior

8

do cristal. As ligações na estrutura da caulinita e a sua distribuição de cargas estão apresentadas na Figura 2.2.

Considerando a estrutura da caulinita com uma extensão infinita, ela seria completamente estável. No entanto, os íons de oxigênio e as hidroxilas nas arestas do argilomineral, que possuem uma estrutura finita, sempre estão com déficit de cátions, possibilitando a ligação de cátions adicionais (SPOSITO, 2008).

Figura 2.2 – Distribuição de cargas da caulinita (Adaptado de MITCHELL E SOGA, 2005)

O principal mecanismo de troca das caulinitas, segundo Grim (1953) e Mitchell e Soga (2005), são as ligações quebradas nas arestas das lâminas de sílica e alumina, criando cargas desbalanceadas que são equilibradas por cátions adsorvidos. O número de ligações quebradas aumenta com a diminuição do tamanho das partículas.

Além disso, distorções na estrutura dos cristais aumentam o número de ligações quebradas e, portanto, a capacidade de troca tende a ser maior com a diminuição do grau de cristalinidade.

Os hidrogênios expostos nas hidroxilas, presentes nas arestas quebradas dos argilominerais, podem ser substituídos por cátions trocáveis. No entanto, segundo Grim (1968), esse mecanismo é pouco provável, pois os hidrogênios possivelmente não seriam substituídos sob as condições em que ocorrem as reações de troca.

Embora alguns autores atribuam às ligações quebradas das arestas das partículas a

presença de sítios de troca na caulinita, Van Olphen (1963) defende que os cátions

trocáveis da caulinita estejam localizados na superfície “plana” dos argilominerais, e

9

não nas arestas, compensando uma carga negativa decorrente de substituições isomórficas nos cristais, através do mesmo mecanismo existente na montmorilonita.

Devido à dificuldade de penetração dos íons dentro dos cristais, a capacidade de adsorção da caulinita é baixa e ocorre nas suas superfícies externas. Por essa razão, segundo Mitchell e Soga (2005), a troca iônica é praticamente instantânea. Nas esmectitas, porém, a troca requer mais tempo, uma vez que a maior parte da sua capacidade de troca de íons localiza-se entre as lâminas do cristal.

De acordo com Mitchell e Soga (2005), as partículas de caulinita são carregadas positivamente nas suas arestas em ambientes de baixo pH e negativamente em ambientes de pH elevado. A presença de arestas carregadas positivamente favorece a floculação do argilomineral e uma maneira de dispersar o sistema é inverter a carga das arestas, por exemplo adicionando soluções que elevem o pH do meio, eliminando a atração face-aresta (VAN OLPHEN, 1963). Solos floculados normalmente são muito mais volumosos quando comparados a solos dispersos na mesma concentração, que apresentam um arranjo mais denso e com menos vazios.

2.2. PROPRIEDADES ELÉTRICAS DE SISTEMAS ARGILA-ÁGUA

2.2.1. Teoria da Dupla Camada

As propriedades elétricas de sistemas argila-água são determinadas principalmente pela dupla camada na superfície dos argilominerais (VAN OLPHEN, 1963). Serão detalhadas a Teoria de Helmholtz, que distinguiu a água em tubos capilares ligada às suas paredes (composta por íons de carga negativa fortemente aderidos) da água livre (composta por íons móveis de carga positiva), e a Teoria de Gouy-Chapman, que considera ainda a distribuição das cargas elétricas na superfície das partículas. Por fim, a contribuição de Stern que leva em conta o tamanho dos íons aderidos à superfície da partícula será mencionada.

• A Teoria de Helmholtz

O estudo da dupla camada teve início em 1879, quando Helmholtz distinguiu a água

livre em um tubo capilar do filme de água imediatamente adjacente às paredes do tubo

capilar. Esse filme de água foi denominado por ele de dupla camada, uma vez

assumida a existência de cargas elétricas opostas em duas camadas. A primeira delas

é muito fina e normalmente apresenta cargas negativas, sendo fortemente ligada às

10

paredes do tubo. A segunda camada é espessa e móvel, tendo em vista que quando um potencial elétrico é aplicado ao tubo capilar, as cargas positivas se movem para o polo negativo, carregando consigo moléculas de água.

Circundado pela dupla camada, a água livre é arrastada pela parte móvel da camada dupla. O deslocamento do líquido quando da aplicação do potencial elétrico é conhecido como eletro-osmose (CASAGRANDE, 1952), que é um dos fenômenos eletrocinéticos. Como os vazios presentes em solos finos são muito pequenos, eles podem ser associados a tubos capilares. Assumindo que não há outras forças atuando no cilindro de água livre, a taxa de fluxo é constante e a distribuição da velocidade no tubo capilar pode ser ilustrada conforme a Figura 2.3.

Figura 2.3 – Fluxo eletro-osmótico em tubos capilares (Adaptado de CASAGRANDE, 1952)

Da contribuição de Helmholtz, seguiu-se o conceito de dupla camada difusa, que considera que a concentração de íons diminui com a distância da superfície da partícula, uma vez que eles tendem a se difundirem. Segundo Mitchell e Soga (2005), diversas teorias propõem uma descrição quantitativa da distribuição de íons adjacentes às superfícies carregadas, destacando-se a teoria de Gouy-Chapman.

• A teoria de Gouy-Chapman e a camada de Stern

As substituições isomórficas que ocorrem nos argilominerais são responsáveis pelo

desequilíbrio de cargas elétricas das partículas de argila, que em geral são carregadas

negativamente. De forma a preservar a neutralidade de cargas elétricas, cátions são

11

atraídos e ligados entre as camadas, nas superfícies e nas arestas das partículas (MITCHELL E SOGA, 2005).

Em uma argila seca, cátions adsorvidos são fortemente aderidos às partículas carregadas negativamente. Além dos cátions necessários à neutralização da eletronegatividade das partículas, cátions em excesso e seus ânions associados estão presentes na forma de sais precipitados. Quando a argila é colocada em água, os sais se dirigem para a solução (MITCHELL E SOGA, 2005; YEUNG, 2006).

De acordo com Mitchell e Soga (2005), a concentração de cátions adsorvidos é muito maior nas imediações da superfície das partículas, havendo difusão para equalizar a concentração. Por outro lado, o campo elétrico negativo na superfície da partícula restringe a difusão. A superfície carregada e a distribuição das cargas são chamadas dupla camada difusa (Figura 2.4), sendo a teoria da dupla camada difusa de Gouy- Chapman (GOUY, 1910; CHAPMAN, 1913) a mais conhecida.

Figura 2.4 – Representação da dupla camada difusa (Adaptado de MITCHELL E SOGA, 2005)

A teoria de Gouy-Chapman faz uma série de considerações simplificadoras, dentre

elas o tratamento dos íons como cargas pontuais, embora eles possuam tamanhos

finitos e, portanto, a sua concentração na superfície da partícula é menor do que o

previsto pela teoria, sendo a concentração máxima determinada pelo raio de

hidratação dos cátions.

12

A modificação dessa teoria levando em consideração o tamanho finito dos íons foi feita, dentre outros autores, por Stern (1924). A camada de Stern (Figura 2.5) consiste de íons aderidos fortemente à superfície da partícula, sendo a camada tão mais espessa quanto maior o íon. Adjacente a essa camada, encontra-se a camada difusa (MITCHELL E SOGA, 2005).

2.2.2. Potencial Zeta

O potencial eletrocinético do solo, ou Potencial Zeta, é definido como o potencial existente entre as partes rígidas e móveis da dupla camada (CASAGRANDE, 1952). O Potencial Zeta, potencial na superfície de deslizamento, está localizado a uma distância pequena e desconhecida da superfície das partículas, conforme esquematizado na Figura 2.5 (MITCHELL E SOGA, 2005).

Figura 2.5 – Representação do Potencial Zeta (Adaptado de KAYA E FANG, 1996)

Na maior parte dos solos, devido às substituições isomórficas e à presença de

ligações quebradas nas arestas dos argilominerais, o Potencial Zeta é negativo

(YEUNG et al., 1997). Balanceando as cargas negativas, há íons positivos móveis na

solução intersticial e, na presença de um campo elétrico, os íons positivos exercem

13

mais momento do que os íons negativos do fluido intersticial. Dessa forma, o fluido se locomove no sentido anodo-catodo por eletro-osmose.

Embora seja normalmente negativo, o Potencial Zeta depende do ponto de carga zero, definido como o valor de pH no qual a carga líquida da superfície da partícula é zero (SPOSITO, 1998). Quando o pH do solo é superior ao ponto de carga zero, o Potencial Zeta do solo é negativo e o fluxo resultante ocorre do anodo para o catodo.

Quando o pH do solo é inferior ao ponto de carga zero, o Potencial Zeta se torna positivo e o sentido do fluxo eletro-osmótico resultante é do catodo para o anodo (YEUNG, 2006).

2.3. ELETROCINÉTICA

A eletrocinética ocorre quando duas fases se movem uma em relação à outra e uma dupla camada difusa existe na interface entre as duas fases (VAN OLPHEN, 1963).

Em se tratando de solos, considerar-se-ão as fases líquida e sólida.

Os fenômenos eletrocinéticos que se desenvolvem da associação entre gradientes e fluxos hidráulicos e elétricos em solos finos são eletro-osmose, eletroforese, potencial de corrente e potencial de sedimentação (MITCHELL E SOGA, 2005). Além desses fenômenos, alguns autores ainda incluem migração iônica como sendo um quinto processo eletrocinético (HSU et al., 2011).

Do ponto de vista geotécnico, a eletro-osmose e a migração iônica são os fenômenos eletrocinéticos mais relevantes, uma vez que podem ser usados para o adensamento de solos finos (adensamento eletro-osmótico) e para potencializar o transporte de íons em tratamentos eletroquímicos do solo, respectivamente.

2.3.1. Eletro-osmose

De acordo com Mitchell e Soga (2005), quando uma diferença de potencial elétrico é aplicada através de uma massa úmida de solo, os cátions móveis da dupla camada são atraídos para o catodo e ânions para o anodo. À medida que os íons se locomovem, eles carregam consigo sua água de hidratação, exercendo um arraste viscoso na água do entorno. Em solos carregados negativamente, há mais cátions móveis que ânions, ocorrendo fluxo de água resultante na direção do catodo, denominado eletro-osmose.

A quantidade de líquido removida de um solo saturado (Q

, L³.T

) quando da

aplicação de uma diferença de potencial elétrico pode ser descrita pela Equação 2.1,

14

segundo o modelo de Helmholtz, que descreve o deslocamento de um fluido em um tubo capilar. De acordo com Mitchell e Soga (2005), a teoria de Helmholtz está entre as mais antigas e mais utilizadas.

= . . . ∆ ∆ . (2.1)

Da Equação 2.1, ζ é o Potencial Zeta (V), D a constante dielétrica do fluido (Farad.L

), η a viscosidade do fluido (F.T.L

²), n é a porosidade, ΔE é a diferença de potencial aplicada (V), ΔL é o comprimento do canal por onde ocorre o fluxo (L), ou a distância entre os eletrodos, e A é a área da seção transversal, normal à direção do fluxo (L²).

De forma análoga à lei de Darcy para o fluxo hidráulico, pode-se escrever a Equação 2.1 conforme a seguir (Equação 2.2):

= . . (2.2)

Onde i

é o gradiente elétrico ΔE/ΔL (V.L

) e k

é denominado coeficiente de permeabilidade eletro-osmótica (L².V

.T

). Portanto, a magnitude do fluxo eletro- osmótico depende de k

e do gradiente de voltagem aplicado. Observando-se as Equações 2.1 e 2.2, o coeficiente de permeabilidade eletro-osmótica pode ser definido segundo a Equação 2.3:

= . . (2.3)

Mitchell e Soga (2005) enfatizam a independência de k

do tamanho dos poros. Por

outro lado, o coeficiente de permeabilidade hidráulica, k

, depende do tamanho e

forma dos poros do solo e da tortuosidade do meio. Em solos argilosos, essas

relações são complexas uma vez que, no geral, as argilas não apresentam tamanho

dos poros uniformes e as alterações na solução intersticial frequentemente são

acompanhadas por mudanças no arranjo das partículas. A despeito das dificuldades

na previsão da permeabilidade hidráulica de solos finos, k

varia aproximadamente

com o quadrado do tamanho característico dos poros tanto em solos coesivos quanto

em solos não coesivos (MITCHELL E SOGA, 2005).

15

Ademais, em geral considera-se que k

não varia muito de um solo para outro e, de acordo com estes autores, normalmente o coeficiente de permeabilidade eletro- osmótica varia entre 1 x 10

a 1 x 10

m/s por V/m (ou m²/s.V). Casagrande (1949), por sua vez, considera k

da ordem de 5 x 10

m/s por V/m.

É importante notar, no entanto, que Hamed et al. (1991) observaram a variação de k

no tempo devido às alterações químicas da solução dos poros e constataram um decréscimo desse parâmetro de até uma ordem de grandeza ao longo do ensaio.

Observações similares foram feitas por Casagrande (1983).

2.3.2. Condições de drenagem

Considerando-se a massa de solo saturada e as propriedades físico-químicas do solo uniformes no tempo e no espaço, as condições de drenagem do sistema podem gerar poropressões positivas ou negativas. De acordo com Esrig (1968), as possíveis condições de drenagem do sistema eletrocinético são (Figura 2.6):

a) Anodo e catodo abertos: ocorre livre acesso de água no anodo e no catodo, não havendo geração de excesso de poropressões;

b) Anodo fechado e catodo aberto: o acesso de água não é permitido no anodo, porém é livre no catodo. Há desenvolvimento de excesso de poropressões negativas ao longo do solo. No catodo, por onde a água é drenada livremente, a poropressão é nula;

c) Anodo aberto e catodo fechado: livre acesso de água no anodo e no catodo o acesso não é permitido. Ocorre o desenvolvimento de excesso de poropressões positivas no catodo, havendo fluxo hidráulico contrário ao eletro- osmótico, ou seja, do catodo para o anodo.

A drenagem livre nas duas extremidades permite a simplificação do estudo, uma vez

que, considerando a massa de solo uniforme, em tese, não há gradiente hidráulico

oriundo da geração de excesso de poropressões. Na prática, porém, durante o

procedimento eletrocinético, não uniformidades são geradas no solo, como a variação

do pH e da concentração iônica, desenvolvendo-se assim gradientes de voltagem não

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uniformes ao longo do solo e, consequentemente, excesso de poropressão (ESRIG, 1968).

O sistema estudado foi concebido para a condição de contorno anodo e catodo abertos. Todavia, tendo em vista que, na engenharia geotécnica, o adensamento de solos finos é um aspecto importante a ser estudado, será sucintamente detalhada a seguir a condição anodo fechado e catodo aberto, aplicada quando almeja-se o adensamento eletro-osmótico do solo.

Figura 2.6 – Condições de drenagem e o desenvolvimento de poropressões (Adaptado de ESRIG, 1968)

2.3.3. Adensamento eletro-osmótico

De acordo com Mitchell e Soga (2005), se, em um solo compressível, a eletro-osmose

gera o movimento de água para o catodo, onde a água é drenada e, além disso,

nenhuma água é permitida entrar no anodo, então o adensamento do solo entre os

eletrodos é correspondente ao volume de água removido. A saída de água do anodo

gera o adensamento nas suas imediações, levando ao aumento das tensões efetivas.

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Como a tensão total nas proximidades do anodo permanece essencialmente inalterada, as poropressões diminuem. No catodo, por onde a água é drenada, não ocorre adensamento e, portanto, as poropressões permanecem as mesmas. Dessa forma, é gerado um gradiente hidráulico que tende a gerar um fluxo do catodo para o anodo. O adensamento continua até que a força hidráulica balanceie a força eletro- osmótica.

Ao fim do adensamento eletro-osmótico, ocorre o desenvolvimento de poropressões negativas, proporcionais à relação k

/k

e à voltagem, conforme explicitado na Equação 2.4 (MITCHELL E SOGA, 2005). Considerando a tensão total como constante, deve haver um aumento na tensão efetiva devido ao desenvolvimento de poropressões negativas, levando ao adensamento. Os valores de k

/k

e de ΔE podem ser tomados em qualquer ponto de interesse.

= − . . (2.4)

Na Equação 2.4, u é a poropressão (F.L

), k

é o coeficiente de permeabilidade hidráulica (L.T

) e γ

é o peso específico da água (F.L

).

Os autores observam que, dada uma voltagem, a poropressão negativa é largamente dependente do coeficiente de permeabilidade hidráulica, uma vez que, conforme dito anteriormente, normalmente considera-se que o coeficiente de permeabilidade eletro- osmótica varia muito pouco de um solo para o outro. Portanto, o potencial de adensamento pela eletro-osmose é tão maior quanto menor o tamanho dos grãos, ou seja, quanto menor k

.

A taxa de adensamento depende do coeficiente de adensamento, que varia com k

e com o coeficiente de variação volumétrica do solo e é independente de k

(Equação 2.5). Portanto, valores baixos de k

levam a um elevado tempo de adensamento.

Dessa forma, não obstante um valor baixo de k

implicar em uma relação k

/k

elevada, gerando um aumento na tensão efetiva, o tempo de adensamento é tão maior

quanto menor o coeficiente de permeabilidade hidráulica. A situação ótima é quando

k

/k

é suficientemente grande para elevar a tensão efetiva, mas k

é elevado o

bastante para permitir o adensamento em um tempo razoável. Os tipos de solos que

melhor satisfazem essas condições são siltes, siltes argilosos e argilas siltosas

(MITCHELL E SOGA, 2005). Na Equação 2.5, c

é o coeficiente de adensamento

(L².T

) e m

o coeficiente de variação volumétrica (L².F

).