O EMPREGO DO PERMEÂMETRO DE GUELPH NA DETERMINAÇÃO DA PERMEABILIDADE DO SOLO, DE CAMADAS DE LIXO E SUA COBERTURA
Adriana Briggs de Aguiar
TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA CIVIL.
Aprovada por:
_________________________________________________ Prof. Cláudio Fernando Mahler, D. Sc.
_________________________________________________ Prof. Maurício Ehrlich, D. Sc.
_________________________________________________ Prof. Márcio de Souza Soares de Almeida, D. Sc.
_________________________________________________ Prof. Theophilo Ottoni Filho, D. Sc.
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AGUIAR, ADRIANA BRIGGS DE
O emprego do Permeâmetro de Guelph na determinação da permeabilidade do solo, de camadas de lixo e sua cobertura [Rio de Janeiro] 2001
XVII, 90 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M. Sc., Engenharia Civil, 2001)
Tese – Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE
1. Permeabilidade
2. Permeâmetro de Guelph
Resumo da Tese apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M. Sc.)
O EMPREGO DO PERMEÂMETRO DE GUELPH NA DETERMINAÇÃO DA PERMEABILIDADE DO SOLO, DE CAMADAS DE LIXO E SUA COBERTURA
Adriana Briggs de Aguiar
Junho/2001
Orientador: Cláudio Fernando Mahler
Programa: Engenharia Civil
O presente trabalho descreve alguns ensaios de permeabilidade realizadas com o Permeâmetro de Guelph, que é um aparelho para realização de ensaios in situ para a obtenção da condutividade hidraulica saturada, através de um furo com carga de pressão constante.
Realizaram-se ensaios em leiras construídas para um projeto piloto de pré-tratamento de lixo, ou seja, em um material mecanicamente pré tratado, em um solo, cujas características eram previamente conhecidas, utilizando soluções com diferentes concentrações eletrolíticas e em talude de cobertura de aterro sanitário, cuja inclinação inviabilizaria qualquer ensaio in situ tradicional.
O interesse cada vez maior sobre as características de um aterro sanitário e as dificuldades e custos dos ensaios de permeabilidade in situ mais conhecidos e estudados, tornam este estudo de muita utilidade e importância. Apesar do ensaio com o Permeâmetro de Guelph não resolver o problema da representatividade dos resultados, ele pode ser realizado em maior quantidade de pontos, pois não é necessário muito tempo para realizá-lo, nem para a retirada de amostras indeformadas de lixo.
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Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science (M. Sc.)
THE USE OF GUELPH PERMEAMETER TO DETERMINE SOIL PERMEABILITY, WASTE PERMEABILITY AND LANDFILL CAP PERMEABILITY
Adriana Briggs de Aguiar
June/2001
Advisor: Cláudio Fernando Mahler
Department: Civil Engineering
In this work, the Guelph Permeameter is used and some permeability tests are described. The hydraulic conductivity of saturated soils is measured in situ with this constant head well permeameter.
Some tests were done in two waste windrows constructed to obtain a settlement model. Some tests were done with different electrolyte concentrations and some others were done in a landfill cap.
The difficulties, the time spent and the cost of traditional in situ permeability tests were the reasons to develop tests using Guelph permeameter. Despite the low representativeness of the results, it is possible to perform several tests in a short period of time, without the use of undisturbed test specimen.
AGRADECIMENTOS
Aos meus colegas de curso que tornaram o mestrado muito agradável; Aos mestres que transmitiram seus conhecimentos de forma tão competente; À Bianca por me ensinar a trabalhar com o Guelph; À Maria da Glória que preparou tão gentilmente as soluções salinas; Ao Júlio pela companhia nos ensaios em Santo Amaro; Ao meu orientador Cláudio Mahler pela sua paciência e seu apoio; Aos meus amigos por estarem sempre presentes; Aos meus familiares pela torcida; À Cecília pelas fotos digitalizadas; Ao meu irmão, meus pais e meu marido pelo grande incentivo, não deixando que eu desanimasse. E pelo amor que nos une e me dá ânimo para continuar sempre.
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ÍNDICE
1. Introdução 01 1.1. Considerações Iniciais 01 1.2. Objetivos do Trabalho 01 2. Revisão Bibliográfica 03 2.1. Permeabilidade 03 2.2. Lei de Darcy 04 2.3. Ensaios de Permeabilidade 05 2.4. Líquido Percolante 10 2.4.1. Água 10 2.4.2. Contaminante 122.5. Dupla Camada Difusa 13
3. Permeâmetro de Guelph 17
3.1. Fundamentos Teóricos 22
3.2. Fundamento Operacionais 24
3.3. Experiências Realizadas 31
3.3.1. Leiras de pré tratamento mecânico biológico 31 3.3.2. Estação Agrometeorológia Experimental 34
3.3.3. Aterro Sanitário Santo Amaro 41
3.3.4. Tabela de Resultados Experimentais 45
4. Análise dos Resultados 47
4.1. Usina de Reciclagem de Jacarepaguá 47
4.2. Estação Agrometeorológia Experimental 50
4.3. Aterro Sanitário Santo Amaro 54
5. Conclusão 55
5.1. Sugestões de estudos futuros 56
1.
INTRODUÇÃO
1.1. CONSIDERAÇÕES INICIAIS
Quando se fala em preservação do meio ambiente, imediatamente nosso pensamento é voltado para as florestas, os mares, a biodiversidade... Problemas grandes, importantes e reais. Mas o lixo era esquecido. O problema se resolvia a partir do momento que este era recolhido e levado para bem longe. Ninguém se interessava em saber para onde
foram os resíduos e como foram dispostos.
Há pouco tempo, com o aumento muito grande da quantidade de resíduos sólidos urbanos e do aumento de periculosidade das substâncias rejeitadas, é que se atentou para o fato de que o lixo é um problema para os solos, as águas e a atmosfera. Descobriu-se, então, que pouco se sabia sobre o comportamento de um aterro de lixo. Sua composição, seus parâmetros de resistência, sua permeabilidade, entre outros eram desconhecidos.
Por isso se faz importante que pesquisas sejam realizadas para que tais parâmetros e os comportamentos mecânico e químico sejam conhecidos e compreendidos, que novos aparelhos sejam desenvolvidos e/ou testados para caracterizar os aterros de resíduos sólidos, além de novas técnicas de disposição final do lixo ou seu reaproveitamento.
1.2. OBJETIVOS DO TRABALHO
O objetivo deste trabalho, foi estudar a viabilidade e eficiência do uso do Permeâmetro de Guelph na medição da permeabilidade de coberturas de aterros e outros
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influência de diferentes fluidos na permeabilidade, fator este relevante no estudo de liners de aterros de resíduos sólidos.
A tese consta de três experiências feitas com o Permeâmetro de Guelph. Este permeâmetro foi desenvolvido para ensaios em solos homogêneos, rígidos e isotrópicos, mas o objetivo do trabalho foi testá-lo em situações e meios diferentes dos que foram primordialmente idealizados. O fato de ser um aparelho muito prático de carregar, instalar e manejar, foi a motivação para estender seu uso. Hoje em dia os ensaios de permeabilidade in situ são muito demorados e os aparelhos grandes e complicados.
A primeira experiência foi feita em leiras, que faziam parte do projeto de pré tratamento do lixo da empresa alemã FABER AMBRA – Projeto COPPETEC (EC-671), em experiência realizada no pátio da Usina de Compostagem da COMLURB em Jacarepaguá. Neste caso o objetivo era verificar o comportamento do permeâmetro em resíduos sólidos mecanicamente pré tratados e em processo aeróbio de degradação.
A Segunda se deu em um solo da Ilha do Fundão. O local escolhido foi a área onde está a Estação Agrometeorológica Experimental da UFRJ, ao lado do CCMN. A escolha se deve ao fato de já termos caracterizado o solo desta área. O objetivo, então, foi comparar a
velocidade de percolação da água neste solo com a velocidade de percolação de uma solução de CaSO4. Logo, se provaria que o Permeâmetro de Guelph também pode ser
utilizado com soluções diferentes da água, desde que estas sejam compatíveis com o material com o qual o Guelph é construído.
E, finalmente, a última experiência foi no solo de cobertura do aterro de Santo Amaro. Nesta experiência, seria verificado de maneira rápida e prática se a permeabilidade da cobertura do aterro estava dentro das normas, com o objetivo específico de avaliar ou não a eficácia do permeâmetro neste tipo de meio. Além disso, os ensaios foram realizados em taludes onde, a princípio, os métodos tradicionais de ensaios de permeabilidade in situ não poderiam ser realizados por causa da inclinação.
2.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 PERMEABILIDADE
Do dicionário se tira que permeabilidade é “a qualidade do que é permeável”. E permeável é “o que pode ser repassado ou transpassado; diz-se do terreno que absorve facilmente as águas”. Sabe-se, entretanto, que todos os solos, por serem meios porosos, são permeáveis, uns mais, outros menos. E a velocidade desta percolação é pesquisada, pois ela
será importante para a verificação da eficiência de barreiras de contaminantes, para o cálculo do balanço hídrico e da quantidade de água necessária para irrigação e para o estudo de inúmeros problemas geotécnicos como, por exemplo, a estabilidade de encostas.
Neste estudo as expressões permeabilidade e condutibilidade serão usadas indistintamente, significando condutividade hidráulica.
A composição mineralógica, o tamanho e a distribuição das partículas do solo, os vazios do solo e as características dos fluidos percolantes são fatores que influenciam a condutividade hidráulica do solo, ou permeabilidade. Outro fator importante de influência na velocidade de percolação dos fluidos no solo é a presença de matéria orgânica, a qual pode diminuir a permeabilidade do solo quando encontrada em quantidades menores e totalmente decomposta, ou pode aumentar a permeabilidade quando encontrada em grande quantidade no solo e pouco decomposta.
Segundo Stephens (1996), a velocidade de percolação, na zona não saturada, varia em função das propriedades do meio poroso, das características do fluido e do teor de umidade volumétrica do material. Quanto maior a umidade, maior a condutividade hidráulica, pois a área útil condutora de água vai se tornando menor à medida que o teor de água decresce. É, então, fácil constatar que na zona saturada, a velocidade varia somente
10 2.2 LEI DE DARCY
Em 1856, Henry Darcy definiu a vazão como:
onde,
q = vazão (m3/s)
k = condutividade hidráulica (m/s) i = gradiente hidráulico = ∆H/L ∆H = perda de carga do fluxo (m) L = comprimento da amostra (m)
A = área da amostra perpendicular ao fluxo (m2)
Na Lei de Darcy, a vazão depende não só das propriedades dos poros, mas também das propriedades da solução percolante (Olson e Daniel, 1981), o que pode ser observado considerando-se que:
onde,
K` = permeabilidade intrínseca do solo (m2) γ = peso específico do líquido percolante (g/m2s2)
µ = viscosidade do líquido percolante (g/ms)
A permeabilidade intrínseca é função somente das propriedades do material poroso, não do líquido percolante.
A L H k A i k q= ⋅ ⋅ = ⋅∆ ⋅ µ γ ⋅′ = K k (equação 2.1) (equação 2.2)
2.3 ENSAIOS DE PERMEABILIDADE
Diversos ensaios para determinação do coeficiente de permeabilidade têm sido desenvolvidos e aperfeiçoados ao longo do tempo. Busca-se através disto uma maior representatividade nos resultados, a redução dos custos dos ensaios e o aperfeiçoamento dos aparelhos de medição em campo, tornando-os mais práticos e de fácil utilização.
Alguns dos ensaios mais usados para a determinação da condutividade hidráulica dos solos serão a seguir descritos:
A) Ensaios de carga constante ou variável em laboratório
Nestes ensaios, a coleta de amostra de solo no campo tem que ser feita sob condições controladas, com amostra indeformada, que pode ser submetida a ensaios de carga constante ou variável. Em ambos os casos, a amostra é colocada em um cilindro de comprimento L e área transversal A e fechada entre duas placas porosas. No ensaio de carga constante, a amostra é submetida a uma carga constante H até que se atinja a saturação e que o fluxo de saída Q se torne constante. A permeabilidade é calculada através da equação proposta por Darcy:
No permeâmetro de carga variável , é utilizada a diferença entre as cargas em um determinado intervalo de tempo. A equação para o cálculo da condutividade hidráulica é a seguinte:
AH QL
12
a = área da seção transversal do tubo onde a variação de carga é medida H0 = carga inicial
H1 = carga final
t = intervalo de tempo
O ensaio de carga constante é mais usado em solos arenosos, enquanto o ensaio de carga variável é mais usado em solos argilosos devido `a grande diferença de permeabilidade dos dois solos e o tempo que seria necessário para um solo argiloso num ensaio de carga constante (Vargas, 1981).
B) Ensaios in situ
B.1) Poços e furos
Nestes ensaios, muito utilizado pela Geologia de Engenharia, se obtém a condutividade hidráulica saturada. Podem ser realizados tanto com carga constante quanto com carga variável e permitem trabalhar com infiltração ou bombeamento de água.
Para aqüífero freático (solos granulares), os ensaios para obtenção da condutividade hidráulica não saturada têm duas fases, a fase transiente, enquanto o NA é rebaixado e a de regime estacionário, quando a vazão se torna constante. Na fase transiente a interpretação dos resultados é mais difícil e na de regime estacionário, usam-se duas hipóteses de Dupuit:
•
o gradiente hidráulico é constante numa vertical;•
o gradiente hidráulico é dado pela inclinação da superfície livre (i ≅ dz/dr). = 1 0 ln H H At aL K (equação 2.4)O ensaio coloca em fluxo todo o aqüífero e quando Khoriz. ≠ Kvert, o ensaio fornece
Khoriz (Caputo, 1981)
Para aqüífero confinado, pode-se usar o ensaio de bombeamento.
B.2) Hvorslev
Outro ensaio que determina a permeabilidade de meios saturados in situ, utiliza o método de Hvorslev, no qual são usados piezômetros instalados até a profundidade ensaiada. Da mesma forma que o método anterior, este ensaio pode ser realizado através de adição ou remoção de água do piezômetro. A variação do nível d’água em determinado intervalo de tempo é registrada até que se atinja o estado de equilíbrio (ABCP, 1980).
B.3) Infiltrômetro de anel duplo
Este infiltrômetro tem as seguintes características: dois cilindros metálicos de 3mm de espessura e 30cm de altura, com diâmetros de 30 e 50cm, com uma das bordas biseladas para facilitar a penetração no solo. Os cilindros são cravados a percussão.
Para a realização do ensaio, coloca-se água no cilindro interno até que se forme uma lâmina de 7,5cm de altura e entre os cilindros interno e externo de 5cm. Com auxílio de uma régua graduada, lê-se o posicionamento do nível d’água aos 1, 2, 3, 4, 5, 10, 20, 30, 45, 60, 90 e 120 minutos e, se for preciso, continua-se a leitura em intervalos de 1 hora até que a velocidade determinada de entrada de água no solo seja praticamente constante (ABCP, 1980).
B.4) Câmara de Fluxo
A Câmara de Fluxo é, basicamente, um cilindro metálico de aço inox, com 1mm de espessura, diâmetro de 80cm e altura de 80cm. Sua base possui um marial de
aço-14
A cravação ocorre por pressão exercida por macaco hidráulico de 10t e conta, também, com o auxílio de um sistema de contra pesos e de uma mesa de cravação.
A câmara é cravada a 70cm de profundidade e o ensaio de permeabilidade com a câmara de fluxo, é realizado seguindo-se as mesmas rotinas do infiltrômetro de anel duplo (Fabian e Ottoni Filho, 1997).
B.5) Perfil Instantâneo
É outro método para se determinar a permeabilidade não saturada no campo. São instalados instrumentos no solo para medição da carga de pressão e do conteúdo de água. Inicialmente este solo é submetido a uma taxa de infiltração até que se alcance um regime estacionário. Depois de alcançado, interrompe-se a recarga, sendo permitida a redistribuição da água dentro do solo. Este processo de redistribuição é acompanhado por medidas periódicas de umidade que são utilizadas no cálculo da condutividade (ABCP, 1980).
C) Ensaio em rocha – Ensaio de Lugeon:
Este ensaio permite obter uma informação quantitativa sobre a circulação da água em rochas fissuradas, com o objetivo de julgar as possibilidades de consolidação por injeções.
Injeta-se num furo de sondagem feito por obturadores, água sob pressão constante. A pressão injetada (pm) é controlada por um manômetro e a descarga calculada por um
hidrômetro, obtendo-se um volume injetado num certo intervalo de tempo. Quando pm for
10Kg/cm2 e a formação ensaiada absorver 1 litro por minuto por metro de perfuração, a perda de água foi de uma unidade de Lugeon.
Realizam-se ciclos de carregamento e descarregamento, e em cada estágio a pressão é mantida por 5 a 10 minutos após o estabelecimento de um escoamento permanente. Traça-se, assim, uma curva descarga x pressão que permite calcular, sob certas condições, uma estimativa do coeficiente de permeabilidade e a permeabilidade de Lugeon (ABCP, 1980).
Método de cálculo
pe = pressão efetiva
pm = pressão manométrica
pc = pressão de carga na canalização
H = altura potencial
Os ensaios de permeabilidade realizados em laboratório são mais controlados, mas, por mais que se tenha cuidado na retirada da amostra, sempre se causa alguma perturbação. Além disso, estes ensaios têm menor representatividade do que um ensaio de campo, já que uma amostra não pode englobar algumas estruturas do solo tais como raízes, macroporos e fraturas .
Já os ensaios em campo, apesar de terem uma maior representatividade, são menos controlados e, muitos, requerem a instalação de aparelhos pesados e complicados, sendo muito lentos e caros, além de perturbarem as condições naturais do solo. Além disso, na maioria dos ensaios in situ, o estado de tensões não pode ser controlado e o gradiente hidráulico não pode ser medido com acurácia. Por isso a condutividade hidráulica é, geralmente, uma estimativa conservadora (Benson et al., 1994).
Muitos autores já discorreram sobre este assunto. Daniel (1984) constatou que a medida da condutividade hidráulica feita em liners no campo é geralmente 10 a 1000 vezes
10 10 c m e p H p p = + − (equação 2.5)
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concluíram que as amostras de laboratório são muito pequenas para incorporar os macroporos presentes no campo, enquanto o volume de solo englobado no ensaio com
anéis pode representar todo o liner. Elsbury et al (1988) também concluíram que as medidas de condutividade hidráulica diferem substancialmente se feitas em laboratório ou
no campo.
A melhor forma de determinar a permeabilidade do solo é através de lisimetros, que são blocos de grandes dimensões nos quais o volume de água que entra e sai é medido,
2.4 LÍQUIDO PERCOLANTE
O líquido percolante desempenha um papel muito importante na medida da condutividade hidráulica.
Pode-se usar como percolante a água ou uma solução contendo um contaminante. Neste último caso, deve-se tomar precauções quanto a compatibilidade do aparelho
escolhido para o ensaio de permeabilidade e a natureza química do contaminante.
A seguir, alguns comentários serão tecidos sobre o uso da água e de contaminantes como líquidos percolantes.
2.4.1 ÁGUA
Quando a água é a solução escolhida para percolar através do solo, as características mais importantes a se considerar, são a quantidade de oxigênio dissolvido, o tipo e a
concentração de eletrólitos, a turbidez, os nutrientes presentes e a população de microorganismos (Daniel, D. E.,1994).
Segundo Daniel (1994), a melhor água a ser usada para ensaios de permeabiliadede é a deaerada, que contenha menos que 1 a 2 mg/l de oxigênio dissolvido. Já Shackelford
(1994), diz que o uso tanto da água destilada e da deaerada, não é recomendado, pois os resultados podem ser pouco representativos, isto é, muito baixos (Olson e Daniel 1981, Dunn e Mitchell 1984, Evans e Fang 1988 e ASTM D 5084). A “água padrão”, que é uma
solução de 0,01N CaSO4 tem sido bastante usada, pois se assemelha mais a água natural
(Olson e Daniel 1981, Foreman e Daniel 1984, Acar et al. 1985, Bowders 1985, Fernandez e Quigley 1985, Bowders e Daniel 1986 e Bowders et al. 1986).
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Pode-se ver na tabela abaixo alguns padrões de referência para água usada em ensaios de permeabilidade.
Tipo de água Referência
Condutividade elétrica máxima EC (µS/cm) Concentração Iônica máxima I (moles/l) Destilada 1,0 0,000013 Deionizada - destilada 0,2 0,0000026
Reagente Tipo I ASTM D 1193 0,06 0,00000078
Reagente Tipo II ASTM D 1193 1,0 0,000013
“Padrão” (0,01N CaSO4) Olson e Daniel
(1981)
1538 0,02
0,05N CaSO4 ASTM D 5084 769 0,01
2.4.2 CONTAMINANTES
Os líquidos contaminantes podem ser classificados da seguinte forma:
Figura 2.1: Classificação dos líquidos contaminantes (Shackelford, 2000)
Na passagem pelo solo, os líquidos contaminantes reagem químicamente com o solo, alterando, muitas vezes, suas características mecânicas e sua condutividade hidráulica.
As soluções inorgânicas causam alterações no arranjo dos grãos e no espaço entre as partículas, enquanto as soluções orgânicas, podem mudar a estrutura do solo, modificando
substancialmente suas características físicas e mecânicas. Conta-minant Líquido Imiscíve Líquido Miscível LNAPL (menos denso que a água) DNAPL (mais denso que Soluções Químicas Inorgânicas Soluções Orgânicas Hidrófilas Ácidos Bases Org. Component es Polares Neutros Ácidos Sais Bases
20
Se faz aqui necessário apresentar algumas definições dos principais mecanismos de interação solo-contaminante (Barbosa, 2000).
Precipitação – há a formação de uma nova substância na superfície do solo ou na solução intersticial que se precipita na fase sólida.
Dissolução – remoção de espécies químicas da fase sólida para a solução intersticial, provocando erosão da estrutura dos argilominerais.
Reações de oxi-redução – envolvem a transferência de elétrons. Na oxidação há perda de elétrons, enquanto na redução há ganho de elétrons.
Reações ácido-base – envolvem a transferência de prótons de um ácido para uma base.
Complexação / Quelação – a combinação de um cátion a vários ânions ou moléculas por ligação covalente. Os complexos formados podem ser solúveis ou
insolúveis.
Sorção – envolve a transferência do soluto da fase líquida para a superfície das prtículas sólidas. Não implica necessariamente em formação de nova substância. Dessorção – transferência de partículas da superfície sólida para a fase líquida. Processos microbiológicos – ação de bactérias e microorganismos presentes no solo atuando como catalisadores de reações de oxi-redução e na transformação
química de algumas substâncias.
2.5 DUPLA CAMADA DIFUSA
A interação das partículas do solo, dos cátions adsorvidos e da água, é causada pelo desequilíbrio das forças de cada componente. De acordo com Mitchell (1976), quando duas partículas se aproximam, seus campos de força começam a reagir e podem influenciar todo o sistema se as magnitudes destas forças forem grandes em relação ao peso das próprias partículas. Isso explica a atividade das argilas, pois têm um tamanho muito reduzido e uma superfície específica bem grande.
A superfície das partículas de argila é, geralmente, carregada negativamente. Para neutralizar esta eletronegatividade, há a associação de cátions, que, por sua vez, têm ânions associados, formando sais precipitados. A superfície argílica carregada e a distribuição de cargas da fase adjacente compõe o que denomina-se de dupla camada difusa. Esta teoria foi apresentada primeiramente por Gouy (1910) e alterada por Chapman (1913).
A distribuição dos íons adjacentes à superfície da argila pode ser representada da seguinte forma:
Figura 3.1: Distribuição esquemática dos íons adjacentes às partículas de argila (Mitchell, 1976)
Mudanças nas interações entre duplas camadas, podem acarretar mudanças nas propriedades físicas e físico-químicas do solo. Entretanto, estas trocas não afetam a estrutura das argilas. As reações de troca envolvem substituições de um íon por outro ou por grupos de outros íons com a mesma carga total.
Segundo Mitchell, os cátions mais comuns nos solos são: cálcio (Ca2+), magnésio (Mg2+), sódio (Na+) e potássio (K+). Enquanto os ânions mais comuns são: sulfatos (SO42-),
cloretos (Cl-), fosfatos (PO43-) e nitratos (NO3-).
Cátion
Ânions
Distância da superfície da Concentraç
22
A espessura da dupla camada difusa é uma das causas para a variação entre atração e repulsão entre as partículas. A espessura é dependente da densidade de carga na superfície, do potencial elétrico da superfície, da concentração eletrolítica, da valência do
cátion, do pH, da constante dielétrica do meio e da temperatura (se houver uma mudança brusca de temperatura entre o local e o laboratório, se recomenda o ensaio in situ).
A variação de algumas destas características propicia alteração no comportamento no sistema, pois as forças de repulsão e atração dependem da interação entre duplas camadas adjacentes. Geralmente, um aumento da espessura da dupla camada difusa, acarreta uma diminuição na tendência das partículas em suspensão flocularem.
A espessura da dupla camada pode ser expressa da seguinte forma:
Onde:
1/K = espessura da dupla camada elétrica ε0 = 8,8542 x 10-12 C2J-1m-1 D = constante dielétrica k = constante de Boltzman T = temperatura n0 = concentração iônica v = valência catiônica
Quanto mais espessa for a dupla camada, mais estreito e tortuoso será o caminho das soluções pelo solo, logo, menor será a condutividade hidráulica.
Podemos notar que solos argilosos onde são percolados líquidos contendo cátions monovalentes (ex.: Na+, K+) terão uma condutividade hidráulica menor do que quando
2 1 2 2 0 0 2 1 ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = v e n T k D K ε (equação 3.1)
Part. de arPila (carga
1/K = espessura da dupla camada
Part. de argila (carga Fluxo Distância que controla a condutivida Dupla Camada Difusa de cátions e água adsorvidos Part. carregada Part. carregada
percolados por líquidos polivalentes. Notamos também que se as soluções percoladas forem fortemente salinas (alta concentração eletrolítica), a condutivadade hidráulica aumentará. Se for usada água destilada, a condutividade tende a ser muito baixa, já que n0 é
praticamente zero.
Fig. 3.2: Dupla Camada Difusa e seus efeitos na Condutividade Hidráulica (Daniel, 1994)
Vários estudos vêm sendo realizados para demonstrar que a interação entre as partículas do solo e a solução percolante influem na condutividade hidráulica, por exemplo: Anderson e Jones 1983, Griffin e Roy 1985, Madsen e Mitchell 1987, Mitchell e Madsen 1987, Goldman et al. 1988 e Shackelford 1994.
24
3
PERMEÂMETRO DE GUELPH
O Permeâmetro de Guelph é um permeâmetro de furo e de carga hidráulica constante que mede a condutividade hidráulica saturada de campo acima do lençol freático. Foi visto como uma nova tentativa para o uso de permeâmetros de furo, já que por muitos anos este método não foi utilizado pois subestimava de 33 a 61% o valor da condutividade hidráulica saturada (Reynolds et al. 1983).
É composto de uma garrafa de Mariotte que controla a carga constante de água dentro do furo, um tubo de acrílico com uma régua graduada onde a água é introduzida e
um tripé que permite adaptar o aparelho a terrenos irregulares. Algumas das vantagens deste método de campo são: a leveza do aparelho, a facilidade de poder ser operado por uma única pessoa, a rapidez dos ensaios e a pouca quantidade de água (0,5 a 2l) por ensaio.
Após algum tempo, que dependerá, dentre outros fatores, da umidade antecedente do solo e da sua textura, uma pequena área em torno do furo estará saturada (ver figura 3.1)
e, então, o fluxo torna-se constante. Este valor de fluxo é utilizado no cálculo da permeabilidade. Durante o ensaio, na verdade, não é conseguida a saturação total, e sim uma chamada saturação de campo, pois no campo não se consegue expulsar completamente
o ar dos vazios. Isto não chega a ser uma desvantagem visto que a saturação total é muito difícil de ser atingida em uma situação real. Logo a condutividade obtida será a condutividade hidráulica da saturação de campo (Kfs – hydraulic conductivity at field
Figura 3.1: Bulbo de saturação formado em volta do furo
O Permeâmetro de Guelph é projetado para medir a condutividade entre 10-2 e 10-6 cm/s. Abaixo ou acima destas ordens de grandeza, as medições apresentam erros ou não se
consegue realizar o ensaio.
A recarga de água no furo está submetida a três tipos de fluxo: um de pressão radial ao longo das paredes e dois verticais na base, um de pressão e outro gravitacional. Ao considerar a variação destes fluxos ao longo da base e das paredes do furo, desenvolveu-se
um método semi analítico e numérico para a estimativa da permeabilidade saturada de campo. Mas, para a aplicação destes métodos, algumas condições têm que ser consideradas:
• Meio poroso rígido, homogêneo e isotrópico; • Fluxo em regime permanente;
• Domínio de fluxo em um semi espaço infinito.
Para os cálculos do coeficiente de permeabilidade, geralmente são feitos ensaios com duas cargas de pressão (H1 e H2). Com cada carga aplicada, se obtém as vazões (Q1 e
26 onde
(
)
(
)
[
1 2 2 1]
2 1 2 2 1 1 2 1 2H H H H a HC H C C H G − + − = π a = raio do buracoC = parâmetro retirado do gráfico 3.1 (C x H/a)
Para melhores resultados, a relação H/a deve ser a maior possível para aumentar o fluxo de pressão tridimensional (que atinge fluxo constante mais rápido e envolve uma região molhada finita) e minimizar o fluxo unidimensional gravitacional. E quanto maior o
volume e o tempo envolvidos no ensaio, maior importância as dá ao fluxo gravitacional (Reynolds et al. 1983).
A equação acima também leva em conta os efeitos não saturados ( capilaridade e pressão inicial do solo).
Para meios heterogêneos e com grandes vazios, os cálculos utilizando mais de uma carga de pressão, levam a resultados negativos. Para evitar isto, Elrick et al. (1989) propuseram um ensaio que utilizasse somente uma carga de pressão. A equação fica desta
forma: + + = * 2 2 2 2 α π π πH C a H CQ K s
(
)
(
)
[
1 2 2 1 2 1 2 2 1]
2 1 2 2H H H H a HC H C C H G − + − = π (equação 3.2) (equação 3.3) (equação 3.4)α* = Kfs/φm = parâmetro de acordo com o tamanho dos poros (valor tabelado) φm = fluxo mátrico O termo * 2 α πH
está relacionado com a capilaridade e quanto menor for H, menor
será a influência de α*.
Tamanho médio de poros
α* (m
-1)
Materiais argilosos compactados e estruturados
1
Materiais com grãos finos (argilosos) e não estruturados
4
Argilas, areias fina e média 12
Solos com grãos graúdos e solos estruturados com fissuras e macroporos.
36
28 Gráfico 3.1: H/a x C (Reynolds, 1983)
3.1 FUNDAMENTOS TEÓRIOS
O fluxo em um furo acima do nível da água acontece por uma pressão radial através das paredes do furo (vr), por uma pressão vertical através da base do furo (vz) e por uma
pressão gravitacional através da base do furo (vg).
Tais fluxos podem ser expressos pela Lei de Darcy:
Onde:
ψp = poro pressão de água relativa à altura H
ψ = elevação relativa à base do furo r r K vr fs p ˆ ∂ ∂ ⋅ − = ψ k z K vz fs p ˆ ∂ ∂ ⋅ − = ψ k z K v z fs g ∂ ˆ ∂ ⋅ − = ψ (equação 3.1.1) (equação 3.1.2) (equação 3.1.3)
30 O fluxo total (Qt) é definido como:
Onde:
dAp = diferencial de área da parede do furo
dAb = diferencial de área da base do furo
Substituindo as equações e simplificando temos:
Usando variáveis adimensionais:
r* = r/a z* = z/H ψp* = ψp/H, temos: ou ainda:
∫
∫
∫
⋅ + ⋅ + ⋅ = Ab b g b Ab z Ap p r t v dA v dA v dA Q( )
r dz a dAp = π2 ⋅ ˆ( )
k dr r dAb = π2 ⋅ − ˆ + ⋅ ∂ ∂ + ⋅ ∂ ∂ − =∫
∫
2 0 0 2 2 rdr a z dz r a K Q a p H p fs t ψ ψ π + ⋅ ∂ ∂ + ⋅ ∂ ∂ − =∫
∫
1 2 0 2 1 0 2 2 1 * * * * * * 2 H a dr r z H a dz r H Q K p p t fs ψ ψ π + = 2 2 2 1 2 H a C H CQ K t fs π (equação 3.1.4) (equação 3.1.5) (equação 3.1.7) (equação 3.1.6)onde:
3.2 FUNDAMENTOS OPERACIONAIS
Para se medir a condutividade hidráulica com o Permeâmetro de Guelph, deve-se seguir os seguintes passos:
1. Fazer o furo com a profundidade desejada. Mede-se a profundidade atingida. Para isso usa-se um trado manual. Depois, troca-se a ponta de perfuração do trado por uma de limpeza, que tem por função nivelar a base do furo e regularizar as paredes do furo.
Foto 3.1 : Trados Manuais
⋅ ∂ ∂ + ⋅ ∂ ∂ − =
∫
∫
1 0 2 1 0 * * * * * * * 1 dr r z H a dz r C p p ψ ψ (equação 3.1.8)32 Foto 3.2: Pontas do trado
2. Monta-se o Permeâmetro de Guelph, ligando o tubo acrílico à garrafa de Mariotte através de mangueiras plásticas maleáveis. Nesse passo escolhe-se a garrafa de Mariotte a ser usada de acordo com a profundidade do furo.
34 Foto 3.5: Mangueiras plásticas
3. Coloca-se o Permeâmetro sobre o furo ajustando as pernas do tripé para que o aparelho fique nivelado.
Foto3.6: Tripé
4. Coloca-se a solução dentro do tubo acrílico. Deve-se deixar que a água encha completamente as mangueiras. É prudente nesse momento verificar se não há vazamento nas roscas e ligações.
36
5. Regula-se o tubo de Mariotte, através da régua graduada para estabelecer a altura de pressão que será mantida no interior do furo.
6. Começa-se a fazer as leituras em intervalos constantes de tempo, através da régua graduada do tubo de acrílico.
7. Quando as diferenças das medidas entre as leituras se tornarem constantes pode-se parar o ensaio. É necessário que as diferenças se tornem iguais por três ou mais leituras consecutivas (ver exemplo abaixo)
Tempo (s) X (cm) Diferença 0 11 0 15 17 6 30 22 5 45 28 6 60 34 6 75 34 0 90 39 5 105 45 6 120 51 6 135 57 6 150 63 6
38 3.3. EXPERIÊNCIAS REALIZADAS
Neste capítulo serão descritos os locais onde foram realizados os ensaios de condutividade hidráulica com a utilização do Permeâmetro de Guelph. Aqui estarão
descritas, além das características físicas dos locais, as pressões utilizadas e as profundidades dos furos.
3.3.1 LEIRAS DE PRÉ TRATAMENTO MECÂNICO BIOLÓGICO
Na Usina de Recilclagem da COMLURB em Jacarepaguá, a empresa alemã Faber Ambra realizou um projeto piloto sobre o processo de pré-tratamento mecânico e biológico de duas leiras de resíduos sólidos urbanos. Esta experiência foi acomponhada e monitorada pelo Prof. Cláudio Mahler e pela então aluna de mestrado Luíza Cantuária (Costa, 2001).
O lixo, depois de ter sofrido um pré-tratamento mecânico, era colocado num pátio a céu aberto sobre “pallets” de madeira e recoberto com cascas de eucalipto (biofiltro). As leiras foram construídas com 20 x 40 m e 24 x 40m, com altura inicial em torno de 2,5m, sendo que a Segunda leira teve trechos com altura de 2,0m, 2,5m 3,0m. Nelas, foram instalados dispositivos de aeração e irrigação.
LIXO
RETIRADA DE PORÇÕES MAIORES Foto 5.1: Vista da leira 2 (Costa, 2001)
No esquema a seguir, demonstra-se suscintamente o processo Faber Ambra.
TRATAMENTO MECÂNICO TRITURAÇÃO E HOMOGENEIZAÇÃO DO
TRATAMENTO BIOLÓGICO
40
Além das medições de temperatura, recalque, análise dos gases e do chorume, foram realizados ensaios de permeabilidade utilizando o Permeâmetro de Guelph.
Na leira 1, foram realizados três furos e os ensaios foram feitos com uma pressão de 3cm em três profundidades, 10, 20 e 35cm. Nas duas primeiras profundidades têm-se a
permeabilidade do biofiltro e na terceira já se encontrava o corpo de lixo.
Na leira 2, os três furos foram ralizados em dois momentos. Nos primeiros ensaios a leira havia sido construída há apenas dois meses e, da mesma forma que na leira 1, usou-se pressâo de 3cm e profundidades de 10, 20 e 35cm. Quase onze meses depois, outro ensaio
foi feito com três novos furos com profundidades de 20 e 40cm e pressão de 3cm.
Leira 1
Figura 5.2: Localização esquemática dos furos de ensaio da Leira 1 1A e 2A e 4A e 3A e 5A e 7A e 8A e 6A e Pontos de Pontos de Ensaio 20 m 40 m A I) C
6A e 5A e 3A e 4A e 2A e 1A e Leira 2
Figura 5.3: Localização esquemática dos furos de ensaio da Leira 2
3.3.2 ESTAÇÃO AGROMETEOROLÓGICA EXPERIMENTAL
Esta estação foi criada para estudos agrometeorológicos em 1985 pelo Dr. José Marques, ex-professor do Instituto de Meteorologia. A área recebeu diferentes aterros desde a sua criação, mas os últimos 40 cm foram aterrados com material selecionado e de
textura controlada nas frações cascalho, areia, silte e argila.
A) Granulometria
A análise granulométrica foi realizada pelo Laboratório de Pedologia do Departamento de Geografia da UFRJ, seguindo o método da Pipeta (método 1.16.1 – EMBRAPA, 1979) Pontos de Pontos de Ensaio 24 m 40 m II II IV
42 TRINCHEIRA 1
Amostra Profundidade (cm) Cascalho (%) Areia (%) Silte (%) Argila (%)
1 7,0 0,83 71,59 10,90 17,51 2 7,0 0,78 71,25 12,43 16,32 3 20,0 8,27 55,76 27,07 17,17 4 20,0 6,73 46,06 29,70 24,24 5 40,0 14,21 90,75 8,24 1,01 6 40,0 24,44 89,19 8,79 2,02 7 55,0 6,77 56,66 15,80 27,54
Tabela 5.1: Estudo granulométrico da trincheira 1 (Fonte: Departamento de Geografia, UFRJ)
TRINCHEIRA 2
Amostra Profundidade (cm) Cascalho (%) Areia (%) Silte (%) Argila (%)
8 4,0 1,18 70,33 15,39 14,28
9 6,0 0,72 79,87 10,94 9,19
10 18,0 1,22 48,41 26,40 25,20
11 20,0 1,51 60,85 31,80 7,35
Tabela 5.2: Estudo granulométrico da trincheira 2 (Fonte: Departamento de Geografia, UFRJ)
Percebe-se que este solo é predominantemente arenoso, mas é a sua porcentagem argilosa que contribuirá para sua reatividade, pois, em geral, é a fração de argila que é a maior responsável pelas forças de superfície e sua influência no sistema. Além disso, quanto maior a quantidade de argila no solo, maior é a sua plasticidade, compressibilidade e coesão verdadeira e menor é sua permeabilidade e o ângulo de atrito interno efetivo (Mitchell, 1976).
B) Densidade Real, Densidade Aparente e Porosidade
Densidade Real é a relação entre a massa e o volume dos sólidos de um solo, não levando-se em conta a porosidade. Os resultados foram obtidos no Laboratório de
Pedologia do Departamento de Geografia da UFRJ através do método do Balão Volumétrico (método 1.12 – EMBRAPA, 1979). A densidade real é uma propriedade intrínseca do solo, logo tende a ser influenciada pela densidade dos minerais existentes no
solo e pela presença ou não de matéria orgânica (Kiehl, 1979).
Densidade aparente é a relação entre o peso de uma amostra de solo seco e o seu volume total. Esta densidade é influenciada pela estrutura, grau de compactação e pelas características de expansão e contração do solo que, por sua vez, são afetadas pelo teor de umidade. Este ensaio foi realizado pelo Laboratório de Física dos Solos da EMBRAPA –
RJ utilizando o método do Anel Volumétrico (método 1.11.1 – EMBRAPA, 1979).
A porosidade do solo é a relação entre o volume de vazios e o volume total do solo. Através do método direto, temos:
Onde, N = porosidade Dr = densidade real D = densidade aparente
( )
% =(
−)
(
×100)
r ap r D D D N (equação 5.1)44
Pode-se obter a porosidade ou a porcentagem de saturação, através da equação:
Onde, θsat = porcentagem de saturação
Vv = volume de vazios
Vt = volume total
Os resultados obtidos foram os seguintes:
Profundidade (cm) Porosidade (%) Dr (g/cm3) Dap (g/cm3)
5 46,77 2,74 1,45
20 36,94 2,45 1,54
40 32,74 2,84 1,91
Tabela 5.3: Estudo de densidade e porosidade (Fonte: Departamento de Geografia, UFRJ)
C) Microporosidade
Os microporos são responsáveis pela capilaridade.
Entre os fenômenos causados pela tensão superficial, um dos mais característicos e de maior importância é a ascenção capilar, ou simplesmente capilaridade. A capilaridade permite que a água suba acima do nível freático. Através dos conceitos de tensão superficial e de tubos capilares é possível entender este fenômeno.
A tensão superficial existente na superfície de um líquido é causada pela atração intermolecular que o líquido exerce sobre as moléculas da superfície deste. (Badillo e Rodriguez, 1973; Fredlund e Rahardjo, 1993). Nos solos, os seus canalículos funcionam
( )
% =(
×100)
t V sat V V θ (equação 5.2)como os tubos capilares. Nos solos com grandes vazios (areias, pedregulhos), os canalículos são de diâmetros maiores, logo a altura capilar é bem pequena, já em argilas, os canalículos são de pequeno diâmetro e a ascenção capilar é elevada.
A altura capilar do solo dependerá das suas condições iniciais de saturação. Existem diferenças consideráveis entre um solo úmido que retém a água da chuva e a drena até se estabilizar e um solo seco que aspira a água do aquífero (Lambe,W. e Whitman, 1969).
Na zona de umidade retida, só estará presente a água adsorvida que é constituída também da água higroscópica, que é a água retirada da atmosfera úmida. Em solos finos, essa água existe em maior quantidade.
Na zona de saturação parcial, o solo não estará saturado, mas úmido, porque a altura de ascenção capilar é geralmente maior que a profundidade dos lençóis d’água. Nesta zona a água é retida, porém o ar dos vazios pode ou não ser retido.
Na zona de saturação capilar, o solo está saturado, mas a água não participa do movimento gravitacional, ou seja, não existe água livre.
A água nas zonas capilares está sob uma pressão menor que a atmosférica. Essa tensão causa um acréscimo de pressões grão a grão no solo, pois os meniscos tendem a aproximar os grãos. Por isso que as pressões capilares provocam aumento de resistência aos solos.
À medida que a água de um solo saturado vai evaporando, o raio de curvatura dos meniscos vai diminuindo e, por isso, a pressão capilar sobre as partículas sólidas vai aumentando. Essa pressão faz com que o solo se comprima. Com a continuação da evaporação, o solo irá se comprimir até o momento que não sofrerá mais
46
A microporosidade foi determinada segundo o método 1.14 (EMBRAPA, 1979), enquanto a macroporosidade foi determinada segundo o método 1.15 (EMBRAPA, 1979).
Profundidade (cm) Microporos (%) Macroporos (%) Poros. Total (%)
5 22,75 29,85 52,6
20 45,05 12,40 57,45
40 34,80 14,90 49,70
Tabela 5.4: Estudo de macroporos (Fonte: Departamento de Geografia, UFRJ)
D) Curva característica de retenção de umidade
No Laboratório de Física dos Solos da EMBRAPA – RJ, foram obtidas as curvas características de retenção de umidade.
Profundidade 5 cm 20 cm 40 cm
Sucção (atm) Umidade (%) Umidade (%) Umidade (%) 0 52,6 57,45 49,7 0,06 22,75 45,05 34,8 0,1 13,45 36,75 29,6 0,3 12,9 34,3 27,95 1 12,1 30,55 26,65
Curvas características
0
10
20
30
40
50
60
70
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
Sucção (atm)
Umidade (%)
Profundidade - 5cm
Profundidade - 20cm
Profundidade - 40cm
Gráfico5.1: Curvas características de retenção de umidade
No dia 11 de abril de 2001, os ensaios utilizando água destilada e a solução concentrada de Sulfato de Cálcio foram realizados. Nos três primeiros furos primeiro se ensaiou com a solução salina e alguns minutos depois, a água foi usada como líquido percolante. Já no quarto furo, primeiro se usou a água e, depois a solução de CaSO4. A profundidade de do primeiro furo foi de 30 cm, a do segundo foi de 35 cm
e as do terceiro e do quarto, 40 cm. As cargas de pressão foram de 5 e 10 cm.
Uma semana depois, usou-se água natural para se refazer o ensaio com as mesmas profundidades e pressões anteriormente usadas nos três primeiros furos.
48
Foto 5.2: Estação Agrometeorológica Experimental - UFRJ
3.3.3. ATERRO SANITÁRIO DE SANTO AMARO
O Aterro Sanitário de Santo Amaro, localizado na Zona Sul de São Paulo, foi utilizado a partir de 1976 e parou de receber resíduos urbanos em 1995, quando o aterro atingia uma cota superior a 115m. Em seu fechamento, o aterro recebeu uma camada de
material argiloso como camada final que tem espessuras muito variadas devido aos diferentes momentos de colocação deste solo de cobertura e `a falta de fiscalização.
A cobertura de um aterro sanitário serve para impedir a transferência de contaminantes para a biosfera e para prevenir a infilitração das águas de preipitações para
dentro da massa de lixo, limitando, assim, o risco de contaminação dos solos e das águas subterrâneas (Melchior et al., 1993). Abaixo vêem-se as funções e os atributos de uma
FUNÇÕES ATRIBUTOS Prevenção ou minimização de percolação
Melhoria estética Supressão de vetores
Contenção de gases Supressão do risco de incêndio Prevenção de carreamento de lixo
Valorização do local do aterro
Resistência à erosão pela água Resistência à erosão pelo vento Estabilidade contra recalques,fissuras e
escorregamentos
Resistência a baixas temperaturas Resistência a perfurações feitas por animais
e plantas
Tabela 5.6: Atributos e funções da cobertura de aterro sanitário (Saarela, 1993).
Depois do fechamento do aterro, passou a funcionar na área contígua um pátio de transbordo, onde parte do lixo coletado na cidade é repassado para caminhões maiores e é
levado para o Aterro Sanitário Sítio São João.
Desde então, o Engenheiro Agrônomo Julio Cesar da Mata e Andrade, com o apoio da empresa que monitora o aterro, a ENTERPA Ambiental S. A., desenvolveu um projeto
de mestrado para recuperar e revegetar a área (Andrade, 1999). Neste estudo foram avaliadas a adaptação e o desenvolvimento de diversas espécies arbóreas e arbustivas.
Para este trabalho, os ensaios de permeabilidade foram desenvolvidos em um talude do aterro no dia 23 de maio de 2001. Os dois primeiros furos foram feitos em uma área não revegetada e os dois últimos no meio de uma área onde foram plantadas árvores que foram
objetos do estudo supracitado.
O primeiro furo teve uma profundidade de 30cm e foram aplicadas pressões de 5 e 10cm. No segundo, com profundidade de 60cm, também utilizou-se a mesma carga de pressão. No terceiro furo só uma carga de 5cm foi aplicada em um furo de 30cm, enquanto
50
Foto 5.4: Permeâmetro ed Guelph, entre as árvores, em um talude do Aterro Santo Amaro
52
3.3.4 TABELA DE RESULTADOS EXPERIMENTAIS
LEIRA 1 (MAIO/2000) Furo Profundidade (cm) Altura de Pressão (cm) Intervalo de Tempo (s) Velocidade Medida (cm/s) Vazão (cm3/s) Condutividade Hidráulica (cm/s) A1 10 3 30 0,33 18,84 0,0898 A2 20 3 15 0,27 15,07 0,0718 A3 35 3 15 0,33 18,84 0,0898 B1 10 3 15 0,33 18,84 0,0898 B2 20 3 15 0,33 18,84 0,0898 B3 35 3 15 0,33 18,84 0,0898 C1 10 3 15 0,33 18,84 0,0898 C2 20 3 15 0,33 18,84 0,0898 C3 35 3 15 0,37 20,72 0,0988 LEIRA 2 (MAIO/2000) Furo Profundidade (cm) Altura dePressão (cm) Intervalo de Tempo (s) Velocidade Medida (cm/s) Vazão (cm3/s) CondutividadeHidráulica (cm/s) A1 10 3 15 0,30 16,96 0,0808 A2 20 3 15 0,33 18,84 0,0898 A3 35 3 15 0,27 15,07 0,0718 B1 10 3 15 0,33 18,84 0,0898 B2 20 3 15 0,40 22,61 0,1078 B3 35 3 15 0,27 15,07 0,0718 C1 10 3 15 0,37 20,72 0,0988 C2 20 3 15 0,33 18,84 0,0898 C3 35 3 15 0,20 11,30 0,0539 LEIRA 2 (ABRIL/2001) Furo Profundidade (cm) Altura de Pressão (cm) Intervalo de Tempo (s) Velocidade Medida (cm/s) Vazão (cm3/s) Condutividade Hidráulica (cm/s) A1 20 3 15 0,20 11,30 0,0539 A2 40 3 15 0,13 7,54 0,0359 B1 20 3 15 0,33 18,84 0,0898 B2 40 3 15 0,27 15,07 0,0718 C1 20 3 15 0,27 15,07 0,0718 C2 40 3 15 0,33 18,84 0,0898
ESTAÇÃO EXPERIMENTAL Furo Líquido Percolant e Profundidade (cm) Altura dePressão (cm) Intervalo de
Tempo (s) VelocidadeMedida (cm/s) Vazão (cm3/s) CondutividadeHidráulica (cm/s) 1 CaSO4 30 5 60 0,005 0,2826 0,00054 1 CaSO4 30 10 60 0,003 0,1696 0,00012 5 60 0,0058 0,3296 1 Água Destilada 30 10 60 0,01 0,5652 0,000537 5 60 0,0089 0,5023 1 Água Natural 30 10 30 0,0133 0,7534 0,000376 5 60 0,0083 0,4710 2 CaSO4 35 10 60 0,0158 0,8949 0,001126 5 60 0,0033 0,1884 2 Água Destilada 35 10 60 0,0072 0,4082 0,000656 5 60 0,0017 0,0942 2 Água Natural 35 10 30 0,0022 0,1256 0,00000643 5 60 0,005 0,2826 3 CaSO4 40 10 60 0,0083 0,4710 0,000405 5 60 0,0033 0,1884 3 Água Destilada 40 10 60 0,0046 0,2590 0,0000448 5 60 0,0004 0,0235 3 Água Natural 40 10 60 0,0005 0,0314 0,00000164 5 60 0,0008 0,471 4 Água Destilada 40 10 60 0,0017 0,0942 0,000132 5 60 0,0042 0,2355 4 CaSO4 40 10 60 0,0083 0,4710 0,00066 ATERRO SANITÁRIO Furo Profundidade (cm) Altura de Pressão (cm) Intervalo de Tempo (s) Velocidade Medida (cm/s) Vazão (cm3/s) Condutividade Hidráulica (cm/s) 1 30 5 120 0,0033 0,1882 0,000104 1 40 10 120 0,0017 0,0938 0,0000336 5 300 0,00033 0,01882 2 60 10 300 0,0007 0,0376 0,0000527 3 30 5 300 0,003 0,1696 0,0000939 4 60 5 30 0,0267 1,5068 0,000834 4 60 10 30 0,025 1,413 0,000506
54
4. ANÁLISE DE RESULTADOS
4.1 LEIRAS DE PRÉ TRATAMENTO MECÂNICO BIOLÓGICO
Os resultados destes ensaios foram surpreendentemente coerentes. Surpreendentes porque era de se esperar que em alguns casos pudesse se encontrar, ou algum material que impedisse a passagem de água (um plástico, por exemplo) ou um vazio maior que causasse
o escoamento muito rápido da água. Estes casos extremos não foram verificados e os resultados se mantiveram dentro da mesma ordem de grandeza.
Além de nenhum destes fatos extremos ocorrerem, percebeu-se a diminuição da velocidade de percolação com o aumento da compactação causada pela degradação dos resíduos ali depositados, pois, na Leira 2, as segundas leituras foram realizadas onze meses depois das primeiras.
FURO A – LEIRA 2
Gráfico 7.1: Comparação entra as duas séries de leituras da Leira 2 0 10 20 30 40 50 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 K (cm/s) Profundidade (cm) Leitura 1 Leitura 2
FURO B – LEIRA 2
Gráfico 7.2: Comparação entra as duas leituras da Leira 2
FURO C – LEIRA 2
Gráfico 7.3: Comparação entra as duas leituras da Leira 2
A primeira profundidade (10 cm) não foi repetida, pois só se atinge a massa de lixo a partir de 20 cm e o biofiltro não era objeto de análise. Mas é válido comentar que os seis resultados dos ensaios realizados nesta profundidade se mostraram bastante similares, o que demonstra coerência nas leituras feitas com o Permeâmetro de Guelph, já que era um material composto somente por lascas de casca de eucalipto e, portanto, não se poderia
0 10 20 30 40 50 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 0,11 K (cm/s) Profundidade (cm) Leitura 1 Leitura 2 0 10 20 30 40 50 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 K (cm/s) Profundidade (cm) Leitura 1 Leitura 2
56
A tabela abaixo mostra alguns resultados de ensaios de condutividade hidráulica realizados em resíduos sólidos urbanos.
Pesquisador Peso Específico (kN/m3)
Permeabilidade (m/s) Metodologia Utilizada
Fungaroli et al. (1979) 1,1 a 4,0 10-5 a 2x10-4 Lisímetros Koriates et al. (1983) 8,6 3,15x10-5 a 5,1x10-5 Ensaios de Laboratório
Oweis e Khera (1986) 6,45 10-5 Estimativa através
de dados de campo Oweis et al. (1990) 6,45 9,4 a 14 6,3 a 9,4 10-5 1,5x10-4 1,1x10-5 Bombeamento Ensaios in situ Ensaios in situ Landva e Clark (1990) 10,1 a 14,4 x10-5 a 4 x10-4 Ensaios in situ
Gabr e Valero (1995) - 10-7 a 10-5 Ensaios de
Laboratório Blengino et al. (1996) 9,0 a 11,0 3x10-7 a 3x10-6 Ensaios in situ a
grande profundidade Manassero (1990) 8,0 a 10,0 1,5x10-5 a 2,6x10-4 Ensaios de
Bombeamento Beaven e Powrie (1995) 5,0 a 13,0 10-7 a 10-4 Ensaios de
Laboratório Brandl (1990) 11,0 a 16,0 3x10-7 a 5x10-6 Ensaios in situ Brandl (1994) 9,0 a 12,0 10-6 a 5x10-4 Ensaios de Laboratório Brandl (1994) 13,0 a 17,0 (RSU muito compactado) 3x10-8 a 2x10-6 Ensaios de Laboratório
Cepollina et al. (1994) ≈10 10-7 Ensaios de
Santos et al. (1998) 14,0 a 19,0 10-7 Ensaios in situ Carvalho (1999) 8,0 a 15,0 5x10-8 a 8x10-6
Mariano e Jucá (1998) - 1,89 x10-8 a 4,15x10-6
4.2 ESTAÇÃO AGROMETEOROLÓGICA EXPERIMENTAL
Nas experiências realizadas na estação experimental da UFRJ, a influência da espessura de dupla camada difusa na condutividade hidráulica pode ser verificada e analisada.
A tabela a seguir resume a influência das mudanças de parâmetros na espessura da dupla camada e, conseqüentemente, na condutividade hidráulica.
Efeito da Mudança nos Parâmetros
Parâmetros da Solução
Diminuição da Dupla Camada Difusa, Floculação das Partículas e Aumento de
K
Aumento da Dupla Camada Difusa, Dispersão das Partículas e Diminuição de
K
Concentração Eletrolítica Aumento Diminuição
Valência do Cátion Aumento Diminuição
Constante Dielétrica Diminuição Aumento
Tabela 7.1:Baseado na Teoria da Dupla Camada Difusa (Evans, 1985 e Shackelford, 1994).
58 A) Furo 1
Neste furo, como nos dois seguintes, a água destilada foi usada logo depois da solução concentrada de CaSO4. Pode-se dizer, então, que a água destilada ao encontrar um
ambiente ainda muito salino se comportou como uma solução salina menos concentrada que a primeira. Isto explica o fato de a água destilada não ter funcionado como esperado, pois como já se comentou anteriormente, este líquido percolante tende a diminuir muito a condutividade hidráulica, já que sua concentração eletrolítica é zero.
Pode-se notar, também, que na experiência posterior, quando usou-se somente água natural, a condutividade hidráulica resultante foi menor do que a condutividade das soluções salinas. Este resultado é coerente e esperado, pois quanto menor a concentração
eletrolítica, menor é a condutividade hidráulica.
No gráfico a seguir serão comparados os resultados obtidos com a água destilada, com água natural e com o resultado do CaSO4 com carga de pressão de 5 cm, porque
durante as leituras com sulfato de cálcio e com carga de pressão de 10 cm, deve ter ocorrido um entupimento da saída de água, o que acarretou um resultado negativo de condutividade hidráulica.
Gráfico 7.4: Resultados no furo 1
Furo 1
5,42 5,37 3,76 0 10 20 30 40 50 0 1 2 3 4 5 6 K (x10-4cm/s) Profundidade (cm ) Água destilada Água Sulfato de cálcioB) Furo 2
Neste caso, por não ter ocorrido nenhum erro durante o ensaio, pode-se perceber que o sulfato de cálcio provocou uma condutividade hidráulica maior do que as outras soluções, já que tem a maior concentração eletrolítica dentre as soluções utilizadas.
A água destilada, como já se comentou, funcionou como uma solução salina um pouco menos concentrada e a água natural, por possuir a menor concentração eletrolítica, aumenta a espessura da dupla camada difusa e, conseqüentemente, diminui a condutividade hidráulica.
Gráfico 7.5: Resultados no furo 2
C) Furo 3
A mesma análise feita para o Furo 2 pode ser feita para o Furo 3.
Furo 2
4,13 0,0405 7,09 0 10 20 30 40 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 K (x10-4cm/s) Profundidade (cm) Água destilada Água Sulfato de cálcio60 Gráfico 7.6: Resultados no furo 3
D) Furo 4
Neste furo, primeiro se ensaiou com água destilada e a interação da fração argila do solo com a água destilada, provocou uma diminuição da condutividade hidráulica, se comparada com a condutividade obtida com a solução salina concentrada de sulfato de cálcio. Resultado que, como já se comentou, é esperado e é justificado pela teoria da dupla camada difusa.
Furo 3
0,282 0,0104 2,55 0 10 20 30 40 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 K (x10-4cm/s) Profundidade (cm) Água destilada Água Sulfato de cálcioGráfico 7.7: Resultados no furo 4
4.3 ATERRO SANITÁRIO SANTO AMARO
Os resultados dos ensaios realizados no Aterro Sanitário indicam que o solo usado como cobertura para o aterro sanitário, foi um material argiloso e compactado, mas não completamente homogêneo, já que alguns resultados de condutividade hidráulica usando duas cargas de pressão, foram negativos. Isto ainda pode ser conseqüência de vazios encontrados no solo provenientes de uma compactação mal feita. Nos pontos onde havia vegetação plantada, estes vazios também podem ser criados pelas raízes das árvores.
Um segundo ponto analisado, foi a adaptação do aparelho a um talude com uma inclinação um pouco mais acentuada. Neste caso o Permeâmetro de Guelph Modificado se mostrou muito adequado, pois seu tripé, que tem as hastes extensíveis, permite uma perfeita adaptação ao terreno.
Furo 4
0,83 4,15 0 10 20 30 40 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 K (x10-4cm/s) Profundidade (cm) Água destilada Sulfato de cálcio62
5. CONCLUSÕES
Em cada um dos três casos estudados, um problema foi objeto de análise.
No projeto piloto de pré-tratamento de lixo em Jacarepaguá, mediu-se a condutividade hidráulica de uma leira de resíduos sólidos urbanos, que é originalmente um material muito heterogêneo, com um aparelho jamais usado com este propósito. Procurou-se saber se as medidas e os resultados obtidos seriam coerentes e compatíveis com a permeabilidade esperada.
Como resultado, os dados obtidos foram coerentes e permitem o estudo não só da permeabilidade de uma massa de lixo, mas também da compressibilidade de uma leira de resíduos sólidos com o tempo, pois os valores de condutividade hidráulica diminuiram na segunda leitura, quando o lixo já estava mais degradado e, portanto, mais compactado.
Na estação experimental, queria-se testar o Permeâmetro de Guelph utilizando não só a água como líquido percolante. Usou-se também uma solução salina concentrada e os resultados foram comparados tendo como base a teoria da Dupla Camada Difusa.
Comparando os resultados de condutividade hidráulica das soluções, comprovou-se na prática a teoria da Dupla Camada Difusa porque quanto mais salina a solução, maior é a condutividade hidráulica. As soluções mais salinas têm uma concentração eletrolítica maior que causa a floculação das partículas, a diminuição da espessura da Dupla Camada Difusa e o aumento da condutividade hidráulica.
No aterro sanitário Santo Amaro, o Permeâmetro foi instalado em um talude, onde sem a retirada de amostras indeformadas de solo, não se poderia verificar a condutividade hidráulica.
A condutividade foi obtida e pode-se analisar que a velocidade de percolação não é muito baixa, mas é baixa a ponto de não comprometer até certo ponto as funções de uma cobertura de aterro.
5.1 SUGESTÕES DE ESTUDOS FUTUROS
Todos os parâmetros e características do lixo e dos aterros sanitários devem continuar a ser perseguidos e estudados Para isso novos aparelhos e métodos devem ser desenvolvidos.
Novas experiências com o Permeâmetro de Guelph devem ser feitas em locais e condições diferentes para que o aparelho, suas características e acurácia sejam cada vez mais conhecidas.
E, finalmente, mais experiências com soluções distintas da água devem ser realizadas para o melhor entendimento das interações solo-contaminante e dos mecanismos de transporte de contaminantes. Assim, as soluções para a descontaminação de solos poluídos podem ser alcançadas com mais rapidez e eficiência.
64
6.
BIBLIOGRAFIA
ABCP, 1980, Ensaios em Permeabilidade em solos.
Abreu, R. C., 2000, Compressibilidade de Maciços Sanitários, Tese (Mestrado), Universidade de São Paulo, São Paulo.
Acar, Y. B., Hamidon, A., Field, S. e Scott, L., 1985, The Effect of Organic Fluids on Hydraulic Conductivity of Compacted Kaolinite, Hydraulic Barriers in Soil and Rock, ASTM STP 874, Philadelphia USA.
Anderson, D. C. e S. G. Jones, 1983, Clay Barrier-Leachate Interaction, National Conference on Management of Uncontroled Hazardous Waste Sites, Hazardous Materials Control Research Institute, Maryland, USA.
Andrade, J. C. M, 1999, Vegetação em Aterros Sanitários de Resíduos Sólidos Urbanos: Estudo de Caso do Aterro Sanitário Santo Amaro, São Paulo, Tese (Mestrado), Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro.
Badillo e Rodriguez, 1973, Mecánica de Suelos, 2a edição – Capítulo VIII.
Barbosa, M. C., 1999, Notas de aula de Geotecnia Ambiental, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro.
Benson, C. H., Hardianto, F. S. and Motan, E. S., 1994. Representative Specimen Size for Hydraulic Conductivity Assessment of Compacted Soil Liners, Hydraulic Conductivity and Waste Contaminant Transport in Soil, ASTM, Philadelphia.
Bowders, J. J. Jr., 1985, The Influence of Various Concentrations of Organic Liquids on the Hydraulic Conductivity of Compacted Clay, Geotechnical Engineering Dissertation, University of Texas.
Bowders, J. J. Jr. e Daniel, D. E., 1986, Hydraulic Conductivity of Compacted Clay to Dilute Organic Compounds, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, vol.113. Bowders, J. J. Jr., Daniel, D. E., Broderick, G. P. e Liljestrand, H. M., 1986, Methods for
Testing the Compatibility of Clay Liners with Landfill Leachate, Hazardous and Industrial Solid Waste Testing: Fourth Symposium, ASTM STP 886, Philadelphia.
Caputo, H. P. Mecânica dos Solos e suas Aplicações – Mecânica das Rochas, Fundações, Obras de Terra,1981 Rio de Janeiro. Livros Técnicos e Científicos.
Carvalho, M. F., 1999, Comportamento Mecânico de Resíduos Sólidos Urbanos São Carlos, Tese (Mestrado), Escola de Engenharia de São Carlos, São Paulo.
Costa, L. C., 2001, Estudo do Pré – Tratamento Mecânico – Biológico de Resíduos Sólidos com Ênfase em Compressibilidade, Tese (Mestrado), Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro.
Daniel, D. E., 1984, Predicting Hydraulic Conductivity of Clay Liners, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 110
Daniel, D.E., 1994, State-of-the-Art: Laboratory Hydraulic Conductivity Tests for Saturated Soils, Hydraulic Conductivity and Waste Contaminant Transport in Soil, ASTM, Philadelphia.
Daniel, D. E. et al., 1985, Fixed-Wall vs. Flexible-Wall Permeameters, Hydraulic Barriers in Soil and Rock, Special Technical Publications 867, ASTM, Philadelphia.
Dunn, R. J. e Mitchell, J. K., 1984, Fluid Conductivity Testing of Fine-Grained Soils, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, vol.110.
Ehrlich, M., 1999, Notas de aula de Geotecnia Ambiental, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro.
Elsbury, B. R. et al., 1988, Field and Laboratory Testing of a Compacted Soil Liner, Report to U.S.E.P.A., Ohio.
EMBRAPA – SNLCS, 1979, Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária. Manual de métodos de análise de solo. 2a edição Rio de Janeiro. Embrapa produção de informações.
Evans, J. C. e H.-Y. Fang, 1988, Triaxial Permeability and Strength Testing of Contaminated Soils, Advanced Triaxial Testing of Soil and Rock, ASTM STP 977, Philadelphia.
Fabian, A. J., Ottoni Filho, T. B., 1997, Determinação de Curvas de Infiltração Usando uma Câmara de Fluxo, Campinas.
Fabian, A. J., Ottoni Filho, T. B., 1999, Determinação da Capacidade de Campo in situ ou Através de Equações de Regressão, Usando uma Câmara de Fluxo.
Fernandez, F. e Quigley, R. M., 1985, Hydraulic Conductivity of Natural Clays Permeated with Simple Liquid Hydrocarbons, Canadian Geotechnical Journal, vol.22.
Foreman, D. E. e Daniel, D. E., 1984, Effects of Hydraulic Gradient and Method of Testing on the Hydrualic Conductivity of Compacted Clay to Water, Methanol and Heptane, Proceedings of the Tenth Annual Research Symposium on Land Disposal of Hazardous Waste.
66
Goldman, L. J., Greenfield, L. I., Damle, A.S., Kingsbury, G. L., Northeim, C. M. e Truesdale, R. S., 1988, Design, Construction and Evaluation of Clay Liners for Waste Management Facilities, U.S.E.P.A., Washington D.C.
Griffin, R. A., e Roy, W. R., 1985, Interaction of Organic Solvents with Saturated Soil-Water Systems, Open File Report 3, Environmental Institute for Waste Management Studies, Alabama.
Kiehl, E. J., Manual de Edafologia, Ed. Agronomia “Ceres”. 264p., 1979.
Lambe, T. W. e Whitman, 1969, Soil Mechanics, New York.
Madsen, F. T.e Mitchell, J. K., 1987, Chemical Effects on Clay Hydraulic Conductivity and Their Determination, Open File Report 13 Environmental Institute for Waste Management Studies, Alabama.
Mitchell, J.K., 1976, Fundamentals of Soil Behavior
Mitchell, J. K e Madsen, F. T., 1987, Chemical Effects on Clay Hydraulic Conductivity, Proceedings, Geotechnical Practice for Waste Disposal `87, ASCE. Oliveira, P. C. E., 2000, Estudo de Variáveis Físico – Hídricas na Avaliação da
Recuperação de Terras Degradadas, Utilizando uma Câmara de Fluxo, Seminário de Qualificação ao Doutorado, Programa de Engenharia Civil, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro.
Olson, R. E. e Daniel, D. E., 1981, Measurement of the Hydraulic Conductivity of Fine-Grained Soils, Permeability and Groundwater Contaminant Transport, ASTM, Philadelphia.
Reynolds, W. D., Elrick, D. E., Topp, G. C., 1983, A Reexamination of the Constant Head Well Permeameter Method for Measuring Saturated Hydraulic Conductivity Above the Water Table.
Reynolds, W. D., Elrick, D. E., Clothier, B. E., 1985, The Constant Head Well Permeameter: Effect of Unsaturated Flow.
Reynolds, W. D., Vieira, S. R., Topp, G. C., 1991, An Assessment of the Single – Head Analysis for the Constant Head Well Permeameter.
Saarela, J., 1993, Types and costs of covers of closed landfill sites, Fourth International Landfill Symposium, Sardinia.
Shackelford, C. D., 1994, Waste-Soil Interactions that Alter Hydraulic Conductivity, Hydraulic Conductivity and Waste Contaminant Transport in Soil, ASTM, Philadelphia.
