Consolidação Eletro-Osmótica com Drenos Verticais
Alisson Jobim P. Nascimento, Pedro Murrieta Santos Neto, Ennio M. Palmeira Departamento de Engenharia Civil, Universidade de Brasília, Brasília, Brasil
RESUMO: O presente trabalho descreve a utilização de um novo tipo de geossintético que tem as funções de drenagem, filtração e de direcionar e acelerar o fluxo de água livre no solo. Eletrodos são incorporados a drenos verticais pré-fabricados (DVPs) para formarem geossintéticos condutores elétricos (GCEs). Para conhecer esta nova técnica, foram feitos ensaios em duas caixas experimentais, utilizando-se a técnica convencional com DVP em uma e a nova tecnologia dos GCEs em outra. Com instrumentação simples, registrou-se o comportamento da poropressão e recalque da argila, concluindo-se que ao aplicar eletricidade o gradiente elétrico tornou-se maior que o gradiente hidráulico provocando a consolidação do solo mais rapidamente. Ensaios de palheta foram executados antes e após o tratamento, mostrando que o aumento de resistência não drenada do solo foi maior no solo em que se utilizou eletro-osmose.
PALAVRAS-CHAVE: Eletro-osmose, Drenos Verticais, Consolidação.
1 INTRODUÇÃO
Durante os últimos 25 anos houve um aumento exponencial no uso de materiais geossintéticos poliméricos direcionados para engenharia civil e ambiental. As funções destes materiais podem ser filtração, drenagem, separação, reforço e ação como membranas impermeáveis. Uma recente tendência é otimizar o uso de materiais geossintéticos criando combinações de geotêxtil, geogrelha, geomembrana e/ou outros materiais para formar geocompostos. Trabalhando-se com este raciocínio de geocompostos, novos usos e aplicações de geossintéticos podem ser criados incorporando o fenômeno da cinética de elétrons com as tradicionais funções dos materiais geossintéticos: a eletricidade é usada para acelerar a consolidação do solo mole, entre outros fins. Isto representa o desenvolvimento de uma nova linha de materiais geossintéticos (ou geocompostos) que são condutores elétricos. Um geossintético com esta característica está referenciado como um geossintético eletro-cinético (GEC) (Hamir et al. 2001), geossintético condutor elétrico (GCE) ou dreno vertical condutor (DVC).
Técnicas que utilizam o processo de eletro-osmose têm sido efetivas em solos com baixa permeabilidade hidráulica. Por este motivo, a eletro-osmose é bastante estudada em algumas áreas da geotecnia com diferentes finalidades, tais como: descontaminação in situ de solos,
transporte eletro cinético de nutrientes em um solo para gerar biorremediação, tratamento de resíduos industriais, melhoramento da performance de estacas, melhoramento da tecnologia de solos reforçados e aceleração da consolidação de solos.
Recentemente, no continente europeu e asiático, a eletro-osmose foi associada a drenos verticais pré-fabricados para acelerar o processo de consolidação de solos moles. No Brasil, Nascimento (2005), aplicou esta técnica visando acelerar o processo de recalque de uma argila mole do Distrito Federal e, conseqüentemente, aumentar a resistência mecânica e diminuir a compressibilidade deste solo. Este estudo utilizou a técnica convencional de sobrecarga com drenos verticais pré-fabricados (DVPs), como também adicionando a esta técnica os antigos conhecimentos da eletro-osmose, formando nova tecnologia de geossintéticos.
2 HISTÓRIA DA ELETRO-OSMOSE
Segundo Mitchell (1991), Casagrande (1941) foi pioneiro na aplicação de eletro-osmose para extração de água e estabilização de taludes, e Winterkorn (1947,1955) na apresentação da similaridade entre química-osmose, eletro-osmose e termo-eletro-osmose. Winterkorn, foi quem primeiro sugeriu uma nova geração da lei de
Darcy ao incluir as contribuições dos gradientes elétrico e térmico.
Destacam-se também, as publicações de Gray & Mitchell (1967) que descreveram a eficiência da eletro-osmose e Esrig (1968) que desenvolveu uma teoria para consolidação por eletro-osmose. Depois, relativamente pouca atenção foi dada ao processo de fluxo acoplado em solo durante alguns anos, sendo renovado o interesse recentemente por causa de novos problemas e aplicações em que estes têm importantes funções. Neste milênio, observa-se novo interesse mundial envolvendo este fenômeno, através da grande quantidade de trabalhos publicados, como Bergado et al. (2000); Karunaratne et al. (2002), Chew et al. (2004), entre outros. No Brasil esta tendência é também real, como mostram os trabalhos de Souza (2002), Schmidt (2004), Deotti (2005), sobre a biorremediação eletrocinética do solo, Mergulhão (2003), o transporte de nutrientes e Nascimento (2005), a melhoria do solo com GCEs.
2.1 Consolidação Por Eletro-Osmose
A aplicação de um gradiente elétrico pode ocorrer em uma massa de solo se dois eletrodos são cravados em um solo saturado e faz-se passar uma corrente elétrica de um eletrodo ao outro; assim, a água contida no solo migra do eletrodo positivo (ânodo) para o negativo (cátodo). Se a água é removida no cátodo, o solo decresce em volume (isto é, consolida-se) em quantidade igual ao volume de água removida. A resistência do solo é aumentada por este decréscimo de volume, processo chamado de consolidação por eletro-osmose.
Existe um grande número de teorias relatando o fenômeno de eletro-osmose. Segundo Mitchell (1991), a mais utilizada para explicar fluxo hidráulico sob eletro-osmose é a Teoria de Holtz-Smoluchowski.
2.1.1 Teoria de Holtz-Smoluchowski
Por analogia com a lei de Darcy, o fluxo eletro-osmótico, produzido pela aplicação de campo elétrico é dado pela expressão:
Qe= Ke.ie.A Equação (1)
Onde:
Qeé a vazão eletro-osmótica (L3T-1);
Ke é o coeficiente de permeabilidade
eletro-osmótico (L2T-1V(*)-1);
A é a área da seção transversal normal à direção do fluxo (L2);
ieé o gradiente elétrico (V(*)L-1).
Pode-se obter o gradiente elétrico através da diferença de voltagem entre os eletrodos dividido pela distância entre os mesmos. O coeficiente de permeabilidade eletro-osmótico é uma propriedade do solo que indica a velocidade do fluxo hidráulico sob um gradiente elétrico unitário e é então análogo à permeabilidade hidráulica, que é a velocidade do fluxo sob um gradiente hidráulico unitário. A medida de Ke pode ser feita pela
determinação da razão de fluxo de água através de uma amostra de comprimento e seção transversal conhecidos, sob um gradiente elétrico também conhecido. Por meio de experimentos, é sabido que Ke está geralmente
no intervalo de 1 x 10-9a 10 x 10-9m2/s/V e que este é relativamente independente do tipo de solo, mas sensível à concentração eletrolítica da água (Mitchell 1976).
3 METODOLOGIA
A pesquisa consistiu em ensaios em modelos físicos de escala intermediária para conhecer o fenômeno de eletro-osmose no processo de consolidação de argila mole.
A experiência foi feita com instalação de drenos verticais em duas caixas experimentais para consolidação simultânea. As caixas eram metálicas tendo o formato retangular com as seguintes dimensões: 2,5 m x 3,0 m x 1,0 m (larg. x comp. x prof.), perfazendo um volume útil de 7,5 m3. Em uma das caixas, o solo mole foi tratado através do processo de eletro-osmose juntamente com sobrecarga, e os geossintéticos condutores elétricos (geocompostos) instalados tiveram a função de direcionar e acelerar o fluxo de água como também a função de filtro e dreno para extração da água.
(*) A diferença de potencial elétrico é obtida pela divisão do trabalho da força elétrica em Joules por carga em Coulomb. A resultante das unidades padrões do sistema será: V = ML2T -2C-1.
Em outra caixa, o tratamento foi feito
convencionalmente através da mesma
sobrecarga no solo mole, ou seja, sem o processo de eletro-osmose e o geossintético teve apenas a função de filtro e dreno.
O solo utilizado nos ensaios foi escavado dentro do Campus da Universidade de Brasília. Ensaio de granulométria mostrou que esse solo apresentava as proporções de 23%, 15% e 62% de areia, silte e argila respectivamente. A
preparação do solo mole foi feita
homogeneizando-se o solo argiloso com água tratada obtendo-se umidade superior ao seu limite de liquidez (WL=47%). Entre a camada
de solo mole (65 cm) e a sobrecarga de areia (35 cm), foi instalada uma manta de geotêxtil com a função de separação entre as duas camadas. O material utilizado como sobrecarga para induzir a consolidação da argila foi uma areia de coloração amarela, comercialmente chamada de areia saibrosa.
Como já mencionado, utilizou-se o geodreno convencional com a função de drenagem e filtração. Anexado ao mesmo, uma haste de aterramento padrão de cobre e uma cordoalha também de cobre foram usados como eletrodos em momentos diferentes, com a função de acelerar e direcionar o fluxo horizontal para o geodreno específico, formando assim, o geossintético condutor elétrico (GCE).
Devido a alguns resultados obtidos no ensaio de laboratório que avaliou a passagem de corrente pelo solo (Nascimento 2005), fez-se uma simulação da água do mar para aumentar a concentração eletrolítica do solo utilizado e, conseqüentemente, aumentar a eficiência eletro-osmótica do processo estudado. Usou-se a concentração de 33 g/L de sal misturado à água tratada e esta água foi homogeneizada com o solo apresentado anteriormente, gerando-se um aumento da condutividade deste solo para 20 mS/cm, aproximadamente 1000 vezes mais condutor comparado ao solo misturado à água tratada apenas (σe= 30 µS/cm). Desta forma, ao
aumentar a condutividade da argila, adicionando sal à água tratada simulando a água do mar, reproduziu-se argila mole marinha, muito encontrado em muitos depósitos da costa do país.
3.1 Ensaio nas Caixas Experimentais
Visto que eletro-osmose é o processo pelo qual a água livre move-se do ânodo ao cátodo sob aplicação de corrente direta, instalaram-se 6 eletrodos conectados ao pólo negativo da fonte (GCE cátodo) e 12 eletrodos conectados ao pólo positivo (GCE ânodo) em massa de solo saturado, com a configuração da Figura 1. Estes eletrodos foram conectados inicialmente a uma fonte com 30 V de diferença de potencial e uma capacidade de corrente máxima de 20 A.
Figura 1. Configuração dos Geossintéticos Condutores Elétricos (GCE) – Caixa 2.
Figura 2. Configuração dos Drenos Verticais (DVP) – Caixa 1.
GCE cátodo
Direção do Fluxo Placa de Recalque
GCE ânodo Piezômetro Tipo Casagrande Legenda: Dreno Vertical Pré-Fabricado (DVP) Direção do Fluxo Piezômetro Tipo Casagrande Placa de Recalque 2,5 m 3,0 m 2,5 m 3,0 m Legenda:
Na outra caixa foram utilizados apenas drenos verticais convencionais com a configuração da Figura 2.
Destaca-se, que a fonte utilizada nos ensaios em campo não era regulável e estabilizada como em laboratório, causando variação na leitura das medidas de tensão e corrente. Por ser uma fonte adaptada, esta foi preparada para gerar energia durante algumas horas e não durante vários dias como o ensaio exigiu.
4 RESULTADOS
As caixas experimentais foram monitoradas através de piezômetro de Casagrande para medida da poropressão, placa de recalque para medida de recalque. Medidas de resistência não drenada da argila foram feitas antes e após cada ensaio de consolidação através do ensaio de palheta.
No primeiro dia de tratamento com o solo mole pré-preparado a fonte fixa foi ligada, e, cerca de 5 minutos após a aplicação do potencial elétrico, uma espuma branca começou a sair dos GCEs cátodos. Esta espuma surgiu devido à reação de eletrólise que libera gás hidrogênio no meio, carregando com este gás, a água. A Reação 1 mostra o processo de eletrólise ocorrido no ensaio.
4H2O(l)+ 4e-à 2H2(g)+ 4OH- Reação (1)
A ação da sobrecarga sobre a argila saturada e com o geossintético condutor elétrico presente no ensaio, forçou a água a encontrar um caminho para ser retirada da argila, como mostra a Figura 3. Assim, esta figura confirma que o processo de eletro-osmose foi iniciado e que este realmente pode ajudar na aceleração da consolidação da argila mole com a retirada de água através dos GCEs.
Mas, durante o ensaio alguns problemas interromperam a passagem de corrente pelo solo. Houve queima da fonte, devido o ensaio ter exigido, em alguns momentos, corrente maior do que a fonte suportava, obrigando que uma nova fonte trabalhasse em regime intermitente, ou seja, ligada e desligada por algumas horas. Esta eventual intensidade de corrente, juntamente com a ação da
eletroquímica, também conseguiram acelerar as reações de corrosão provocando quebra dos eletrodos de cobre maciço, os quais foram substituídos por hastes de aterramento que viabilizaram a continuidade do ensaio.
Figura 3. Expulsão de água do solo saturado por meio do GCE cátodo.
4.1 Medidas de Poropressão
A sobrecarga sobre a camada de argila mole, gerou um acréscimo de poropressão na superfície da argila de aproximadamente 3 kPa. Dessa forma, analisando o segundo piezômetro da caixa 1 na Figura 4, observa-se que houve uma queda de 0,90 kPa de poropressão, isto equivale a aproximadamente 30 % menos do aumento de poropressão existente.
A Figura 5, mostra as medidas do acréscimo de poropressão na caixa que utiliza como processo a eletro-osmose, ressaltando-se que o piezômetro 1 está próximo ao GCE ânodo, o piezômetro 2 no meio dos dois GCE de polaridade diferentes e o piezômetro 3 próximo ao cátodo como mostrou a Figura 1. Assim, observa-se que a partir do dia 3 de dezembro as medidas começam a se dispersar, onde há uma maior diferença visual entre os piezômetros 1 (próximo ao ânodo) e 3 (próximo ao cátodo). Esta diferença deve ter ocorrido, justamente, porque no piezômetro 1, próximo ao ânodo, o eletrodo tende a empurrar a água para o outro eletrodo de polaridade diferente, pois, a água livre contém carga positiva que é repelida pelo ânodo e atraída pelo cátodo o qual tem carga negativa. Este caminho dos íons faz com que o piezômetro 1 tenha uma perda maior de
poropressão comparado aos outros dois. Este piezômetro tem uma queda de poropressão de 1,35 kPa (- 45 %), enquanto o piezômetro 3 cai apenas 0,85 kPa(- 29 %). Caixa 1 1,50 1,65 1,80 1,95 2,10 2,25 2,40 2,55 2,70 2,85 3,00 3,15
29-nov 2-dez 5-dez 8-dez 11-dez 14-dez 17-dez 20-dez Data
Acréscimo de poropressão
(kPa)
Piezômetro 1 Piezômetro 2 Piezômetro 3
Figura 4. Desenvolvimento do acréscimo de poropressão na superfície da argila da caixa com DVP (Caixa1).
Caixa 2(EO) 1,50 1,65 1,80 1,95 2,10 2,25 2,40 2,55 2,70 2,85 3,00 3,15
29-nov 2-dez 5-dez 8-dez 11-dez 14-dez 17-dez 20-dez
Data
Acréscimo de poropressão
(kPa)
Piezômetro 1 Piezômetro 2 Piezômetro 3
Figura 5. Desenvolvimento do acréscimo de poropressão na superfície da argila da caixa com GCE (Caixa2).
4.2 Medidas de Recalque
A Figura 6 mostra que no ensaio com método convencional (Geodreno + Sobrecarga) houve um deslocamento de 10 mm, em 20 dias. Para o processo que utilizou a eletricidade, houve um deslocamento de 14 mm, no mesmo intervalo de tempo. A camada de argila que utilizou o processo de eletro-osmose recalcou 40 % a mais que a camada de solo que utilizou o processo convencional. Este aumento é relativamente baixo, mas considerável, avaliando que houve interferência da passagem de corrente pela massa de solo decorrente de problemas já descritos. 0 -2 -4 -6 -7 -8 -9 -10 0 -3 -6 -9 -9 -10 -11 -14 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 29/11 30/11 3/12 6/12 9/12 13/12 16/12 19/12 Data Recalque (mm)
Caixa 1 Caixa 2 (EO)
Figura 6. Medidas de recalque realizadas nas duas caixas.
4.3 Resistência Não-Drenada
A resistência não drenada inicial foi de 8 kPa na caixa 1 e de 9 kPa na caixa 2. No entanto, ao obter os resultados após o término do ensaio, observou-se que a diferença do ganho de resistência entre os métodos foi pequena. Este resultado foi esperado, justamente pelo fato da pequena eficiência da eletro-osmose devido a interrupção da passagem de corrente e a baixa capacidade do potencial aplicado pela fonte para este porte de ensaio.
Ao término do ensaio, retirou-se uma parte da sobrecarga para avaliação do material argiloso, e observou-se, que a argila tinha sido levantada ao redor do GCE ânodo, fato ocorrido, provavelmente, devido à força de repulsão existente neste GCE, pois, o mesmo não ocorreu na caixa com DVP. Desta forma, ao medir a resistência ao cisalhamento não drenada da argila da caixa 1 (sem EO) encontrou-se o valor de 23 kPa e de 29 kPa na caixa 2. Houve um aumento de resistência não drenada de 26 % do processo que utilizou a eletro-osmose em relação ao processo que usou a técnica convencional DVP.
6 CONCLUSÕES
Este estudo foi iniciado para compreender o comportamento dos GCE frente ao processo de consolidação. Foram observados os principais parâmetros para se obter eficiência da consolidação usando a eletro-osmose, bem como, verificadas as limitações do processo tais como corrosão de eletrodos, intensidade de
corrente e voltagem, entre outros. Assim, os aspectos relevantes são:
1. O efeito de eletro-osmose foi visível, com a expulsão da água junto com o gás nos GCEs cátodos, 5 minutos após a fonte ser ligada. Isto mostrou uma evolução dos geossintéticos direcionados para drenagem. Pois ao sair água após 5 minutos de aplicação de energia no GCE e o mesmo não ocorrer de forma visível na caixa com DVP, tenderá a ocorrer uma maior consolidação no processo que utilizou a eletricidade. Esta maior consolidação não ficou clara nesta pesquisa porque a energia foi aplicada apenas por algumas horas durante o período de tratamento e sem ser em tempo contínuo devido a problemas como queima da fonte.
2. O processo que utilizou eletricidade reduziu 46 % do acréscimo de poropressão, quando estava próximo ao GCE ânodo e 29 % quando estava próximo ao GCE cátodo. Estes valores evidenciam que houve migração da água livre do ânodo para o cátodo, confirmando o processo eletro-cinético.
3. Os valores de recalques também tendem a comprovar a influencia do movimento eletro-cinético. Estes mostraram que o solo submetido ao processo eletro-osmótico recalcou 40 % a mais que o outro processo. No entanto, esta diferença pode ser maior, por que houve levantamento do solo próximo ao GCE, podendo ter interferido na leitura da placa de recalque, como já ocorrido em outros trabalhos, dentre estes Lo et al. (1991).
4. O principal parâmetro para avaliar a melhoria do solo são as medidas de resistência ao cisalhamento da argila. O solo que utilizou a eletricidade encontrou-se 26 % mais resistente que o solo que usou o processo convencional.
Pode-se concluir, que ao aplicar uma corrente contínua, cria-se um gradiente adicional de natureza elétrica que acelera o movimento da água contida nos vazios do solo e direciona para o GCE cátodo, eliminando água e provocando a aceleração da consolidação como indicam a tendência dos resultados da instrumentação. Entretanto, há necessidade de intensificação de ensaios de pequena e grande escala para otimização dos parâmetros eletro-osmótico como corrente elétrica e voltagem aplicada para,
conseqüentemente, aumentar a eficiência do processo eletro-cinético direcionado para consolidação de solo.
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