UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E AMBIENTAL PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM RECURSOS HÍDRICOS
HENRIQUE PETISCO DE SOUZA
USO DE CINZAS DE CARVÃO MINERAL DA TERMELÉTRICA DO PECÉM COMO MATERIAL DE COBERTURA SECA DE DEPÓSITOS DE RESÍDUOS
USO DE CINZAS DE CARVÃO MINERAL DA TERMELÉTRICA DO PECÉM COMO MATERIAL DE COBERTURA SECA DE DEPÓSITOS DE RESÍDUOS
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal do Ceará, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil. Área de concentração: Geotecnia.
Orientador: Prof. Dr. Anderson Borghetti Soares.
Biblioteca Universitária
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S238u Souza, Henrique Petisco de.
Uso de cinzas de carvão mineral da termelétrica do pecém como material de cobertura seca de depósitos de resíduos / Henrique Petisco de Souza. – 2018.
160 f. : il. color.
Dissertação (mestrado) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil: Geotecnia, Fortaleza, 2018.
Orientação: Prof. Dr. Anderson Borghetti Soares.
USO DE CINZAS DE CARVÃO MINERAL DA TERMELÉTRICA DO PECÉM COMO MATERIAL DE COBERTURA SECA DE DEPÓSITOS DE RESÍDUOS
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal do Ceará, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil. Área de concentração: Geotecnia.
Aprovada em: 09/08/2018
BANCA EXAMINADORA
________________________________________________ Prof. Dr. Anderson Borghetti Soares (Orientador)
Universidade Federal do Ceará
________________________________________________ Profª. Dra. Maria Claudia Barbosa
Universidade Federal do Rio de Janeiro
________________________________________________ Prof. Dr. Francisco Chagas da Silva Filho
Aos meus pais, que sempre me incentivaram e apoiaram com todo o seu carinho e dedicação.
Aos meus irmãos, Ana e Aaron, por estarem sempre ao meu lado, sempre ajudando e apoiando durante esta jornada.
À minha avó Marina, que me apoiou com todo o seu carinho, mesmo distante. Ao meu cunhado Gabriel, pelo incentivo e contribuições.
Ao Deyvid, cuja ajuda, amizade e companheirismo foram essenciais para o desenvolvimento deste trabalho.
Ao Professor Anderson, pela excelente orientação, sempre acompanhando e auxiliando durante toda a realização do trabalho.
Aos colegas do mestrado, pela amizade, contribuições e sugestões durante todo o curso.
Aos Kamikazes, que, mesmo distantes, acompanharam e incentivaram toda esta caminhada.
Aos professores do curso de Geotecnia, pelos conhecimentos proporcionados. À equipe do Laboratório de Mecânica dos Solos e Pavimentação, por todo o apoio prestado nesta etapa.
Ao CNPq, pelo auxílio financeiro com a manutenção da bolsa de auxílio.
À ENEVA, pelo financiamento do projeto, que permitiu o desenvolvimento deste e de outros trabalhos.
À equipe técnica do Aterro Sanitário do Município de Caucaia, que auxiliaram durante o desenvolvimento das atividade realizadas no local.
O aproveitamento de resíduos oriundos da queima do carvão mineral constitui um assunto relevante nos dias atuais, devido ao volume significativo de cinzas gerado após o processo de combustão. No estado do Ceará, uma parte da geração da energia é obtida pela queima do carvão mineral, na Usina Termoelétrica Energia Pecém, localizada no município de São Gonçalo do Amarante. As cinzas geradas nessa termoelétrica são atualmente armazenadas em bacias de contenção, havendo a necessidade de propor alternativas de destino deste resíduo. O presente trabalho teve como objetivo estudar a aplicação de cinzas de carvão mineral e de misturas de solo e cinzas, em diferentes proporções, como material impermeabilizante de coberturas secas de aterros de resíduos sólidos urbanos. O trabalho foi dividido em três etapas: (a) determinação dos parâmetros hidráulicos dos materiais utilizados, (b) modelagem numérica do balanço hídrico das coberturas, utilizando o software Vadose (GeoStudio, 2007) e (c) realização de ensaios de infiltração em lisímetros de laboratório. Ao todo foram testados cinco modelos numéricos de cobertura, sendo quatro compostos com uma camada impermeabilizante de 30 cm, com diferentes misturas de solo-cinza, subjacente a uma camada superior de proteção de 30cm, e um modelo composto somente por uma camada de solo, que representa as condições encontradas no aterro sanitário localizado no município de Caucaia-CE, que recebe os resíduos sólidos urbanos da cidade de Fortaleza. Os modelos experimentais foram construídos e reproduziram três configurações de cobertura: (a) com a mistura solo-cinzas de melhor desempenho nas modelagens numéricas (com 70% de solo e 30% de cinzas), instrumentada com sensores de umidade (b) com a cinzas em seu estado puro e (c) e somente com solo, representado a configuração do aterro sanitário estudado. Nas colunas foram realizados ensaios de infiltração, coletando o volume de água percolado. Os resultados das modelagens física e numérica demonstraram que a mistura com 70% de solo e 30% de cinzas possui potencial de utilização em coberturas, pois apresentou os menores valores de percolado em relação ao volume precipitado, além de manutenção de elevados valores de saturação acima de 85%. A cinza utilizada em seu estado puro apresentou elevados valores de percolação e grandes variações nas condições de saturação, comportamento similar ao observado para a configuração de cobertura utilizada no aterro sanitário considerado.
The use of residues from the burning of mineral coal is a relevant issue today, due to the significant volume of ash generated after the combustion process. In the state of Ceará - Brazil, part of the energy generation is obtained by the burning of coal at the Thermal Power Plant Energia Pecém, located in São Gonçalo do Amarante city. The ashes generated in this thermoelectric plant are currently stored in containment basins and there is a need to propose alternative destinations for the residue. The present work had as objective to study the application of mineral coal ash and soil and ashes mixtures, considering different proportions, as waterproofing material component in waste deposits dry covers systems. The work was divided into three stages: (a) determination of the hydraulic parameters of the materials used, (b) numerical modeling of the water balance for the different dry covers, using Vadose software (GeoStudio, 2007) and (c) infiltration tests in experimental soil columns. Five dry covers systems numerical models were tested, four with a 30 cm hydraulic barrier layer, with different soil-gray mixtures, underlying a 30 cm natural soil layer and a model composed for only one layer of natural soil representing the conditions found in the waste deposit. The deposit is located in the city of Caucaia-CE and receives solid urban waste from the city of Fortaleza. The experimental models were constructed to reproduce three dry covers systems: (a) with the best soil and ashes mixture considered after the numerical model analyses (with 70% soil and 30% ash), instrumented with humidity sensors (b) with only ashes, (c) and only with natural soil, reproducing the configuration finded in the studied waste deposit. In the columns were executed infiltration tests, collecting the volume of percolated water. The results of the physical and numerical modeling showed that the mixture with 70% of soil and 30% of ash has potential of use in coverings, as it presented the lowest percolation values in relation to the precipitated volume, besides maintenance of high values of saturation above of 85%. The ash used in its pure state presented high percolation values and large variations in the saturation conditions, similar behavior to that observed for the cover configuration used in the considered waste deposit.
Figura 1 – Vista aérea do Complexo Termelétrico Jorge Lacerda ... 18
Figura 2 – Os dez maiores produtores e consumidores de carvão mineral ... 21
Figura 3 – Tipos de carvão mineral, reservas e usos ... 22
Figura 4 – Mina de carvão mineral de Verdinho - Forquilinha/SC ... 23
Figura 5 – Método de extração à céu aberto ... 23
Figura 6 – Perfil esquemático do funcionamento de uma usina termelétrica ... 24
Figura 7 – Lixão da Estrutural localizado no Distrito Federal. ... 30
Figura 8 – Execução de um aterro controlado na Grande Aracaju/SE ... 31
Figura 9 – Aterro sanitário no Município de Caucaia – CE ... 31
Figura 10 – Infraestrutura de um aterro sanitário ... 33
Figura 11 – Trincheira no aterro sanitário do Município de Alfenas/MG... 34
Figura 12 –Sistema de drenagem de percolado (“espinha de peixe”) ... 34
Figura 13 – Exemplo de aterro sanitário com utilização de bermas ... 35
Figura 14 – Regiões da curva de retenção ... 40
Figura 15 – Demonstração do fenômeno da histerese ... 41
Figura 16 – Ajustes empíricos da curva de retenção ... 41
Figura 17 – Ajuste das curvas característica e de condutividade hidráulica ... 42
Figura 18 – Representação dos anéis utilizados no ensaio ... 43
Figura 19 – Determinação da infiltração ... 44
Figura 20 – Correlação entre a curva característica e curva de condutividade hidráulica ... 45
Figura 21 – Sistema de ensaio em regime permanente ... 47
Figura 22 – Método de infiltração vertical ... 49
Figura 23 – Conceitos aplicados em um sistema de coberturas secas ... 53
Figura 24 – Tipos de coberturas secas ... 56
Figura 25 – Curvas de retenção e condutividade hidráulica para diferentes materiais ... 58
Figura 26 – Representação das parcelas do balanço hídrico ... 61
Figura 27 – Exemplo do funcionamento de um lisímetro de percolação ... 64
Figura 28 – Fluxograma de atividades ... 66
Figura 29 – Localização dos pontos de ensaio ... 68
Figura 30 – Montagem do ensaio do infiltrômetro de duplo anel ... 68
Figura 31 – Materiais utilizados na execução do ensaio de papel filtro ... 70
Figura 34 - Balança de precisão ... 73
Figura 35 – Interface do software RETC... 73
Figura 36 – Localização do Posto Caucaia ... 74
Figura 37 – Configurações dos modelos de coberturas secas estudados ... 75
Figura 38 – Condições de contorno para os estados estacionário e transiente ... 81
Figura 39 – Colunas de solo desenvolvidas... 82
Figura 40 – Dimensões dos tubos de acrílico ... 84
Figura 41 – Soquete utilizado para conformação do solo ... 84
Figura 42 – Soquete utilizado na compactação ... 85
Figura 43 – Posicionamento dos sensores de umidade volumétrica ... 86
Figura 44 – Sensores de umidade volumétrica e leitor digital ... 87
Figura 45 – Sensor de umidade instalado ... 88
Figura 46 – Procedimento de calibração dos sensores ... 90
Figura 47 – Relação entre a performance dielétrica e umidade volumétrica ... 90
Figura 48 – Curvas de calibração dos sensores ... 91
Figura 49 – Aplicação dos volumes diários sobre as colunas de solo ... 94
Figura 50 – Coleta do líquido percolado ... 95
Figura 51 – Leitura dos sensores ... 95
Figura 52 – Caracterização dos materiais ... 99
Figura 53 – Estrutura final das colunas de solo ... 123
Gráfico 1 – Curvas característica e de condutividade hidráulica para o RSU ... 78
Gráfico 2 – Distribuição pluviométrica mensal do ano de 2009 ... 79
Gráfico 3 – Curvas de infiltração ... 96
Gráfico 4 – Lâmina de água acumulada ... 97
Gráfico 5 – Comparativo entre as curvas de retenção ... 101
Gráfico 6 -Comparativo entre as curvas de condutividade hidráulica... 101
Gráfico 7 – Perfis para o modelo com Cinza Composta – Trimestre mais chuvoso ... 105
Gráfico 8 – Perfis para o modelo com MS30C70 – Trimestre mais chuvoso ... 107
Gráfico 9 – Perfis para o modelo com MS50C50 – Trimestre mais chuvoso ... 108
Gráfico 10 – Perfis para o modelo com MS70C30 – Trimestre mais chuvoso ... 109
Gráfico 11 – Perfis para o modelo com Solo Natural – Trimestre mais chuvoso ... 111
Gráfico 12 – Perfis para o modelo com Cinza Composta – Trimestre menos chuvoso ... 113
Gráfico 13 – Perfis para o modelo com MS30C70 – Trimestre menos chuvoso ... 115
Gráfico 14 – Perfis para o modelo com MS50C50 – Trimestre menos chuvoso ... 116
Gráfico 15 – Perfis para o modelo MS70C30 – Trimestre menos chuvoso ... 117
Gráfico 16 – Perfis para o modelo com Solo Natural – Trimestre menos chuvoso ... 119
Gráfico 17 – Perfis de saturação do Ensaio de Infiltração 1 ... 132
Tabela 1 - Municípios, total e com serviço de manejo de resíduos sólidos, por unidade de destino dos resíduos sólidos domiciliares e/ou públicos, segundo os grupos de tamanho dos
municípios e a densidade populacional - Brasil – 2008 ... 29
Quadro 1 – Métodos para a obtenção dos valores de sucção ... 38
Quadro 2 – Tempo de equilíbrio para diferentes faixas de sucção ... 38
Quadro 3 – Métodos para obtenção da curva de condutividade hidráulica ... 50
Quadro 4 – Classificação das coberturas secas ... 55
Quadro 5 - Principais parâmetros monitorados e um SCS e equipamentos utilizados ... 62
Quadro 6 – Materiais adotados ... 67
Quadro 7 – Condições de contorno dos materiais no estado estacionário ... 80
Quadro 8 – Parâmetros adotados para os sensores ... 92
Quadro 9 – Resumo dos coeficientes de permeabilidade da cobertura ... 98
Quadro 10 – Parâmetros dos materiais ... 100
Quadro 11 – Resumo dos parâmetros hidráulicos ... 102
Quadro 12 – Resumo dos volumes de cada parâmetro ao final do ano de estudo ... 122
Quadro 13 – Volumes considerados para o Modelo A (Modelo Numérico)... 125
Quadro 14 – Volumes considerados para o Modelo B (Modelo Numérico) ... 126
Quadro 15 – Volumes considerados para o Modelo C (Modelo Numérico) ... 127
Quadro 16 – Resultados do Ensaio de Infiltração 1 ... 129
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
ABRELPE Associação Brasileira de Empresas de Limpeza Pública e Resíduos Especiais ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
ASTM American Society for Testing na Materials
FUNCEME Fundação Cearense de Meteorologia e Recursos Hídricos IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
INMET Instituto Nacional de Meteorologia RSU Resíduos Sólidos Urbanos
Sucção total m Sucção mátrica
osm Sucção osmótica
b Sucção de entrada de ar
ua Pressão de ar
uw Pressão da água
Umidade volumétrica
s Umidade volumétrica saturada
r Umidade volumétrica residual
m, n Parâmetros adimensionais de Mualem I Infiltração acumulada
a, n Constantes adimensionais da equação de infiltração T Tempo de infiltração
V Velocidade de infiltração
ksat Coeficiente de permeabilidade saturado
kw Condutividade hidráulica
Γ Inclinação da pressão de vapor de saturação versus curva de temperatura média do ar Constante psicrométrica
ha Umidade relativa do ar
hr Umidade relativa do solo
√ε Índice refrativo
ao Coeficiente linear da curva de calibração
a1 Coeficiente angular da curva de calibração
Amodelo Área da seção transversal do modelo numérico
Acoluna Área da seção transversal da coluna de solo
Vmodelo Volume de água infiltrado no modelo numérico
1 INTRODUÇÃO ... 17
1.1 Considerações iniciais ... 17
1.2 Relevância do trabalho ... 19
1.3 Objetivo ... 20
1.3.1 Objetivo geral ... 20
1.3.2 Objetivos específicos ... 20
1.4 Estrutura do trabalho ... 20
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 21
2.1 Carvão mineral ... 21
2.1.1 Origem e reservas naturais ... 21
2.1.2 Formas de extração e utilização ... 22
2.1.3 Geração de energia elétrica através de usinas termelétricas ... 24
2.2 Resíduos da queima do carvão mineral: Cinzas volantes, cinzas pesadas e escórias 25 2.2.1 Cinzas volantes ... 26
2.2.2 Cinzas pesadas ... 27
2.2.3 Escória ... 28
2.3 Aterro sanitário de resíduos sólidos urbanos... 28
2.3.1 Introdução... 28
2.3.2 Execução da infraestrutura de um aterro sanitário ... 33
2.4 Fluxo em solos não-saturados ... 36
2.4.1 Sucção ... 37
2.4.2 Métodos para determinação da sucção ... 37
2.4.2.1 Método do Papel filtro ... 38
2.4.3 Curva de retenção hídrica ... 39
2.4.5 Curva de condutividade hidráulica em solos não-saturados ... 45
2.5 Coberturas secas ... 51
2.5.1 Projeto de coberturas secas ... 51
2.5.2 Aplicação... 52
2.5.3 Conceitos envolvidos ... 53
2.5.4 Funcionamento do sistema de cobertura seca (SCS) ... 54
2.5.5 Tipos de coberturas secas ... 55
2.5.6 Monitoramento dos parâmetros associados às coberturas secas ... 59
2.5.7 Modelo numérico de coberturas secas (modelagem do balanço hídrico) ... 62
2.5.8 Modelo experimental de coberturas secas ... 63
3 METODOLOGIA ... 65
3.1 Metodologia de trabalho ... 65
3.2 Materiais adotados ... 66
3.3 Caracterização dos materiais ... 67
3.3.1 Ensaio do infiltrômetro de duplo anel ... 67
3.3.2 Determinação das curvas de retenção hídrica e de condutividade hidráulica ... 69
3.3.3 Obtenção dos dados climáticos ... 74
3.4 Modelo numérico de sistemas de coberturas secas... 75
3.4.1 Geometria dos modelos... 75
3.4.2 Parâmetros de entrada ... 76
3.4.3 Condições de contorno ... 80
3.5 Modelo experimental ... 81
3.5.1 Configurações de cobertura adotadas ... 81
3.5.2 Colocação das camadas de solo e mistura nas colunas ... 82
3.5.3 Monitoramento da umidade volumétrica da coluna de solo principal ... 86
4 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ... 96
4.1 Caracterização dos materiais ... 96
4.1.1 Ensaio de infiltrômetro de duplo anel ... 96
4.1.2 Ensaio de permeabilidade à carga variável ... 99
4.1.3 Curvas de retenção e de condutividade hidráulica ... 100
4.2 Modelagem numérica ... 103
4.2.1 Propriedades dos materiais ... 103
4.2.1.1 Estação chuvosa ... 103
4.2.1.2 Estação seca ... 112
4.2.2 Balanço hídrico ... 120
4.3 Modelo experimental ... 122
4.3.1 Montagem das coluna de solo e parâmetros de entrada ... 123
4.3.2 Volume percolado ... 128
4.3.3 Monitoramento das condições de saturação (Modelo A) ... 130
5 CONCLUSÕES ... 136
5.1 Contribuições do trabalho ... 136
5.2 Caracterização dos materiais ... 137
5.3 Modelagem numérica ... 137
5.4 Modelo experimental ... 138
5.5 Sugestões para trabalhos futuros ... 138
REFERÊNCIAS ... 139
APÊNDICE A – CURVAS DE RETENÇÃO HÍDRICA COM PONTOS EXPERIMENTAIS ... 144
APÊNDICE B – PERFIS DE SATURAÇÃO, UMIDADE E POROPRESSÕES PARA O PRIMEIRO E TERCEIRO TRIMESTRES DE 2009 ... 147
1 INTRODUÇÃO
1.1 Considerações iniciais
A preocupação com a manutenção e preservação dos recursos naturais tem estado em grande evidência em meio a sociedade atual, ressaltando-se, principalmente, a comunidade científica. O elevado crescimento populacional, assim como muitos dos avanços tecnológicos, tem contribuído significativamente na geração dos mais diversos tipos de resíduos, sejam eles resultantes da atividade industrial, geração de energia ou consumo humano, que podem impactar de forma negativa o meio ambiente.
Não obstante a periculosidade e insalubridade da maioria desses resíduos, a quantidade final gerada pode atingir proporções insustentáveis quando considerada a cadeia produtiva a qual está associada. Em muitos casos, esses produtos ficam acumulados em locais inadequados, sem destinação certa, ou são eliminados de forma irresponsável, de modo que podem impactar de maneira catastrófica o meio ao qual são destinados.
Movidos pela preocupação com as consequências associadas ao descarte inapropriado desses resíduos, muitos estudos e pesquisas surgiram com o intuito de buscar uma forma de descarte adequada ou mesmo a sua reutilização de forma sustentável para outros fins. Dentre os setores observados que produzem resíduos, está o de geração de energia, onde a queima de carvão mineral nas usinas termelétricas resulta em um considerável volume de cinzas.
As usinas termelétricas brasileiras produzem, anualmente, milhões de toneladas de cinzas oriundas da queima do carvão mineral. Na maioria das vezes, esse material se acumula em pátios anexos às estações geradoras (Figura 1), sem tratamento ou destino adequados definidos, o que pode gerar custos adicionais e danos tanto ao meio ambiente quanto à população adjacente.
Figura 1 – Vista aérea do Complexo Termelétrico Jorge Lacerda
Fonte: Divulgação/Tractebel Energia
Partindo dessas condições estabelecidas, muitos estudos apresentaram aplicações bem-sucedidas desse material em diferentes linhas de pesquisa. De forma geral, pode-se destacar aqueles associados à engenharia, com destaque para a engenharia civil, onde se observam pesquisas que abrangem desde a área de construção civil até a de saneamento.
A utilização das cinzas na composição ou para aumento de desempenho em materiais de uso frequente na construção civil se destaca quando analisadas as pesquisas nessa área. Dentre os estudos relacionados, pode-se destacar a viabilidade da substituição de agregados por cinzas de carvão mineral em argamassas de revestimento (MARGON, 2002), a adição de cinzas em pasta de cimento Portland aplicados na cimentação de poços de petróleo (CIRINO, 2016) e a utilização das cinzas como componente de elementos cerâmicos (SILVA, CALARGE e MELLO, 1999).
drenagem ácida de minas utilizando cobertura seca composta de cinzas (UBALDO, 2005; SOARES et al., 2009, 2010). No município de São Gonçalo do Amarante/CE (Região Metropolitana de Fortaleza), especificamente no Complexo Portuário do Pecém, encontra-se lotada a Usina Termelétrica Energia Pecém, composta de duas unidades (PECÉM I e PECÉM II), cuja produção diária de cinzas (leves e de fundo) é da ordem de 80 toneladas por dia (CIRINO, 2016). Esse resíduo é deposto em um pátio anexo à usina, onde o acúmulo desse material atingiu volumes significativos.
O presente trabalho teve como intuito estudar a aplicação de cinzas volantes, oriundas da queima de carvão mineral da Usina Termelétrica Energia Pecém, como cobertura seca em aterros sanitários de resíduos sólidos urbanos, a fim de verificar sua viabilidade como forma de destinação desse resíduo.
1.2 Relevância do trabalho
O elevado volume de cinzas geradas pela queima de carvão mineral na Usina Termelétrica Energia Pecém resultou na necessidade de se debater e estudar diferentes formas de utilização para esse resíduo. Assim, procurou-se empregar esse material em uma obra de engenharia, onde fosse possível utilizá-lo em quantidade elevadas e de forma sustentável.
Desse modo, encontrou-se na execução de coberturas secas de aterros sanitários uma forma de se atender as questões levantadas quanto à destinação final desse resíduo. A aplicação desse material, puro ou através de misturas de cinzas e solo, poderá se apresentar como um substituto ao material nobre usualmente utilizado na execução de coberturas em aterros sanitários.
1.3 Objetivo
1.3.1 Objetivo geral
Verificar o desempenho de cinzas de carvão mineral como material de cobertura em aterros de resíduos sólidos urbanos (RSU), através da minimização do fluxo de água para camadas de RSU e escape de gases para a atmosfera.
1.3.2 Objetivos específicos
• Realizar ampla pesquisa bibliográfica relacionada aos assuntos tratados; • Caracterização geotécnica dos materiais utilizados, através de ensaios de
permeabilidade e de papel filtro, de amostras de cinzas e misturas de cinzas e solos testadas por Elias (2018);
• Desenvolvimento de modelos numéricos para coberturas, utilizando o módulo VADOSE do software GEOSTUDIO 2007, considerando os materiais definidos;
• Desenvolvimento de modelo experimental, a partir dos modelos que apresentaram os melhores desempenhos na simulação numérica, em lisímetros de laboratório, sendo um modelo instrumentado com sensores de umidade; • Análise dos resultados obtidos e verificação da viabilidade de aplicação dos
materiais;
1.4 Estrutura do trabalho
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Carvão mineral
2.1.1 Origem e reservas naturais
O carvão mineral, recurso natural não-renovável, tem sua origem na fossilização de detritos acumulados há milhões de anos, que foram sujeitos à elevadas pressões e temperaturas. Assim, esse processo resultou na formação de grandes reservas ao redor do mundo, cerca 847,5 bilhões de toneladas, caracterizando esse minério como o recurso com maior disponibilidade do planeta (ANEEL, 2008).
Apesar de ser encontrado em diversas regiões do planeta, as principais reservas de carvão mineral se concentram em cerca de 75 países, onde mais de 60% do volume total está localizado nos Estados Unidos (28,6%), Rússia (18,5%) e China (13,5%) (ANEEL, 2008). Entretanto, quando considerados a produção e consumo desse minério, China e Estados Unidos destacam-se como primeiro e segundo colocados, respectivamente, enquanto a Rússia atinge apenas a sexta posição (Figura 2).
Figura 2 – Os dez maiores produtores e consumidores de carvão mineral
Fonte: Aneel, 2008.
não corresponde àquela exigida para sua boa utilização na indústria, uma vez que apresenta, em sua composição, elevada quantidade de impurezas.
A qualidade desse minério é avaliada através do percentual de carbono presente em sua composição, ou seja, quanto maior esse valor, melhor a qualidade do material. Essa classificação se relaciona, principalmente, ao poder calorífico do carvão, cuja combustão está diretamente associada à presença de carbono. Assim, a divisão se dá em três classes, em ordem decrescente de qualidade: hulha, sub-betuminoso e linhito (Figura 3).
Figura 3 – Tipos de carvão mineral, reservas e usos
Fonte: Aneel, 2008
2.1.2 Formas de extração e utilização
As principais formas de extração do carvão mineral são por meio subterrâneo, através da escavação de túneis, e à céu aberto, onde há a formação de um poço aberto. A preferência por outro método de extração do minério fica dependente da profundidade e o tipo de solo sob o qual a reserva se encontra (ANEEL, 2008).
Figura 4 – Mina de carvão mineral de Verdinho - Forquilinha/SC
Fonte: Diorgenes Pandini / Agencia RBS, 2016
Figura 5 – Método de extração à céu aberto
Fonte: Gigantes do mundo, 2011 (Mina de Chuquicamata no Deserto do Atacama)
Disponível em: <https://gigantesdomundo.blogspot.com.br/2011/11/> Acesso em mar. 2018
Inicialmente, a utilização do carvão mineral se destacou com o advento na Inglaterra, durante a Primeira Revolução Industrial no século XVIII. Com o início da utilização do vapor para o funcionamento de máquinas e geração de energia elétrica, a intensificação do uso do carvão mineral para este fim se tornou evidente no período.
Atualmente, a utilização desse minério é vista em diferentes segmentos da indústria, onde é utilizado para diversos fins. Pode-se destacar os setores da siderurgia, metalurgia e, sobretudo, na produção de energia elétrica. Sua aplicação varia desde seu uso como matéria prima para a produção do aço-carbono até sua queima para a produção de vapor ou produção de outros materiais.
2.1.3 Geração de energia elétrica através de usinas termelétricas
As usinas termelétricas têm seu funcionamento através da queima de combustíveis fósseis ou renováveis, onde a energia térmica é convertida em energia mecânica e, posteriormente, em energia elétrica (TOLMASQUIM, 2016). No caso das usinas que utilizam o carvão mineral, o minério é conduzindo para o interior das caldeiras, onde sofre combustão para a geração do vapor que irá rotacionar as turbinas dos geradores e gerar energia elétrica (Figura 6).
Figura 6 – Perfil esquemático do funcionamento de uma usina termelétrica
No mundo, a geração de energia a partir do uso do carvão mineral corresponde a cerca de 39,1% da produção total mundial de energia elétrica (MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA, 2017) . Já no Brasil, as termelétricas movidas à carvão correspondem à cerca de 3,2% da matriz energética do país (TOLMASQUIM, 2016), onde, em sua maioria, encontram-se instaladas na Região Sul.
No Brasil, existe grande rejeição a usinas termelétricas, devido aos impactos ambientais decorrentes de seu funcionamento. A emissão de poluentes que intensificam o fenômeno do efeito estufa, como o CO e CO2, além dos resíduos derivados do enxofre, é um
dos fatores que limitam a utilização desse modelo de geração de energia. Não obstante, os resíduos sólidos oriundos da queima do carvão mineral, como as cinzas (leves e pesadas) e escórias, acumulam-se em pátios anexos às usinas, o que resulta em uma preocupação com sua destinação final.
2.2 Resíduos da queima do carvão mineral: Cinzas volantes, cinzas pesadas e escórias
Durante o processo de combustão do carvão mineral nas usinas termelétricas, três diferentes tipos de resíduos são gerados, são eles: as cinzas volantes (ou cinzas leves), cinzas pesadas e escórias. Esses materiais são gerados durante a queima do minério e depositadas ao longo da chaminé, possuindo partículas com diversos tamanhos.
Como descrito em Silva et al. (1999), as cinzas volantes são aquelas de granulometria mais fina, arrastadas pelos gases da combustão do carvão. Posteriormente esse material sofre um abatimento, utilizando-se precipitadores eletrostáticos, e o volume não comercializado é encaminhado para pátios anexos às usinas termelétricas ou minas de carvão desativadas, acumulando-se nesses locais.
As cinzas pesadas são os resíduos de granulometria mais grosseira que se acumulam na parte inferior da câmara de combustão (KNIESS et al., 2002). O material é direcionado para tanques de resfriamento onde é posteriormente é removido através da lavagem com água (Silva
et al, 1999). Quando considerado o volume total de cinzas produzidas, representa 15 a 20% das
cinzas produzidas.
2.2.1 Cinzas volantes
Como descrito por Pinto (1971 apud LOPES, 2011) a cinza volante (fly ash) é um
resíduo particulado e de granulometria fina, considerado uma pozolana artificial, gerado durante a queima do carvão em pó em usinas termelétricas. Por ser um material leve, é carreado ao longo da chaminé, onde é precipitado, recolhido e transportado até seu local de armazenamento.
Como descrito por Lopes (2011), de acordo com a norma americana C618-08 (ASTM, 2008), pozolana é um material silicoso com pouca ou nenhuma capacidade de cimentação. Entretanto, reage quimicamente com hidróxidos alcalinos e alcalinos terrosos à temperatura ambiente, quando finamente dividido e em presença de umidade, formando ou ajudando na formação de compostos com capacidades cimentícias.
Para Rohde et al. (2006), de acordo com o descrito por Lopes (2011), as cinzas volantes podem ser descritas como um particulado sílico - aluminoso e de granulometria siltosa. O material corresponde ao resíduo remanescente da matéria mineral calcinada durante a combustão do carvão mineral, quando em ambiente sujeito à elevadas temperaturas e com elevado potencial de oxidação.
Ainda segundo a C618-08 (ASTM, 2008), as características físicas e químicas associadas às cinzas podem ser originárias de diversos fatores como as fontes do carvão, os tipos de caldeiras utilizadas no processo de combustão e os métodos adotados para o controle das emissões. Além disso, devido ao resfriamento lento desse resíduo, há a formação de uma estrutura cristalina de características cimentantes, cujo grau de cristalização define suas características de hidratação (Lopes, 2011).
2.2.2 Cinzas pesadas
A cinza pesada, ao lado da escória, é um resíduo de granulometria grosseira remanescente do processo de combustão do carvão mineral. Diferentemente da cinza leve, que é carreada pelos gases da combustão até a região superior das chaminés, essas partículas mais pesadas se acumulam no fundo da estrutura (MARGON, 2002). No Complexo Termelétrico Jorge Lacerda, por exemplo, esse material é recolhido por esteiras e bombeado hidraulicamente até as lagoas de estabilização, onde é posteriormente encaminhado para a aplicação em áreas de recuperação ambiental (POZZOBOM, 1999)
Como descrito por Rohde et al. (2006 apud Lopes, 2011), a cinza pesada é um material composto de partículas sílico - aluminosos, que também se apresentam no estado agregado, cuja textura é areno - siltosa. Assim como as cinzas volantes, é um resíduo remanescente da matéria mineral calcinada resultante da combustão do minério.
Da mesma forma que as cinzas leves, as propriedades físico-químicas desse resíduo também estão sujeitas aos mesmos condicionantes, como a origem do carvão, forma de moagem e método de extração e transporte (GOETHE, 1990 apud LOPES, 2011). Todos esses fatores têm influência significativa na formação da estrutura final de suas partículas.
Diferentemente das cinzas volantes, que apresentam boa variedade de formas de aplicação, relativamente, poucas pesquisas apresentam opções para a reutilização de cinzas pesadas. Como exemplos, pode-se citar Kniess et al. (2002), que descreve o potencial de utilização das cinzas pesadas para a fabricação de vitrocerâmicos, e a aplicação descrita em Mallmann e Zwonok (2011), onde realizou-se a construção de um aterro de uma rodovia utilizando o resíduo proveniente das usinas de Charqueadas e São Jerônimo no Rio Grande do Sul.
2.2.3 Escória
A escória corresponde à parcela dos resíduos da combustão do carvão mineral que, assim como as cinzas pesadas, fica retido no fundo das caldeiras. Pode ser definido como um material de granulometria grossa formado por partes do carvão que não foram totalmente consumidas associadas às impurezas, que sofreram processo de fusão e se solidificaram posteriormente.
O transporte da escória é feito junto com as cinzas pesadas, uma vez que os dois resíduos se depositam no mesmo local, através de esteiras. Após sua separação das cinzas, o material é encaminhado para minas de carvão desativadas, onde é depositado (PALLARÉS, 2017).
Em seu estado bruto, a escória não pode ser considerada um material pozolânico. Entretanto, quando esse material tem sua granulometria reduzida, através da britagem e moagem, pode manifestar essa propriedade (MALLMANN e ZWONOK, 2011). Não existem estudos que demonstrem de forma clara as propriedades químicas e físicas sobre o material, uma vez que a bibliografia é reduzida.
2.3 Aterro sanitário de resíduos sólidos urbanos
2.3.1 Introdução
De acordo com a ABRELPE (2015), estima-se uma geração total anual de 79,9 milhões de toneladas de resíduos sólidos urbanos no Brasil. Apesar de apresentar um índice de crescimento inferior a anos anteriores, é expressivo o potencial de geração de resíduos sólidos pela população brasileira. Além disso, o volume elevado gerado resulta em uma problemática quanto à sua destinação final, uma vez que, quando depositado ou condicionado de forma inadequada, pode ocasionar graves danos ao meio ambiente.
Tabela 1 - Municípios, total e com serviço de manejo de resíduos sólidos, por unidade de destino dos resíduos sólidos domiciliares e/ou públicos, segundo os grupos de tamanho dos municípios e a densidade populacional - Brasil – 2008
Grupos de tamanho dos municípios e
densidade populacional
Municípios
Total
Com serviço de manejo de resíduos sólidos
Total
Unidade de destino dos resíduos sólidos domiciliares e/ou públicos
Vaza- douro a céu aberto (lixão) Vaza- douro em áreas alagadas ou alagávei s Aterro contro - lado Aterro sanitári o Unidade de compos- tagem de resíduos orgânico s Unidade de triagem de resíduos reciclávei s Unidad e de trata- mento por incine- ração Outra
Total 5 564 5 562 2 810 14 1 254 1 540 211 643 34 134
Até 50 000 habitantes e densidade
menor que 80 hab./km2 4 511 4 509 2 402 11 1 005 1 098 166 470 18 111
Até 50 000 habitantes e densidade
maior que 80 hab./km2 487 487 241 - 91 159 15 64 5 8
Mais de 50 000 a 100 000 habitantes e
densidade menor que 80 hab./km2 148 148 84 2 43 39 4 21 1 4
Mais de 50 000 a 100 000 habitantes e
densidade maior que 80 hab./km2 165 165 41 - 41 92 5 29 3 4
Mais de 100 000 a 300 000 habitantes
e densidade menor que 80 hab./km2 39 39 19 - 11 14 1 5 1 -
Mais de 100 000 a 300 000 habitantes
e densidade maior que 80 hab./km2 135 135 15 1 35 85 10 29 2 4
Mais de 300 000 a 500 000 habitantes 43 43 4 - 16 24 4 9 2 1
Mais de 500 000 a 1 000 000
habitantes 22 22 3 - 7 16 - 8 1 1
Mais de 1 000 000 habitantes 14 14 1 - 5 13 6 8 1 1
Fonte: IBGE, Diretoria de Pesquisas, Coordenação de População e Indicadores Sociais, Pesquisa Nacional de Saneamento Básico 2008.
Nota: O município pode apresentar mais de um tipo de unidade de destino dos resíduos sólidos domiciliares e/ou públicos e mais de uma unidade
Figura 7 – Lixão da Estrutural localizado no Distrito Federal.
Fonte: Ouro Verde Aterro Sanitário
Disponível em: < http://aterrosanitarioouroverde.com.br> Acesso em dez. 2017.
Uma das causas para existência desta elevada porcentagem de lixões é a ausência de uma política de saneamento minimamente aceitável para os resíduos sólidos gerados nos pequenos municípios, quando considerada a sustentabilidade e o potencial impacto ambiental. A situação é ainda agravada quando é constatado que a maioria desses depósitos recebem os resíduos de mais de um desses municípios, onde poderia haver uma parceria para a adoção de uma tecnologia que tenha como base métodos de controle dos riscos ambientais associados e elevada qualidade técnica.
Outro método utilizado para condicionamento dos resíduos sólidos é a construção de aterros controlados (Figura 8), onde há a adoção de conceitos de engenharia para sua concepção e execução. Como definido pela NBR-8849 (ABNT, 1985), aterro controlado de resíduos sólidos urbanos corresponde a uma técnica de disposição final de resíduos sólidos urbanos, que tem como objetivo minimizar os impactos ambientais associados, sem risco à saúde ou à segurança pública. Ainda segundo a norma, o método utiliza de princípios de engenharia para confinar os resíduos sólidos, cobrindo-os com uma camada de material inerte ao fim de cada jornada de trabalho.
Entretanto, apesar de apresentar avanços no controle dos impactos ambientais em relação aos lixões, na prática, o aterro controlado ainda carece de muitos dispositivos de controle importantes. A técnica em questão pode resultar em poluição localizada, uma vez que não apresenta impermeabilização de base, um sistema de coleta e tratamento do percolado ou mesmo um sistema de extração e queima dos gases gerados. Assim, o termo aterro controlado
Figura 8 – Execução de um aterro controlado na Grande Aracaju/SE
Fonte: Página Senhor Eco
Disponível em: < http://www.senhoreco.org/> Acessado em Dez. 2017.
Por fim, tem-se os aterros sanitários (Figura 9), que correspondem a estruturas para disposição e tratamento de resíduos sólidos, executados com elevada qualidade técnica. De acordo com a NBR-8419 (1992), aterro sanitário de resíduos sólidos urbanos pode ser definido como uma técnica para disposição de resíduos sólidos urbanos sobre o solo, utilizando princípios de engenharia para confina-los à menor área possível e reduzi-los ao menor volume possível, cobrindo-os com uma camada de material ao final de cada jornada de trabalhos ou em intervalos menores. Assim como os aterros controlados, esse método tem como objetivo principal reduzir os impactos ambientais associados, sem causar danos à saúde pública e à sua segurança.
Figura 9 – Aterro sanitário no Município de Caucaia – CE
Fonte: Portal GR News
O aterro sanitário é composto necessariamente pelas unidades:
• Unidades operacionais:
o Células de lixo domiciliar;
o Células de lixo hospitalar (nos casos em que o Município não
apresente outra forma de destinação final para esse resíduo) ou unidades de incineração;
o Impermeabilização de fundo (obrigatória) e superior (opcional); o Sistema de coleta e tratamento de líquidos percolados (chorume); o Sistema de coleta e queima (ou beneficiamento) do biogás; o Sistema de drenagem e disciplinamento das águas pluviais; o Sistema de monitoramento ambiental, topográfico e geotécnico; o Pátio de estocagem de materiais.
• Unidades de apoio:
o Cerca e barreira vegetal;
o Estradas de acesso e de serviço;
o Balança rodoviária e sistema de controle de resíduos; o Guarita de entrada e prédio administrativo;
o Oficina e borracharia.
Figura 10 – Infraestrutura de um aterro sanitário
Fonte: ENGEPASA, 2007
2.3.2 Execução da infraestrutura de um aterro sanitário
Durante o projeto e execução de um aterro sanitário, são diversas as áreas da engenharia aplicadas, conferindo à estrutura significativa complexidade. Assim, são várias as especialidades envolvidas na elaboração de cada uma das etapas construtivas, uma vez que envolvem diferentes técnicas.
Primeiramente, a execução do aterro sanitário se inicia com a limpeza do terreno e realização dos serviços preliminares de terraplenagem. Uma trincheira (Figura 11), que posteriormente será preenchida com resíduos sólidos domésticos, é escavada e regularizada, de acordo com as dimensões e especificações definidas em projeto. Todo material escavado pode ser armazenado para posterior utilização.
A seguir, executa-se uma das etapas mais importantes, correspondente à impermeabilização de fundo. Para a realização desse procedimento, caso o material do terreno natural não atenda aos requisitos mínimos, deve-se depositar uma camada de 60 cm de material nobre, argiloso na maior parte dos casos, cujo coeficiente de permeabilidade não seja superior à 10-7 cm/s (MONTEIRO et al, 2001; Boscov, 2008). Deve-se salientar que o solo deve-se ser
Figura 11 – Trincheira no aterro sanitário do Município de Alfenas/MG
Fonte: Portal Lavras 24 horas
A etapa seguinte é a execução do sistema de drenagem de percolado sobre a geomembrana. Utilizando-se material granular, executa-se um sistema de canais em uma
disposição conhecida como “espinha de peixe”, cuja função é conduzir o percolado em direção às lagoas de estabilização.
Figura 12 –Sistema de drenagem de percolado (“espinha de peixe”)
Fonte: Transfer – Centro de Gerenciamento de Resíduos
Na figura 12, pode-se observar também a associação ao sistema de drenagem de percolado de tubos verticais perfurados de concreto, envoltos por camadas granulares, responsáveis pela coleta do gás originário do processo de degradação da matéria orgânica. Esses elementos são implementados simultaneamente à elevação do módulo e, em sua porção final, é realizada a queima ou coleta do gás metano produzido.
A maior parte do tempo de operação dos aterros sanitários é dedicado à deposição e compactação dos resíduos sólidos durante a execução dos maciços. Assim, esse material é depositado e compactado em camadas, sendo muitas vezes recoberto com uma camada de solo ao final de cada jornada de trabalho, a fim de limitar a proliferação de vetores e animais.
Os módulos dos aterros sanitários são executados com inclinações ao longo de seus taludes, que tem por objetivo garantir a estabilidade do solo ao deslizamento, garantindo um fator de segurança mínimo. Além disso, esses taludes podem ter sua geometria alterada com a introdução de bermas (Figura 13), que consistem em interrupções horizontais ao longo da inclinação e permitem a execução do sistema de drenagem superficial de águas pluviais.
Figura 13 – Exemplo de aterro sanitário com utilização de bermas
Fonte: Portal Eco Urbis
Disponível em: <http://www.ecourbis.com.br/> Acessado em Dez. 2017.
Em geral, a espessura das camadas de cobertura, variam de 20 a 30 cm e devem ser compactadas sob as condições de umidade ótima e peso específico seco máximo do material. Acima desse material, deposita-se um material no estado “solto” e que permita o crescimento de vegetação rasteira sobre toda a extensão do maciço, o que reduz a infiltração e os danos decorrentes do processo de erosão.
2.4 Fluxo em solos não-saturados
O estudo do fluxo em solos é um dos mais importantes dentro da engenharia geotécnica, pois muitas obras associadas à essa área necessitam de acompanhamento do processo de percolação de fluídos ao longo dos elementos executados. Entretanto, as metodologias clássicas da mecânica dos solos consideram os materiais em seu estado saturado, tornando-as inadequadas para o estudo em solos não-saturados.
Os solos podem ser encontrados na natureza em três estados: o seco, onde há a mistura de uma fase sólida e uma fase gasosa; o saturado, onde todos os poros do solos encontram-se preenchidos por um líquido; e, entre esses dois estados, encontram-se os solos não-saturados, possuindo uma fase sólida, uma líquida e uma gasosa, com uma membrana contráctil (interface ar-água) entre as duas últimas. A membrana contráctil é uma película com propriedades distintas em relação à água e ao ar, cujo volume pode ser desprezado e seu peso incorporado ao da água, uma vez que as relações massa-volume consideram o solo um sistema trifásico (FREDLUND e RAHARDJO, 1993).
Durante o fluxo em uma massa de solo, a presença de vazios não preenchidos por água pode limitar as condições de percolação proporcionalmente ao grau de saturação do material, pois ocorre a descontinuidade dos canais de fluxo, reduzindo a condutividade hidráulica.
2.4.1 Sucção
Durante o fluxo no interior da massa de solo, a água poderá ser retida no interior dos vazios ou adsorvida nos grãos. Para que se tenha início o processo de drenagem do material (perda de umidade), necessita-se a aplicação de uma energia superior àquela que retém a água. Logo, à essa energia é dado o nome de sucção, aplicada por unidade de volume de água (LEE e WRAY, 1995 apud LOPES, 2011). A sucção pode ser dividida em duas componentes principais: a sução mátrica (
ψ
m), associada à capacidade de retenção de água pelo devido àmatriz do solo (tipos de partículas e seu arranjo estrutural); e a sucção osmótica (
ψ
os)relacionada à capacidade de retenção devido à concentração de íons da água. À união dessas duas parcelas se dá o nome de sucção total (
ψ
) ou apenas sucção (Equação 3).𝜓 = 𝜓𝑚+ 𝜓𝑜𝑠 (2.3)
A sucção mátrica também pode ser definida como a diferença entre a pressão do ar (ua) e a pressão da água (uw), como visto na equação 2.4. Quando em contato com a pressão
atmosférica (considerada zero), a pressão do ar nos vazios do solo apresentará o mesmo valor. Logo, sob essa condição, a sucção mátrica assumirá o valor negativo da pressão da água interna.
𝜓𝑚 = 𝑢𝑎− 𝑢𝑤 (2.4)
2.4.2 Métodos para determinação da sucção
Quadro 1 – Métodos para a obtenção dos valores de sucção
Método Tipo de sucção medida Faixa de medida (kPa)
Tensiômetro Matricial e total 0 -90
Aparelho extrator de Richards Matricial 0 – 1500
Condutividade térmica Matricial 0 – 400
Condutividade elétrica Matricial e osmótica 20 – 1500 Psicrômetro Total e osmótica 100 – 8000
Papel filtro Matricial e total 0 - 29000 Fonte: MARINHO e PEREIRA, 1998
2.4.2.1 Método do Papel filtro
O método consiste na aplicação de um papel filtro seco sobre um solo com determinada umidade, cobrindo toda a extensão da superfície do corpo de prova, permitindo a transferência lenta de umidade do elemento mais úmido para o mais seco até que se atinja o equilíbrio de sucção entre os dois corpos (FREDLUND e RAHARDJO, 1993; MARINHO, 1994). O valor da umidade transferida para o papel ao final do equilíbrio é utilizada nas curvas de calibração fornecidas pelo fabricante, inferindo-se o valor da sucção. Todos os procedimentos e recomendações para o ensaio são descritos na norma americana D5298-16 (ASTM, 2016).
De modo geral, o procedimento experimental pode ser descrito como a colocação do papel sobre um corpo de prova de solo e o posterior isolamento do conjunto em relação ao meio externo. Segundo Fredlund e Rahardjo (1993), o tempo mínimo para se obter o equilíbrio de sucção entre os materiais é de sete dias, entretanto, Marinho (1994) relaciona o tempo de equilíbrio à faixas de sucção total (Quadro 2).
Quadro 2 – Tempo de equilíbrio para diferentes faixas de sucção
Nível de Sucção Total (kPa) Tempo de equilíbrio sugerido 0 - 100 Não determinado (>30 dias)
100 - 250 30 dias
250 - 1000 15 dias
1000 - 30000 7 dias
Por ser muito sensível às variações externas, a pesagem final do papel filtro deve ser realizado de forma cuidadosa. O tempo máximo para a realização da pesagem do papel é de no máximo 30s, de forma a impedir a troca de umidade com o ambiente (CHANDLER e GUTIERREZ, 1986)
O método do papel filtro permite medir tanto a sucção mátrica quanto a sucção total, de acordo com a forma de colocação do papel. A sucção mátrica pode ser aferida ao se colocar o solo em contato direto com o papel, onde há a transferência de umidade por capilaridade. Quando introduzido um espaçador perfurado entre o solo e o papel, a transferência de umidade é realizada através de vapor de água, medindo-se o valor de sucção total (CARVALHO et al., 2015).
Além do baixo custo de execução, o método possui como vantagem cobrir uma ampla faixa de valores de sucção para a confecção da curva de retenção. Não obstante, diferentemente de outras técnicas, que impõem um valor de sucção, esse método adota a variação do teor de umidade para se obter os valores de sucção. Mesmo com essa diferença em suas metodologias, o método do papel filtro fornece uma forma válida para a obtenção de curvas de retenção (CARVALHO et al., 2015).
Apesar da facilidade de execução, o método demanda elevado tempo quando necessária a obtenção de valores de sucção inferiores a 250 kPa, devido ao tempo de equilíbrio especificado para essa faixa de valores. A alta sensibilidade do papel filtro implica em maiores cuidados ao longo da execução do ensaio, pois sua exposição além do tempo necessário (exposição à umidade do ar) pode resultar em alterações nos resultados finais.
2.4.3 Curva de retenção hídrica
A curva de retenção descreve a relação entre a água armazenada no interior dos vazios do solo e os valores de sucção associados. A representação pode ser feita em termos de umidade volumétrica, umidade gravimétrica, grau de saturação e grau de saturação efetivo. De forma simplificada, pode-se dizer que essa curva descreve as condições de armazenamento de água no interior dos vazios do solo.
definir esse valor como a energia mínima necessária para drenar a água dos maiores poros do material.
O segundo trecho é aquele associado à drenagem de solo através do aumento da sucção, onde a água se encontra em condição relativamente livre no interior dos vazios do solo. O intervalo se extende até o valor de sucção residual (
ψ
res), valor a partir do qual a drenagemocorre sob sucções muito maiores e através de processos de transferência de vapor. Nesse mesmo ponto também se observa o valor de saturação residual (Sres), que é a quantidade de
água armazenada nos vazio do solo em condição menos livre (Figura 14).
Figura 14 – Regiões da curva de retenção
Fonte: CARVALHO et al, 2015
Figura 15 – Demonstração do fenômeno da histerese
Fonte: CARVALHO at al, 2015
A literatura apresenta diversos métodos de ajuste da curva de retenção, partindo-se de pontos obtidos através dos ensaios para estimativa da sucção e umidade volumétrica. Fredlund e Rahardjo (1993) e Carvalho et al. (2015) listam e descrevem os diferentes modelos desenvolvidos para esse fim (Figura 16). Entretanto, para o desenvolvimento do trabalho, com base nos dados do ensaio do papel filtro, adotou-se a metodologia de van Genuchten (1980), devido à disponibilidade do software RETC (VAN GENUCHTEN, LEIJ E YATES, 1991), que utiliza a mesma metodologia para o ajuste das curvas de retenção e de condutividade hidráulica.
Figura 16 – Ajustes empíricos da curva de retenção
A equação de ajuste proposta por van Genuchten (1980) é composta pelas variáveis de umidade volumétrica (θ) e sucção (ψ), pelos valores de umidade do solo no estado saturado (θs) e residual (θr), além dos parâmetros adimensionais α e n. O teor de umidade saturado é
facilmente obtido experimentalmente através de metodologias tradicionais. O valor residual de umidade pode ser obtido experimentalmente, embora sua determinação seja difícil, optando-se, usualmente, por estima-lo. Os parâmetros adimensionais são determinados de acordo com o ajuste da curva (Figura 17), onde o valor de n é relacionado àquele encontrado na relação descrita por Mualem (m=1-1/n).
Figura 17 – Ajuste das curvas característica e de condutividade hidráulica
Fonte: VAN GENUCHTEN, 1980
2.4.4 Métodos para determinação da permeabilidade saturada em campo
2.4.4.1 Ensaio de infiltrômetro de duplo anel
O ensaio tem por objetivo caracterizar o processo de infiltração da água na superfície do solo, até se atingir valor de taxa de infiltração mínimo e constante. O valor final obtido é conhecido como velocidade de infiltração básico (VIB) e é obtido através da observação da curva que descreve a taxa de infiltração em função do tempo.
O procedimento experimental, descrito pela norma americana D3385-09 (ASTM, 2009), consiste na cravação de dois anéis, em uma disposição concêntrica, com diâmetros de 25 e 50 cm, ambos com altura de 30 cm (Figura 18), preenchidos por água até uma altura não inferior a 5 cm. Com o auxílio de uma régua graduada e de um cronômetro, é aferida a altura
da lâmina d’água em intervalos de tempo determinados. A lâmina de água do anel externo deve
ser mantida elevada, esta é reponsável por manter a verticalidade do fluxo do anel interno, impedindo qualquer fluxo horizontal. Com base nos resultados obtidos, pode-se obter as curvas de infiltração acumulada e velocidade de infiltração em função do tempo (Figura 19).
Figura 18 – Representação dos anéis utilizados no ensaio
Figura 19 – Determinação da infiltração
1) Gráfico de infiltração acumulada 2) Gráfico de velocidade de infiltração Fonte: BERNARDO et al, 2005
À partir dos dados obtidos no ensaio, pode-se utilizar uma equação para descrever a infiltração acumulada no solo e se obter uma curva ajustada desse parâmetro em função do tempo. Um exemplo de equação que correlaciona a infiltração da lâmina de água com o tempo é apresentado na equação 2.5 (usada no presente trabalho), utilizando dois parâmetros de ajuste (a, n). A partir da derivada da equação 2.5 obtém-se a equação para a velocidade de infiltração (equação 2.6), que permite a determinação dos parâmetros de ajuste (a, n) pelo método da regressão linear (BERNARDO, SOARES e MANTOVANI, 2005)
I = a𝑇𝑛 (2.5)
Onde:
• I – Infiltração acumulada;
• a – Constante dependente do solo; • T – Tempo de infiltração;
• n – Constante dependente do solo, variando entre 0 e 1.
Bernardo, Soares e Mantovani (2005) também descrevem a equação 2.6, utilizada para a obtenção da velocidade de infiltração (V).
2.4.5 Curva de condutividade hidráulica em solos não-saturados
A curva de condutividade hidráulica relaciona a condutividade hidráulica do solo com o conteúdo de água armazenada ou sucção para uma determinada porosidade. Então, pode-se dizer que o coeficiente de permeabilidade do solo saturado corresponde a ponto específico da curva de condutividade dos solos não-saturados, quando o armazenamento de água é máximo.
Enquanto o coeficiente de permeabilidade saturado (ksat) depende do volume de
vazios efetivamente disponível para o fluxo, a condutividade hidráulica (kw) depende também
do volume de água presente no meio e do histórico de saturação do solo (histerese). Logo, materiais que possuem menor capacidade de reter umidade podem, a partir de um determinado valor de sucção, apresentar condutividades hidráulicas inferiores à de materiais mais finos, que retêm maior volume de água, e o não preenchimento do vazios cria bolsões de ar que interrompem os canais de fluxo, reduzindo a condutividade.
Quando analisada em relação à sucção, verifica-se que a condutividade hidráulica se mantém constante até valores próximos ao valor de entrada de ar, definindo a região em que o material se encontra no estado saturado. Para valores superiores de sucção, observa-se o início da perda de umidade e o valor de condutividade hidráulica diminui gradativamente (Figura 20).
Figura 20 – Correlação entre a curva característica e curva de condutividade hidráulica
Tanto a condutividade hidráulica saturada quanto a não-saturada podem ser determinadas por métodos diretos (ensaios de campo ou de laboratório) ou por métodos indiretos. Os métodos diretos experimentais podem ser divididos em: permanente, onde o fluxo independe do tempo; e transiente, em que o fluxo é associado ao tempo.
Carvalho et al. (2015) descreveu ensaios de laboratório para a obtenção do
coeficiente de condutividade hidráulica em solos não-saturados. Os ensaios podem ser o de permeabilidade à carga ou vazão constante (regime permanente) e o de permeabilidade à carga variável (regime transiente), podendo o segundo ser executado pelos métodos de absorção-drenagem ou de infiltração vertical.
As metodologias experimentais permitem maior controle das condições de contorno consideradas para cada caso e utilizam amostras indeformadas e de boa qualidade, evitando aquelas que possuem microfissuras que possam resultar em alteração nos resultados dos ensaios. Os procedimentos podem ser realizados em permeâmetros de parede rígida ou flexível, podendo-se aplicar um fluxo unidimensional em amostras horizontais ou verticais.
A. Regime Permanente
Em relação aos ensaios em regime permanente, o método à carga constante para solos não-saturados é aplicada uma carga hidráulica constante, através do uso de buretas graduadas ou frascos de Mariotte nas extremidades do permeâmetro, medindo-se a vazão que percorre a amostra no regime permanente (FREDLUND e RHARDJO, 1993). Durante o ensaio, as condições de sucção matricial são mantidas constantes, através da técnica de translação de eixos. Dois tensiômetros são instalados no material, a fim de obter os valores de sucção. Na figura 21 – A é possível visualizar a montagem do ensaio, onde a carga Δh é mantida constante através do uso de buretas (MONCADA, 2008). A condutividade do material é obtida através da Lei de Darcy e do resultado do ensaio para cada valor de umidade.
Como vantagens do ensaio, pode-se citar a facilidade da montagem do ensaio e na análise dos resultados. Entretanto, os longos períodos de tempo para se atingir o regime permanente e a necessidade de se aferir vazões muitos pequenas tornam esse método desvantajoso.
através da utilização de uma bomba de fluxo, que permite a aplicação de pequenas vazões (valores de até 10-7 cm³/s).
Sobre o corpo de prova é aplicada uma pressão de ar até se observar a constância dos valores de sucção (medida por transdutores). Em seguida, aplica-se uma vazão no elemento (bomba de fluxo) e se obtém o gradiente hidráulico resultante. Os valores resultantes são utilizados na Lei de Darcy para o cálculo da permeabilidade correspondente. O procedimento é repetido para diferentes teores de umidades, que podem ser variados com o uso de uma bomba unidirecional acoplada ao sistema, posteriormente, obtendo-se a curva de condutividade hidráulica. Olsen et al. (1994), conforme citado por Moncada (2008), descreve um sistema para a realização do ensaio.
Figura 21 – Sistema de ensaio em regime permanente
A) Técnica de carga constante B) Técnica de vazão constante
Fonte: MONCADA, 2008
A figura 22 – B demonstra o funcionamento do equipamento desenvolvido por Olsen et al. (1994), conforme citado por Moncada (2008), onde uma bomba bidirecional (P) aplica e extrai água à vazões idênticas em ambas as extremidades do corpo de prova (S). As duas extremidades do corpo de prova ficam em contato com pedras porosas com alta entrada de ar, sendo que a localizada na parte superior, mais grossa, possui um furo que permite a aplicação de pressão de ar (PR).
confinante e a pressão na base do corpo de prova. O regulador de pressão (DPR) permite manter constantes essas diferenças. Quando o equilíbrio de sucção, aferido pelo trandutor Q, é atingido, prossegue-se com o acionamento da bomba de fluxo (P) e a diferença de cargas induzida pela vazão é obtida. O cálculo da permeabilidade é feita através da Lei de Darcy e a função permeabilidade é obtida pela variação da umidade do corpo de prova (OLSEN ET AL. 1994 APUD MONCADA, 2008).
B. Regime Transiente
Dentre as duas metodologias de ensaio em regime de fluxo transiente, uma das mais utilizadas é o de infiltração vertical (MONCADA, 2008). Nesse caso, sobre uma coluna de solo, inicialmente, à um baixo teor de umidade, aplica-se um fluxo transiente (Figura 22). O fluxo de água que ocorre de um ponto à outro, em um certo período de tempo, é estimado pelas variações no perfil de umidade da amostra com o tempo, obtido através das leituras de transdutores distribuídos regularmente ao longo da altura do corpo de prova (FREDLUND e RAHARDJO, 1993).
Transcorrido um certo período de tempo, o gradiente de pressão sobre a amostra tende à zero e o perfil de umidade se desloca de forma descendente, com velocidade e forma constantes. Nesse momento, a taxa de infiltração é igualada à condutividade hidráulica correspondente aos valores de umidade e sucção na interface superior do elemento de coluna (CARVALHO ET AL. 2015). Com base nas leituras dos tensiômetros e na curva de retenção hídrica do material, obtém-se os perfis de sucções e calcula-se o gradiente hidráulico.
Figura 22 – Método de infiltração vertical
Fonte: FREDLUND e RAHARDJO, 1994
Outro método em regime transiente utilizado é o de absorção-drenagem, no qual é medido, em função do tempo, o volume de água expulso do interior de um corpo de prova de solo ao se aplicar um incremento de sucção, através do uso de uma célula de pressão ou placa de pressão. A permeabilidade é obtida através da diferentes soluções para a equação de Richard (Moncada, 2008) e dos resultados obtidos. A metodologia para a aplicação desse método pode ser vistas em Klute e Dirksen (1986) e Conceição et al. (2014).
Além dos ensaios de laboratório, pode-se descrever dois ensaios realizados em campo, que são o ensaio de perfil instantâneo (em campo) e o permeâmetro de Guelph. O primeiro tem por objetivo obter uma relação entre o conteúdo de água e o tempo de redistribuição ao se adotar um gradiente unitário. O procedimento consiste na saturação de uma coluna vertical de solo em campo, monitoramento da umidade volumétrica (TDR ou sensor de neutrôns) e sucção (tensiômetros) ao longo da profundidade. A condutividade hidráulica é estimada através da obtenção das vazões em diferentes profundidades e aplicação da Lei de Darcy (CARVALHO et al., 2015).
O segundo método (permeâmetro de Guelph), pode ser entendido com a realização de um ensaio de permeabilidade à carga constante em um furo de sondagem, onde são impostos pequenos valores carga total e feitas medidas consecutivas de vazões, permitindo determinar o coeficiente de permeabilidade saturado e o potencial matricial de fluxo. Conhecendo-se a área do orifício de saída do tubo de Mariotte utilizado, a variação da altura da lâmina de água em seu interior (régua graduada) e o tempo decorrido, pode-se obter o valor de vazão associado. Através dos resultados do ensaio, pode-se avaliar a função de condutividade não-saturada (k()), segundo a proposta de Gardner (1958).
