Avaliação do comportamento de barreiras capilares em interfaces
entre solo fino e diferentes geossintéticos
Alexandre Trovatto
Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, Brasil, alexandretrovatto@gmail.com Fernando H. M. Portelinha
Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, Brasil, fportelinha@ufscar.br
RESUMO: As barreiras capilares com o uso de geossintéticos têm sido intensamente estudadas no intuito de serem utilizadas como barreiras alternativas evapotranspirativas para camadas de fechamento de aterros sanitários. A principal preocupação atual está na previsão e estimativa do comportamento dessas barreiras a longo prazo, considerando as condições climáticas regionais. Estas barreiras são formadas quando a permeabilidade de um geossintético poroso, por exemplo um geotêxtil não tecido, se torna menor que a permeabilidade do solo de cobertura para um determinado nível de sucção, promovendo uma restrição temporária da infiltração. Para que este sistema de barreira capilar possa ser utilizado na engenharia, deve-se conhecer o processo de formação e o comportamento de infiltração na interface não saturada, fazendo com que a barreira possa ser projetada para diferentes aplicações. Com isso, este estudo consiste na avaliação do comportamento de barreiras capilares para diferentes tipos de geotêxteis não tecidos. A formação de barreiras capilares foi avaliada utilizando ensaios de colunas de infiltração, com monitoramento do teor de umidade em diferentes pontos ao longo da altura de modelos de camadas alternativas de cobertura de aterros sanitários. As colunas de infiltração consistiram em um solo silto argiloso laterítico, com interface com geotêxteis não tecidos de filamentos curtos (150 e 300 g/m2), e contínuos (150, 300 e 800 g/m2), assim como com interface com um geocomposto drenante com
núcleo de georrede. Resultados mostraram que os geotêxteis agulhados de filamentos contínuos são mais eficientes na formação de barreira capilar do que o geotêxtil de filamento curto. Ainda, mostrou-se que o uso de geotêxteis não tecidos de filamentos contínuos de gramatura de 800 g/m2 potencializa o comportamento da barreira capilar, sendo o 300 g/m2 suficiente para compor uma uma camada de cobertura de aterro sanitário. Barreiras capilares não se formaram nas colunas que utilizaram os geotêxteis não tecidos de filamentos contínuos de gramatura 150 g/m2. Este trabalho apresenta indícios que a abertura de filtração e a geometria dos filamentos são parâmetros de influência na formação de barreiras capilares.
PALAVRAS-CHAVE: Barreira capilar, Sucção, Infiltração, Geotêxteis, Solo coesivo.
1 INTRODUÇÃO
Atualmente, estudos relatam o uso de geotêxteis não tecidos como alternativa ao uso de geomembranas, GCLs e argilas compactadas, para compor camadas para fechamento de aterros sanitários de baixo custo. Embora permeável, geotêxteis não tecidos podem restringir o avanço da infiltração de água das chuvas para o interior do aterro, com base no princípio de formação de barreiras capilares. Barreiras capilares formam-se, normalmente, na interface entre dois materiais de diferentes
porosidades sob condição não saturada de interface (interface argila-areia, por exemplo).
A formação de barreiras capilares fica condicionada à permeabilidade do material granular em relação ao material mais fino, bem como ao valor de sucção na interface. Comparando-se as curvas de condutividade hidráulica não saturada de ambos materiais, há um valor limite de sucção em que a permeabilidade do material mais poroso torna-se menor que a do solo mais fino, promovendo uma restrição temporária da infiltração. A quebra da barreira capilar e posterior retomada
do avanço da infiltração acontece quando o efeito do umedecimento reduz a sucção a um valor menor que a sucção limite, e as permeabilidades dos materiais se invertem (Stormont e Anderson, 1999; Iryo e Rowe, 2005). Este valor e sucção é dependente do formato da curva de condutividade hidráulica não saturada (função-k) do material granular e do solo de interface. Stormont e Anderson (1999) relatam que a sucção de quebra de barreira capilar entre camadas de areia siltosa e pedregulho foram menores que a sucção na interface das camadas de areia siltosa e areia pura.
O fenômeno de barreira capilar pode ocorrer não somente em interfaces com materiais granulares naturais, mas também em interfaces com geotêxteis não tecidos, uma vez que estes apresentam comportamentos de retenção de água e condutividade hidráulica semelhantes aos materiais granulares naturais (Bouazza et al., 2006; Zornberg et al., 2010; McCartney e Zornberg 2010). Zornberg et al. (2010) relatam que a quebra de barreira capilar em interfaces solo-geotêxtil ocorre após uma altura máxima de armazenamento de água acima da barreira, o que promove a redução do valor de sucção para o valor de quebra da barreira capilar. No entanto, para que barreiras evapotranspirativas baseadas em fenômenos capilares possam ser utilizadas com segurança, deve-se conhecer o processo de formação e comportamento de uma barreira capilar a longo prazo.
Este trabalho visa avaliar o comportamento de barreiras capilares em interfaces de um solo laterítico fino com diferentes geotêxteis, utilizando ensaios de coluna de infiltração. Os ensaios visam analisar interfaces para compor camadas de fechamento de aterros sanitários.
2 MATERIAIS E MÉTODOS
2.1 Solo
O solo utilizado na interface solo-geossintético consiste em um silte argiloso de condutividade hidráulica de 3,0x10-6 cm/s. A Tabela 1 resume as propriedades características do solo.
O solo foi compactado com grau de compactação de 90%, no teor ótimo de compactação da energia de Proctor Normal. A
compactação foi realizada manualmente com uso de soquete e controle com base na massa úmida de solo e volumes predeterminados com base nos índices de compactação.
Tabela 1. Propriedades do solo
Propriedades Normas Valores
Argila NBR7181 30% Silte 55% Areia 15% γs (kN/m3) NBR 6508 28,7 LL (%) NBR 6459 65 LP (%) NBR 7180 42 IP (%) 23 γdmáx (kN/m3) NBR 7182 14,9 wótim (%) 28,8 2.2 Geotêxteis
As camadas de coberturas foram simuladas com interface com geotêxteis não tecidos agulhados de filamentos curtos de poliéster com gramatura de 300 g/m2 (FC300), e contínuos de polipropileno com gramaturas de 150, 300 e 800 g/m2 (FL150, FL300 e FL800). Um geocomposto drenante com núcleo de georrede também foi avaliado. Para a caracterização dos materiais foram realizados ensaios de gramatura (NBR 12568, 2003), espessura (NBR 12569, 2003), permissividade (ASTM D4491, 2009) e abertura de filtração (AFNOR G38017, 1983). As propriedades características dos geotêxteis são mostradas na Tabela 2.
Tabela 2. Propriedades do solo
Propriedades Geotêxteis FL150 FL300 FC300 FL800 GC Gramatura (g/m2) 151 302 300 802 - Espessura nominal (mm) 1,36 2,85 2,69 6,73 - Permissividade (s-1) 4,45 1,3 1,96 0,8 3,21 Abertura de filtração (µm) 210 180 93 125 -
FL – Filamento contínuo; FC – Filamento curto; GC – Geocomposto
2.3 Ensaios de coluna
Colunas de infiltração foram montadas em laboratório para avaliação da formação de barreiras capilares. Estas colunas consistem em permeâmetros com parede de acrílico perfurados para posicionamentos dos sensores de umidade. Os permeâmetros de acrílicos foram vedados com uso de tampas e anéis de
borracha (o`rings) na parte superior e inferior da coluna. Basicamente, as colunas para avaliações de barreiras capilares consistiram no posicionamento do geotêxtil na base da coluna e posterior compactação do solo até a altura de análise. O geotêxtil foi posicionado com uma base perfurada de acrílico.
Sensores de umidade do tipo FDR foram posicionados a cada 10 cm, iniciando-se a primeira camada de leitura a 10 cm acima do reforço. Cuidados foram tomados para que o sistema tenha contato com a pressão atmosférica de modo que o fluxo ocorra. Acima da altura de solo compactado, papel filtro e uma porção de algodão foram posicionados para possibilitar o melhor espalhamento da água, bem como para evitar erosões devido à queda da água.
O ensaio de coluna consistiu no monitoramento das alterações nas leituras de umidade volumétrica ao longo da altura da coluna durante o avanço de umedecimento da água. Para evitar a formação de lâmina de água e carga hidráulica, a vazão da água de entrada proporcionou uma taxa de avanço da água menor que a permeabilidade saturada do solo. Neste experimento, a taxa de avanço foi de 1x10-4 cm/s, 1,4 vezes menor que a permeabilidade do solo saturado.
Entrada de água Pressão atmosférica Saida de água Coleta Tampa superior Tampa inferior Sensores de umidade
Geotêxtil não tecido Papel Filtro Algodão 15 cm 20 cm 20 cm 20 cm 20 cm 5 cm
Figura 1. Layout do ensaio de coluna.
4 RESULTADOS
As leituras dos sensores durante os ensaios de coluna de infiltração com uso de geotêxtil não tecido de filamentos contínuos de gramatura 150 g/m2 (FL150) com o solo silto argiloso são
apresentadas na Figura 2. A formação de barreiras capilares pode ser identificada com base no armazenamento de água acima do geotêxtil devido ao bloqueio do avanço do umedecimento devido aos fenômenos capilares de interface. Durante o bloqueio pela barreira capilar, há o aumento progressivo da altura de armazenamento até um limite máximo que resulta na diminuição da sucção da interface a um ponto da curva de condutividade hidráulica não saturada em que a permeabilidade do geotêxtil torna a ser superior a permeabilidade do solo. Essa identificação do armazenamento e quebra pode ser realizada plotando-se as leituras dos sensores de umidade durante o tempo em que acontece avanço do umedecimento. Com base nesta metodologia, pode-se notar que o geotêxtil FL150 não favoreceu a formação da barreira capilar com o solo silto argiloso, uma vez que o teor de umidade volumétrica logo acima do reforço não aumentou para valores acima das outras leituras, o que indicaria a elevação da coluna de água acima da barreira. A não formação da barreira capilar nesta interface pode ser atribuída a elevada abertura de filtração associada a pequena espessura deste material.
0.250 0.270 0.290 0.310 0.330 0.350 0.370 0.390 0.410 0.430 0.450 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 U m idade v ol um ét ri ca ( m 3/m 3) Tempo (min.) 1 2 3 4 5 Coluna de ensaio
Figura 2. Resultados dos ensaios de coluna de infiltração da interface do solo silto argiloso com o geotêxtil FL150.
O progresso das leituras dos sensores de umidade nos ensaios de coluna com o uso do
geotêxtil não tecido de filamentos curtos com gramatura de 300 g/m2 (FC300) é mostrado na Figura 3. Nota-se nesta figura, que, assim como na interface com o geotêxtil FL150, o sensor posicionado logo acima da linha do geotêxtil não tecido (sensor 5) não mostrou aumentos para valores acima daqueles registrados nos outros sensores. No entanto, as leituras dos sensores 2 e 4 aumentaram para valores acima do teor de umidade de equilíbrio de infiltração, porém não seguindo o padrão de identificação de barreira capilar. Dessa forma, não se pode identificar a formação de barreira capilar nesta interface, principalmente pelo fato do sensor 3 não ter apresentado alteração, assim como o sensor 5. 0.250 0.300 0.350 0.400 0.450 0.500 0.550 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 U m idade v ol um ét ri ca ( m 3/m 3) Tempo (min.) 1 2 3 4 5 Coluna de ensaio Armazen amento de água acima da barreira Quebra da barreira
Figura 3. Leituras dos sensores no ensaio de coluna de infiltração da interface do solo silto argiloso com o geotêxtil FC300.
Na Figura 4 são mostradas as leituras dos sensores ao longo do tempo para colunas montadas com o geotêxtil não tecido de filamento contínuo de poliéster com gramatura 300 g/m2 (FL300). Neste caso, nota-se que o geotêxtil de filamento contínuo favoreceu a formação de barreira capilar. As leituras de umidade volumétrica do sensor 5 aumentaram para valores acima da umidade de equilíbrio, mostrando o armazenamento de água nos poros do solo. Ainda, pode-se notar que o sensor 4 também aumentou, o que evidencia que a altura de armazenamento alcançou esta linha do sensor. Para o caso do geotêxtil FL300, a barreira capilar promoveu um armazenamento de aproximadamente 20 cm em relação a linha do geotêxtil, com quebra de barreira após aproximadamente 1500 minutos de infiltração.
0.250 0.300 0.350 0.400 0.450 0.500 0.550 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 U m idade v olum ét ri ca (m 3/m 3) Tempo (min.) 1 2 3 4 5 Coluna de ensaio Armazenamento de
água acima da barreira
Quebra da barreira
Figura 4. Leituras do ensaio de coluna de infiltração da interface do solo silto argiloso com o geotêxtil FL300.
As leituras dos sensores nos ensaios de coluna com o geotêxtil não tecido de filamento contínuo de gramatura de 800 g/m2 são mostradas na Figura 5. Nota-se que, assim como o FL300, o FL800 favoreceu a formação de barreira capilar promovendo uma coluna de armazenamento de água de 30 cm. Isso indica a maior resistência a quebra da barreira com o uso do geotêxtil de maior gramatura (menor abertura de infiltração). Nesta coluna, a quebra da barreira ocorreu após 1100 minutos de ensaio. 0.250 0.300 0.350 0.400 0.450 0.500 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 U m idade v ol um ét ri ca ( m 3/m 3) Tempo (min.) 1 2 3 4 5 Coluna de ensaio Armazename nto de água acima da barreira Quebra da barreira
Figura 5. Ensaios de coluna de infiltração da interface do solo silto argiloso com o geotêxtil FL800.
Na Figura 6 são apresentados os resultados dos ensaios de coluna de infiltração com o uso do geocomposto drenante com núcleo de georede. Este geossintético não favoreceu a formação da barreira capilar, muito possivelmente devido ao geotêxtil existente em sua configuração. Como o geotêxtil de filtro do geocomposto apresenta gramatura de 150 g/m2,
o comportamento capilar deste material foi semelhante ao observado na Figura 2. Pode-se ainda afirmar que o núcleo de georrede não
auxiliou na formação da barreira capilar nesta interface. 0.250 0.300 0.350 0.400 0.450 0.500 0.550 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 U m idade v ol um ét ri ca ( m 3/m 3) Tempo (min.) 1 2 3 Series2 5 Coluna de ensaio
Figura 6. Ensaios de coluna de infiltração da interface do solo silto argiloso com o geocomposto GC.
As leituras dos sensores posicionados a 10 cm acima dos geotêxteis são comparadas na Figura 7. Estas análises permitem verificar que, de modo geral, a barreira capilar promoveu aumentos nas leituras dos sensores em relação às colunas que não formaram barreiras capilares. Ainda, há o retardamento da infiltração devido a formação da barreira. Pode-se verificar que a barreira formada na interface com o geotêxtil FL800 (maior gramatura) apresentou maiores registros de teor de umidade volumétrica. Isso evidencia a maior resistência à quebra da barreira proporcionada por esse material. Importante notar que para os materiais FC300 e GC, que não favoreceram a formação de barreiras capilares, a taxa de umedecimento foi maior do que para os outros materiais. Isso pode ser atribuído a quebra não formação de tensões capilares nas interfaces solo-geotêxteis.
0.250 0.300 0.350 0.400 0.450 0.500 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 U m idade v olum ét ri ca (m 3/m 3) Tempo (min.) FL150 FC300 FL300 FL800 GC
Figura 7. Comparação das leituras dos sensores próximos à interfaces.
As Figuras 8 e 9 mostram comparações das variáveis que sofreram influência devido a formação de barreiras capilares durante a infiltração nos ensaios de coluna. Na Figura 8 compara-se o tempo entre o início e quebra da barreira capilar para os diferentes geossintéticos avaliados. 0 100 200 300 400 500 600 700 FL150 FL300 FC300 FL800 GC T em po d e barr ei ra (m in.) Geossintéticos
Figura 8. Comparação dos tempos de permanência das barreiras entre diferentes geossintéticos.
0 5 10 15 20 FL150 FL300 FC300 FL800 GC A lt ura de ar m az enam ent o (cm ) Geossintéticos
Figura 9. Comparação das alturas de armazenamento de água entre barreiras com diferents geossintéticos.
Nesta comparação, o geotêxtil FL300 (filamento contínuo) mostrou maior tempo de barreira em comparação com o FL800. No entanto, na Figura 9, é mostrado que maior armazenamento de água de infiltração acontece para o geotêxtil de menor abertura de filtração (FL800). Estes comportamentos são constraditórios, porém fica evidente a maior eficiência do geotêxtil FL800. A explicação para estes fenômenos é dependente dos fenômenos de capilaridade e retenção de cada material o que não foi explorado neste artigo. Pode-se especular as influências dos polímeros de composição de cada geotêxtil (poliester ou
polipropileno), bem como a influência da impregnação dos solo nos poros dos geotêxteis. Com base nestas premissas, há a necessidade de estudos que avaliem estas variáveis e determinem os melhores parâmetros de geossintéticos e solos que possam ser especificados em projetos de camadas de coberturas de aterros sanitários.
CONCLUSÃO
Os ensaios de coluna de infiltração para avaliação do uso de diferentes geotêxteis como alternativa para sistemas de cobertura de aterros sanitários mostrou que:
A abertura de infiltração dos geotêxteis e o geometria das fibras parecem ser parâmetros de influência na formação de barreiras capilares com o solo proposto. Tal comportamento foi constatado pelo fato de que os geotêxteis de filamentos contínuos terem se mostrado mais eficazes na formação de barreiras capilares. Ainda, não se sabe ao certo se a característica de retenção dos polímeros que compõem os filamentos afetam também na formação. Análises das curvas de retenção e condutividades hidráulicas não saturadas são necessárias para estas constatações.
As interfaces com o geotêxtil de filamentos contínuos de polipropileno com gramatura de 800 g/m2 apresentou o melhor comportamento em relação aos outros geotêxteis avaliados (FL150, FC300, GC e FL300), por ter proporcionado maior armazenamento de água de infiltração acima da interface. No entanto, o geotêxtil de filamentos contínuos de polipropileno de 300 g/m2, também propiciou à formação de barreiras capilares, porém com menor armazenamento de água acima da interface. Curiosamente, o geotêxtil de mesma gramatura, porém composto por filamentos contínuos de poliester, não favoreceram a formação de barreira capilar.
A presença do núcleo drenante presente na composição de geocompostos drenantes não favoreceram a formação
de barreiras capilares. No entanto, o geotêxtil do geocomposto é de relativamente baixa abertura de filtração, assim como o geotêxtil FL150. REFERÊNCIAS
ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas (1984a). NBR 6459: Solo – Determinação do Limite de Liquidez: Método de ensaio. Rio de Janeiro, RJ, Brasil, 6 p.
ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas (1984b). NBR 7180: Solo – Determinação do Limite de Plasticidade: Método de ensaio. Rio de Janeiro, RJ, Brasil, 3 p.
ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas (1984a). NBR 7181/84: Solo – Análise granulométrica – Procedimento. Rio de Janeiro, 13p. ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas
(1984d). NBR 6508/84: Grãos de solos que passam na peneira de 4,8 mm - Determinação da massa específica. Rio de Janeiro, RJ, 8p.
ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas (1986b). Solo: ensaio de compactação. NBR 7182. Procedimento. Rio de Janeiro, RJ, 10 p.
ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 12568/1992: Geotêxteis – Determinação da Gramatura, Rio de Janeiro, 1992, 2p.
ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 12569/1992: Geotêxteis – Determinação da Espessura, Rio de Janeiro, 1992, 2p.
ASTM 4491 (2009). Standard test methods for water permeability of geotextiles by permittivity. American Society of Testing Materials, p. 6.
AFNOR G38-017 (1986). FOS from hydrodynamic sieving. French committee on geotextiles, p. 10. Stormont, J.C. e Anderson, C.E. (1999). Capillary Barrier
effect from underlying courser soil layer, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol. 125, p. 641-648.
Iryo, T. e Rowe, R.K. (2005). Infiltration into an Embankment reinforced by nonwoven geotextiles,
Canadian Geotechnical Journal, Vol. 42, p.
1145-1159.
Bouazza, A.; Zornberg, J.G.; McCartney, J.; Nahlawi, H. (2006). Significance of unsaturated behavior of geotextile in earth structutres, Australian Geomechanics, Vol. 41, p. 133-142.
Zornberg, J. G.; Bouazza, A., McCartney, J. S. (2010). Geosynthetic capillary barriers: current state of knowledge. Geosynthetics International, Vol. 17, p. 273-300.
McCartney, J. e Zornberg, J.G. (2010). Effects of infiltration and evaporation on geosynthetic capillary barrier performance, Canadian Geotechnical Journal, Vol. 47, p. 1201-1213.
