15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental VARIAÇÃO DE PARÂMETROS GEOTÉCNICOS DO SOLO APÓS ENSAIO ELETROCINÉTICO

15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental

VARIAÇÃO DE PARÂMETROS GEOTÉCNICOS DO SOLO APÓS ENSAIO

ELETROCINÉTICO

Carla Miranda Fabris 1_{; Clarisse de Oliveira Carmo} 1_{; Jonathan Tenório de Lima} 1_{; Maria Claudia}

Barbosa 1

Resumo – Foi estudado o adensamento de solos finos pela técnica eletrocinética – adensamento

eletro-osmótico –, objetivando a compreensão da evolução dos parâmetros geotécnicos do solo quando submetido ao procedimento. O ensaio teve duração de 24 horas e foi executado em um caulim tratado, com monitoramento de parâmetros elétricos e avaliação da variação dos limites de Atterberg, teores de umidade e pH do solo. As reações eletroquímicas que se desenvolvem no solo são responsáveis pela variação dos parâmetros geotécnicos, que, após o término do procedimento, foram distintos em relação aos valores iniciais do solo e ao longo da amostra (próximo ao anodo, meio e próximo ao catodo). O pH do fluido nas proximidades do anodo foi ácido, aproximadamente 4,0, aumentando próximo ao catodo, onde atingiu valor próximo de 8,0. Os teores de umidade nas imediações do anodo e no meio da amostra foram superiores ao valor inicial e, próximo ao catodo, a umidade foi inferior à condição antes do ensaio. Após o ensaio, ambos, limite de plasticidade e de liquidez, foram decrescentes do anodo para o catodo. No meio e próximo ao catodo, os limites de Atterberg foram inferiores aos valores iniciais.

Abstract – In order to understand the geotechnical parameters’ behavior of a soil during

electrokinetic experiments, a study of electroosmotic consolidation in a fine-grained soil was conducted. The experiment was carried out during 24 hours, and a treated kaolin was selected for the test. The electrical parameters were monitored and changes on the Atterbeg limits, as well as the water content and the soil’s pH, were evaluated. After the experiment, due to the electrochemical reactions developed in soils, the geotechnical parameters were different from the initial measures and throughout the soil (near the anode, middle and near the cathode). The fluid pH near the anode was acid, about 4,0, and it increased near the cathode, where it was about 8,0. The water content near the anode and in the middle of the sample was higher than the initial value and, near the cathode, the value was below the soil’s initial condition. After the test, both plastic and liquid limits decreased from the anode to the cathode. In the middle and close to the cathode, the Atterberg limits were inferior to the initial values.

1. INTRODUÇÃO

Quando uma diferença de potencial elétrico é aplicada através de uma massa úmida de solo, cátions são atraídos para o catodo e ânions para o anodo. À medida que os íons se locomovem, eles carregam consigo sua água de hidratação, exercendo um arrasto viscoso na água do entorno. Em solos carregados negativamente, há mais cátions móveis que ânions, ocorrendo fluxo resultante de água na direção do catodo. Esse fluxo é denominado eletro-osmose. A magnitude do fluxo eletro-osmótico depende de ke, designado coeficiente de permeabilidade

eletro-osmótica, e do gradiente de voltagem aplicado (MITCHELL E SOGA, 2005). Outros fenômenos eletrocinéticos se desenvolvem da associação entre gradientes e fluxos hidráulicos e elétricos, tais como migração iônica, eletroforese e potencial de corrente.

A utilização da eletro-osmose em solos finos visando o seu adensamento e a melhoria na resistência ao cisalhamento, a despeito da sua aplicação desde a década de 1930, até hoje é estudada e aprimorada. Inúmeros trabalhos foram conduzidos tendo em vista a análise da viabilidade econômica e da eficiência do procedimento eletro-osmótico, que variam não apenas segundo o equipamento utilizado e o local de aplicação, como também com o solo no qual a eletro-osmose é aplicada.

Objetivando uma melhor compreensão do comportamento do solo durante a técnica eletrocinética, foi realizado um plano de testes com um caulim tratado (Lima et al., 2013) em que foram monitorados e calculados parâmetros elétricos, tais como densidade de corrente, gradiente elétrico, resistividade do solo e permeabilidade eletro-osmótica. Analisou-se também os efeitos eletroquímicos da aplicação da técnica eletrocinética nos solos, avaliando-se parâmetros geotécnicos, como os limites de Atterberg, os teores de umidade e o pH do solo antes e após o procedimento.

2. APLICAÇÃO DA ELETRO-OSMOSE

Segundo Castello Branco, 1978, a eletro-osmose foi estudada inicialmente por Reuss, em 1809, ao observar que quando um campo elétrico é aplicado através de um meio úmido poroso, o líquido pode se deslocar por esse meio. Ainda de acordo com o autor, em 1935, Leo Casagrande patenteou o processo de eletro-endurecimento pela dissolução de anodos de alumínio no interior do solo. Em 1949, Casagrande publicou na Géotechnique seu artigo intitulado "Electro-Osmosis in Soils", fornecendo assim uma base teórica para a aplicação do procedimento visando o adensamento de solos finos.

A partir da década de 1930, a eletro-osmose foi utilizada em diversas aplicações de campo para melhorar os parâmetros de resistência de solos finos (CASAGRANDE, 1953). Como exemplos clássicos de aplicação em campo, pode-se citar Bjerrum et al., 1967, que fez uso da eletro-osmose para a estabilização de uma escavação em uma argila sensível norueguesa; Fetzer, 1967, pela estabilização eletro-osmótica da barragem de terra "West Branch Dam", nos Estados Unidos; Wade, 1976, quando da estabilização de um talude por eletro-osmose, no Canadá.

Mais recentemente, alguns exemplos de aplicação em campo podem ser encontrados na literatura, tais como Lo et al., 1991, em que a eletro-osmose foi aplicada para a estabilização de uma argila sensível no Canadá; Barker et al., 2004 e Chien et al., 2014, utilizaram a eletrocinética para facilitar a migração de soluções químicas estabilizantes introduzidas em um solo do País de Gales e em Taiwan, respectivamente.

3. METODOLOGIA

3.1. Equipamento

O equipamento utilizado foi desenvolvido no Laboratório de Geotecnia da COPPE, UFRJ, quando da elaboração da tese de doutorado de Schmidt, 2004. A célula eletrocinética consiste em um tubo de acrílico cilíndrico ligado pelas extremidades a dois tanques, também cilíndricos, onde ficam os eletrodos, de aço inox. O tubo possui 5 pinos de voltagem alinhados ao longo do tubo. Os dois tanques se comunicam com a amostra através de discos de acrílico perfurados. Ligados aos tanques, há dois reservatórios que permitem a circulação de fluido, mantidos na mesma altura e dotados de furos extravasores, garantindo assim gradiente hidráulico nulo.

O tubo de acrílico, onde a amostra é colocada, apresenta 14,6 cm de comprimento e 7,25 cm de diâmetro interno. Os tanques são dotados de tubos de vidros para a saída de gases e de mangueiras que permitem a entrada e saída de líquido para o reservatório. Conectadas às mangueiras de saída para o reservatório há duas bombas peristálticas. O fluxo eletro-osmótico é medido através de um transmissor de pressão modelo S-10 da Wika, colocado no fundo de uma coluna que recebe o líquido proveniente do ensaio. O esquema geral de funcionamento do equipamento está apresentado na Figura 1.

Figura 1. Equipamento utilizado no ensaio eletrocinético

3.2. Solo estudado

O solo estudado consistiu em um caulim tratado, destinado a uso industrial. Para a moldagem da amostra, o solo foi misturado com água deionizada, obtendo-se um teor de umidade de aproximadamente 40%. A quantidade ideal de caulim e água a ser adicionada para a obtenção dessa umidade foi estabelecida por Lima, 2013, considerando uma densidade para o ensaio de 1,8 g/cm³.

A escolha do caulim é recorrente na aplicação da técnica eletrocinética, tendo sido utilizado em diversas pesquisas (HAMIR et al., 2001; SCHMIDT, 2004; ESTABRAGH et al., 2014). Além de ser de fácil aquisição, é adequado para esse tipo de ensaio por ser um solo fino, uma vez que o potencial de adensamento por eletro-osmose é tão maior quanto menor o tamanho dos grãos (MITCHELL E SOGA, 2005). O principal constituinte do caulim é a caulinita, mineral típico de solos tropicais intemperizados (MÖLLER, 1986).

3.3. Ensaio eletrocinético

Foi aplicada uma voltagem de 15 V durante 24h, com monitoramento da corrente elétrica e da tensão nos cinco pinos de voltagem. As condições de drenagem do ensaio foram anodo e catodo abertos, ou seja, o fluido tinha sua entrada e saída permitida ao longo do experimento. O volume de fluxo eletro-osmótico foi monitorado através do transmissor de pressão. Os eletrodos utilizados foram de aço inox.

3.4. Ensaios de caracterização geotécnica e determinação do pH

A eletrólise da água durante o ensaio acarreta em um decréscimo do pH próximo ao anodo e, nas imediações do catodo, aumento do pH (YEUNG et al., 1997; SCHMIDT, 2004; MITCHELL E SOGA, 2005; SILVEIRA, 2009). Por essa razão, o solo após o ensaio foi seccionado em 3 partes, denominadas fatia 1 (próxima ao anodo), fatia 2 (central) e fatia 3 (próxima ao catodo) para a medição do pH em cada parcela.

O fluido intersticial para a determinação do pH foi extraído com o auxílio de uma prensa desenvolvida para essa finalidade. A leitura do pH foi feita diretamente através de analisador Analion modelo PM606F e de eletrodo Analion de vidro combinado, modelo V620.

Os teores de umidade e os limites de Atterberg foram igualmente determinados antes e após a técnica eletrocinética. A determinação dos limites de Atterberg seguiu os procedimentos das normas NBR 6459 e NBR 7180, para o limite de liquidez e plasticidade, respectivamente. Os teores de umidade foram determinados segundo a NBR 6457. A densidade real dos grãos do caulim foi determinada por Lima, 2013, e o valor obtido foi 2,58.

4. RESULTADOS

4.1. Ensaio eletrocinético

O equipamento desenvolvido para o ensaio eletrocinético permite a medição no tempo da diferença de voltagem entre os pinos ΔV (V), da corrente I (A) e do volume de água do fluxo eletro-osmótico. Conhecendo-se os parâmetros geométricos do ensaio, área da seção transversal do corpo-de-prova A (m²) e a distância entre os pinos ΔL (m), foi possível o cálculo da densidade de corrente j (A/m²), do gradiente elétrico do solo ie (V/m), da resistência elétrica do

corpo-de-prova R (Ω), da resistividade do solo ρ (Ω.m), da vazão eletro-osmótica qe (m³/s) e do coeficiente

de permeabilidade eletro-osmótica ke (m²/V.s). As equações 1 a 4 foram utilizadas para os

cálculos, respectivamente, da densidade de corrente, do gradiente elétrico do solo, da resistividade elétrica e do coeficiente de permeabilidade eletro-osmótica.

𝑗 = 𝐼 𝐴(𝐴 𝑚 2 ⁄ ) (1) 𝑖𝑒 = ∆𝑉 ∆𝐿(𝑉 𝑚⁄ ) (2) 𝜌 =𝑅.𝐴 ∆𝐿 (𝛺. 𝑚) (3) 𝑘𝑒= 𝑞_𝑒 𝑖_𝑒.𝐴(m²/V. s) (4)

O gradiente elétrico, a resistividade e o coeficiente de permeabilidade eletro-osmótica variam segundo a diferença de potencial elétrico nos pinos (Equações 2 a 4). Observou-se um aumento da tensão no tempo (Figura 2) que se deve, em parte, ao transporte das espécies iônicas no interior do solo. À medida que os íons alcançam os eletrodos, a condutividade elétrica do solo diminui, aumentando a diferença de potencial elétrico. As medições nos pinos de voltagem evidenciaram que a diferença de potencial elétrico varia entre os pinos, indicando que o gradiente elétrico é variável ao longo do solo. Esse mesmo comportamento foi observado, dentre outros, por Alshawabkeh e Acar, 1996; Asavadorndeja e Glawe, 2005; Yeung et al., 2011; Lima et al., 2013.

Embora a resistividade do solo (ρ) e o coeficiente de permeabilidade eletro-osmótica (ke),

apresentados na Figura 2, sejam função de outras variáveis, nota-se que o comportamento da tensão no solo dita a evolução desses parâmetros. A densidade de corrente (j) apresenta um comportamento praticamente constante. A hipótese de densidade de corrente constante foi feita por diversos autores, tais como Esrig, 1968, Wan e Mitchell, 1976 e Alshawabkeh e Acar, 1996.

Tempo (h) 5 10 15 20 25 j ( A /m ²) o h m s .m ) ie ( V /m ) 0 5 10 15 20 25 ke ( m ²/ V .s ) 0 2e-9 4e-9 6e-9 8e-9 1e-8 d d p e n tr e o s p in o s 1 e 5 ( V ) 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 ie (V/m) j (A/m²) (ohms.m) ke (m²/V.s) ddp (V)

Figura 2. Gradiente elétrico, densidade de corrente, resistividade elétrica e permeabilidade

eletro-osmótica ao longo do tempo

À medida que o ensaio se desenvolve, o coeficiente de permeabilidade eletro-osmótica estabiliza-se entre valores próximos de 1,0 x 10-9_{m²/V.s e 3,0 x 10}-9 _{m²/V.s. Sabe-se que k}

e não

varia muito de um solo para outro e, de acordo com Mitchell e Soga, 2005, normalmente se encontra entre 1 x 10-9 _{a 1 x 10}-8 _m²/V.s.

4.2. Ensaios de caracterização geotécnica e determinação do pH

A Figura 3 apresenta o pH do fluido intersticial do solo antes e após o ensaio e o pH dos líquidos dos tanques após o ensaio eletrocinético. Conforme esperado, o pH do fluido nas proximidades do anodo foi ácido, aumentando próximo ao catodo. A eletrólise da água no anodo e

ânions reagem com os íons de hidrogênio para formarem ácidos, enquanto no catodo os cátions da solução se combinam com as hidroxilas para formarem hidróxidos.

2𝐻2𝑂 − 4𝑒−→ 4𝐻++ 𝑂2↑ 𝑎𝑛𝑜𝑑𝑜 (5)

2𝐻2𝑂 + 2𝑒−→ 2𝑂𝐻−+ 𝐻2↑ 𝑐𝑎𝑡𝑜𝑑𝑜 (6)

Figura 3. pH do fluido intersticial e dos reservatórios pós ensaio

Os resultados da variação do teor de umidade no solo são apresentados na Figura 4. É notável a diminuição do teor de umidade na fatia 3 em relação à condição inicial do solo e o aumento na fatia 1 e na fatia 2.

A variação do teor de umidade do solo ao longo do ensaio depende, dentre outros fatores, da sua condição de drenagem e do sentido do fluxo. Se é permitida a entrada do fluido através do anodo e a sua saída através do catodo, a condição de drenagem é dita anodo e catodo abertos. Quando apenas a saída do fluido é permitida, a condição de drenagem é anodo fechado e catodo aberto. Nesse último caso, ocorre adensamento nas imediações do anodo, levando ao aumento das tensões efetivas. Como a tensão total nas proximidades do anodo permanece essencialmente inalterada, a poro-pressão diminui (MITCHELL E SOGA, 2005).

A condição de drenagem aplicada foi anodo e catodo abertos, e o fluxo no sentido convencional, ou seja, do anodo para o catodo. A despeito das condições de drenagem permitirem o fluxo livre de água entrando e saindo da célula eletrocinética, houve diminuição da umidade na fatia 3 em relação às outras posições e ao teor inicial da amostra. De acordo com Esrig, 1968, isso ocorre quando a diferença de potencial elétrico é não-linear ao longo do solo. A não linearidade da tensão decorre do desenvolvimento de zonas de diferentes condutividades, interferindo no fluxo eletro-osmótico que, segundo Mitchell e Soga, 2005, é tão maior quanto menor a condutividade elétrica do solo.

Alshawabkeh e Acar, 1996, constataram que a diminuição da condutividade do solo próximo ao catodo acarretou no aumento da demanda de vazão eletro-osmótica. Devido à baixa permeabilidade hidráulica do solo, a água intersticial ao longo da amostra não foi suficiente para atender a essa demanda, desenvolvendo assim poro-pressões negativas. Eykholt, 1997, também observou a geração de poro-pressões negativas no anodo e constatou que o teor de umidade foi inferior nas suas imediações.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 pH FATIA 2 CATÓLITO ANÓLITO FATIA 1 FATIA 3

Observa-se na Figura 4 e na Figura 5 que ambos, limite de plasticidade e de liquidez, foram decrescentes ao longo do solo, ou seja, do anodo para o catodo, assim como os índices de plasticidade. Além disso, a fatia 1 apresentou limites de Atterberg superiores em relação aos valores iniciais. Na fatia 2 e na fatia 3, no entanto, foram obtidos resultados inferiores aos da amostra antes do ensaio. É importante notar que as mudanças foram mais significativas na fatia 3, com o índice de plasticidade variando de aproximadamente 7%.

Distância normalizada do anodo

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 U m id a d e ( % ) 39,0 39,5 40,0 40,5 41,0 41,5 42,0 42,5 w inicial wL inicial w final wL final

Figura 4. Limite de liquidez e umidade natural ao longo do solo

Distância normalizada do anodo

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 U m id a d e ( % ) 19,0 19,5 20,0 20,5 21,0 21,5 22,0 22,5 w_P inicial IP inicial wP final IP final

Figura 5. Limite de plasticidade e índice de plasticidade ao longo do solo

uniforme, à medida que o ensaio se desenvolve as reações eletroquímicas são responsáveis por mudanças na solução, alterações essas que ocasionam a não linearidade da diferença de potencial elétrico, discutida anteriormente. Além disso, as reações de oxidação que ocorrem no anodo liberam íons de ferro do eletrodo para o solo. É importante ressaltar que os cátions presentes na dupla camada da argila podem ser substituídos por íons liberados quando da oxidação dos eletrodos, alterando assim a composição química do argilomineral.

A variação dos limites de Atterberg depende do tipo de solo; da solução química adicionada, se for o caso; do tempo de ensaio, do tipo de eletrodo utilizado e da voltagem aplicada. As alterações dos índices de consistência do solo após ensaio eletrocinético foi discutida por alguns autores e apresentou resultados diversos. É prática recorrente, concomitantemente com o adensamento do solo por eletro-osmose, a injeção de soluções químicas que potencializam as reações eletroquímicas no solo, modificando os índices de consistência, com o intuito de se aumentar a resistência ao cisalhamento do solo.

Wu e Hu, 2014, utilizaram a eletrocinética por pelo menos 24 horas, com eletrodos de cobre, ferro e grafite, em uma bentonita sódica. Após os ensaios, cada eletrodo influenciou diferentemente o solo, sendo o de cobre o mais e o de grafite o menos influente. Todos os limites de plasticidade aumentaram e os limites de liquidez diminuíram. O índice de plasticidade diminuiu consideravelmente.

Bjerrum et al., 1967, utilizaram a eletrocinética em campo durante 120 dias em uma argila sensível da Noruega para a estabilização de uma escavação, com utilização de barras de aço como eletrodos. Após o procedimento, o limite de liquidez próximo ao anodo aumentou 9% e próximo ao catodo praticamente não houve mudança. O índice de plasticidade aumentou em média 4% próximo ao anodo.

Em se tratando da eletro-osmose com injeção de compostos químicos, Esrig e Gemeinhardt, 1967, utilizaram cloreto de cálcio durante o procedimento eletrocinético de uma argila ilítica e concluíram que o crescimento do pH é acompanhado por um aumento nos limites de Atterberg. Asavadorndeja e Glawe, 2005, aplicaram a eletrocinética por 48 horas em uma argila da Tailândia, composta principalmente por minerais de caulinita e esmectita, com injeção de cloreto de cálcio e observaram um aumento de 10% no limite de liquidez e de 5% no limite de plasticidade.

Os efeitos que se desenvolvem além do transporte de água durante o ensaio eletrocinético são complexos, tais como difusão iônica, troca iônica, desenvolvimento de gradiente de pH, secagem pela geração de calor, decomposição dos minerais, precipitação, eletrólise, hidrólise, oxidação, redução, adsorção química e física e mudanças na microestrutura. Todos esses processos são responsáveis por mudanças nas propriedades do solo (MITCHELL E SOGA, 2005). É importante notar que, tendo em vista todas essas transformações que ocorrem durante a eletro-osmose, a avaliação do ganho de resistência do solo não pode ser feita apenas através da determinação dos índices de consistência, sendo necessário para tanto a realização de ensaios de resistência, capazes de quantificar esse parâmetro.

5. CONCLUSÕES

Os resultados mostraram que a densidade de corrente, após algumas horas de ensaio, apresentou um valor praticamente constante, conforme assumiram Esrig, 1968, Wan e Mitchell, 1976 e Alshawabkeh e Acar, 1996. O gradiente elétrico mostrou-se variável ao longo do solo. O coeficiente de permeabilidade eletro-osmótica estabilizou-se entre valores próximos de 1,0 x 10-9

m²/V.s e 3,0 x 10-9 _{m²/V.s. Finalmente, constatou-se influência marcante da tensão no}

comportamento da resistividade do solo (ρ) e do coeficiente de permeabilidade eletro-osmótica (ke).

Alguns parâmetros geotécnicos e o pH do solo foram comparados antes e após o procedimento eletrocinético. A umidade do solo variou ao longo da amostra, a despeito da drenagem no anodo e no catodo terem sido mantidas abertas. Isso ocorreu possivelmente devido

ao desenvolvimento de zonas de diferentes condutividades, sendo ela menor à medida que se aproxima do catodo, aumentando assim a demanda de vazão eletro-osmótica nessa região. Como a permeabilidade hidráulica do solo é baixa, a demanda de água não consegue ser totalmente suprida, ocorrendo o desenvolvimento de poro-pressões negativas próximo ao catodo.

Os limites de Atterberg foram decrescentes do anodo para o catodo, assim como o índice de plasticidade. A mudança nos índices de consistência é decorrente de fatores como a alteração da composição da solução intersticial do solo, da migração de íons dos eletrodos para o solo e, eventualmente, da incorporação desses íons à estrutura do argilomineral. Devido à grande quantidade de fenômenos que ocorrem concomitantemente durante a eletrocinética e à maneira como esses fenômenos interagem entre si e com o solo, não é possível estabelecer uma relação simples entre as mudanças nos índices de consistência e a influência dessas alterações na resistência ao cisalhamento do solo.

Os efeitos que se desenvolvem durante o ensaio eletrocinético são complexos e a sua compreensão envolve o estudo pontual de cada tipo de solo sob as condições desejadas. O Brasil ainda carece de pesquisas envolvendo a aplicação da técnica eletrocinética em solos tropicais, tendo em vista o seu adensamento eletro-osmótico e a melhoria das suas propriedades mecânicas.

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