Comportamento
Microestrutural
de
Barreiras
Compactadas
para
Contenção de Lixiviados Ácidos
Amanda Lange Salvia
Universidade de Passo Fundo, Passo Fundo, Brasil, [email protected]
Juliana Grazziotin
Universidade de Passo Fundo, Passo Fundo, Brasil, [email protected]
Rafael de Souza Tímbola
Universidade de Passo Fundo, Passo Fundo, Brasil, [email protected]
Eduardo Pavan Korf
Universidade de Passo Fundo, Passo Fundo, Brasil, [email protected]
Pedro Domingos Marques Prietto
Universidade de Passo Fundo, Passo Fundo, Brasil, [email protected]
RESUMO: A contaminação de solos e águas por resíduos ácidos é uma realidade constante, foco de
grande preocupação ambiental. Ao percolar pelo perfil do solo, estes contaminantes acabam
perturbando a sua estrutura, podendo aumentar a condutividade hidráulica de barreiras compactadas
de fundo de aterros para contenção destes resíduos. Mesmo com a adição de cimento Portland, que
representa uma técnica para neutralizar o pH e reter os contaminantes, este aumento da
condutividade pode ocorrer, por isto a necessidade de estudos do ponto de vista microestrutural,
frente à percolação de contaminantes ácidos ao longo do tempo. Este trabalho objetiva a avaliação
do comportamento microestrutural de um solo argiloso residual compactado, com a adição de
cimento Portland, através da determinação da porosidade, para fins de aplicação em barreiras
impermeáveis de fundo em aterros de resíduos sólidos industriais e de mineração, quando percolado
por lixiviado ácido e submetido à influência de carga estática vertical. O comportamento
microestrutural é avaliado pela determinação da porosidade das amostras, antes e depois de serem
submetidas a ensaio de condutividade hidráulica de longa duração, com percolação de ácido
sulfúrico 2%. As amostras obtidas dos corpos de prova ensaiados foram encaminhadas à análise de
tomografia computadorizada e à porosimetria para avaliação da distribuição e dimensão dos poros.
Os resultados prévios dos ensaios indicam que há redução da porosidade das camadas dos corpos de
prova, em comparação com o valor teórico inicial.
PALAVRAS-CHAVE: Cimento Portland, Condutividade Hidráulica de Longa Duração,
Porosidade, Drenagem Ácida de Mineração, Solo Argiloso, Solo-cimento.
1
INTRODUÇÃO
Águas residuárias provenientes da lixiviação de
resíduos industriais e de mineração são
importante fonte de impacto ambiental,
principalmente devido a sua constituição ácida,
o que pode acarretar em efeitos tóxicos aos
organismos expostos e sua cadeia alimentar. O
fato de estas águas residuárias possuirem pH
ácido representa um grande agravante, pelo
motivo de oferecerem elevada mobilidade a
seus contaminantes dissolvidos e seu principal
destino ser o solo. Além disso, em muitos casos
essa disposição é realizada de forma
inadequada, sem a utilização de técnicas de
engenharia que proporcionem adequada
contenção e tratamento dos poluentes (YONG
et al. 1992; DANIEL, 1993; REPETTO, 1995;
OGA, 1996; CARDOSO e CHASIN, 2001;
COSTA, 2002; WOWK e MELO, 2005;
RANA, 2006).
Considerando os potenciais problemas
causados devido a percolação de lixiviados
ácidos em solos compactados, faz-se necessário
o estudo de alternativas viáveis do ponto de
vista tecnológico, ambiental e econômico,
capazes de garantir a mitigação do fluxo desses
poluentes no subsolo, buscando identificar uma
condição ideal de durabilidade estrutural e de
contenção química e física.
Sob o ponto de vista reativo e de retardo
dos contaminantes, alguns materiais tem sido
estudados recentemente, com o objetivo de
auxiliar o solo na retenção de contaminantes.
Dentre os principais estudos encontrados na
literatura, pode-se citar o uso de calcáreo,
cimento Portland, cinzas e bentonita, seja na
forma de mistura ou aplicação individual em
solos compactados (BRODERICK e DANIEL,
1990; FAVARETTI et al., 1994; HUECKEL et
al., 1997; WU e LI, 1998; WANG e TAO;
2004; JESUS et al., 2008; NOBRE et al., 2007;
AMADI, 2011).
A aplicação de compostos reativos à barreiras
impermeáveis objetiva proporcionar ao solo
maior durabilidade, resistência mecânica e a
intempéries. Estes sistemas apresentam
processos físicos, biofísicos, bioquímicos e
geoquímicos que atuam como mecanismos
capazes de retardar os contaminantes que os
permeiam (PRIM et al. 2003). A adição de
cimento Portland a este tipo de barreira resulta
no aumento do pH e também das reações de
sorção de metais do contaminante, buscando
reduzir sua propagação para as águas
subterrâneas.
Estudos de Lemos (2006) e Knop (2007)
comprovam que a adição de cimento Portland
contribui na atenuação de contaminantes,
diminuindo a sua mobilidade, reduzindo a
condutividade hidráulica das barreiras e
melhorando, assim, a capacidade da barreira em
controlar ao mesmo tempo as componentes
difusiva e advectiva do transporte de
contaminantes.
Embora muitos estudos abordem o
comportamento de barreiras compactadas
quando submetidas à ação de contaminantes,
são poucos os que exploram os aspectos
microestruturais dos materiais componentes das
barreiras e quais modificações ocorrem ao
longo do processo de percolação do
contaminante. Estes aspectos microestruturais
referem-se principalmente à porosidade do solo
compactado, que pode ser determinada através
de duas técnicas: porosimetria e tomografia.
A técnica de determinação da porosidade por
intrusão de mercúrio (PIM) é muito vantajosa,
pois fornece a densidade, distribuição do
tamanho, volume dos poros e área específica do
material. Além disso, o ensaio de porosimetria
fornece curvas como a de acúmulo de volume
intrudido na amostra e a de distribuição dos
diferentes diâmetros de poros, em que é
possível obter, para um determinado diâmetro
de poro, as porcentagens, em relação ao volume
de vazios total da amostra, dos poros de
diâmetro maior ou menor que o considerado
(MCDONNEL & WALSH, 1988; OLIVEIRA,
2006; YOUNG, 2010).
Já a técnica de tomografia computadorizada
(µ-CT) tem sido utilizada para os seguintes fins:
medir a densidade e porosidade do solo, a
distribuição e tamanho dos poros, determinação
da constituição mineral, entre outros. Além
disso, esta técnica é não destrutiva, o que
possibilita avaliar modificações temporais da
estrutura do solo em uma mesma amostra, o que
não é possível com técnicas tradicionais.
(OLSEN et al., 1999; MOONEY, 2002; PIRES
et al., 2005; FERNANDES et al., 2007;
FOURIE, et al., 2007; TAINA et al., 2012;
LUO et al., 2008; ALLAIRE et al., 2009;
KÖHNE et al., 2009; PIRES et al., 2010;
ANDERSON e LIU, 2011; ILLMAN et al.,
2011).
Neste contexto, este trabalho apresenta o
objetivo de avaliar o comportamento
microestrutural
de
um
solo
argiloso
compactado, com a adição de cimento Portland,
através da determinação da porosidade, para
fins de aplicação em barreiras impermeáveis de
fundo em aterros de resíduos sólidos industriais
e de mineração.
2
METODOLOGIA
2.1
Materiais
2.1.1 Solo de estudo
O solo utilizado para este estudo foi coletado no
campo experimental de Geotecnia da
Universidade de Passo Fundo (UPF), localizado
na cidade de Passo Fundo/RS, sul do Brasil. As
coordenadas geográficas do local de coleta de
solo são: S 28º 13’ 35,7”; W 52° 23’ 14,46” em
uma altitude de 698 m.
O solo de estudo é um material residual de
basalto e pertence à província geológica do
planalto rio-grandense, segundo a geologia do
Rio Grande do Sul, e à bacia do Paraná segundo
a geologia do Brasil (BERTORELLI &
HARALYI, 1998), que recebeu derrames
vulcânicos de basalto, no período mesozóico
sobre um pacote de rochas sedimentares.
Segundo Streck et. al., (2008) a classificação
pedológica é de um Latossolo Vermelho
Distrófico húmico (unidade Passo Fundo). Estes
solos são muito profundos, drenados e
altamente intemperizados, apresentando uma
sequência de horizontes A-Bw-C, em que Bw é
do tipo latossólico. Por serem muito
intemperizados tem predomínio de caulinita e
óxidos de ferro, o que lhes proporciona baixa
CTC (< 17 cmol.kg-1), acentuada acidez e baixo
estoque de nutrientes.
A caracterização química e geotécnica quanto
aos índices físicos e granulometria do horizonte
B deste solo está apresentada na Tabela 1. Os
resultados permitem verificar o baixo teor de
matéria orgânica, o alto teor de argila e o pH
ácido. A área superficial específica (ASE)
encontrada foi de 33,86 m².g-1 e permite
caracterizar o solo como um material
Caulinítico, próximo da faixa sugerida por
Yong et. al. (1992). Vale destacar também que a
composição da fração areia é formada por
quartzo.
Tabela 1. Caracterização geotécnica e química do Solo
em estudo.
Parâmetro
Valor
Argila (%)
67
Silte (%)
5
Areia (%)
28
Limite de Liquidez (%)
53
Limite de Plasticidade (%)
42
Índice de Plasticidade
11
Peso específico real dos grãos
26,70
(kN/m³)
Umidade Natural (%)
34,62
Peso específico natural (kN/m³)
16,30
Índice de Vazios
1,19
Grau de Saturação (%)
75,70
Porosidade (%)
54
pH (H2O)
5,00
Matéria Orgânica (%)
0,80
CTC (cmolc/dm³)
12,50
Permeabilidade (m/s)
1,39x10-5
ASEinterna+externa (m2/g)
33,86
*Área Superficial Específica
2.1.2 Cimento
Os teores de cimento Portland utilizados foram
de 0, 1 e 2% em relação à massa seca, uma
concentração comumente utilizada na prática e
que não representaria um investimento
econômico muito alto. O cimento é composto
de clínquer e adições. A Associação Brasileira
de Cimento Portland (ABPC, 2002) apresenta a
sua composição como sendo de 95-100% de
clínquer e gesso e 0-5% de material
carbonático.
2.1
Métodos
O comportamento microestrutural foi avaliado
pela determinação da porosidade das amostras,
antes e depois de serem submetidas à ensaio de
condutividade hidráulica de longa duração
realizados por Tímbola (2014), percolando
ácido sulfúrico em concentração volumétrica de
2%. Também foram realizados ensaios brancos,
apenas com a percolação de água destilada.
Tímbola (2014) realizou ensaios de
condutividade hidráulica de longa duração com
percolação até estabilização da condutividade
hidráulica, com pelo menos 10 volumes de
vazios. Segundo seu planejamento, adotou
faixas das variáveis de teor de cimento e peso
específico, de acordo com as Tabela 2, o que
caracterizou um experimento fatorial 2k, sem
pontos axiais.
Tabela 2. Planejamento experimental.
Corpo de
Peso específico de
Teor de
Prova
compactação
cimento (%)
(CP)
(kN/m³)
1
0
15,5
2
1
15,0
3
1
15,0
4
0
14,5
5
1
15,0
6
2
15,5
7
1
15,0
8
2
14,5
Por limitação de tempo, foram realizadas
análises com determinados corpos de prova até
o momento, com o intuito de verificar amostras
ensaiadas com e sem a percolação de
contaminante. Os resultados apresentados são
preliminares, já que os ensaios ainda estão em
andamento. Tem-se resultados dos CPs 1, 4, 6 e
8 “brancos” e dos CPs 2, 3 e 5 com percolação
do contaminante.
Os corpos de prova ensaiados pelo autor
foram, na sequência, seccionados em 3 camadas
(denominadas Superior, Meio e Inferior,
considerando fluxo descendente).
Como
preparação
para
as
análises
microestruturais, as amostras de cada camada
do corpo de prova foram segmentadas em
formato
prismático,
com
dimensões
aproximadas de 2,0 cm x 0,7 cm x 0,7 cm. Estas
amostras foram preservadas da umidade em
dessecador e acondicionadas em recipiente
fechado com silicagel durante o transporte até o
laboratório de análise.
Segundo Martínez (2003) e McDonnell e
Walsh (1988), o método de porosimetria visa
determinar o espectro de dimensões dos poros,
injetando-se mercúrio sob pressão crescente em
uma amostra de solo previamente seca e
submetida à vácuo e medindo-se o volume de
líquido penetrante em função da pressão
aplicada. Já a tomografia computadorizada de
raios-x baseia-se na absorção/transmissão de
raios-x, onde as distintas partes de uma amostra
absorvem a radiação de forma diferente.
A análise de porosimetria foi realizada na
Universidade de São Paulo, no laboratório de
Caracterização Tecnológica do Departamento
de Engenharia de Minas e Petróleo, com um
porosimetro
Autopore
IV
–
Marca
Micrometrics, enquanto que o procedimento de
tomografia foi realizado no laboratório de
Análise de Minerais e Rochas (LAMIR) da
Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)
em um microtomógrafo de raios-x, modelo
1172, marca Skycan.
Para a análise de porosimetria, inicialmente
introduziu-se a amostra em um porta-amostra
com selante para mantê-la presa. Este é inserido
no equipamento para a análise, com pressão
zerada (vácuo). O processo de intrusão de
mercúrio na amostra se dá, então, em duas
etapas, uma de baixa pressão e outra de alta
pressão, buscando atingir mesoporos e
microporos, respectivamente. O ensaio fornece
resultados de volume de mercúrio intrudido em
relação ao teor de material presente nos corpos
de prova. O diâmetro dos poros é determinado
através de relação entre o diâmetro dos poros e
a pressão aplicada.
Na análise de tomografia, a amostra foi
inserida em um porta-amostra baseado em uma
haste fixada à amostra, de modo a evitar
qualquer movimento desta durante a análise.
Em seguida, a haste com a amostra foi inserida
ao microtomógrafo para realização da análise,
que é dividida em 3 fases: (1) Aquisição de
dados; (2) Reconstrução da imagem; (3)
Parametrização e Modelagem.
A etapa de parametrização foi realizada com o
auxílio do software CTan®, em que foi
considerada uma região de interesse que
resultou em um volume analisado de cerca de
100 mm³, subdividido em cerca de 60 sessões.
Para realização da parametrização, o software
realiza um tratamento da imagem a partir de
uma binarização, utilizando diferentes tons de
cinza visualizados e por segmentação do limiar
de tons correspondentes. Por este processo de
binarização o software realiza a quantificação
do volume de sólidos, volume de cimento,
volume de poros observados e da consequente
porosidade do material.
3
Amostras
CP1B 0 %
cimento,
15,5
kN/m3
CP4B 0 %
cimento,
14,5
kN/m3
CP6B 2 %
cimento,
15,5
kN/m3
CP8B 2 %
cimento,
14,5
kN/m3
Porosidade
das
amostras
moldadas
0,412
0,446
0,425
0,462
Amostras Superiores
Porosidade
Teórica
0,356
0,392
0,368
0,394
PIM
0,341
0,383
0,385
0,408
µ-CT
0,345
0,389
0,381
0,402
Limiar
68
62
65
69
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Amostras Meio
A análise dos diâmetros dos poros das amostras
ensaiadas, de acordo com a análise de
porosimetria (PIM), indica que estes estão
dentro da faixa de microporos, segundo
classificação de Metha e Monteiro (1993), em
torno de 12 ηm.
Já a distribuição do diâmetro dos poros,
segundo a técnica de tomografia (µ-CT), variou
de 20 µm a 30 µm. Em comparação com a PIM,
pode-se dizer que a µ-CT abrangeu em sua
análise apenas a fração de macroporos,
desconsiderando, portanto, o diâmetro dos
poros equivalente aos microporos.
Na técnica de tomografia, é realizada
binarização e segmentação binária, buscando
definir-se o limiar de tons de cinzas que
corresponde, por exemplo, aos poros.
As Tabelas 4 e 5 apresentam os resultados de
porosimetria para os CPs “branco” e com
percolação de contaminate, respectivamente.
Estas tabelas apresentam os resultados das
análises de µ-CT e PIM, também em
comparação com os valores teóricos, sendo
apresentado o limiar de tons de cinza
considerado para calibração.
Tabela 4: Análise da porosidade por µ-CT em relação à porosidade
obtida por PIM, para amostras Branco
Amostras
Peso
específico
seco das
amostras
moldadas
(kN/m3)
CP1B 0 %
cimento,
15,5
kN/m3
15,69
CP4B 0 %
cimento,
14,5
kN/m3
14,79
CP6B 2 %
cimento,
15,5
kN/m3
15,35
CP8B 2 %
cimento,
14,5
kN/m3
14,36
Porosidade
Teórica
0,367
0,366
0,366
0,411
PIM
0,356
0,386
0,366
0,404
µ-CT
0,358
0,384
0,361
0,407
Limiar
67
66
68
71
Amostras Inferiores
Porosidade
Teórica
0,389
0,426
0,374
0,394
PIM
0,387
0,409
0,382
0,359*
µ-CT
0,384
0,405
0,376
0,393*
Limiar
66
62
72
63*
*Valor calibrado, conforme valor teórico, devido disparidade entre
os valores de porosidade e limiar.
Tabela 5: Análise da porosidade por µ-CT em relação à
porosidade obtida por PIM, para CPs 2, 3 e 5
Amostras
CP2 1 %
CP3 1 %
CP5 1 %
cimento, 15 cimento, 15 cimento, 15
kN/m3
kN/m3
kN/m3
Peso específico
seco das amostras
moldadas
(kN/m3)
14,5
14,1
14,7
Porosidade das
amostras
moldadas
0,458
0,443
0,449
Amostras Superiores
Porosidade
Teórica
0,545
0,532
0,581
PIM
0,42
0,406
0,397
µ-CT
0,241
0,228
0,25
Limiar
52
49
49
Amostras
CP2 1 %
CP3 1 %
CP5 1 %
cimento, 15 cimento, 15 cimento, 15
kN/m3
kN/m3
kN/m3
Amostras Meio
Porosidade
Teórica
0,509
0,526
0,538
PIM
0,376
0,364
0,384
µ-CT
0,268
0,232
0,212
Limiar
63
62
60
Amostras Inferiores
Porosidade
Teórica
0,499
0,521
0,426
PIM
0,355
0,383
0,307
µ-CT
0,189
0,223
0,174
Limiar
54
56
61
Ainda pela Tabela 4, observa-se redução da
porosidade em todas as camadas, em
comparação à porosidade das amostras
moldadas, o que pode acontecer devido
modificações sofridas ao longo do ensaio, em
decorrência da aplicação de carga estática
vertical, por exemplo. Observa-se também que,
de maneira geral, os valores de PIM obtidos
apresentaram-se próximos, mas um pouco
abaixo dos valores teóricos das amostras. Isso
pode ter ocorrido devido limitação da técnica
uma vez que não se atingiu por completo a
fração de microporos das amostras. Destaca-se
que foram obtidos valores maiores de
porosidade para menores valores peso
especifico, com variação dos limiares de 62 a
72.
A Tabela 5 expressa os mesmo resultados,
porém para os corpos de prova com percolação
de ácido. Os resultados de porosidade mostram
que este parâmetro apresenta redução após a
percolação do contaminante e em comparação
as amostras “branco”, como esperado. Além
disso, esta redução apresenta maior magnitude
para as amostras ensaiadas pela técnica de
tomografia quando comparada com os valores
teóricos e de porosimetria. Uma das possíveis
explicações para esta diferença entre tomografia
e porosimetria é que esta última técnica pode
provocar o aumento do tamanho dos poros ao
serem preenchidos por produtos de reações
químicas entre o contaminante e as partículas de
solo-cimento. Outra possível razão é o fato da
análise de tomografia avaliar somente a fração
de macroporos, o que pode representar uma
limitação da técnica.
O valor de limiar para estas amostras variou
de 49 a 63, sendo menor justamente em função
dos valores de porosidade menores. Além disso,
verificaram-se maiores valores de porosidade
para as amostras superiores e menores valores
para as inferiores, mas ainda não há aspectos
conclusivos para discutir estas mudanças.
Tímbola (2014) obsevou redução da
condutividade hidráulica ao longo do tempo em
seus ensaios com percolação de contaminante,
quando comparada aos ensaios “brancos”. Este
fato corrobora os resultados desta pesquisa,
sendo esta redução de condutividade
consequencia da redução dos índices de vazios
no corpo de prova.
4
CONCLUSÃO
Os resultados prévios dos ensaios permitem
concluir que há redução da porosidade de todas
as camadas dos corpos de prova, em
comparação com o valor teórico inicial, após a
percolação de contaminante. Isto possivelmente
ocorreu devido à hidratação do cimento e
ocupação de parte do volume dos poros com os
seus produtos, bem como devido a recalques na
amostra com a aplicação de carga estática
vertical e reação com o contaminante. Tal
redução de porosidade foi mais expressiva para
a técnica de tomografia quando comparada à
técnica de porosimetria.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao CNPQ (Proc. n.
486340/2011-2, 309105/2011-0 e 486506/20134), CAPES e FAPERGS (Proc. n. 10/0030-9 e
11/2041-4) pelo suporte financeiro para o
desenvolvimento das pesquisas.
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