23º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental
III-165 - ESTUDO DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DE RESÍDUOS
SÓLIDOS URBANOS SOB A INFLUÊNCIA DA BIODEGRADABILIDADE
Sandro Lemos Machado(1)
Engenheiro Civil pela UFBa, Mestre em Geotecnia pela Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/USP),
Doutor em Geotecnia pela EESC/USP, Professor do Departamento de Ciência e Tecnologia dos Materiais –
UFBa
Miriam de Fátima Carvalho
Engenheira Civil pela Escola de Engenharia Kennedy, Mestre em Geotecnia pela Escola de Engenharia de São
Carlos (EESC/USP), Doutora em Geotecnia pela EESC/USP e Professora do Departamento de Engenharia
Civil da UCSal.
Júlio César Fialho do Nascimento
Graduando em Engenharia Civil – UFBa eEstudante de Iniciação Científica – UFBa
Kleber Azevedo Dourado
Engenheiro Civil pela UFBa, Mestre em Geotecnia pela Escola de Enganharia de São Carlos (EESC/USP),
Pesquisador UFBa/FAPESB e Professor do Departamento de Engenharia Civil – UCSal
Endereço(1): Rua Aristides Novis, no 2, Federação – Salvador - Ba – CEP: 40 210-630 - Brasil - Tel: (71) 3331 5545
– e-mail: [email protected]
RESUMO
Este artigo apresenta um estudo da resistência mecânica de RSU, através de ensaios triaxiais consolidado
drenado executados em amostras de grandes dimensões (200mm de diâmetro). O resíduo estudado é
proveniente do Aterro Metropolitano Centro (AMC), localizado na cidade de Salvador-BA. Objetivando
estudar a influencia do tempo de disposição no comportamento mecânico do resíduo, amostras de resíduo com
duas idades diferentes foram analisadas, sendo uma coletada na frente de disposição (resíduo novo) e, outra
,em local com 4 anos de disposição. Ensaios triaxiais CD foram executados em amostras de resíduo novo
moldadas com peso específico de 10kN/m3, o qual corresponde ao peso específico seco de cerca de 5kN/m3,
considerando um conteúdo de umidade médio de 92% (em base seca). Amostras com 4 anos de aterramento
foram moldadas considerando a perda de massa e previsões de mudança de volume (uso dos parâmetros k e
Lo). As curvas tensão-deformação obtidas de ensaios triaxiais mostraram um comportamento típico de
aumento das tensões com o aumento das deformações axiais, sem atingir um pico de ruptura. Dos resultados,
foram obtidos valores para o ângulo de atrito e coesão versus a deformação axial.
PALAVRAS-CHAVE: Aterro Sanitário, resistência ao cisalhamento, ensaio consolidado drenado
INTRODUÇÃO
O aterro sanitário é a forma mais usual de disposição dos resíduos sólidos urbanos (RSU) e dado as
dificuldades de locação de novas áreas para aterros sanitários nas proximidades dos centros urbanos, observase que estes estão sendo construídos com maiores alturas, contabilizando-se hoje muitos com altura superior a
100m. Por outro lado, dada a dificuldade de se determinar parâmetros de resistência para o RSU, que são
caracterizados por uma grande heterogeneidade nos seus constituintes, tanto no que se refere à presença de
diferentes tipos de materiais como nas suas variedades de dimensões e formas, faz com que estes dados na
literatura sejam escassos, a maioria dos quais, são oriundos de países temperados, cujos resíduos apresentam
diferenças marcantes em composição e velocidade de degradação, quando comparados aos RSU dos países de
clima tropical. A demais, os RSU se transformam através de fenômenos físico-químicos e biológicos, com o
tempo e em condições ambientais propícias, em gases, líquidos e sólidos inorgânicos e orgânicos
relativamente inertes (TCHOBANOGLOUS et al., 1993), gerando variações significativas no comportamento
mecânico dos aterros sanitários, consubstanciado em grandes recalques (redução de massa e volume) ao longo
dos anos e em alguns casos problemas de instabilidade. Outro fato merecedor de atenção é que ao sofrer
degradação, o RSU tem sua composição alterada, o que pode influenciar significativamente no seu
comportamento mecânico.
A composição física varia de uma região para outra, estando relacionada com os com os níveis de
desenvolvimento econômico, tecnológico e cultural dessas regiões e com as práticas de reciclagem,
incineração e os hábitos de desperdícios da sociedade. Ressalta-se a tendência do aparecimento de maior
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quantidade de matéria orgânica em resíduos provenientes de locais menos desenvolvidos. Em geral, o
tamanho típico, das partículas encontrado num resíduo varia entre pedregulho a uma fração menor que 20% de
partículas finas, menores que 0,075mm. Segundo Knochenmus et al. (1998), existe uma tendência da fração
mais fina do RSU aumentar com o aumento da idade do lixo, como resultado da biodegradação do material
orgânico. Diferentes valores de teor de umidade e pesos específicos in situ são apresentados na literatura. A
umidade varia entre 30 a mais de 100% e o peso específico in situ varia, tipicamente, entre 8 a 15kN/m3 e,
geralmente, aumenta com a profundidade devido à bioconsolidação do RSU com o tempo e à compressão
devido à sobrecarga (GOTTELAND et al., 1995, WITHIAN et al., 1995; KAVAZANJIAN et al., 1995). O
coeficiente de permeabilidade para o resíduo, geralmente, varia de 10-4m/s a 10-6 m/s, o qual é compatível com
os valores obtidos para areias finas e limpas.
No que se refere as propriedades de resistência ao cisalhamento do resíduo, apesar das diferenças na
composição, idade e estado de alteração, parece consenso entre os pesquisadores que as curvas tensãodeformação do RSU não apresentam pico de ruptura bem definido, mesmo quando altas deformações são
envolvidas (JESSBERGER e KOCKEL, 1993; KÖNIG e JESSBERGER, 1997). Os parâmetros de resistência
mobilizados tendem a aumentar com as deformações num processo que parece ser comandado pelo efeito
reforço dos materiais fibrosos (plásticos, têxteis, etc), como mostra a Figura 1. Nesta figura pode-se observar
que intercepto de coesão é particularmente dependente da matriz de reforço que é ativada para deformações
superiores a 20% e, que a matriz fibrosa, não tem influência significativa nas propriedades de atrito do
resíduo.
Figura 1 - Mobilização do intercepto de coesão e ângulo de atrito com as deformações axiais (KÖNIG e
JESSBERGER, 1997).
Os valores de resistência ao cisalhamento do resíduo municipal apresentados na literatura variam largamente,
com ângulo de atrito variando entre 10 - 53° e valores de coesão variando entre a 0 a 67kPa. Essa
variabilidade é devido a heterogeneidade do lixo, o nível de deformação escolhido e tipo de ensaio realizado.
Carvalho (1999) apresenta parâmetros de resistência obtidos para o resíduo do aterro sanitário Bandeirantes –
São Paulo em função das deformações axiais. Para deformações axiais de 20%, o ângulo de atrito variou de 17
a 27º e a coesão entre 39 a 60kPa.
A partir da análise de ensaios de campo, laboratório e reto-análises, alguns autores como Kavazanjian et al.
(1995), Van Impe (1998) e Manassero et al. (1996) propuseram uma envoltória de resistência para as
propostas práticas. Kavazanjian et al. (1995) sugere uma envoltória de resistência bilinear com φ=0 e
C=24kPa, válida para tensões normais abaixo de 30kPa, e φ=33° e C=0, para tensões normais superiores a
30kPa.
O presente trabalho mostra dados de um estudo sobre as propriedades físicas e de resistência ao cisalhamento
do RSU coletado no Aterro Sanitário Metropolitano Centro – Salvador - Ba, tendo por base a execução de
ensaios laboratoriais em amostras de grandes dimensões.
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ESTUDO DA RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DO RESÍDUO
RESÍDUO ESTUDADO
O resíduo estudado provém do Aterro Sanitário Metropolitano Centro, localizado na cidade de Salvador, na
estrada do CIA-Aeroporto (Km 6,5 - Zona Norte). Este aterro é a principal área de disposição de resíduos
sólidos urbanos da cidade, recebendo hoje cerca de 2 500 ton/dia. Neste aterro foram coletadas amostras de
resíduos com idades diferentes, uma amostra em torno de quatro anos de aterrado e três amostras de resíduo
novo, retirada da frente de lançamento no aterro. O resíduo com quatro anos de aterrado foi retirado de uma
cava aberta na massa de resíduo, com profundidade de cerca 1,5m, após a retirada da camada de solo de
cobertura. O resíduo novo foi coletado de carretas na frente de lançamento do aterro.
A caracterização física do resíduo foi realizada através da execução de testes para a determinação de sua
composição gravimétrica em base seca e da sua distribuição granulométrica. Além deste teste, estão sendo
realizados ensaios para a determinação do teor de lignina e de sólidos totais voláteis, para cada amostra, cujos
resultados darão suporte ao estudo do processo de decomposição diferida no tempo do RSU. A composição
física dos resíduos estudados foi obtida por meio da separação manual e quantificação, em peso seco, dos
componentes presentes, tais como madeira, papel, pedra, materiais têxteis, borracha, plástico, vidro, metal e
fração pastosa. O termo fração pastosa foi utilizado para definir a parcela da amostra remanescente da
segregação manual, constituída de solo de cobertura, componentes em diferentes estágios de degradação e
outros difíceis de serem identificados.
Na Tabela 1 apresenta-se a composição física obtida para os resíduos coletados na área do Aterro
Metropolitano Centro. Para o resíduo novo, os valores apresentados são valores médios obtidos das três
amostras de resíduo novo coletadas em épocas diferentes (junho de 2003, janeiro e setembro de 2004).
Observa-se que com o tempo ocorreu uma redução no percentual de papel/papelão enquanto que a fração
pastosa sofreu um aumento no seu percentual, quando se compara os três resíduos. Com base nestas
observações pode-se afirmar que parcelas significativas de papel/papelão são incorporadas à fração pastosa à
medida que o processo de degradação evolui. Outro ponto digno de ser notado é que, para o resíduo aterrado,
parte do selo de cobertura é incorporada nesta fração pastosa durante o período de operação/funcionamento do
aterro e/ou durante a coleta das amostras em campo. Isso, conseqüentemente, acaba provocando um aumento
no percentual da fração pastosa do resíduo aterrado em relação ao resíduo antes da disposição. Todavia, é
importante esclarecer que embora ocorra aumento da fração pastosa com o tempo, a porcentagem de matéria
orgânica biodegradável decai com o tempo. Para quantificar a porcentagem de matéria orgânica e sua variação
com o tempo foram realizados, para cada amostra, diversos ensaios de quantificação dos sólidos totais voláteis
(STV).
Tabela 1 - Composição física dos resíduos estudados.
Componentes
Madeira
Pedra / cerâmica
Têxteis
Borracha
Plástico
Vidro
Metal
Papel / papelão
Fração pastosa
Sólidos totais voláteis STV (%)
Matéria orgânica na fração pastosa (%)
Umidade média (base seca) (%)
Porcentagem de ocorrência (%)
RSU novo
5,80
14,50
3,50
0,10
19,80
4,80
5,00
15,60
30,80
53,42
16,45
92,42
RSU após 4 anos de aterrado
5,60
13,40
2,50
0,20
13,80
4,10
5,00
5,20
50,20
19,76
9,92
90,18
A fração pastosa resultante da separação manual dos componentes dos resíduos foi utilizada para a
determinação do teor de sólidos totais voláteis - STV. Inicialmente, essa fração foi triturada para a diminuição
de sua estrutura original. Logo após, pequenas quantidades de material triturado foram colocadas em estufa a
70ºC por um hora e depois calcinadas em mufla a 600ºC por duas horas. O valor do STV foi obtido pela
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diferença de pesos da amostra após secagem na estufa (material inerte + não inerte) e na mufla (material
inerte). Obteve-se valores de STV médio de cerca 20% para o resíduo com 4 anos de aterramento, de cerca de
53,4% para o resíduo novo. A matéria orgânica na fração pastosa foi de 16,5% para o resíduo novo e cerca de
10% para o resíduo com 4 anos de aterrado.
ENSAIOS TRIAXIAIS CONVENCIONAIS (CD)
Para avaliação da resistência ao cisalhamento do resíduo, até o presente momento, foram realizados ensaios
triaxiais, do tipo consolidados drenados (CD), em amostras deformadas de RSU com quatro anos de idade e
amostras de resíduo novo. Foram ensaiados corpos de prova com cerca de 200mm de diâmetro e 350mm de
altura, compactados pelo processo estático, em quatro camadas, na própria base da célula triaxial, até
atingirem peso específico seco de 5kN/m3. Para a obtenção do valor de peso específico seco do resíduo com
quatro anos de idade, foi levado em consideração a perda de massa devido o processo de degradação e a
diminuição de volume da amostra também devido a perda de massa do material e da sua compressão
secundária, caracterizada pelo fenômeno de fluência.
Após a compactação, o corpo de prova foi revestido por uma grade de geotextil, a qual apresenta duas funções
específicas: facilitar a drenagem da amostra e proteger a membrana de látex de possíveis materiais
pontiagudos. Em seguida, o corpo de prova foi revestido pela membrana de sacrifício. Inicialmente, os corpos
de prova foram submetidos à saturação por fluxo com água de torneira da base para o topo e, em seguida, à
satruração por aplicação de contra pressão, onde fez-se as medidas do parâmetro B de Skempton. Obtiveramse valores de B acima de 0,90 para todos os corpos de prova ensaiados. Os corpos de prova de RSU foram
consolidados, com pressões de confinamento efetiva de 50, 100 e 200kPa e em seguida submetidos a ruptura
com velocidade de cisalhamento de 0,8mm/min. A Tabela 2 apresenta os índices físicos dos corpos de prova
após a moldagem. Cabe ressaltar que os índices de vazios e graus de saturação para os corpos de prova do
resíduo novo foram calculados considerando o valor do peso específico dos grãos obtidos para o resíduos com
4 anos (22,22kN/m3).
Tabela 2 - Índices físicos dos corpos de prova de resíduos submetidos aos ensaios triaxiais após
moldagem.
Diâmetro
Altura
wo
eo
Sro
σ'3
γnat
γd
Amostra
3
3
kPa
cm
cm
%
kN/m
kN/m
%
Resíduo com 4
50
21,30
33,50
53,15
7,45
4,87
3,56
33,14
anos de
100
21,10
31,80
53,15
8,00
5,22
3,26
36,28
aterrado
200
21,40
31,00
53,15
7,34
5,22
3,26
36,25
Resíduo novo
50
21,40
37,80
84,11
8,09
4,39
4,06
46,04
100
200
21,90
21,40
39,30
36,50
84,11
84,11
7,43
8,38
4,04
4,54
4,50
3,89
41,52
47,97
RESULTADOS E ANÁLISE DOS ENSAIOS TRIAXIAIS
As Figuras 2 e 3 apresentam as curvas tensão -deformação e curvas deformação volumétrica - deformação
axial obtidas dos ensaios triaxiais realizados para o resíduo com 4 anos de aterrado e resíduo novo,
respectivamente. As curvas tensão-deformação mostram, tipicamente, que as tensões desviatórias (σ1-σ3)
aumentam continuamente com o aumento das deformações axiais (εa), sem atingir qualquer pico ou valor
último. Outra característica interessante é o decréscimo das deformações volumétricas (εv), quando a tensão de
confinamento aumenta. O comportamento tensão-deformação mostrado é típico para resíduo urbano, como já
observado por alguns autores como Grisolia et al. (1993), em amostras deformadas de RSU e Jessberger e
Kockel (1993), em RSU triturado.
Como não é possível identificar as condições de ruptura para o resíduo urbano, a determinação dos parâmetros
de resistência empregando os princípios da mecânica dos solos clássica (critério de ruptura de MohrCoulomb) fica comprometida. Dessa forma, os parâmetros de resistência, coesão e ângulo de atrito, foram
determinados segundo um critério de deformação.
A Tabela 3 apresenta os valores de coesão e de ângulo de atrito para diferentes níveis de deformação axial,
bem como a equação e o coeficiente de determinação, obtidos a partir dos dados apresentados nas Figuras 2 e
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3. Os parâmetros de resistência mobilizados tendem a aumentar com as deformações num processo que parece
ser comandado pelo efeito reforço de materiais fibrosos (plásticos, têxteis).
Desses dados apresentados na Tabela 3 pode-se observar que, para uma mesma amostra, existe uma tendência
do ângulo de atrito aumentar com o aumento das deformações. Para o resíduo novo, o intercepto de coesão
também apresenta crescimento com as deformações. Entretanto, o crescimento da coesão com deformações
não é observado no resíduo com 4 anos de aterrado. Nesse caso, para as maiores deformações estudadas (20 e
25%), obteve-se coesão menor que zero, o que levou a ajustar a equação interceptando a origem.
Cabe ressaltar que os parâmetros de resistência obtidos são bastante influenciados pelos ajustes matemáticos
efetuados. Nestes ajustes, a obtenção de elevados valores de ângulo de atrito provocam reduções nos valores
de coesão, podendo inclusive obter valor de coesão menor que zero, o que fisicamente não tem significado.
Dessa forma, torna-se difícil uma análise comparativa entre a resistência obtida para os resíduos de idades
diferentes através da equação de resistência.
Tabela 3 – Parâmetros de resistência obtidos para RSU coletado do aterro Metropolitano Centro.
Def. axial
Equação
Coef.
Parâmetros
Amostra
2
(%)
(kPa)
Det. (R )
c'(kPa)
φ'(o)
t = 0,2799 s` + 4,0
5
0,9950
4,17
16,3
Resíduo
t = 0,4176 s` + 4,67
10
0,9980
5,14
24,7
4 anos
t
=
0,5270
s`
+
1,714
15
0,9998
2,02
31,8
t = 0,610 s`
20
0,9997
0
37,6
25
Resíduo
Novo
0,9991
0
42,4
5
t = 0,6739 s`
t = 0,3051 s` + 4,77
0,998
5,01
17,77
10
t = 0,3780 s` + 11,40
1,000
12,31
22,21
15
t = 0,4439 s` + 16,83
0,998
18,78
26,3
20
25
t = 0,4906 s` + 23,98
0,992
0,989
27,52
35,97
29,38
33,72
t = 0,5552 s` + 29,91
a)
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b)
Figura 2 - Curvas tensão versus deformação (a) e curvas deformação volumétrica versus deformação
axial (b) obtida para o resíduo sólido urbano do Aterro Metropolitano Centro, com quatro anos de
aterrado.
Para tanto, apresenta-se na Figura 4 uma comparação entre as curvas tensão -deformação obtidas para o
resíduo com 4 anos de aterramento e resíduo novo. Para baixos valores de tensão confinante (como por
exemplo 50kPa) não foi observado variação significativa nos valores de tensão desviadora para as duas
amostras. No entanto, para a tensão de confinamento de 200kPa, as tensões desviadoras obtidas para o resíduo
com 4 anos de idade apresentam-se superiores aquelas obtidas para o resíduo novo, inclusive com maior
concavidade da curva tensão-deformação. Esse comportamento é, provavelmente, proveniente da melhor
ancoragem das fibras presentes no resíduo quando submetido às tensões de confinamento maiores e também
devido ao resíduo com 4 anos apresentar uma quantidade maior de fibras que o resíduo novo, as quais afetam
em muito as curvas tensão/deformação. Vale ressaltar que outros ensaios com a tensão confinante de 200kPa
foram realizados apresentando o mesmo comportamento para o caso do resíduo de 4 anos.
a)
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b)
Figura 3 - Curvas tensão versus deformação (a) e curvas deformação volumétrica versus deformação
axial (b) obtidas para o resíduo sólido urbano coletado na frente de lançamento do AMC – resíduo
novo.
900
Tensão desviadora (%)
800
700
600
4 anos (conf=50kPa)
4 anos
(conf=100kPa)
4 anos (conf.=
200kPa)
novo (conf.=50kPa)
500
400
300
novo (conf.=100kPa)
novo (conf.=200kPa)
200
100
0
0
5
10
15
20
25
30
Deformação axial (%)
Figura 4 – Comparação entre as curvas tensão -deformação obtidas para os resíduos com quatro anos
de aterrado e resíduo novo.
CONCLUSÃO
Neste trabalho, foram discutidas informações a respeito das características físico-químicas e de resistência ao
cisalhamento do RSU do aterro sanitário Metropolitano Centro- Ba. Os ensaios de STV indicaram para o
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resíduo novo uma porcentagem de cerca 16,5% de matéria orgânica na fração pastosa e cerca de 10% para o
resíduo com 4 anos de aterramento.
As curvas tensão – deformação, obtidas a partir de ensaios triaxiais CD, mostraram um comportamento típico
de aumento das tensões com o aumento das deformações axiais, sem atingir um pico de ruptura. Os
parâmetros de resistência ao cisalhamento do RSU (coesão e ângulo de atrito) foram obtidos para diferentes
níveis de deformação. A influência do tempo de aterramentono comportamento mecânico é dificil de ser
avaliada por meio dos parâmetros de resistência, pois estes expressam ajustes matemáticos obtidos a partir
círculos de tensão. No entanto, da comparação das curvas tensão-deformação obtidas para o resíduo com 4
anos de aterramento e resíduo novo (Figura 4), para baixos valores de tensão confinante não foi observado
variação significativa nos valores de tensão desviadora para as duas amostras. Para tensão de confinamento de
200kPa, as tensões desviadoras obtidas para o resíduo com 4 anos de idade apresentam-se superiores aquelas
obtidas para o resíduo novo, inclusive com maior concavidade da curva tensão-deformação. Esse
comportamento é, provavelmente, proveniente da melhor ancoragem das fibras presentes no resíduo quando
submetido às tensões de confinamento maiores e também devido ao resíduo com 4 anos apresentar uma
quantidade maior de fibras que o resíduo novo, as quais afetam em muito as curvas tensão/deformação.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a FAPESB e a VEGA Bahia tratamento de Resíduos S.A pelo apoio financeiro e
auxílio no desenvolvimento desta pesquisa.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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