Estudo do Efeito do Envelhecimento na Compressibilidade de
Amostras de Resíduo Sólido Urbano
Sandro Lemos Machado
Departamento de Ciência e Tecnologia dos Materiais, UFBA, Salvador, Brasil
Miriam de Fátima Carvalho
Kleber Azevedo Dourado
Escola de Engenharia, UCSAL, Salvador, Brasil
Maíra Bittencourt Rocha
André Luiz Marinho dos Santos
Departamento de Ciência e Tecnologia dos Materiais, UFBA, Salvador, Brasil
RESUMO: O presente trabalho descreve e discute resultados de ensaios de compressão confinada
realizados em amostras de resíduo sólido urbano (RSU) de grande dimensão, coletadas na frente de
disposição do aterro Metropolitano Centro – Salvador, Ba, e em amostras com 4 anos de
aterramento. São também apresentados resultados de ensaios de caracterização (composição
gravimétrica, curva granulométrica, STV) para as amostras do resíduo estudado e a influência do
tempo de disposição no comportamento de compressibilidade do material é avaliada. Os resultados
de ensaios de compressão confinada mostraram uma grande influência das deformações por
compressão secundária no comportamento do RSU e sugerem a existência de uma influência do
efeito do envelhecimento da amostra nos parâmetros de compressibilidade.
PALAVRAS-CHAVE: Compressibilidade, Aterros sanitários, Compressão secundária.
1
INTRODUÇÃO
Os aterros de resíduos sólidos urbanos (RSU)
são constituídos por diferentes tipos de
componentes (metais, plásticos, papéis, vidros,
madeiras, têxteis, resíduos orgânicos, pedras e
solos) que, quando depositados, interagem
formando um maciço heterogêneo e poroso com
comportamento peculiar. Vários desses
componentes se transformam por fenômenos
físico-químicos e biológicos, ao longo dos anos,
resultando na geração de gás e chorume, com
conseqüente redução de massa e de volume do
resíduo depositado e abatimento do nível da
superfície do aterro (ρ).
A elevada compressibilidade dos aterros
sanitários, apesar de ser, por um lado,
problemática, por outro, prolonga a sua vida
útil, possibilitando deposições adicionais.
Deformações entre 10 e 30% da altura original
do aterro têm sido reportadas por diversos
autores. Em geral, os recalques nos aterros
municipais são mais intensos no período inicial
(um a dois meses após finalizada a construção).
Em seguida, continuam a ocorrer por um longo
período, porém com velocidade menor segundo
Sowers 1968, Edil et al. 1990, Grisolia e
Napoleoni 1996, Manassero et al. 1997.
A compressibilidade em aterros sanitários é
o resultado de várias parcelas, como: a)
compressão física do resíduo determinada pela
distorção, flexão, esmagamento e reorientaçã de
componentes; b) recalques determinados pela
migração de partículas pequenas para os
maiores vazios; c) adensamento e deformações
viscosas, tanto do esqueleto sólido, como de
alguns componentes; d) biodegradação dos
componentes orgânicos e, finalmente, e)
colapso da estrutura resultante ou de alguns de
seus componentes, graças a fenômenos de
corrosão, oxidação e outros processos de
degradação de componentes inorgânicos.
Na falta de modelos específicos para
representação do recalque em campo, tem-se
utilizado os conceitos clássicos da Mecânica
dos Solos, às vezes com algumas adaptações,
para avaliar comportamento dos resíduos
sólidos domiciliares. Dentro desses conceitos,
propostas baseadas em modelos visco-elásticos,
como aqueles desenvolvidos para retratar a
compressão secundária de argilas e turfas, têm
ganhado destaque por conseguir reproduzir com
razoável fidelidade medidas de campo (Sowers
1973, Yen e Scanlon 1975, Gibson e Lo 1961).
No que se refere às tentativas de reproduzir
os efeitos da degradação ao longo do tempo,
alguns autores têm proposto modelos para
representar
a
compressão
devido
a
decomposição dos componentes, tais como,
Edgers et al, 1992 e Soler et al. 1995. No
entanto, em laboratório, o processo de variação
de volume do resíduo, resultante da degradação
dos componentes com o tempo, é difícil de ser
esquematizado e previsto. Isto se deve a que os
processos
biológicos
e
físico-químicos
necessitam de condições ideais e propícias,
além de um tempo para acontecerem, superior
aos necessários usualmente para completar
esses ensaios (Grisolia e Napoleoni et al. 1996).
O presente trabalho apresenta resultados de
ensaios de compressão confinada de grandes
dimensões, executados em amostras deformadas
de RSU com diferentes idades de disposição.
São mostradas curvas de compressibilidade do
RSU e curvas de deformação diferida no tempo,
possibilitando a obtenção de parâmetros de
compressibilidade e fluência. Também são
apresentadas curvas granulométricas do resíduo
para diferentes idades e dados de composição.
2
CARACTERIZAÇÃO DO RESÍDUO
O resíduo estudado provém do Aterro Sanitário
Metropolitano Centro, localizado na cidade de
Salvador, na estrada do CIA-Aeroporto (Km 6,5
- Zona Norte). Neste aterro foram coletadas
amostras de resíduos com idades diferentes: na
frente de disposição do aterro, denominadas de
resíduo novo e com quatro de aterramento. O
resíduo com 4 anos de aterrado foi retirado de
uma cava aberta no maciço, com profundidade
de cerca 1,5m, após a retirada da camada de
solo de cobertura.
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 as
amostras de resíduo em função do peso seco.
Para o resíduo novo, os valores apresentados
são valores médios obtidos de cinco amostras
de resíduo novo coletadas em épocas diferentes
(junho de 2003, janeiro e setembro de 2004,
março e setembro de 2005). Observa-se que
com o tempo de disposição ocorreu uma
redução no percentual de papel/papelão e
plástico, enquanto que a fração pastosa sofreu
um aumento no seu percentual. Com base
nestas observações pode-se afirmar que parcelas
significativas de papel/papelão e de plásticos
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,
como mostra a Tabela 2. 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). 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
uma hora e depois calcinadas em mufla a 600ºC
por duas horas. O valor do STV foi obtido pela
diferença de pesos da amostra após secagem na
estufa (material inerte + não inerte) e na mufla
100
90
80
70
% que passa
(material inerte). Obteve-se valores de STV
médio de cerca 20% para o resíduo com 4 anos
de aterramento e de 53% para o resíduo novo. A
matéria orgânica presente na fração pastosa é de
cerca de 10% para o resíduo com 4 anos de
idade e cerca de 16,5% para o resíduo novo.
Isto significa de que em 4 anos a matéria
orgânica da fração pastosa sofreu uma redução
de cerca de 40%, o que é uma decomposição
considerável, típica de regiões tropicais.
60
50
Limite sup.
Jessberger
Limite inf.
Jessberger
4 anos
Novo
(média)
40
30
20
10
Tabela 1. Composição física do resíduo estudado.
Porcentagem de ocorrência (%)
Componentes
Resíduo Resíduo após 4 anos
Novo
de aterrado
Madeira
5,2
5,6
Pedra / cerâmica
13,2
13,4
Têxteis e Borracha
3,0
2,7
Plástico
22,8
13,8
Vidro
3,7
4,1
Metal
3,4
5,0
Papel / papelão
15,4
5,2
Fração pastosa
32,8
50,2
Tabela 2. Teores de sólidos totais voláteis para os
resíduos estudados.
Parâmetros
Resíduo
Resíduo após 4
(%)
Novo
anos de aterrado
Fração pastosa
30,80
50,2
STV
53,42
19,76
Matéria orgânica da
16,45
9,92
fração pastosa
A curva granulométrica para o resíduo foi
obtida pela passagem do material seco à
temperatura de 70°C, através de uma série de
peneiras pré-selecionadas e da medida direta de
componentes com dimensões maiores que 2”. A
Figura 1 apresenta as curvas granulométricas
obtidas para os resíduos estudados, em conjunto
com a faixa de ocorrência indicada por
Jessberger 1994. Salienta-se que para o traçado
destas curvas, o material fibroso (têxteis e
plásticos moles) não foi incluído. Nesta figura
pode ser observado uma diminuição da textura
do resíduo com o passar dos anos. Para o
resíduo com 4 anos de aterramento, cerca de
50% das partículas possuem diâmetro menor
que 10mm e, para o resíduo novo, este valor é
de cerca 27%. Essa diminuição do tamanho das
partículas é em decorrência da decomposição
das partículas.
0
0,010
0,100
1,000
10,000
100,000 1000,000
Diâmetro (mm)
Figura 1. Curvas granulométricas obtidas para resíduo
com diferentes idades de aterramento.
O peso específico das partículas sólidas foi
obtido utilizando as técnicas utilizadas na
mecânica dos solos (NBR 6508/84). A média
dos pesos específicos das partículas sólidas
obtida para o resíduo com 4 anos de
aterramento, em vários ensaios executados, foi
de 22,2kN/m3, e para o resíduo novo obteve-se
um valor de 18,5kN/m3. Acredita-se o maior
valor obtido para o resíduo com 4 anos seja em
virtude da presença de solo de cobertura na
composição da amostra.
3
ESTUDO DA COMPRESSIBILIDADE
A compressibilidade das amostras de RSU em
laboratório foi avaliada por meio de um
consolidômetro
de
grandes
dimensões
(diâmetro interno de 548,30mm e altura de
496,80mm).
Até o momento foram executados três
ensaios de compressão confinada, sendo dois
deles em amostras de resíduo com 4 anos de
aterramento e um ensaio em amostra de resíduo
novo.
O resíduo foi colocado manualmente no
consolidômetro, em camadas e comprimido, até
atingir os pesos específicos desejados.
Inicialmente foi aplicada uma tensão de 20kPa
para acomodação do sistema, por um período de
pelo menos 24 horas. Em seguida, aplicaram-se
vários estágios de pressão vertical na amostra,
sempre dobrando a pressão anterior e as
deformações verticais foram medidas. Cada
2,4
Índice de vazios
2,2
2,0
1,8
20kPa
40kPa
80kPa
160kPa
320kPa
640kPa
1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
1E-1 1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6
Tempo (min)
Figura 2. Curvas e vr log t para o resíduo com 4 anos de
aterrado, com peso específico de 10kN/m3.
A partir dos gráficos e x log t foi possível
determinar os índices de compressão secundária
Cα (Cα= ∆e/ ∆logt) e os coeficientes de
compressão secundária C'α (C'α=Cα/(1+eo) para
cada estágio de carregamento, os quais são
apresentados na Tabela 4.
3,60
3,40
3,20
3,00
2,80
Indice de vazios
estágio de carregamento teve em média duração
de 30 dias, sendo que alguns estágios foram
prolongados por mais tempo para caracterizar
adequadamente as compressões secundárias. A
Tabela 3 apresenta as características das
amostras antes e depois dos ensaios de
consolidação.
A Figura 2 apresenta curva típica índice de
vazios versus log t, obtida para o resíduo com 4
anos de aterrado, compactado com 10kN/m3. A
Figura 3 apresenta os resultados obtidos para o
resíduo novo. Nestas curvas, consideradas
típicas, pode-se observar um acentuado
processo de compressão secundária, explicitado
pela linearidade entre os índices de vazios e o
logaritmo do tempo. O processo de compressão
primária para o resíduo é relativamente rápido e
em poucos minutos, após a aplicação da
pressão, tem-se o aumento linear do índice de
vazios com o logaritmo do tempo,
caracterizando o processo de compressão
secundária.
2,60
2,40
2,20
20kPa
40kPa
120kPa
200kPa
300kPa
540kPa
2,00
1,80
1,60
1,40
1,20
1,00
0,80
1,0E-1
1,0E+0
1,0E+1
1,0E+2
1,0E+3
1,0E+4
1,0E+5
1,0E+6
Tempo (min)
Figurra 3. Curvas e vr log t para o resíduo novo com peso
específico de 9,40kN/m3.
Conforme pode-se observar da Tabela 4,
descartando-se os valores obtidos para o estágio
de 20kPa, tido como de ajuste e acomodação,
verifica-se, para o resíduo com 4 anos de
disposição, que o índice de compressão
secundária [Cα =∆e/∆log(t)] variou de 0,0141 a
0,0431, podendo-se adotar um valor médio de
0,0286 e que [C'α = Cα/(1+ eo)] variou de 0,0047
a 0,0201, com valor médio de 0,0114. Para o
resíduo novo obteve-se Cα variando entre
0,01670 a 0,0857, podendo-se adotar um valor
médio de 0,0446 e C'α variando entre 0,0047 a
0,0334, com valor médio de 0,018.
Os valores de Cα encontrados são menores
que aqueles apresentados por Sowers 1973 e
por Gabr & Valero 1995, mas são da mesma
ordem de grandeza dos apresentados por
Landva & Clark 1990 para resíduos do Canadá
e dos apresentados por Vilar & Carvalho 2004,
para os resíduos do aterro sanitário
Bandeirantes – Brasil.
Curva de compressibilidade e vs log σ, como
as apresentadas na Figura 3, foram traçadas a
fim de determinar o índice de compressão
primária (Cc = ∆e/∆log σ), para as amostras
estudadas. A tabela 5 apresenta o valor do
índice de compressão primária, Cc, bem como,
o valor do índice de compressão primária,
referido ao índice de vazios, C'c, [C'c =
Cc/(1+e0)].
Tabela 3.Características das amostras submetidas a ensaios de compressão confinada para o resíduo de 4 anos de
aterrado e resíduo novo ensaiado.
Resíduo com 4 anos de aterramento
Resíduo novo
Resíduo com 4 anos de aterramento
Índices
W (%)
γ (kN/m3)
γd (kN/m3)
γs (kN/m3)
E
Sr (%)
Amostra 1
Antes
64,73
11,96
7,26
22,22
2,0616
69,76
Resíduo novo
Amostra 02
Depois
8,34
22,22
1,6640
-
Antes
53,72
10,25
6,67
22,22
2,3312
51,2
Depois
23,82
14,27
11,52
22,22
0,9280
57,03
Amostra 01
Antes
127,12
9,44
4,154
18,56
3,4675
68,04
Depois
61,61
14,58
9,02
18,56
1,0567
100
Tabela 4. Valores de Cα e C`α obtidos para os resíduo com diferentes idades de disposição no Aterro Sanitário
Metropolitano Centro – Salvador- Ba.
Amostra
Índice de vazios
Tensão
γ
R2
Cα
C'α
3
(kPa)
(kN/m ) Médio no estágio
12,00
2,016
40
0,0141
0,0047
0,915
Resíduo com
1,916
80
0,0202
0,0069
0,988
4 anos de
1,762
160
0,0386
0,0140
0,989
disposição
2,146
20
0,0604
0,0192
0,950
no aterro
1,901
40
0,0155
0,0053
0,955
10,00
1,764
80
0,0219
0,0079
0,964
1,527
160
0,0339
0,0134
0,988
1,306
320
0,0431
0,0187
0,998
1,059
640
0,0413
0,0201
0,972
Média
0,0286
0,0114
2,574
40
0,01670
0,0047
0,822
Resíduo
9,40
1,989
120
0,0292
0,0098
0,967
Novo
1,569
200
0,0857
0,0334
0,987
1,293
300
0,0446
0,0195
0,987
1,038
540
0,0468
0,0230
0,987
Média
0,0446
0,0180
2,00
1,90
1,80
Índice de vazios
1,70
1,60
AM01:
12kN/m3
AM02:
10kN/m3
1,50
1,40
1,30
1,20
1,10
1,00
0,90
10
100
Tensão vertical (kPa)
1000
Figura 4. Curvas de compressibilidade obtidas para o
resíduo com 4 anos de aterramento.
Os dados da Tabela 5 indicam que Cc é
dependente do índice de vazios inicial da
amostra, pois o Cc decresce com o índice de
vazios. Se o Cc é normalizado através do
volume específico (1+eo), pode-se observar que
o coeficiente de compressão C'c [C'c=Cc/(1+eo)]
obtidos são mais próximos, obtendo valor
médio de cerca de 0,18 para o resíduo com 4
anos de disposição e valor de 0,361 para o
resíduo novo. Os valores de Cc obtidos são da
mesma ordem daqueles reportados por Sowers
1973 e são similares aos dados apresentados por
Gabr e Valero 1995, Vilar e Carvalho 2004. O
valor de C'c encontrado para o resíduo do
Aterro Metropolitano Centro está próximo do
limite inferior apresentado por Landva e Clark
1990 que encontrou, para os resíduos do
Canadá ensaiados num equipamento de grandes
dimensões, valores de C'c entre 0,2 e 0,5.
Carvalho 1999 encontrou para o resíduo do
aterro Bandeirantes em São Paulo valores
médios de C'c de 0,2 para resíduos com cerca
de 15 anos de aterrado.
Tabela 5. Valores médios de Cc e C'c para o resíduo
estudado.
Amostra
Cc
C'c
R2
γ (kN/m3)
Resíduo com
4 anos
Resíduo novo
12,00
10,00
9,4
0,510
0,651
1,6122
0,167
0,195
0,361
0,975
0,976
0,983
Os valores de Cα, C’α, Cc e C’c obtidos para o
resíduo novo são superiores aos obtidos para o
resíduo com 4 anos de aterramento. No entanto,
o índice e o coeficiente de compressão
secundária apresentaram menores diferenças
que aqueles obtidos da compressão primária.
Esses resultados sugerem um efeito do
envelhecimento da amostra nos parâmetros de
compressibilidade, isto é os parâmetros de
compressão apresentaram redução com o
aumento do tempo de disposição do resíduo no
aterro. Novos ensaios controlando os
parâmetros de degradabilidade (STV e
composição) na entrada e saída do
consolidômetro deverão ser realizados para
confirmar esses resultados.
4
CONCLUSÕES
Neste artigo são apresentados alguns resultados
de
ensaios
de
caracterização
e
compressibilidade obtidos a partir de amostras
de resíduo do Aterro Metropolitano Centro com
diferentes idades. Com o aumento do tempo de
aterramento das amostras, observou-se uma
redução no percentual de papel/papelão,
plástico enquanto que a fração pastosa sofreu
um aumento no seu percentual. Dos ensaios de
compressão confinada, obteve-se para o resíduo
com 4 anos de aterramento parâmetros de
compressibilidade menores que para o resíduo
novo, indicando uma possível influência do
processo decomposição nesses resultados.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a BATTRE e a Fapesb
por financiamento de parte desta pesquisa.
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