O EMPREGO DO PERMEÂMETRO DE GUELPH NA DETERMINAÇÃO DA
PERMEABILIDADE DO SOLO, DE CAMADAS DE LIXO E SUA COBERTURA
Adriana Briggs de Aguiar
TESE
SUBMETIDA
AO
CORPO
DOCENTE
DA
COORDENAÇÃO
DOS
PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS
PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA
CIVIL.
Aprovada por:
_________________________________________________
Prof. Cláudio Fernando Mahler, D. Sc.
_________________________________________________
Prof. Maurício Ehrlich, D. Sc.
_________________________________________________
Prof. Márcio de Souza Soares de Almeida, D. Sc.
_________________________________________________
Prof. Theophilo Ottoni Filho, D. Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
JUNHO DE 2001
1
AGUIAR, ADRIANA BRIGGS DE
O emprego do Permeâmetro de Guelph na
determinação da permeabilidade do solo, de camadas
de lixo e sua cobertura [Rio de Janeiro] 2001
XVII, 90 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M. Sc.,
Engenharia Civil, 2001)
Tese – Universidade Federal do Rio de Janeiro,
COPPE
1. Permeabilidade
2. Permeâmetro de Guelph
I. COPPE/UFRJ II. Título (série)
2
Resumo da Tese apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a
obtenção do grau de Mestre em Ciências (M. Sc.)
O EMPREGO DO PERMEÂMETRO DE GUELPH NA DETERMINAÇÃO DA
PERMEABILIDADE DO SOLO, DE CAMADAS DE LIXO E SUA COBERTURA
Adriana Briggs de Aguiar
Junho/2001
Orientador: Cláudio Fernando Mahler
Programa: Engenharia Civil
O presente trabalho descreve alguns ensaios de permeabilidade realizadas com o
Permeâmetro de Guelph, que é um aparelho para realização de ensaios in situ para a
obtenção da condutividade hidraulica saturada, através de um furo com carga de pressão
constante.
Realizaram-se ensaios em leiras construídas para um projeto piloto de prétratamento de lixo, ou seja, em um material mecanicamente pré tratado, em um solo, cujas
características eram previamente conhecidas, utilizando soluções com diferentes
concentrações eletrolíticas e em talude de cobertura de aterro sanitário, cuja inclinação
inviabilizaria qualquer ensaio in situ tradicional.
O interesse cada vez maior sobre as características de um aterro sanitário e as
dificuldades e custos dos ensaios de permeabilidade in situ mais conhecidos e estudados,
tornam este estudo de muita utilidade e importância. Apesar do ensaio com o Permeâmetro
de Guelph não resolver o problema da representatividade dos resultados, ele pode ser
realizado em maior quantidade de pontos, pois não é necessário muito tempo para realizálo, nem para a retirada de amostras indeformadas de lixo.
3
Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements
for the degree of Master of Science (M. Sc.)
THE USE OF GUELPH PERMEAMETER TO DETERMINE SOIL PERMEABILITY,
WASTE PERMEABILITY AND LANDFILL CAP PERMEABILITY
Adriana Briggs de Aguiar
June/2001
Advisor: Cláudio Fernando Mahler
Department: Civil Engineering
In this work, the Guelph Permeameter is used and some permeability tests are
described. The hydraulic conductivity of saturated soils is measured in situ with this
constant head well permeameter.
Some tests were done in two waste windrows constructed to obtain a settlement
model. Some tests were done with different electrolyte concentrations and some others
were done in a landfill cap.
The difficulties, the time spent and the cost of traditional in situ permeability tests
were the reasons to develop tests using Guelph permeameter. Despite the low
representativeness of the results, it is possible to perform several tests in a short period of
time, without the use of undisturbed test specimen.
4
AGRADECIMENTOS
Aos meus colegas de curso que tornaram
o mestrado muito agradável;
Aos mestres que transmitiram seus conhecimentos
de forma tão competente;
À Bianca por me ensinar a trabalhar com o Guelph;
À Maria da Glória que preparou tão gentilmente
as soluções salinas;
Ao Júlio pela companhia nos ensaios em Santo Amaro;
Ao meu orientador Cláudio Mahler pela sua
paciência e seu apoio;
Aos meus amigos por estarem sempre presentes;
Aos meus familiares pela torcida;
À Cecília pelas fotos digitalizadas;
Ao meu irmão, meus pais e meu marido pelo
grande incentivo, não deixando que eu
desanimasse. E pelo amor que nos une e me dá ânimo
para continuar sempre.
Adriana Briggs de Aguiar
5
ÍNDICE
1. Introdução
01
1.1. Considerações Iniciais
01
1.2. Objetivos do Trabalho
01
2. Revisão Bibliográfica
03
2.1. Permeabilidade
03
2.2. Lei de Darcy
04
2.3. Ensaios de Permeabilidade
05
2.4. Líquido Percolante
10
2.4.1. Água
10
2.4.2. Contaminante
12
2.5. Dupla Camada Difusa
13
3. Permeâmetro de Guelph
17
3.1. Fundamentos Teóricos
22
3.2. Fundamento Operacionais
24
3.3. Experiências Realizadas
31
3.3.1. Leiras de pré tratamento mecânico biológico
31
3.3.2. Estação Agrometeorológia Experimental
34
3.3.3. Aterro Sanitário Santo Amaro
41
3.3.4. Tabela de Resultados Experimentais
45
4. Análise dos Resultados
47
4.1. Usina de Reciclagem de Jacarepaguá
47
4.2. Estação Agrometeorológia Experimental
50
4.3. Aterro Sanitário Santo Amaro
54
5. Conclusão
55
5.1. Sugestões de estudos futuros
56
6. Bibliografia
57
6
1.
INTRODUÇÃO
1.1.
CONSIDERAÇÕES INICIAIS
Quando se fala em preservação do meio ambiente, imediatamente nosso
pensamento é voltado para as florestas, os mares, a biodiversidade... Problemas grandes,
importantes e reais. Mas o lixo era esquecido. O problema se resolvia a partir do momento
que este era recolhido e levado para bem longe. Ninguém se interessava em saber para onde
foram os resíduos e como foram dispostos.
Há pouco tempo, com o aumento muito grande da quantidade de resíduos sólidos
urbanos e do aumento de periculosidade das substâncias rejeitadas, é que se atentou para o
fato de que o lixo é um problema para os solos, as águas e a atmosfera. Descobriu-se, então,
que pouco se sabia sobre o comportamento de um aterro de lixo. Sua composição, seus
parâmetros de resistência, sua permeabilidade, entre outros eram desconhecidos.
Por isso se faz importante que pesquisas sejam realizadas para que tais parâmetros e
os comportamentos mecânico e químico sejam conhecidos e compreendidos, que novos
aparelhos sejam desenvolvidos e/ou testados para caracterizar os aterros de resíduos
sólidos, além de novas técnicas de disposição final do lixo ou seu reaproveitamento.
1.2.
OBJETIVOS DO TRABALHO
O objetivo deste trabalho, foi estudar a viabilidade e eficiência do uso do
Permeâmetro de Guelph na medição da permeabilidade de coberturas de aterros e outros
meios porosos heterogêneos relacionado a resíduos sólidos. Pesquisou-se, além disto, a
7
influência de diferentes fluidos na permeabilidade, fator este relevante no estudo de liners
de aterros de resíduos sólidos.
A tese consta de três experiências feitas com o Permeâmetro de Guelph. Este
permeâmetro foi desenvolvido para ensaios em solos homogêneos, rígidos e isotrópicos,
mas o objetivo do trabalho foi testá-lo em situações e meios diferentes dos que foram
primordialmente idealizados. O fato de ser um aparelho muito prático de carregar, instalar e
manejar, foi a motivação para estender seu uso. Hoje em dia os ensaios de permeabilidade
in situ são muito demorados e os aparelhos grandes e complicados.
A primeira experiência foi feita em leiras, que faziam parte do projeto de pré
tratamento do lixo da empresa alemã FABER AMBRA – Projeto COPPETEC (EC-671),
em experiência realizada no pátio da Usina de Compostagem da COMLURB em
Jacarepaguá. Neste caso o objetivo era verificar o comportamento do permeâmetro em
resíduos sólidos mecanicamente pré tratados e em processo aeróbio de degradação.
A Segunda se deu em um solo da Ilha do Fundão. O local escolhido foi a área onde
está a Estação Agrometeorológica Experimental da UFRJ, ao lado do CCMN. A escolha se
deve ao fato de já termos caracterizado o solo desta área. O objetivo, então, foi comparar a
velocidade de percolação da água neste solo com a velocidade de percolação de uma
solução de CaSO4. Logo, se provaria que o Permeâmetro de Guelph também pode ser
utilizado com soluções diferentes da água, desde que estas sejam compatíveis com o
material com o qual o Guelph é construído.
E, finalmente, a última experiência foi no solo de cobertura do aterro de Santo
Amaro. Nesta experiência, seria verificado de maneira rápida e prática se a permeabilidade
da cobertura do aterro estava dentro das normas, com o objetivo específico de avaliar ou
não a eficácia do permeâmetro neste tipo de meio. Além disso, os ensaios foram realizados
em taludes onde, a princípio, os métodos tradicionais de ensaios de permeabilidade in situ
não poderiam ser realizados por causa da inclinação.
8
2.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1
PERMEABILIDADE
Do dicionário se tira que permeabilidade é “a qualidade do que é permeável”. E
permeável é “o que pode ser repassado ou transpassado; diz-se do terreno que absorve
facilmente as águas”. Sabe-se, entretanto, que todos os solos, por serem meios porosos, são
permeáveis, uns mais, outros menos. E a velocidade desta percolação é pesquisada, pois ela
será importante para a verificação da eficiência de barreiras de contaminantes, para o
cálculo do balanço hídrico e da quantidade de água necessária para irrigação e para o
estudo de inúmeros problemas geotécnicos como, por exemplo, a estabilidade de encostas.
Neste estudo as expressões permeabilidade e condutibilidade serão usadas
indistintamente, significando condutividade hidráulica.
A composição mineralógica, o tamanho e a distribuição das partículas do solo, os
vazios do solo e as características dos fluidos percolantes são fatores que influenciam a
condutividade hidráulica do solo, ou permeabilidade. Outro fator importante de influência
na velocidade de percolação dos fluidos no solo é a presença de matéria orgânica, a qual
pode diminuir a permeabilidade do solo quando encontrada em quantidades menores e
totalmente decomposta, ou pode aumentar a permeabilidade quando encontrada em grande
quantidade no solo e pouco decomposta.
Segundo Stephens (1996), a velocidade de percolação, na zona não saturada, varia
em função das propriedades do meio poroso, das características do fluido e do teor de
umidade volumétrica do material. Quanto maior a umidade, maior a condutividade
hidráulica, pois a área útil condutora de água vai se tornando menor à medida que o teor de
água decresce. É, então, fácil constatar que na zona saturada, a velocidade varia somente
em função das propriedades do meio poroso e das características do fluido.
9
2.2
LEI DE DARCY
Em 1856, Henry Darcy definiu a vazão como:
q = k ⋅i ⋅ A = k ⋅
∆H
⋅A
L
(equação 2.1)
onde,
q = vazão (m3/s)
k = condutividade hidráulica (m/s)
i = gradiente hidráulico = ∆H/L
∆H = perda de carga do fluxo (m)
L = comprimento da amostra (m)
A = área da amostra perpendicular ao fluxo (m2)
Na Lei de Darcy, a vazão depende não só das propriedades dos poros, mas também
das propriedades da solução percolante (Olson e Daniel, 1981), o que pode ser observado
considerando-se que:
k = K ′⋅
γ
µ
(equação 2.2)
onde,
K` = permeabilidade intrínseca do solo (m2)
γ = peso específico do líquido percolante (g/m2s2)
µ = viscosidade do líquido percolante (g/ms)
A permeabilidade intrínseca é função somente das propriedades do material poroso,
não do líquido percolante.
10
2.3
ENSAIOS DE PERMEABILIDADE
Diversos ensaios para determinação do coeficiente de permeabilidade têm sido
desenvolvidos e aperfeiçoados ao longo do tempo. Busca-se através disto uma maior
representatividade nos resultados, a redução dos custos dos ensaios e o aperfeiçoamento
dos aparelhos de medição em campo, tornando-os mais práticos e de fácil utilização.
Alguns dos ensaios mais usados para a determinação da condutividade hidráulica dos
solos serão a seguir descritos:
A) Ensaios de carga constante ou variável em laboratório
Nestes ensaios, a coleta de amostra de solo no campo tem que ser feita sob
condições controladas, com amostra indeformada, que pode ser submetida a ensaios de
carga constante ou variável. Em ambos os casos, a amostra é colocada em um cilindro
de comprimento L e área transversal A e fechada entre duas placas porosas. No ensaio
de carga constante, a amostra é submetida a uma carga constante H até que se atinja a
saturação e que o fluxo de saída Q se torne constante. A permeabilidade é calculada
através da equação proposta por Darcy:
K=
QL
AH
(equação 2.3)
No permeâmetro de carga variável , é utilizada a diferença entre as cargas em um
determinado intervalo de tempo. A equação para o cálculo da condutividade hidráulica
é a seguinte:
11
K=
aL  H 0 

ln
At  H1 
(equação 2.4)
a = área da seção transversal do tubo onde a variação de carga é medida
H0 = carga inicial
H1 = carga final
t = intervalo de tempo
O ensaio de carga constante é mais usado em solos arenosos, enquanto o ensaio de
carga variável é mais usado em solos argilosos devido `a grande diferença de
permeabilidade dos dois solos e o tempo que seria necessário para um solo argiloso
num ensaio de carga constante (Vargas, 1981).
B) Ensaios in situ
B.1) Poços e furos
Nestes ensaios, muito utilizado pela Geologia de Engenharia, se obtém a
condutividade hidráulica saturada. Podem ser realizados tanto com carga constante
quanto com carga variável e permitem trabalhar com infiltração ou bombeamento de
água.
Para aqüífero freático (solos granulares), os ensaios para obtenção da condutividade
hidráulica não saturada têm duas fases, a fase transiente, enquanto o NA é rebaixado e
a de regime estacionário, quando a vazão se torna constante. Na fase transiente a
interpretação dos resultados é mais difícil e na de regime estacionário, usam-se duas
hipóteses de Dupuit:
• o gradiente hidráulico é constante numa vertical;
• o gradiente hidráulico é dado pela inclinação da superfície livre (i ≅ dz/dr).
12
O ensaio coloca em fluxo todo o aqüífero e quando Khoriz. ≠ Kvert, o ensaio fornece
Khoriz (Caputo, 1981)
Para aqüífero confinado, pode-se usar o ensaio de bombeamento.
B.2) Hvorslev
Outro ensaio que determina a permeabilidade de meios saturados in situ, utiliza o
método de Hvorslev, no qual são usados piezômetros instalados até a profundidade
ensaiada. Da mesma forma que o método anterior, este ensaio pode ser realizado
através de adição ou remoção de água do piezômetro. A variação do nível d’água em
determinado intervalo de tempo é registrada até que se atinja o estado de equilíbrio
(ABCP, 1980).
B.3) Infiltrômetro de anel duplo
Este infiltrômetro tem as seguintes características: dois cilindros metálicos de 3mm
de espessura e 30cm de altura, com diâmetros de 30 e 50cm, com uma das bordas
biseladas para facilitar a penetração no solo. Os cilindros são cravados a percussão.
Para a realização do ensaio, coloca-se água no cilindro interno até que se forme uma
lâmina de 7,5cm de altura e entre os cilindros interno e externo de 5cm. Com auxílio de
uma régua graduada, lê-se o posicionamento do nível d’água aos 1, 2, 3, 4, 5, 10, 20,
30, 45, 60, 90 e 120 minutos e, se for preciso, continua-se a leitura em intervalos de 1
hora até que a velocidade determinada de entrada de água no solo seja praticamente
constante (ABCP, 1980).
B.4) Câmara de Fluxo
A Câmara de Fluxo é, basicamente, um cilindro metálico de aço inox, com 1mm de
espessura, diâmetro de 80cm e altura de 80cm. Sua base possui um marial de açocarbono para dar maior resistência à cravação.
13
A cravação ocorre por pressão exercida por macaco hidráulico de 10t e conta,
também, com o auxílio de um sistema de contra pesos e de uma mesa de cravação.
A câmara é cravada a 70cm de profundidade e o ensaio de permeabilidade com a
câmara de fluxo, é realizado seguindo-se as mesmas rotinas do infiltrômetro de anel
duplo (Fabian e Ottoni Filho, 1997).
B.5) Perfil Instantâneo
É outro método para se determinar a permeabilidade não saturada no campo. São
instalados instrumentos no solo para medição da carga de pressão e do conteúdo de
água. Inicialmente este solo é submetido a uma taxa de infiltração até que se alcance um
regime estacionário. Depois de alcançado, interrompe-se a recarga, sendo permitida a
redistribuição da água dentro do solo. Este processo de redistribuição é acompanhado
por medidas periódicas de umidade que são utilizadas no cálculo da condutividade
(ABCP, 1980).
C) Ensaio em rocha – Ensaio de Lugeon:
Este ensaio permite obter uma informação quantitativa sobre a circulação da água
em rochas fissuradas, com o objetivo de julgar as possibilidades de consolidação por
injeções.
Injeta-se num furo de sondagem feito por obturadores, água sob pressão constante.
A pressão injetada (pm) é controlada por um manômetro e a descarga calculada por um
hidrômetro, obtendo-se um volume injetado num certo intervalo de tempo. Quando pm for
10Kg/cm2 e a formação ensaiada absorver 1 litro por minuto por metro de perfuração, a
perda de água foi de uma unidade de Lugeon.
14
Realizam-se ciclos de carregamento e descarregamento, e em cada estágio a pressão
é mantida por 5 a 10 minutos após o estabelecimento de um escoamento permanente.
Traça-se, assim, uma curva descarga x pressão que permite calcular, sob certas condições,
uma estimativa do coeficiente de permeabilidade e a permeabilidade de Lugeon (ABCP,
1980).
Método de cálculo
pe = pm +
H pc
−
10 10
(equação 2.5)
pe = pressão efetiva
pm = pressão manométrica
pc = pressão de carga na canalização
H = altura potencial
Os ensaios de permeabilidade realizados em laboratório são mais controlados, mas,
por mais que se tenha cuidado na retirada da amostra, sempre se causa alguma perturbação.
Além disso, estes ensaios têm menor representatividade do que um ensaio de campo, já que
uma amostra não pode englobar algumas estruturas do solo tais como raízes, macroporos e
fraturas .
Já os ensaios em campo, apesar de terem uma maior representatividade, são menos
controlados e, muitos, requerem a instalação de aparelhos pesados e complicados, sendo
muito lentos e caros, além de perturbarem as condições naturais do solo. Além disso, na
maioria dos ensaios in situ, o estado de tensões não pode ser controlado e o gradiente
hidráulico não pode ser medido com acurácia. Por isso a condutividade hidráulica é,
geralmente, uma estimativa conservadora (Benson et al., 1994).
Muitos autores já discorreram sobre este assunto. Daniel (1984) constatou que a
medida da condutividade hidráulica feita em liners no campo é geralmente 10 a 1000 vezes
maior que a feita em laboratório. Daniel e Day (1985) acharam resultados semelhantes e
15
concluíram que as amostras de laboratório são muito pequenas para incorporar os
macroporos presentes no campo, enquanto o volume de solo englobado no ensaio com
anéis pode representar todo o liner. Elsbury et al (1988) também concluíram que as
medidas de condutividade hidráulica diferem substancialmente se feitas em laboratório ou
no campo.
A melhor forma de determinar a permeabilidade do solo é através de lisimetros, que
são blocos de grandes dimensões nos quais o volume de água que entra e sai é medido,
além da evaporação, da evapotranspiração, em um intervalo de tempo.
16
2.4
LÍQUIDO PERCOLANTE
O líquido percolante desempenha um papel muito importante na medida da
condutividade hidráulica.
Pode-se usar como percolante a água ou uma solução contendo um contaminante.
Neste último caso, deve-se tomar precauções quanto a compatibilidade do aparelho
escolhido para o ensaio de permeabilidade e a natureza química do contaminante.
A seguir, alguns comentários serão tecidos sobre o uso da água e de contaminantes
como líquidos percolantes.
2.4.1
ÁGUA
Quando a água é a solução escolhida para percolar através do solo, as características
mais importantes a se considerar, são a quantidade de oxigênio dissolvido, o tipo e a
concentração de eletrólitos, a turbidez, os nutrientes presentes e a população de
microorganismos (Daniel, D. E.,1994).
Segundo Daniel (1994), a melhor água a ser usada para ensaios de permeabiliadede
é a deaerada, que contenha menos que 1 a 2 mg/l de oxigênio dissolvido. Já Shackelford
(1994), diz que o uso tanto da água destilada e da deaerada, não é recomendado, pois os
resultados podem ser pouco representativos, isto é, muito baixos (Olson e Daniel 1981,
Dunn e Mitchell 1984, Evans e Fang 1988 e ASTM D 5084). A “água padrão”, que é uma
solução de 0,01N CaSO4 tem sido bastante usada, pois se assemelha mais a água natural
(Olson e Daniel 1981, Foreman e Daniel 1984, Acar et al. 1985, Bowders 1985, Fernandez
e Quigley 1985, Bowders e Daniel 1986 e Bowders et al. 1986).
17
Pode-se ver na tabela abaixo alguns padrões de referência para água usada em
ensaios de permeabilidade.
Condutividade
Concentração
elétrica máxima EC
Iônica máxima
(µS/cm)
I (moles/l)
Destilada
1,0
0,000013
Deionizada - destilada
0,2
0,0000026
Tipo de água
Referência
Reagente Tipo I
ASTM D 1193
0,06
0,00000078
Reagente Tipo II
ASTM D 1193
1,0
0,000013
“Padrão” (0,01N CaSO4)
Olson e Daniel
1538
0,02
769
0,01
(1981)
0,05N CaSO4
ASTM D 5084
Tabela 2.1 : Tipos de água para ensaios de permeabilidade a 250C (Shackelford, 1994)
18
2.4.2
CONTAMINANTES
Os líquidos contaminantes podem ser classificados da seguinte forma:
Ácidos
Component
es Polares
Neutros
LNAPL
(menos
denso que
a água)
Soluções
Orgânicas
Hidrófilas
Bases Org.
Líquido
Miscível
Contaminant
Líquido
Imiscíve
Ácidos
Sais
Soluções
Químicas
Inorgânicas
DNAPL
(mais
denso que
Bases
Figura 2.1: Classificação dos líquidos contaminantes (Shackelford, 2000)
Na passagem pelo solo, os líquidos contaminantes reagem químicamente com o
solo, alterando, muitas vezes, suas características mecânicas e sua condutividade hidráulica.
As soluções inorgânicas causam alterações no arranjo dos grãos e no espaço entre as
partículas, enquanto as soluções orgânicas, podem mudar a estrutura do solo, modificando
substancialmente suas características físicas e mecânicas.
19
Se faz aqui necessário apresentar algumas definições dos principais mecanismos de
interação solo-contaminante (Barbosa, 2000).
ƒ
Precipitação – há a formação de uma nova substância na superfície do solo ou
na solução intersticial que se precipita na fase sólida.
ƒ
Dissolução – remoção de espécies químicas da fase sólida para a solução
intersticial, provocando erosão da estrutura dos argilominerais.
ƒ
Reações de oxi-redução – envolvem a transferência de elétrons. Na oxidação há
perda de elétrons, enquanto na redução há ganho de elétrons.
ƒ
Reações ácido-base – envolvem a transferência de prótons de um ácido para
uma base.
ƒ
Complexação / Quelação – a combinação de um cátion a vários ânions ou
moléculas por ligação covalente. Os complexos formados podem ser solúveis ou
insolúveis.
ƒ
Sorção – envolve a transferência do soluto da fase líquida para a superfície das
prtículas sólidas. Não implica necessariamente em formação de nova substância.
ƒ
Dessorção – transferência de partículas da superfície sólida para a fase líquida.
ƒ
Processos microbiológicos – ação de bactérias e microorganismos presentes no
solo atuando como catalisadores de reações de oxi-redução e na transformação
química de algumas substâncias.
2.5
DUPLA CAMADA DIFUSA
A interação das partículas do solo, dos cátions adsorvidos e da água, é causada pelo
desequilíbrio das forças de cada componente. De acordo com Mitchell (1976), quando duas
partículas se aproximam, seus campos de força começam a reagir e podem influenciar todo
o sistema se as magnitudes destas forças forem grandes em relação ao peso das próprias
partículas. Isso explica a atividade das argilas, pois têm um tamanho muito reduzido e uma
superfície específica bem grande.
20
A superfície das partículas de argila é, geralmente, carregada negativamente. Para
neutralizar esta eletronegatividade, há a associação de cátions, que, por sua vez, têm ânions
associados, formando sais precipitados. A superfície argílica carregada e a distribuição de
cargas da fase adjacente compõe o que denomina-se de dupla camada difusa. Esta teoria foi
apresentada primeiramente por Gouy (1910) e alterada por Chapman (1913).
A distribuição dos íons adjacentes à superfície da argila pode ser representada da
seguinte forma:
Cátion
Concentraç
Ânions
Distância da superfície da
Figura 3.1: Distribuição esquemática dos íons adjacentes às partículas de argila (Mitchell,
1976)
Mudanças nas interações entre duplas camadas, podem acarretar mudanças nas
propriedades físicas e físico-químicas do solo. Entretanto, estas trocas não afetam a
estrutura das argilas. As reações de troca envolvem substituições de um íon por outro ou
por grupos de outros íons com a mesma carga total.
Segundo Mitchell, os cátions mais comuns nos solos são: cálcio (Ca2+), magnésio
(Mg2+), sódio (Na+) e potássio (K+). Enquanto os ânions mais comuns são: sulfatos (SO42-),
cloretos (Cl-), fosfatos (PO43-) e nitratos (NO3-).
21
A espessura da dupla camada difusa é uma das causas para a variação entre atração
e repulsão entre as partículas. A espessura é dependente da densidade de carga na
superfície, do potencial elétrico da superfície, da concentração eletrolítica, da valência do
cátion, do pH, da constante dielétrica do meio e da temperatura (se houver uma mudança
brusca de temperatura entre o local e o laboratório, se recomenda o ensaio in situ).
A variação de algumas destas características propicia alteração no comportamento
no sistema, pois as forças de repulsão e atração dependem da interação entre duplas
camadas adjacentes. Geralmente, um aumento da espessura da dupla camada difusa,
acarreta uma diminuição na tendência das partículas em suspensão flocularem.
A espessura da dupla camada pode ser expressa da seguinte forma:
1  ε 0 ⋅ D ⋅ k ⋅T
=
K  2 ⋅ n 0 ⋅ e 2 ⋅ v 2
1
2



(equação 3.1)
Onde:
1/K = espessura da dupla camada elétrica
ε0 = 8,8542 x 10-12 C2J-1m-1
D = constante dielétrica
k = constante de Boltzman
T = temperatura
n0 = concentração iônica
v = valência catiônica
Quanto mais espessa for a dupla camada, mais estreito e tortuoso será o caminho
das soluções pelo solo, logo, menor será a condutividade hidráulica.
Podemos notar que solos argilosos onde são percolados líquidos contendo cátions
monovalentes (ex.: Na+, K+) terão uma condutividade hidráulica menor do que quando
22
percolados por líquidos polivalentes. Notamos também que se as soluções percoladas forem
fortemente salinas (alta concentração eletrolítica), a condutivadade hidráulica aumentará.
Se for usada água destilada, a condutividade tende a ser muito baixa, já que n0 é
praticamente zero.
1/K = espessura da
dupla camada
de arPila (carga
Part.Part.
carregada
Distância
que
controla a
condutivida
Fluxo
Part. carregada
Part. de argila (carga
Dupla Camada
Difusa de cátions
e água adsorvidos
Fig. 3.2: Dupla Camada Difusa e seus efeitos na Condutividade Hidráulica (Daniel, 1994)
Vários estudos vêm sendo realizados para demonstrar que a interação entre as
partículas do solo e a solução percolante influem na condutividade hidráulica, por exemplo:
Anderson e Jones 1983, Griffin e Roy 1985, Madsen e Mitchell 1987, Mitchell e Madsen
1987, Goldman et al. 1988 e Shackelford 1994.
23
3
PERMEÂMETRO DE GUELPH
O Permeâmetro de Guelph é um permeâmetro de furo e de carga hidráulica
constante que mede a condutividade hidráulica saturada de campo acima do lençol freático.
Foi visto como uma nova tentativa para o uso de permeâmetros de furo, já que por muitos
anos este método não foi utilizado pois subestimava de 33 a 61% o valor da condutividade
hidráulica saturada (Reynolds et al. 1983).
É composto de uma garrafa de Mariotte que controla a carga constante de água
dentro do furo, um tubo de acrílico com uma régua graduada onde a água é introduzida e
um tripé que permite adaptar o aparelho a terrenos irregulares. Algumas das vantagens
deste método de campo são: a leveza do aparelho, a facilidade de poder ser operado por
uma única pessoa, a rapidez dos ensaios e a pouca quantidade de água (0,5 a 2l) por ensaio.
Após algum tempo, que dependerá, dentre outros fatores, da umidade antecedente
do solo e da sua textura, uma pequena área em torno do furo estará saturada (ver figura 3.1)
e, então, o fluxo torna-se constante. Este valor de fluxo é utilizado no cálculo da
permeabilidade. Durante o ensaio, na verdade, não é conseguida a saturação total, e sim
uma chamada saturação de campo, pois no campo não se consegue expulsar completamente
o ar dos vazios. Isto não chega a ser uma desvantagem visto que a saturação total é muito
difícil de ser atingida em uma situação real. Logo a condutividade obtida será a
condutividade hidráulica da saturação de campo (Kfs – hydraulic conductivity at field
saturation).
24
Figura 3.1: Bulbo de saturação formado em volta do furo
O Permeâmetro de Guelph é projetado para medir a condutividade entre 10-2 e 10-6
cm/s. Abaixo ou acima destas ordens de grandeza, as medições apresentam erros ou não se
consegue realizar o ensaio.
A recarga de água no furo está submetida a três tipos de fluxo: um de pressão radial ao
longo das paredes e dois verticais na base, um de pressão e outro gravitacional. Ao
considerar a variação destes fluxos ao longo da base e das paredes do furo, desenvolveu-se
um método semi analítico e numérico para a estimativa da permeabilidade saturada de
campo. Mas, para a aplicação destes métodos, algumas condições têm que ser consideradas:
•
Meio poroso rígido, homogêneo e isotrópico;
•
•
Fluxo em regime permanente;
Domínio de fluxo em um semi espaço infinito.
Para os cálculos do coeficiente de permeabilidade, geralmente são feitos ensaios
com duas cargas de pressão (H1 e H2). Com cada carga aplicada, se obtém as vazões (Q1 e
Q2). A condutividade hidráulica será:
K = G2Q2 − G1Q1
(equação 3.1)
25
onde
G1 =
G2 =
H 2C1
(equação 3.2)
π 2 H1 H 2 (H 2 − H1 ) + a 2 (H1C2 − H 2C1 )
[
]
H1C2
π 2 H1H 2 (H 2 − H1 ) + a 2 (H1C2 − H 2C1 )
[
]
(equação 3.3)
a = raio do buraco
C = parâmetro retirado do gráfico 3.1 (C x H/a)
Para melhores resultados, a relação H/a deve ser a maior possível para aumentar o
fluxo de pressão tridimensional (que atinge fluxo constante mais rápido e envolve uma
região molhada finita) e minimizar o fluxo unidimensional gravitacional. E quanto maior o
volume e o tempo envolvidos no ensaio, maior importância as dá ao fluxo gravitacional
(Reynolds et al. 1983).
A equação acima também leva em conta os efeitos não saturados ( capilaridade e
pressão inicial do solo).
Para meios heterogêneos e com grandes vazios, os cálculos utilizando mais de uma
carga de pressão, levam a resultados negativos. Para evitar isto, Elrick et al. (1989)
propuseram um ensaio que utilizasse somente uma carga de pressão. A equação fica desta
forma:
K=
CQs

 2πH 
2
2
2πH + Cπa +  α * 



26
(equação 3.4)
α* = Kfs/φm = parâmetro de acordo com o tamanho dos poros (valor tabelado)
φm = fluxo mátrico
 2πH 
O termo  *  está relacionado com a capilaridade e quanto menor for H, menor
 α 
será a influência de α*.
Tamanho médio de poros
α* (m-1)
Materiais argilosos compactados e
1
estruturados
Materiais com grãos finos (argilosos) e não
4
estruturados
Argilas, areias fina e média
12
Solos com grãos graúdos e solos
36
estruturados com fissuras e macroporos.
Tabela 3.1: Relação de solos com α* (Reynolds et al., 1991)
27
Gráfico 3.1: H/a x C (Reynolds, 1983)
28
3.1
FUNDAMENTOS TEÓRIOS
O fluxo em um furo acima do nível da água acontece por uma pressão radial através
das paredes do furo (vr), por uma pressão vertical através da base do furo (vz) e por uma
pressão gravitacional através da base do furo (vg).
Tais fluxos podem ser expressos pela Lei de Darcy:
v r = − K fs ⋅
v z = − K fs ⋅
v g = − K fs ⋅
∂ψ p
rˆ
(equação 3.1.1)
kˆ
(equação 3.1.2)
∂ψ z ˆ
k
∂z
(equação 3.1.3)
∂r
∂ψ p
∂z
Onde:
ψp = poro pressão de água relativa à altura H
ψz = elevação relativa à base do furo
29
O fluxo total (Qt) é definido como:
(equação 3.1.4)
Qt = ∫ v r ⋅ dA p + ∫ v z ⋅dAb + ∫ v g ⋅ dAb
Ap
Ab
Ab
Onde:
dAp = diferencial de área da parede do furo
dA p = 2πa ⋅ dz (rˆ )
dAb = diferencial de área da base do furo
( )
dAb = 2πr ⋅ dr − kˆ
Substituindo as equações e simplificando temos:
H
a
∂ψ p
∂ψ p


Qt = πK fs − 2a ∫
⋅ dz + 2∫
⋅ rdr + a 2 
∂r
∂z
0
0


(equação 3.1.5)
Usando variáveis adimensionais:
r* = r/a
K fs =
ψp* = ψp/H, temos:
z* = z/H
Qt
2 1
2
 ∂ψ p *
1 a  
 a  ∂ψ p *
2
2πH − ∫
⋅ dz +   ∫
⋅ r * dr * +   
2  H  
 H  0 ∂z *
 0 ∂r *
1
ou ainda:
K fs =
CQt
 C a 
2πH 2 1 +  
 2  H 
2



(equação 3.1.7)
30
(equação 3.1.6)
onde:
C=
3.2
(equação 3.1.8)
1
2 1
 1 ∂ψ p *

 a  ∂ψ p *
−
⋅
dz
*
+
⋅ r * dr *
  ∫
 ∫
 H  0 ∂z *
 0 ∂r *

FUNDAMENTOS OPERACIONAIS
Para se medir a condutividade hidráulica com o Permeâmetro de Guelph, deve-se
seguir os seguintes passos:
1. Fazer o furo com a profundidade desejada. Mede-se a profundidade atingida. Para isso
usa-se um trado manual. Depois, troca-se a ponta de perfuração do trado por uma de
limpeza, que tem por função nivelar a base do furo e regularizar as paredes do furo.
Foto 3.1 : Trados Manuais
31
Foto 3.2: Pontas do trado
2. Monta-se o Permeâmetro de Guelph, ligando o tubo acrílico à garrafa de Mariotte
através de mangueiras plásticas maleáveis. Nesse passo escolhe-se
Mariotte a ser usada de acordo com a profundidade do furo.
Foto 3.3: Garrafa de Mariotte
32
a garrafa de
Foto 3.4: Tubo Acrílico
33
Foto 3.5: Mangueiras plásticas
3. Coloca-se o Permeâmetro sobre o furo ajustando as pernas do tripé para que o aparelho
fique nivelado.
34
Foto3.6: Tripé
4. Coloca-se a solução dentro do tubo acrílico. Deve-se deixar que a água encha
completamente as mangueiras. É prudente nesse momento verificar se não há
vazamento nas roscas e ligações.
35
5. Regula-se o tubo de Mariotte, através da régua graduada para estabelecer a altura de
pressão que será mantida no interior do furo.
Foto3.7: Régua Graduada
36
6. Começa-se a fazer as leituras em intervalos constantes de tempo, através da régua
graduada do tubo de acrílico.
7. Quando as diferenças das medidas entre as leituras se tornarem constantes pode-se parar
o ensaio. É necessário que as diferenças se tornem iguais por três ou mais leituras
consecutivas (ver exemplo abaixo)
Tempo
X (cm) Diferença
(s)
0
11
0
15
17
6
30
22
5
45
28
6
60
34
6
75
34
0
90
39
5
105
45
6
120
51
6
135
57
6
150
63
6
37
3.3.
EXPERIÊNCIAS REALIZADAS
Neste capítulo serão descritos os locais onde foram realizados os ensaios de
condutividade hidráulica com a utilização do Permeâmetro de Guelph. Aqui estarão
descritas, além das características físicas dos locais, as pressões utilizadas e as
profundidades dos furos.
3.3.1 LEIRAS DE PRÉ TRATAMENTO MECÂNICO BIOLÓGICO
Na Usina de Recilclagem da COMLURB em Jacarepaguá, a empresa alemã Faber
Ambra realizou um projeto piloto sobre o processo de pré-tratamento mecânico e biológico
de duas leiras de resíduos sólidos urbanos. Esta experiência foi acomponhada e monitorada
pelo Prof. Cláudio Mahler e pela então aluna de mestrado Luíza Cantuária (Costa, 2001).
O lixo, depois de ter sofrido um pré-tratamento mecânico, era colocado num pátio a
céu aberto sobre “pallets” de madeira e recoberto com cascas de eucalipto (biofiltro). As
leiras foram construídas com 20 x 40 m e 24 x 40m, com altura inicial em torno de 2,5m,
sendo que a Segunda leira teve trechos com altura de 2,0m, 2,5m 3,0m. Nelas, foram
instalados dispositivos de aeração e irrigação.
38
Foto 5.1: Vista da leira 2 (Costa, 2001)
No esquema a seguir, demonstra-se suscintamente o processo Faber Ambra.
LIXO
RETIRADA DE PORÇÕES MAIORES
TRATAMENTO MECÂNICO
TRITURAÇÃO E
HOMOGENEIZAÇÃO DO
TRATAMENTO BIOLÓGICO
DEGRADAÇÃO EM LOCAL DESCOBERTO
Figura 5.1: Esquema operacional do sistema MBA – Faber Ambra Recycling (Costa, 2001)
39
Além das medições de temperatura, recalque, análise dos gases e do chorume, foram
realizados ensaios de permeabilidade utilizando o Permeâmetro de Guelph.
Na leira 1, foram realizados três furos e os ensaios foram feitos com uma pressão de
3cm em três profundidades, 10, 20 e 35cm. Nas duas primeiras profundidades têm-se a
permeabilidade do biofiltro e na terceira já se encontrava o corpo de lixo.
Na leira 2, os três furos foram ralizados em dois momentos. Nos primeiros ensaios a
leira havia sido construída há apenas dois meses e, da mesma forma que na leira 1, usou-se
pressâo de 3cm e profundidades de 10, 20 e 35cm. Quase onze meses depois, outro ensaio
foi feito com três novos furos com profundidades de 20 e 40cm e pressão de 3cm.
Leira 1
Pontos de Ensaio
5A e
1A e
7A e
3A e
A
20 m
2A e
C
I)
4A e
6A e
8A e
Pontos de
40 m
Figura 5.2: Localização esquemática dos furos de ensaio da Leira 1
40
Leira 2
Pontos de Ensaio
6A e
4A e
2A e
II
II
24 m
IV
5A e
3A e
1A e
Pontos de
40 m
Figura 5.3: Localização esquemática dos furos de ensaio da Leira 2
3.3.2
ESTAÇÃO AGROMETEOROLÓGICA EXPERIMENTAL
Esta estação foi criada para estudos agrometeorológicos em 1985 pelo Dr. José
Marques, ex-professor do Instituto de Meteorologia. A área recebeu diferentes aterros
desde a sua criação, mas os últimos 40 cm foram aterrados com material selecionado e de
textura controlada nas frações cascalho, areia, silte e argila.
A) Granulometria
A análise granulométrica foi realizada pelo Laboratório de Pedologia do
Departamento de Geografia da UFRJ, seguindo o método da Pipeta (método 1.16.1 –
EMBRAPA, 1979)
41
TRINCHEIRA 1
Amostra
Profundidade (cm)
Cascalho (%)
Areia (%)
Silte (%)
Argila (%)
1
7,0
0,83
71,59
10,90
17,51
2
7,0
0,78
71,25
12,43
16,32
3
20,0
8,27
55,76
27,07
17,17
4
20,0
6,73
46,06
29,70
24,24
5
40,0
14,21
90,75
8,24
1,01
6
40,0
24,44
89,19
8,79
2,02
7
55,0
6,77
56,66
15,80
27,54
Tabela 5.1: Estudo granulométrico da trincheira 1 (Fonte: Departamento de Geografia,
UFRJ)
TRINCHEIRA 2
Amostra
Profundidade (cm)
Cascalho (%)
Areia (%)
Silte (%)
Argila (%)
8
4,0
1,18
70,33
15,39
14,28
9
6,0
0,72
79,87
10,94
9,19
10
18,0
1,22
48,41
26,40
25,20
11
20,0
1,51
60,85
31,80
7,35
Tabela 5.2: Estudo granulométrico da trincheira 2 (Fonte: Departamento de Geografia,
UFRJ)
42
Percebe-se que este solo é predominantemente arenoso, mas é a sua porcentagem
argilosa que contribuirá para sua reatividade, pois, em geral, é a fração de argila que é a
maior responsável pelas forças de superfície e sua influência no sistema. Além disso,
quanto maior a quantidade de argila no solo, maior é a sua plasticidade, compressibilidade e
coesão verdadeira e menor é sua permeabilidade e o ângulo de atrito interno efetivo
(Mitchell, 1976).
B) Densidade Real, Densidade Aparente e Porosidade
Densidade Real é a relação entre a massa e o volume dos sólidos de um solo, não
levando-se em conta a porosidade. Os resultados foram obtidos no Laboratório de
Pedologia do Departamento de Geografia da UFRJ através do método do Balão
Volumétrico (método 1.12 – EMBRAPA, 1979). A densidade real é uma propriedade
intrínseca do solo, logo tende a ser influenciada pela densidade dos minerais existentes no
solo e pela presença ou não de matéria orgânica (Kiehl, 1979).
Densidade aparente é a relação entre o peso de uma amostra de solo seco e o seu
volume total. Esta densidade é influenciada pela estrutura, grau de compactação e pelas
características de expansão e contração do solo que, por sua vez, são afetadas pelo teor de
umidade. Este ensaio foi realizado pelo Laboratório de Física dos Solos da EMBRAPA –
RJ utilizando o método do Anel Volumétrico (método 1.11.1 – EMBRAPA, 1979).
A porosidade do solo é a relação entre o volume de vazios e o volume total do solo.
Através do método direto, temos:
N (% ) =
(D
r
− D ap )
Dr
(×100)
(equação 5.1)
Onde, N = porosidade
Dr = densidade real
Dap = densidade aparente
43
Pode-se obter a porosidade ou a porcentagem de saturação, através da equação:
θ sat (% ) =
VV
(×100)
Vt
(equação 5.2)
Onde, θsat = porcentagem de saturação
Vv = volume de vazios
Vt = volume total
Os resultados obtidos foram os seguintes:
Profundidade (cm)
Porosidade (%)
Dr (g/cm3)
Dap (g/cm3)
5
46,77
2,74
1,45
20
36,94
2,45
1,54
40
32,74
2,84
1,91
Tabela 5.3: Estudo de densidade e porosidade (Fonte: Departamento de Geografia, UFRJ)
C) Microporosidade
Os microporos são responsáveis pela capilaridade.
Entre os fenômenos causados pela tensão superficial, um dos mais
característicos e de maior importância é a ascenção capilar, ou simplesmente
capilaridade. A capilaridade permite que a água suba acima do nível freático.
Através dos conceitos de tensão superficial e de tubos capilares é possível entender
este fenômeno.
A tensão superficial existente na superfície de um líquido é causada pela atração
intermolecular que o líquido exerce sobre as moléculas da superfície deste. (Badillo e
Rodriguez, 1973; Fredlund e Rahardjo, 1993). Nos solos, os seus canalículos funcionam
44
como os tubos capilares. Nos solos com grandes vazios (areias, pedregulhos), os
canalículos são de diâmetros maiores, logo a altura capilar é bem pequena, já em
argilas, os canalículos são de pequeno diâmetro e a ascenção capilar é elevada.
A altura capilar do solo dependerá das suas condições iniciais de saturação. Existem
diferenças consideráveis entre um solo úmido que retém a água da chuva e a drena até se
estabilizar e um solo seco que aspira a água do aquífero (Lambe,W. e Whitman, 1969).
Na zona de umidade retida, só estará presente a água adsorvida que é
constituída também da água higroscópica, que é a água retirada da atmosfera úmida.
Em solos finos, essa água existe em maior quantidade.
Na zona de saturação parcial, o solo não estará saturado, mas úmido, porque a
altura de ascenção capilar é geralmente maior que a profundidade dos lençóis
d’água. Nesta zona a água é retida, porém o ar dos vazios pode ou não ser retido.
Na zona de saturação capilar, o solo está saturado, mas a água não participa
do movimento gravitacional, ou seja, não existe água livre.
A água nas zonas capilares está sob uma pressão menor que a atmosférica.
Essa tensão causa um acréscimo de pressões grão a grão no solo, pois os meniscos
tendem a aproximar os grãos. Por isso que as pressões capilares provocam aumento
de resistência aos solos.
À medida que a água de um solo saturado vai evaporando, o raio de curvatura
dos meniscos vai diminuindo e, por isso, a pressão capilar sobre as partículas sólidas
vai aumentando. Essa pressão faz com que o solo se comprima. Com a continuação
da evaporação, o solo irá se comprimir até o momento que não sofrerá mais
deformações.
45
A microporosidade foi determinada segundo o método 1.14 (EMBRAPA, 1979),
enquanto a macroporosidade foi determinada segundo o método 1.15 (EMBRAPA, 1979).
Profundidade (cm)
Microporos (%)
Macroporos (%)
Poros. Total (%)
5
22,75
29,85
52,6
20
45,05
12,40
57,45
40
34,80
14,90
49,70
Tabela 5.4: Estudo de macroporos (Fonte: Departamento de Geografia, UFRJ)
D) Curva característica de retenção de umidade
No Laboratório de Física dos Solos da EMBRAPA – RJ, foram obtidas as curvas
características de retenção de umidade.
Profundidade
5 cm
20 cm
40 cm
Sucção (atm)
Umidade
Umidade
Umidade
(%)
(%)
(%)
0
52,6
57,45
49,7
0,06
22,75
45,05
34,8
0,1
13,45
36,75
29,6
0,3
12,9
34,3
27,95
1
12,1
30,55
26,65
Tabela 5.5: Estudo de retenção de umidade (Fonte: Departamento de Geografia, UFRJ)
46
Umidade (%)
Curvas características
70
60
50
40
30
20
10
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
Sucção (atm)
Profundidade - 5cm
Profundidade - 40cm
Profundidade - 20cm
Gráfico5.1: Curvas características de retenção de umidade
No dia 11 de abril de 2001, os ensaios utilizando água destilada e a solução
concentrada de Sulfato de Cálcio foram realizados. Nos três primeiros furos primeiro
se ensaiou com a solução salina e alguns minutos depois, a água foi usada como
líquido percolante. Já no quarto furo, primeiro se usou a água e, depois a solução de
CaSO4. A profundidade de do primeiro furo foi de 30 cm, a do segundo foi de 35 cm
e as do terceiro e do quarto, 40 cm. As cargas de pressão foram de 5 e 10 cm.
Uma semana depois, usou-se água natural para se refazer o ensaio com as
mesmas profundidades e pressões anteriormente usadas nos três primeiros furos.
47
Foto 5.2: Estação Agrometeorológica Experimental - UFRJ
3.3.3.
ATERRO SANITÁRIO DE SANTO AMARO
O Aterro Sanitário de Santo Amaro, localizado na Zona Sul de São Paulo, foi
utilizado a partir de 1976 e parou de receber resíduos urbanos em 1995, quando o aterro
atingia uma cota superior a 115m. Em seu fechamento, o aterro recebeu uma camada de
material argiloso como camada final que tem espessuras muito variadas devido aos
diferentes momentos de colocação deste solo de cobertura e `a falta de fiscalização.
A cobertura de um aterro sanitário serve para impedir a transferência de
contaminantes para a biosfera e para prevenir a infilitração das águas de preipitações para
dentro da massa de lixo, limitando, assim, o risco de contaminação dos solos e das águas
subterrâneas (Melchior et al., 1993). Abaixo vêem-se as funções e os atributos de uma
cobertura de aterro sanitário.
48
FUNÇÕES
ATRIBUTOS
Prevenção ou minimização de percolação
Resistência à erosão pela água
Melhoria estética
Resistência à erosão pelo vento
Supressão de vetores
Estabilidade contra recalques,fissuras e
Contenção de gases
escorregamentos
Supressão do risco de incêndio
Resistência a baixas temperaturas
Prevenção de carreamento de lixo
Resistência a perfurações feitas por animais
Valorização do local do aterro
e plantas
Tabela 5.6: Atributos e funções da cobertura de aterro sanitário (Saarela, 1993).
Depois do fechamento do aterro, passou a funcionar na área contígua um pátio de
transbordo, onde parte do lixo coletado na cidade é repassado para caminhões maiores e é
levado para o Aterro Sanitário Sítio São João.
Desde então, o Engenheiro Agrônomo Julio Cesar da Mata e Andrade, com o apoio
da empresa que monitora o aterro, a ENTERPA Ambiental S. A., desenvolveu um projeto
de mestrado para recuperar e revegetar a área (Andrade, 1999). Neste estudo foram
avaliadas a adaptação e o desenvolvimento de diversas espécies arbóreas e arbustivas.
Para este trabalho, os ensaios de permeabilidade foram desenvolvidos em um talude
do aterro no dia 23 de maio de 2001. Os dois primeiros furos foram feitos em uma área não
revegetada e os dois últimos no meio de uma área onde foram plantadas árvores que foram
objetos do estudo supracitado.
O primeiro furo teve uma profundidade de 30cm e foram aplicadas pressões de 5 e
10cm. No segundo, com profundidade de 60cm, também utilizou-se a mesma carga de
pressão. No terceiro furo só uma carga de 5cm foi aplicada em um furo de 30cm, enquanto
no quarto, com profundidade de 60cm, voltou-se a utilizar as duas cargas.
49
Foto 5.3: Permeâmetro de Guelph em um talude do Aterro Santo Amaro
50
Foto 5.4: Permeâmetro ed Guelph, entre as árvores, em um talude do Aterro Santo
Amaro
51
3.3.4 TABELA DE RESULTADOS EXPERIMENTAIS
LEIRA 1 (MAIO/2000)
Furo
A1
A2
A3
B1
B2
B3
C1
C2
C3
Profundidade
(cm)
10
20
35
10
20
35
10
20
35
Altura de
Pressão
(cm)
3
3
3
3
3
3
3
3
3
Intervalo
de Tempo
(s)
30
15
15
15
15
15
15
15
15
Velocidade
Medida
(cm/s)
0,33
0,27
0,33
0,33
0,33
0,33
0,33
0,33
0,37
Vazão
(cm3/s)
18,84
15,07
18,84
18,84
18,84
18,84
18,84
18,84
20,72
Condutividade
Hidráulica
(cm/s)
0,0898
0,0718
0,0898
0,0898
0,0898
0,0898
0,0898
0,0898
0,0988
LEIRA 2 (MAIO/2000)
Furo
A1
A2
A3
B1
B2
B3
C1
C2
C3
Profundidade
(cm)
10
20
35
10
20
35
10
20
35
Altura de
Pressão
(cm)
3
3
3
3
3
3
3
3
3
Intervalo
de Tempo
(s)
15
15
15
15
15
15
15
15
15
Velocidade
Medida
(cm/s)
0,30
0,33
0,27
0,33
0,40
0,27
0,37
0,33
0,20
Vazão
(cm3/s)
16,96
18,84
15,07
18,84
22,61
15,07
20,72
18,84
11,30
Condutividade
Hidráulica
(cm/s)
0,0808
0,0898
0,0718
0,0898
0,1078
0,0718
0,0988
0,0898
0,0539
LEIRA 2 (ABRIL/2001)
Furo
A1
A2
B1
B2
C1
C2
Profundidade
(cm)
20
40
20
40
20
40
Altura de
Pressão
(cm)
3
3
3
3
3
3
Intervalo
de Tempo
(s)
15
15
15
15
15
15
52
Velocidade
Medida
(cm/s)
0,20
0,13
0,33
0,27
0,27
0,33
Vazão
(cm3/s)
11,30
7,54
18,84
15,07
15,07
18,84
Condutividade
Hidráulica
(cm/s)
0,0539
0,0359
0,0898
0,0718
0,0718
0,0898
ESTAÇÃO EXPERIMENTAL
Furo
1
1
1
1
2
2
2
3
3
3
4
4
Líquido Profundidade
(cm)
Percolant
e
CaSO4
30
CaSO4
30
Água
30
Destilada
Água
30
Natural
CaSO4
35
Água
Destilada
Água
Natural
CaSO4
Água
Destilada
Água
Natural
Água
Destilada
CaSO4
Altura de
Pressão
(cm)
Intervalo de
Tempo (s)
Velocidade
Medida
(cm/s)
Vazão
(cm3/s)
Condutividade
Hidráulica
(cm/s)
5
10
5
10
5
10
5
10
5
10
5
10
5
10
5
10
5
10
5
10
5
10
60
60
60
60
60
30
60
60
60
60
60
30
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
0,005
0,003
0,0058
0,01
0,0089
0,0133
0,0083
0,0158
0,0033
0,0072
0,0017
0,0022
0,005
0,0083
0,0033
0,0046
0,0004
0,0005
0,0008
0,0017
0,0042
0,0083
0,2826
0,1696
0,3296
0,5652
0,5023
0,7534
0,4710
0,8949
0,1884
0,4082
0,0942
0,1256
0,2826
0,4710
0,1884
0,2590
0,0235
0,0314
0,471
0,0942
0,2355
0,4710
0,00054
0,00012
0,000537
35
35
40
40
40
40
40
0,000376
0,001126
0,000656
0,00000643
0,000405
0,0000448
0,00000164
0,000132
0,00066
ATERRO SANITÁRIO
Furo
Profundidade
(cm)
1
1
2
30
40
60
3
4
4
30
60
60
Altura de
Pressão
(cm)
5
10
5
10
5
5
10
Intervalo
de Tempo
(s)
120
120
300
300
300
30
30
53
Velocidade
Medida
(cm/s)
0,0033
0,0017
0,00033
0,0007
0,003
0,0267
0,025
Vazão
(cm3/s)
0,1882
0,0938
0,01882
0,0376
0,1696
1,5068
1,413
Condutividade
Hidráulica
(cm/s)
0,000104
0,0000336
0,0000527
0,0000939
0,000834
0,000506
4. ANÁLISE DE RESULTADOS
4.1 LEIRAS DE PRÉ TRATAMENTO MECÂNICO BIOLÓGICO
Os resultados destes ensaios foram surpreendentemente coerentes. Surpreendentes
porque era de se esperar que em alguns casos pudesse se encontrar, ou algum material que
impedisse a passagem de água (um plástico, por exemplo) ou um vazio maior que causasse
o escoamento muito rápido da água. Estes casos extremos não foram verificados e os
resultados se mantiveram dentro da mesma ordem de grandeza.
Além de nenhum destes fatos extremos ocorrerem, percebeu-se a diminuição da
velocidade de percolação com o aumento da compactação causada pela degradação dos
resíduos ali depositados, pois, na Leira 2, as segundas leituras foram realizadas onze meses
Profundidade (cm)
depois das primeiras.
50
40
30
Leitura 1
20
Leitura 2
10
0
0
0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1
K (cm/s)
FURO A – LEIRA 2
Gráfico 7.1: Comparação entra as duas séries de leituras da Leira 2
54
Profundidade (cm)
FURO B – LEIRA 2
50
40
Leitura 1
30
Leitura 2
20
10
0
0
0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 0,11
K (cm/s)
Profundidade (cm)
Gráfico 7.2: Comparação entra as duas leituras da Leira 2
50
40
30
Leitura 1
20
Leitura 2
10
0
0
0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1
K (cm/s)
FURO C – LEIRA 2
Gráfico 7.3: Comparação entra as duas leituras da Leira 2
A primeira profundidade (10 cm) não foi repetida, pois só se atinge a massa de lixo
a partir de 20 cm e o biofiltro não era objeto de análise. Mas é válido comentar que os seis
resultados dos ensaios realizados nesta profundidade se mostraram bastante similares, o que
demonstra coerência nas leituras feitas com o Permeâmetro de Guelph, já que era um
material composto somente por lascas de casca de eucalipto e, portanto, não se poderia
encontrar valores muito discrepantes para a condutividade hidráulica.
55
A tabela abaixo mostra alguns resultados de ensaios de condutividade hidráulica
realizados em resíduos sólidos urbanos.
Pesquisador
Peso Específico
Permeabilidade (m/s)
3
(kN/m )
Metodologia
Utilizada
Fungaroli et al. (1979)
1,1 a 4,0
10-5 a 2x10-4
Lisímetros
Koriates et al. (1983)
8,6
3,15x10-5 a 5,1x10-5
Ensaios de
Laboratório
Oweis e Khera (1986)
10-5
6,45
Estimativa através
de dados de campo
6,45
10-5
9,4 a 14
1,5x10-4
Ensaios in situ
6,3 a 9,4
1,1x10
-5
Ensaios in situ
Landva e Clark (1990)
10,1 a 14,4
x10-5 a 4 x10-4
Ensaios in situ
Gabr e Valero (1995)
-
10-7 a 10-5
Ensaios de
Oweis et al. (1990)
Bombeamento
Laboratório
Blengino et al. (1996)
3x10-7 a 3x10-6
9,0 a 11,0
Ensaios in situ a
grande
profundidade
Manassero (1990)
1,5x10-5 a 2,6x10-4
8,0 a 10,0
Ensaios de
Bombeamento
Beaven e Powrie (1995)
10-7 a 10-4
5,0 a 13,0
Ensaios de
Laboratório
Brandl (1990)
11,0 a 16,0
3x10-7 a 5x10-6
Ensaios in situ
Brandl (1994)
9,0 a 12,0
10-6 a 5x10-4
Ensaios de
Laboratório
Brandl (1994)
3x10-8 a 2x10-6
13,0 a 17,0 (RSU
muito
Ensaios de
Laboratório
compactado)
Cepollina et al. (1994)
10-7
≈10
Ensaios de
Bombeamento
56
Santos et al. (1998)
14,0 a 19,0
10-7
Carvalho (1999)
8,0 a 15,0
5x10-8 a 8x10-6
Mariano e Jucá (1998)
-
1,89 x10-8 a 4,15x10-6
Ensaios in situ
4.2 ESTAÇÃO AGROMETEOROLÓGICA EXPERIMENTAL
Nas experiências realizadas na estação experimental da UFRJ, a influência da
espessura de dupla camada difusa na condutividade hidráulica pode ser verificada e
analisada.
A tabela a seguir resume a influência das mudanças de parâmetros na espessura da
dupla camada e, conseqüentemente, na condutividade hidráulica.
Efeito da Mudança nos Parâmetros
Diminuição da Dupla
Aumento da Dupla Camada
Camada Difusa, Floculação
Difusa, Dispersão das
das Partículas e Aumento de
Partículas e Diminuição de
K
K
Concentração Eletrolítica
Aumento
Diminuição
Valência do Cátion
Aumento
Diminuição
Constante Dielétrica
Diminuição
Aumento
Parâmetros da Solução
Tabela 7.1:Baseado na Teoria da Dupla Camada Difusa (Evans, 1985 e Shackelford, 1994).
Para melhor compreensão cada furo será analisado separadamente.
57
A)
Furo 1
Neste furo, como nos dois seguintes, a água destilada foi usada logo depois da
solução concentrada de CaSO4. Pode-se dizer, então, que a água destilada ao encontrar um
ambiente ainda muito salino se comportou como uma solução salina menos concentrada
que a primeira. Isto explica o fato de a água destilada não ter funcionado como esperado,
pois como já se comentou anteriormente, este líquido percolante tende a diminuir muito a
condutividade hidráulica, já que sua concentração eletrolítica é zero.
Pode-se notar, também, que na experiência posterior, quando usou-se somente água
natural, a condutividade hidráulica resultante foi menor do que a condutividade das
soluções salinas. Este resultado é coerente e esperado, pois quanto menor a concentração
Furo 1
Profundidade (cm)
50
40
30
5,37
5,42
3,76
Água destilada
Água
Sulfato de cálcio
20
10
0
0
1
2
3-4
4
K (x10 cm/s)
5
6
eletrolítica, menor é a condutividade hidráulica.
No gráfico a seguir serão comparados os resultados obtidos com a água destilada,
com água natural e com o resultado do CaSO4 com carga de pressão de 5 cm, porque
durante as leituras com sulfato de cálcio e com carga de pressão de 10 cm, deve ter ocorrido
um entupimento da saída de água, o que acarretou um resultado negativo de condutividade
hidráulica.
Gráfico 7.4: Resultados no furo 1
58
B)
Furo 2
Neste caso, por não ter ocorrido nenhum erro durante o ensaio, pode-se perceber
que o sulfato de cálcio provocou uma condutividade hidráulica maior do que as outras
soluções, já que tem a maior concentração eletrolítica dentre as soluções utilizadas.
A água destilada, como já se comentou, funcionou como uma solução salina um
pouco menos concentrada e a água natural, por possuir a menor concentração eletrolítica,
aumenta a espessura da dupla camada difusa e, conseqüentemente, diminui a condutividade
hidráulica.
Furo 2
Profundidade (cm)
50
40
0,0405
30
4,13
7,09
20
Água destilada
Água
Sulfato de cálcio
10
0
0
1
2
3
4-4 5
K (x10 cm/s)
6
7
8
Gráfico 7.5: Resultados no furo 2
C)
Furo 3
A mesma análise feita para o Furo 2 pode ser feita para o Furo 3.
59
Profundidade (cm)
Furo 3
50
0,0104
40
0,282
30
2,55
Água destilada
Água
Sulfato de cálcio
20
10
0
0
1
2
3
4-4 5
K (x10 cm/s)
6
7
8
Gráfico 7.6: Resultados no furo 3
D)
Furo 4
Neste furo, primeiro se ensaiou com água destilada e a interação da fração argila do
solo com a água destilada, provocou uma diminuição da condutividade hidráulica, se
comparada com a condutividade obtida com a solução salina concentrada de sulfato de
cálcio. Resultado que, como já se comentou, é esperado e é justificado pela teoria da dupla
camada difusa.
60
Furo 4
Profundidade (cm)
50
40
4,15
0,83
30
Água destilada
Sulfato de cálcio
20
10
0
0
1
2
3
4-4 5
K (x10 cm/s)
6
7
8
Gráfico 7.7: Resultados no furo 4
4.3 ATERRO SANITÁRIO SANTO AMARO
Os resultados dos ensaios realizados no Aterro Sanitário indicam que o solo
usado como cobertura para o aterro sanitário, foi um material argiloso e compactado, mas
não completamente homogêneo, já que alguns resultados de condutividade hidráulica
usando duas cargas de pressão, foram negativos. Isto ainda pode ser conseqüência de vazios
encontrados no solo provenientes de uma compactação mal feita. Nos pontos onde havia
vegetação plantada, estes vazios também podem ser criados pelas raízes das árvores.
Um segundo ponto analisado, foi a adaptação do aparelho a um talude com uma
inclinação um pouco mais acentuada. Neste caso o Permeâmetro de Guelph Modificado se
mostrou muito adequado, pois seu tripé, que tem as hastes extensíveis, permite uma perfeita
adaptação ao terreno.
61
5. CONCLUSÕES
Em cada um dos três casos estudados, um problema foi objeto de análise.
No projeto piloto de pré-tratamento de lixo em Jacarepaguá, mediu-se a
condutividade hidráulica de uma leira de resíduos sólidos urbanos, que é
originalmente um material muito heterogêneo, com um aparelho jamais usado com
este propósito. Procurou-se saber se as medidas e os resultados obtidos seriam
coerentes e compatíveis com a permeabilidade esperada.
Como resultado, os dados obtidos foram coerentes e permitem o estudo não só da
permeabilidade de uma massa de lixo, mas também da compressibilidade de uma leira de
resíduos sólidos com o tempo, pois os valores de condutividade hidráulica diminuiram na
segunda leitura, quando o lixo já estava mais degradado e, portanto, mais compactado.
Na estação experimental, queria-se testar o Permeâmetro de Guelph
utilizando não só a água como líquido percolante. Usou-se também uma solução salina
concentrada e os resultados foram comparados tendo como base a teoria da Dupla Camada
Difusa.
Comparando os resultados de condutividade hidráulica das soluções, comprovou-se
na prática a teoria da Dupla Camada Difusa porque quanto mais salina a solução, maior é a
condutividade hidráulica. As soluções mais salinas têm uma concentração eletrolítica maior
que causa a floculação das partículas, a diminuição da espessura da Dupla Camada Difusa e
o aumento da condutividade hidráulica.
No aterro sanitário Santo Amaro, o Permeâmetro foi instalado em um talude, onde
sem a retirada de amostras indeformadas de solo, não se poderia verificar a condutividade
hidráulica.
62
A condutividade foi obtida e pode-se analisar que a velocidade de percolação não é
muito baixa, mas é baixa a ponto de não comprometer até certo ponto as funções de uma
cobertura de aterro.
5.1 SUGESTÕES DE ESTUDOS FUTUROS
Todos os parâmetros e características do lixo e dos aterros sanitários devem
continuar a ser perseguidos e estudados Para isso novos aparelhos e métodos devem ser
desenvolvidos.
Novas experiências com o Permeâmetro de Guelph devem ser feitas em locais e
condições diferentes para que o aparelho, suas características e acurácia sejam cada vez
mais conhecidas.
E, finalmente, mais experiências com soluções distintas da água devem ser
realizadas para o melhor entendimento das interações solo-contaminante e dos mecanismos
de transporte de contaminantes. Assim, as soluções para a descontaminação de solos
poluídos podem ser alcançadas com mais rapidez e eficiência.
63
6.
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