COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
Estudo da Permeabilidade de Solos Argilosos Disponíveis para
Recuperação de Áreas Degradadas pela Mineração de Carvão no
Sul de Santa Catarina
Morgane Brogni Pazzetto
CTCL/SATC, Criciúma, Brasil, [email protected]
Álvaro José Back
UNESC, Criciúma, Brasil, [email protected]
Mariane Brogni Pazzetto
CTCL/SATC, Criciúma, Brasil, [email protected]
RESUMO: A região Carbonífera Sul Catarinense possui uma vasta área degradada pela exploração
do carvão, seja pela deposição de rejeitos oriundos do beneficiamento ou pela explotação a céu
aberto. De acordo com o Terceiro Relatório de Monitoramento dos Indicadores Ambientais (2009),
existem hoje 6.341,88 ha de áreas impactadas pela mineração de carvão, divididas em: argila
(354,60 ha), lagoa ácida interna (191,36 ha), revegetação (3.405,12 ha), urbanizado (821,28 ha ) e
rejeito ou área minerada a céu aberto (1.569,52 ha). Sem a devida proteção, essas áreas impactadas
podem sofrer severa infiltração das águas meteóricas e superficiais, gerando drenagem ácida a
partir da reação dessas águas com os sulfetos presentes. Estas águas ácidas provocarão a lixiviação
de diversos elementos químicos, tendo como conseqüência direta a poluição hídrica. Para
minimizar a geração de acidez nas pilhas de resíduos de mineração, as alternativas normalmente
utilizadas têm sido as chamadas coberturas secas, que consistem no recobrimento da área do
depósito com camadas de solo. O objetivo desta técnica é minimizar o acesso do oxigênio e de água
para o interior do material reativo, minimizando assim o processo gerador de gases sulfurosos e
drenagem ácida. O bom desempenho desta técnica depende substancialmente dos materiais
utilizados, dos aspectos construtivos e das condições climáticas. O objetivo desta pesquisa é
conhecer os valores de permeabilidade da argila in situ e compactada além de compará-los com os
valores exigidos pelos órgãos ambientais para recuperação de áreas degradadas pela mineração de
carvão na região da Bacia Carbonífera Sul Catarinense. O presente trabalho aborda aspectos de
caracterização física, mecânica e de permeabilidade das argilas da jazida Morozini localizada em
Treviso – SC, Brasil. Foram analisadas amostras extraídas a 30 cm e 130 cm de profundidade. Com
a finalidade de avaliar a permeabilidade natural da argila amostras indeformadas foram coletadas
com auxilio do trado tipo “Uhland”. Outras amostras também foram moldadas em laboratório, na
umidade ótima, com o objetivo de comparar e quantificar o aumento ou a diminuição da
permeabilidade com a compactação do material. Os resultados obtidos indicaram que as amostras
compactadas tiveram uma redução entre 4 e 7 vezes, em relação ao coeficiente de permeabilidade
se comparadas com a amostra em seu estado natural.
PALAVRAS-CHAVE: Permeabilidade, Compactação, Recuperação de Áreas Degradadas, Carvão,
Coberturas secas.
1
INTRODUÇÃO
deposição
de
rejeitos
oriundos
do
beneficiamento ou pela explotação a céu aberto.
A atividade de mineração resulta na produção
de grandes quantidades de material estéril ou
A região Sul Catarinense possui uma vasta área
degradada pela exploração do carvão, seja pela
1
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retrabalho.
Para dirimir dúvidas sobre os padrões de
recuperação ambiental, o GTA – Grupo de
Assessoramento à Sentença, elaborou e o juiz
responsável homologou, os “Critérios para
recuperação de áreas degradadas”. Este
documento foi um grande passo para padronizar
a recuperação das áreas degradadas, porém
ainda existem algumas lacunas que não foram
preenchidas por falta de estudos mais acurados.
A questão da permeabilidade da cobertura de
argila é uma dessas lacunas.
Com este estudo pretende-se responder às
seguintes questões:
1) Há na região material argiloso com
capacidade de minimizar consideravelmente
o contato da água com os materiais reativos?
2) Qual a condutividade/permeabilidade dos
materiais disponíveis para a cobertura?
O objetivo desta pesquisa é conhecer os
valores de permeabilidade da argila in situ e
compactada além de compará-los com os
valores exigidos pelos órgãos ambientais para
recuperação de áreas degradadas pela
mineração de carvão.
rejeitos sólidos de beneficiamento ricos em
sulfetos. Pelas próprias características das
camadas de carvão (Barro Branco, Irapuá e
Bonito), a extração deste bem mineral no
Estado de Santa Catarina torna-se uma
atividade potencialmente poluidora.
De acordo com o Terceiro Relatório de
Monitoramento dos Indicadores Ambientais
(2009), existem hoje 6.341,88 ha de áreas
impactadas pela mineração de carvão, divididas
em: argila (354,60 ha), lagoa ácida interna
(191,36 ha), revegetação (3.405,12 ha),
urbanizado (821,28 ha ) e rejeito ou área
minerada a céu aberto (1.569,52 ha).
Sem a devida proteção, essas áreas
impactadas podem sofrer severa infiltração das
águas meteóricas e superficiais, gerando
drenagem ácida a partir da reação dessas águas
com os sulfetos presentes. Estas águas ácidas
provocarão a lixiviação de diversos elementos
químicos, tendo como conseqüência direta a
poluição hídrica.
Para minimizar a geração de acidez nas pilhas
de resíduos de mineração, as alternativas
normalmente utilizadas têm sido as chamadas
coberturas
secas,
que
consistem
no
recobrimento da área do depósito com camadas
de solo.
O objetivo desta técnica é minimizar o acesso
do oxigênio e de água para o interior do
material reativo, minimizando assim o processo
gerador de gases sulfurosos e drenagem ácida.
O bom desempenho desta técnica depende
substancialmente dos materiais utilizados, dos
aspectos construtivos e das condições
climáticas.
As empresas do setor carbonífero de Santa
Catarina foram condenadas por uma Sentença a
recuperar todas as áreas degradadas pela
atividade de mineração e beneficiamento de
carvão. Junto com essa ação várias dúvidas
surgiram na forma de como conduzir a
recuperação dessas áreas, de forma a atingir os
objetivos propostos. Não existe um consenso
entre os técnicos das empresas e,
principalmente, não existe consenso entre os
técnicos dos órgãos fiscalizadores desta
sentença.
Por este motivo várias áreas que foram
consideradas recuperadas necessitam de
2
MATERIAIS E MÉTODOS
2.1 Definição da área de estudo
Inicialmente foi realizado um contato com os
geólogos da CPRM - Serviço Geológico do
Brasil, que indicaram a realização da pesquisa
em duas áreas: uma de material proveniente da
Formação Palermo, e outra proveniente dos
Leques Aluviais.
A primeira área indicada pertence à empresa
CSN - Companhia Siderúrgica Nacional,
situada na localidade de Morozini, município de
Treviso. Neste local o substrato rochoso é
formado por litologias pertencentes à Formação
Palermo (Figura 1).
Na região do Campo Morozini, a espessura do
manto de alteração (solo) é em média de 5 m.
Segundo Krebs (2004), a espessura total da
Formação Palermo, na região de Criciúma e
Forquilhinha é da ordem de 92 m.
2
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Figura 3 – Localização da área de estudo
Fonte: Google Earth, 2009.
Figura 1. Jazida Morozini.
2.2 Amostragem
Outro local indicado foi uma área da
Carbonífera Criciúma, na localidade de
Verdinho, município de Criciúma. A jazida
existente neste local se encontra no sistemas de
leques aluviais (Figura 2).
As amostras indeformadas foram retiradas em
dois locais, e foram denominadas como amostra
01 (coletadas a 30 cm do topo do talude) e
amostra 02 (coletadas a 1,30m do topo do
talude), conforme ilustrado na figura 4.
Figura 2. Solo do Sistema Leques Aluviais – Verdinho.
Figura 4. Locais de coletas das amostras.
Optou-se por fazer o estudo na jazida
Morozini, por apresentar melhor característica
geotécnica e por ser a Formação geológica de
maior abrangência na região.
Sabe-se que material de empréstimo (solos)
relacionado à Depósitos de Leques Aluviais,
apresentam características geotécnicas bastante
variável de um local para o outro e até mesmo
na própria jazida, por serem constituídos por
alterações dos cascalhos, originados de rochas
basálticas.
Na figura 3 pode-se observar uma imagem de
satélite da jazida estudada.
Em cada patamar foram coletadas 03 amostras
indeformadas com o uso do trado tipo
“Uhland”. As amostras indeformadas foram
envolvidas com filme de PVC, com o objetivo
de conservar a umidade existente no momento
da coleta.
Para os demais ensaios: limite de liquidez,
limite de plasticidade, análise granulométrica, e
os ensaios de “proctor”, foram coletados
aproximadamente 50 kg de material solto em
cada profundidade.
3
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até que a ranhura fosse fechada.
2.3 Ensaios
2.3.1 Preparação das amostras
O material coletado no campo foi encaminhado
ao laboratório, onde foi iniciado o processo de
preparação das amostras para realização os
ensaios.
A primeira etapa para preparação das
amostras consiste na secagem ao ar livre do
material. Num segundo momento, inicia-se o
destorroamento do material, com auxilio do
almofariz e a mão de gral (Figura 5).
Figura 6. Ensaio de liquidez.
Ensaio de limite de plasticidade
Para a realização do ensaio de plasticidade foi
necessário moldar uma porção de solo de forma
cilíndrica, através da rolagem do material em
uma placa de vidro fosco (Figura 7).
Figura 5. Destorroamento do solo.
Como última etapa da preparação das
amostras o material destorroado foi passado em
peneira de abertura de malha de 4,75mm.
Apenas o material passante na peneira é
utilizado para a realização dos ensaios, o
material retido é descartado.
2.3.2 Ensaios de caracterização física
Figura 7. Realização do ensaio do limite de plasticidade.
Ensaios de limite de liquidez
O objetivo é que essa porção de solo fique
com 3 mm de diâmetro. Para isso utiliza-se um
gabarito como referência. A partir do momento
que o solo atingiu as dimensões e forma
desejada, continua-se rolando o solo sobre o
vidro até que a fissuração do solo se inicie.
Após a fissuração, a amostra é pesada e seca em
estufa.
A norma NBR 6459/84 descreve e padroniza o
ensaio de limite de liquidez.
Este ensaio consiste em adicionar água no
solo até que o mesmo obtenha a consistência de
pasta
homogênea.
Após
obter
esta
homogeneidade o solo foi moldado no Aparelho
Casagrande. Com um cinzel foi realizada uma
ranhura no centro da amostra (Figura 6), e
posteriormente foram realizados diversos
golpes com o mecanismo existente no aparelho
2.3.3 Análise granulométrica por peneiramento
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O ensaio de permeabilidade foi baseado no
método B da NBR 14545, que descreve a
determinação do coeficiente de permeabilidade
de solos argilosos a carga variável.
As amostras foram revestidas lateralmente
com uma camada fina de parafina, aplicada no
estado líquido (Figura 9).
Para obter a curva granulométrica do solo e
determinar as percentagens em peso de cada
fração constituinte do material foi realizado o
ensaio de peneiramento com as amostras
passantes nas peneiras de no10 (2,00 mm) e no
200 (0,075 mm).
2.3.4 Ensaio de caracterização mecânica
Para a caracterização mecanica foi realizado o
ensaio de compactação, utilizando o solo
passante na peneira nº 4 (4,75 mm).
Para a determinação da umidade ótima e do
peso específico máximo empregou-se a energia
do “Proctor” Normal. O material foi moldado
em cilindros e submetido a 26 golpes através de
um soquete padrão (2,5 kg). O material é
compactado no cilindro em três etapas e
submetidos aos golpes (Figura 8).
Figura 9. Amostra parafinada.
A base do permeâmetro foi preparada
colocando na tampa inferior uma tela de arame
e sobre ela uma camada de areia grossa com
espessura aproximada de 1 cm recoberta por um
anel de borracha.
Em seguida a amostra parafinada foi
posicionada no centro do cilindro e envolvida
com argila plástica do tipo bentonita até o nível
superior da amostra (Figura 10).
Figura 8. Ensaio de compactação.
Após a compactação o material é nivelado e
pesado, podendo-se assim determinar a massa
específica do solo.
De posse desses resultados traçou-se um
gráfico para se obter a densidade máxima seca e
a umidade ótima correspondente.
Com os valores encontrados de máxima
densidade e umidade ótima da amostra 1 e da
amostra 2, foram moldados 2 corpos de prova
(um para cada amostra) para determinação do
coeficiente de permeabilidade no permeâmetro
de carga variável.
Figura 10. Amostra revestida com argila.
2.3.5 Ensaios de permeabilidade
O restante do espaço livre do permeâmetro foi
preenchido com areia e o permeâmetro fechado
5
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para o início da fase de saturação.
Para saturação, o permeâmetro foi colocado
em um recipiente com água, de modo que a
saturação ocorresse de forma ascendente
(Figura 11).
As 3 amostras do solo denominado como
amostra 01 (coletado a 30 cm de profundidade),
segundo a classificação TRB, enquadra-se no
grupo A7-5. Os solos deste grupo são solos de
granulometria fina, definidos como silteargilosos, possuem alto LL, são plásticos e
sofrem grande mudança de volume. Contêm
todos os materiais com IP moderado em relação
ao LL, podendo ser altamente elásticos. O solo
deste grupo é a argila, tendo 75% ou mais
passante na peneira 200.
Características
LL (%)
LP (%)
IP (%)
% passante # 200
IG
HRB
1A
64,1
31,7
32,4
99,1
20
A7-5
1B
65,2
33,7
31,5
99
20
A7-5
1C
61,2
37,7
23,5
97,1
18
A7-5
Média
63,5
34,36
29,13
98,4
_
_
Figura 11. Adição de água para saturação do material.
Tabela 1: Características físicas da amostra 01
Utilizando este método a saturação ocorreu de
forma muito lenta (5 dias). Adaptou-se então
um reservatório de água, confeccionado com
garrafa “pet” e conectado através de uma
mangueira ao orifício de entrada de água do
permeâmetro. O reservatório foi instalado a 1
metro de altura do permeâmetro, com o objetivo
de fornecer pressão ao liquido percolante.
Com a fase de saturação concluída, foi
conectada no orifício superior da tampa do
cilindro uma mangueira cuja outra extremidade
estava conectada em uma bureta graduada.
Adicionou-se água na bureta e inicou-se as
medições, nos intervalos de tempo estipulados.
O ensaio prosseguiu até a obtenção de quatro
determinações do coeficiente de permeabilidade
relativamente próximos, os quais não
apresentaram tendências evidentes, quer de
crescimento, quer de diminuição.
Os valores do índice de grupo mostram a
relação com os valores do índice de
plasticidade, quanto maior o IP maior o valor
do IG, e conseqüentemente maior a
porcentagem passante na peneira 200.
De acordo com a classificação “SUCS”,
classificação unificada, as amostras 01-B e 01C são classificadas como “MH”, sendo um silte
de alta compressibilidade. Apenas a amostra
01-A é classificada como “CH”, que
corresponde
a
uma
argila
de
alta
compressibilidade.
3
3.1.2 Caracterização mecânica
Os dados obtidos para as compactações
realizadas nas amostras 01 podem ser
observadas na tabela 2.
Tabela 2: Característica mecânica amostra 01
Parâmetros
1A
1 B Média
Densidade seca máxima
(g/cm³)
1,33 1,32 1,33
Umidade ótima (%)
30,30 29,1 29,7
RESULTADOS OBTIDOS
3.1 Amostra 01
Com base nos resultados podemos concluir
que o material analisado, localizado a 30 cm de
profundidade, para atingir a máxima densidade
deve estar com uma umidade próxima a 30%, e
a máxima densidade que este material irá
3.1.1 Caracterização física
Um resumo dos resultados obtidos na
caracterização física da amostra 01 pode ser
observado na tabela 1.
6
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O solo típico do grupo A6 é a argila com 75%
ou mais que passante na peneira 200, no caso
específico apresentou 95,3% passante na
peneira citada.
Solos do grupo A7-6 contêm material
semelhante ao grupo A6, tendo, porém alto LL.
Ambos os grupos são solos de granulometria
fina definidos pela TRB como silte-argilosos.
De acordo com a classificação “SUCS”
(classificação unificada de solos), as amostras
02-A e 02-B são classificadas como “ML”,
sendo um silte de baixa compressibilidade.
Apenas a amostra 02-C é classificada como
“CL”, que corresponde a uma argila de baixa
compressibilidade.
atingir será aproximadamente 1,33 g/cm³. Se o
material for compactado com uma umidade
superior ou inferior a 30% a densidade máxima
não será atingida.
3.1.3 Coeficiente de permeabilidade
Foram estudadas duas situações, a primeira com
uma amostra “indeformada” e a segunda
moldada em laboratório na umidade ótima. Os
valores encontrados de permeabilidade para
esta amostra estão descritos na tabela 3.
Tabela 3: Coeficiente de permeabilidade da amostra 01
Amostra 01
Coeficiente de permeabilidade
(cm/s) K20
Natural
(indeformada)
Compactada
3.2.2 Caracterização mecânica
1,06 E -05
2,76 E -06
Os dados obtidos para as compactações
realizadas nas amostras 02 podem ser
observadas na tabela 5.
Com a leitura da tabela 3, podemos observar
que houve uma diminuição de 3,8 vezes no
valor da permeabilidade se compararmos a
amostra compactada com o valor da amostra
indeformada, ou seja, coletada na jazida e
analisada em estado natural.
Tabela 5: Característica mecânica da amostra 02
Caracteristicas
Densidade seca
máxima (g/cm³)
Umidade ótima (%)
3.2 Amostra 02
Um resumo dos resultados obtidos na
caracterização física da amostra 02 pode ser
observado na tabela 4.
Tabela 4: Características físicas da amostra 02
2A
40
26,2
13,8
95,3
10
A6
2B
41,3
26,6
14,7
96,4
10
A7 -6
2C
41,1
21,9
19,2
96,6
12
A7 -6
1,46
25,5
-2B
Média
1,46
24,6
1,46
25,05
Com base nos resultados podemos concluir
que o material analisado localizado a 1,30 m de
profundidade para atingir a máxima densidade
deve estar com uma umidade próxima a 25%. E
a máxima densidade que este material irá
atingir será aproximadamente 1,46 g/cm³. Se o
material for compactado com uma umidade
superior ou inferior a 25% a densidade máxima
não será atingida.
3.2.1 Caracterização física
Características
LL (%)
LP (%)
IP (%)
% passante # 200
IG
HRB
- 2A
Média
40,8
24,9
15,9
96,1
_
_
3.2.3 Coeficiente de permeabilidade
Para a análise da permeabilidade da amostra 2
também foram estudadas as mesmas situações
impostas para a amostra 1. O primeiro ensaio
foi realizado com uma amostra “indeformada” e
o segundo em laboratório moldada na umidade
ótima.
Os
valores
encontrados
de
permeabilidade para esta amostra estão
descritos na tabela 6.
Uma amostra do solo denominado como
amostra 02 (coletado a 1,30 m de
profundidade), segundo a classificação TRB
está classificada no grupo A6. As outras
amostras estão classificadas como A7-6.
Os solos do grupo A7-6 contêm materiais
com alto valor de IP em relação ao LL, estando
sujeitos a grandes variações de volume.
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Tabela 6: Coeficiente de permeabilidade da amostra 02
Coeficiente de permeabilidade
Amostra 02
(cm/s) K20
Natural (indeformada)
3,78 E -06
Compactada
5,31 E -07
permeabilidade pode ser reduzida em até 7
vezes, se o solo for objeto de compactação
correta. Desta forma pode vir a auxiliar os
técnicos na escolha do material a ser utilizado
nos diversos trabalhos de engenharia.
Sugere-se finalmente que, jazidas ocorrentes
no âmbito de outras formações geológicas, com
suas diversidades intrínsecas, sejam alvo dos
mesmos procedimentos e ensaios utilizados
neste trabalho, tendo em vista que solos
provenientes de rochas diferentes oferecerão
respostas diversas.
Com a leitura da tabela 6, pode-se observar
que houve uma diminuição de 7 vezes no valor
da permeabilidade se compararmos a amostra
compactada com o valor da amostra
indeformada, ou seja, coletada na jazida e
analisada em estado natural.
4
CONCLUSÃO
REFERÊNCIAS
Com base nos ensaios físicos pode-se concluir
que os materiais ensaiados são classificados
como silte-argilosos. O material coletado a 30
cm
de
profundidade
possui
alta
compressibilidade, ao contrário do material
coletado a 1,30m de profundidade, que possui
baixa compressibilidade.
Os ensaios mecânicos de compactação
mostram que o solo coletado a 30 cm de
profundidade necessita maior umidade para
atingir a densidade máxima se comparado com
o material coletado a 1,30 m de profundidade.
Outro fato importante relativo à compactação é
que o material coletado em maior profundidade
atingirá uma densidade máxima 10% maior que
o material coletado em menor profundidade.
Quanto à permeabilidade, observa-se a
influência do efeito da estrutura dos solos
compactados na diminuição da permeabilidade.
Nos ensaios realizados nas amostras
indeformadas, ou seja, na condição natural, sem
compactação o coeficiente de permeabilidade
chega a ser de 4 a 7 vezes maior do que nas
amostras compactadas com umidades ótimas.
Conclui-se, ainda, que o material analisado
coletado a 1,30m de profundidade, se
compactado corretamente, pode atingir 10-7
cm/s, parâmetro este citado e muitas vezes
exigido nos trabalhos de recuperação ambiental
por técnicos dos órgãos fiscalizadores. Assim,
verifica-se a existência de materiais argilosos
com
capacidade
de
minimizar
consideravelmente o contato da água com
materiais reativos.
O índice encontrado indica que a
Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT):
NBR 6457: Amostras de solos - Preparação para
ensaios de compactação e ensaios de caracterização.
Rio de Janeiro, 1986.
____. NBR 14545 – Determinação do coeficiente de
permeabilidade de solos argilosos a carga variável.
Rio de Janeiro, 1984.
____. NBR 6459 – Determinação do Limite de Liquidez.
Rio de Janeiro, 1984.
____. NBR-7180: Determinação do
Plasticidade. Rio de Janeiro, 1984.
Limite
de
____. NBR-7181: Análise granulométrica. Rio de
Janeiro, 1984.
____. NBR-7182: Solo – Ensaio de Compactação. Rio
de Janeiro, 1984.
Brasil. Justiça Federal. 1ª Vara Federal de Criciúma, SC.
Processo nº 2000.72.04.002543-9. Autor: Ministério
Público Federal. Réu: Nova Próspera Mineração S.A.
e outros. Recuperação dos passivos ambientais
decorrentes da mineração de carvão no sul do Estado
de Santa Catarina. Terceiro relatório de
monitoramento
dos
indicadores
ambientais.
Criciúma, set. 2009. 312 p.
Krebs, A.S.J. Contribuição ao conhecimento dos
recursos hídricos subterrâneos da bacia hidrográfica
do Rio Araranguá, SC. Florianópolis, UFSC,
Departamento de geografia, 2004. v.1. 375 p. (Tese
de doutorado).
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