Avaliação da Utilização da Mistura Solo-Coloide como
Substituta de Resíduos Sólidos Urbanos em Ensaios Edométricos
de Pequenas Dimensões
Leticia Maria Nocko
Universidade Federal do Paraná, Curitiba, Brasil, [email protected]
Eduardo Dell’Avanzi
Egel Engenharia/ Universidade Federal do Paraná, Curitiba, Brasil, [email protected]
RESUMO: A estimativa acurada do desempenho de um aterro sanitário, objetivando melhorar o
aproveitamento do espaço de instalação com garantia da segurança estrutural do aterro durante e
após seu período de operação, passa, obrigatoriamente, pelo desenvolvimento de modelos
matemáticos que descrevam o comportamento mecânico dos resíduos sólidos urbanos (RSU). Esses
modelos visam diagnosticar o potencial de instabilidade da pilha de resíduos considerando o
comportamento mecânico desse material. No entanto, um dos maiores desafios no desenvolvimento
desses modelos é estabelecer metodologias padronizadas para obtenção dos parâmetros utilizados,
visto que os RSU apresentam composição e, consequentemente, comportamento mecânico
diferentes de acordo com o local onde são gerados. Além disso, a realização de ensaios de
laboratório com RSU é muito trabalhosa, devido à falta de homogeneidade e representatividade de
amostras de pequenas dimensões. Visando contornar esse problema, foi desenvolvida uma mistura
de solo e coloide gelatinoso que, ao ser submetida a ensaios triaxiais, simulou de forma satisfatória
o comportamento de RSU quando submetidos a ensaios similares. O objetivo deste trabalho é
analisar o comportamento dessa mistura solo-coloide e avaliar sua capacidade de simular RSU
quando submetida a ensaios edométricos. As amostras de solo-coloide utilizadas nos ensaios foram
preparadas de forma ligeiramente diferente da forma proposta na literatura, para que fosse possível
montar corpos de prova com diversas porcentagens de coloide e, assim, simular resíduos com
diferentes teores de matéria orgânica. Foram realizados ensaios edométricos em corpos de
prova com 26, 38, 43, 47 e 74% de coloide em massa, além de corpos de prova compostos somente
por areia (0% de coloide) e somente por coloide (100% de coloide). Os ensaios foram realizados em
ambiente com temperatura controlada e cada carregamento teve duração de uma hora, de forma que
todo o ensaio fosse feito em um dia, evitando variações no estado de consistência do coloide. Os
resultados forneceram valores de índice de compressão semelhantes aos valores observados na
literatura para RSU. As curvas tensão-deformação apresentaram um comportamento diretamente
relacionado com a porcentagem de coloide contida no corpo de prova, revelando que quanto maior
o teor de coloide, maior é a deformação sofrida pelo corpo de prova e mais próximas as curvas
ficam umas das outras. Além disso, a resposta dos corpos de prova de solo-coloide durante os
ensaios foi semelhante à apresentada por corpos de prova formados por RSU, confirmando a
possibilidade de utilização do solo-coloide como substituto dos RSU na realização de ensaios de
laboratório de pequenas dimensões.
PALAVRAS-CHAVE: Solo-coloide, Ensaio edométrico, Resíduos Sólidos Urbanos
1
INTRODUÇÃO
Segundo o Instituto Brasileiro de Geografia e
Estatística (IBGE) (2010), o Brasil gera
diariamente mais de 250 mil toneladas de
resíduos sólidos, das quais mais de 60% são
destinadas a aterros sanitários. A grande
quantidade de resíduos gerada, quando aliada à
escassez de áreas ambientalmente adequadas
para a instalação de aterros sanitários, faz com
que os aterros recebam cada vez mais resíduos e
atinjam alturas maiores. Essa intensificação do
uso dos aterros sanitários torna o estudo das
propriedades físicas e mecânicas dos resíduos
sólidos urbanos (RSU) ainda mais importante,
uma vez que o conhecimento dessas propriedades
permite obter um melhor funcionamento do aterro,
com melhor aproveitamento do espaço em que
será instalado e garantia de segurança durante e
após o período de operação.
Visando prever áreas de instabilidade
geotécnica e evitar o deslizamento das pilhas de
resíduos, diversos modelos matemáticos têm
sido propostos para descrever o comportamento
dos RSU. Alguns tentam descrever os processos
que ocorrem no interior da pilha de RSU, como
atividade bacteriana, biodegradação e geração de
gases e líquidos, a fim de identificar áreas de
maior geração de poropressão e possibilitar um
melhor dimensionamento dos sistemas de coleta
de efluentes. Outros visam descrever o
comportamento mecânico da pilha de resíduos
como um todo, analisando os parâmetros de
compressibilidade e resistência dos RSU, a fim
de evitar a ruptura da pilha.
No entanto, uma das maiores dificuldades no
desenvolvimento e na calibração desses modelos
é a definição de metodologias padronizadas para
obtenção dos parâmetros utilizados, uma vez
que
a
composição
dos
RSU
e,
consequentemente, seu comportamento variam
dependendo do local em que são gerados. Além
disso, a realização de ensaios de laboratório com
RSU é trabalhosa devido à heterogeneidade do
material, que pode apresentar componentes com
diferentes propriedades e dimensões, e à
dificuldade em se obter amostras de pequenas
dimensões que sejam representativas.
As propriedades dos RSU utilizadas
atualmente são mais comumente obtidas a partir
de retroanálises do material rompido (RIBEIRO
ET AL, 2013; EID ET AL, 2000), de ensaios de
laboratório realizados com RSU triturados, a fim
de possibilitar a montagem de corpos de prova
menores e mais homogêneos (REDDY ET
AL, 2008; REDDY ET AL, 2009; STOLTZ ET
AL, 2012), ou de ensaios de grandes
dimensões, que permitem a utilização de
amostras mais representativas, mas que são mais
caros e lentos que os ensaios padrão
(MATASOVIC E KAVASANJIAN, 1998;
ZEKKOS ET AL, 2007; CARVALHO, 1999).
Devido a essa variedade de metodologias no
preparo de amostras e à variedade na
composição dos RSU, os valores obtidos para
os parâmetros de resistência e compressibilidade
desse material variam consideravelmente.
Carvalho (1999), realizando ensaios triaxiais
com amostras reconstituídas de RSU com 55%
de fração pastosa, encontrou valores de
intercepto coesivo entre 42 e 60 kPa e de ângulo
de atrito interno entre 21 e 27°. Ribeiro et al
(2013), através de retroanálises de superfícies de
ruptura de RSU em modelos reduzidos,
sugeriram valores de intercepto coesivo entre 10
e 20 kPa e de ângulo de atrito entre 28 e 32°
para os resíduos dos aterros brasileiros com
aproximadamente 65% de matéria orgânica.
Gabr e Valero (1995), através de ensaios de
cisalhamento direto com componentes dos RSU
menores que 6,3 mm e sem fração orgânica,
obtiveram valores de intercepto coesivo entre 0
e 27,5 kPa e valores de ângulo de atrito interno
entre 20,5 e 39°. Reddy et al (2009), realizando
ensaios de cisalhamento direto com amostras de
RSU frescos e triturados, com 60% de matéria
orgânica, encontraram valores de intercepto
coesivo entre 31 e 64 kPa e de ângulo de atrito
interno entre 26 e 30°. Quanto aos parâmetros
de compressibilidade, Carvalho (1999) encontrou
índices de compressão primária entre 0,56 e
0,92 e Gabr e Valero (1995) obtiveram valores
entre 0,4 e 0,9. Chen et al (2009), ensaiando
resíduos com diferentes idades e com teor de
matéria orgânica variando entre 20 e 60%,
encontraram valores entre 0,2 e 1,4. E
Nascimento (2007) obteve valores entre 1,46 e
1,59 para resíduo novo, com aproximadamente
40% de fração pastosa, ensaiado em prensa de
adensamento de grandes dimensões.
Na literatura, frequentemente é feita uma
diferenciação entre fração orgânica e fração
pastosa. A fração orgânica é composta por
materiais de origem orgânica e com potencial de
biodegradação. Já a fração pastosa é, de modo
geral, formada por restos alimentares, podas de
jardim, eventuais quantidades de solo de
cobertura, materiais em diferentes estágios de
decomposição e outros de difícil identificação
(NASCIMENTO, 2007; MACHADO ET AL,
2005; CARVALHO, 1999). A inclusão do
termo “fração pastosa” na descrição dos RSU
torna-se necessária principalmente na análise de
resíduos mais antigos, normalmente retirados de
perfurações no aterro. Isso porque quanto mais
antigo for o resíduo, mais difícil torna-se a
diferenciação macroscópica entre a matéria
orgânica em decomposição e o solo de cobertura
e outros materiais incluídos nesse termo.
Buscando entender o comportamento
mecânico dos RSU e propor uma metodologia
padronizada para calibração dos parâmetros de
modelos matemáticos propostos para descrever
esse comportamento, Otsuka et al (2010)
desenvolveram um material composto por areia
e coloide gelatinoso. Esse material permitiu a
simulação de ensaios triaxiais feitos com RSU
(OTSUKA ET AL, 2010; SALES, 2010), com a
vantagem de ter um custo reduzido, apresentar
uma metodologia mais simples de montagem
dos corpos de prova e permitir que os ensaios
fossem feitos com amostras menores, mas
igualmente representativas.
O objetivo deste trabalho é analisar o
comportamento dessa mistura solo-coloide e
avaliar sua capacidade de simular RSU quando
submetida a ensaios edométricos. O ensaio
edométrico é interessante por possibilitar a
caracterização do comportamento de RSU
utilizando amostras de grandes dimensões com
uma execução mais simples e barata que a de
outros ensaios, como, por exemplo, o ensaio de
compressão triaxial.
2
MATERIAIS E MÉTODOS
2.1
Características dos materiais
Anteriormente à moldagem dos corpos de prova
de solo-coloide foi feita a caracterização
tanto do solo quanto do coloide utilizados, a
fim de verificar as propriedades dos materiais
empregados nos ensaios.
O solo utilizado foi uma areia quartzosa,
escolhida por ser um material similar ao
empregado por Otsuka et al (2010) e Sales
(2010) na realização de ensaios triaxiais com
solo-coloide. A Tabela 1 apresenta os
parâmetros obtidos na caracterização do solo.
Tabela 1. Parâmetros de caracterização do solo
Densidade dos grãos
2,66
Coeficiente de permeabilidade
5,5 x 10-5 m/s
Intercepto coesivo
8,6 kPa
Ângulo de atrito
32,8°
O material utilizado para elaboração do
coloide foi colágeno de origem animal,
comercialmente designado como gelatina, sem
açúcar, cor ou sabor. Diferentemente de Otsuka
et al (2010) e Sales (2010), optou-se por utilizar
colágeno sem adição de açúcar para evitar a
variação na resistência da mistura solo-coloide
devido à cristalização do açúcar. O material foi
preparado como sugerido na embalagem do
produto, rendendo 0,5l de coloide para cada
12g de colágeno em pó (um envelope). As
massas específicas obtidas para a mistura foram
de 1,00 g/cm³ a 37°C (no estado líquido) e 1,05
g/cm³ a 3°C (coloide).
2.2
Montagem dos corpos de prova
A metodologia de montagem dos corpos de
prova
empregada
neste trabalho
foi
ligeiramente diferente da utilizada por Otsuka
(2010) e Sales (2010), a fim de se obter corpos
de prova com teores de coloide variando entre
0 e 100% em massa. Visto que diferentes RSU
podem apresentar diferentes idades e
características e, consequentemente, diferentes
porcentagens de matéria orgânica, e sabendo
que o teor de matéria orgânica influencia
consideravelmente a deformabilidade do
resíduo (ZEKKOS ET AL, 2010), essa maior
abrangência de teores de coloide permitiu
simular ensaios com os mais diversos tipos de
RSU. Isso porque na mistura solo-coloide o
solo simula o comportamento da matéria sólida
e mais resistente presente nos RSU e o coloide
simula o comportamento da matéria orgânica,
ou do material pastoso.
Primeiramente, o coloide era preparado e
levado à geladeira até atingir um estado
intermediário entre o estado líquido e o
coloidal. Nesse ponto, era possível acrescentar
a areia sem que o solo decantasse, permitindo
produzir amostras de solo-coloide com diversas
porcentagens de coloide. Assim, quando o
coloide atingia esse estado intermediário era
adicionada uma quantidade de areia prédeterminada para proporcionar o teor de
coloide desejado. O solo e o coloide eram
misturados até a máxima homogeneidade e o
conjunto era levado à geladeira por mais 12
horas, para que toda a mistura atingisse um
estado coloidal.
Quando a mistura atingia o estado esperado,
o anel de adensamento era cravado na amostra e
suas superfícies eram niveladas, produzindo
corpos de prova do tamanho exato (76,37 mm
de diâmetro e 20 mm de altura) (Figura 1).
Figura 1. Corpo de prova constituído por solo-coloide
com 43% em massa de coloide.
Para verificação do teor de coloide de cada
corpo de prova foi desenvolvida a Equação (1),
que fornece a massa de coloide no corpo de
prova (Mg1) em função das massas específicas
do coloide (ρg), dos grãos do solo (ρs) e da
mistura solo-coloide em questão (ρsc), e da
massa de coloide que ocupa o volume total do
anel de adensamento (Mg2).
(1)
Os valores de Mg2, ρg e ρs foram obtidos na
caracterização dos materiais e o valor de ρsc
era obtido para cada corpo de prova a partir da
relação entre sua massa e o volume interno do
anel de adensamento. A dedução dessa equação
pode ser encontrada em Nocko (2013).
O teor de coloide foi definido como a
porcentagem em massa de coloide contida no
corpo de prova. Isso porque, ao trabalhar com
RSU, a caracterização do resíduo a partir das
porcentagens em massa dos componentes é
mais rápida e precisa que a partir das
porcentagens em volume.
Foram montados corpos de prova com
26%, 38%, 43%, 47% e 74% de coloide, além
de corpos de prova compostos somente por
areia (0% de coloide) e somente por coloide
(100% de coloide).
2.3
Ensaios edométricos
Os ensaios edométricos foram realizados com
carregamentos a cada 1 hora. O tempo de
duração dos carregamentos foi escolhido para
que todo o ensaio pudesse ser realizado em um
único dia, de forma a evitar variações no estado
físico do coloide, e consequentemente na sua
resistência, por ficar muito tempo fora da
refrigeração. De modo a minimizar a
mudança na consistência do coloide, todos os
ensaios foram realizados em laboratório com
temperatura controlada, mantida entre 15 e 20°C.
Os corpos de prova com maiores teores de
coloide foram submetidos a carregamentos
iniciais menores, uma vez que, devido ao
grande volume de coloide, apresentavam
menor resistência. Para teores de coloide
maiores que 40%, a aplicação de grandes
carregamentos iniciais provocou a ruptura do
corpo de prova com vazamento de grandes
quantidades de material, descaracterizando o
ensaio.
Para altos teores de coloide (74% e 100%),
devido aos menores incrementos de
carregamento, o número de carregamentos foi
maior, não havendo tempo, no período de um
dia, para a realização dos estágios de
descarregamento e recarregamento.
3
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Figura 2 apresenta as curvas índice de vazios
x tensão (escala log) obtidas para cada ensaio
realizado. Comparando as curvas é possível
confirmar que, devido à amostra ser composta
somente por coloide e solo, quanto maior o teor
de coloide do corpo de prova, maior o seu índice
de vazios inicial.
6.0
Índice de vazios
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
0.1
1.0
10.0
Tensão (kPa)
Areia seca - 0% de coloide
38% de coloide
47% de coloide
100.0
1000.0
26% de coloide
43% de coloide
74% de coloide
Figura 2. Curvas índices de vazios x tensão obtidas
para diversos teores de coloide.
Também foi possível perceber a influência
do teor de coloide na deformabilidade do corpo
de prova, ao observar que os corpos de prova
com maior teor de coloide apresentaram maior
redução nos seus índices de vazios ao longo do
ensaio. De acordo com Zekkos et al (2010), essa
maior deformabilidade também foi observada
em RSU com maior teor de matéria orgânica,
quando comparados com material com menor
teor de matéria orgânica.
A curva índice de vazios x tensão do corpo
de prova com 100% de coloide não foi gerada,
visto que sem sólidos na amostra não há sentido
em calcular seu índice de vazios.
Observou-se que o índice de vazios da
amostra com 26% de coloide foi menor que o
da amostra de areia seca. A razão mais provável
para essa diferença é que a amostra de areia
seca foi preparada com uma configuração fofa,
característica não controlada no preparo da
mistura do solo com o coloide. Outro fator que
pode ter influenciado é o fato do coloide, assim
como a água, se contrair com redução da
temperatura até 4°C. Isso reduz o volume de
coloide, induzindo uma aproximação das
partículas sólidas e consequente diminuição do
volume de vazios da amostra.
A Tabela 2 apresenta os valores dos
índices de compressão primária (Cc) e
expansão (Cs) obtidos para os corpos de prova
ensaiados, bem como os valores de índice de
vazios inicial apresentados pelos corpos de
prova. Os valores de índice de compressão
primária obtidos, entre 0,055 e 0,999,
encontram-se dentro da faixa de valores
obtidos em ensaios realizados com RSU.
Assim como observado na literatura, esses
valores apresentam uma tendência de
crescimento com o aumento do teor de coloide.
Os valores mais baixos, obtidos para corpos de
prova com 0 e 26% de coloide, são menores
que os valores mais comumente encontrados na
literatura. Isso ocorre porque os resíduos
ensaiados geralmente são frescos ou com alto
teor de matéria orgânica, resultando em maior
compressibilidade das amostras. As amostras
com 0 e 26% de coloide simulam RSU sem
sem matéria orgânica, ou com uma
porcentagem mais baixa desse componente
(26%).
Por não ter sido submetido a um estágio de
descarregamento, o corpo de prova com 74%
de coloide não teve seu índice de expansão
calculado. O corpo de prova composto por
100% de coloide não teve seus parâmetros
calculados por não apresentar partículas sólidas
na sua composição, o que impediu o cálculo do
seu índice de vazios.
Tabela 2. Valores de índices de compressão e expansão e
índice de vazios obtidos para os corpos de prova ensaiados.
Índice de
Índice de
Índice de
compressão
vazios
expansão
Amostra
primária
inicial
(Cs)
(Cc)
(e0)
0% de coloide
0,055
0,006
0,917
26% de coloide
0,150
0,019
0,791
38% de coloide
0,510
0,046
1,304
43% de coloide
0,724
0,052
1,562
47% de coloide
0,656
0,221
1,657
74% de coloide
0,999
5,716
100% de coloide
-
Na Figura 3 são apresentadas as curvas
tensão x deformação obtidas nos ensaios. A
análise do gráfico mostra que o comportamento
das
curvas
depende
diretamente
da
porcentagem de coloide contida no corpo de
prova e que quanto maior é esse teor de
coloide, maior é a deformação sofrida pelo
corpo de prova e mais próximas as curvas
ficam uma da outra. Esse comportamento,
obtido em ensaios edométricos com solocoloide, é semelhante aquele obtido em ensaios
realizados com RSU (BABU ET AL, 2010;
REDDY ET AL, 2011).
180
160
140
Tensão (kPa)
120
100
80
60
40
20
0
0.00
0.05
Areia seca
47% coloide
0.10
0.15
0.20
Deformação
26% coloide
74% coloide
0.25
38% coloide
100% coloide
0.30
0.35
43% coloide
Figura 3. Curvas tensão x deformação obtidas para
diversos teores de coloide.
4
CONCLUSÕES
Foram realizados ensaios edométricos com
solo-coloide visando avaliar a capacidade desse
material de simular o comportamento de RSU
quando submetidos aos mesmos ensaios. Os
valores de índice de compressão primária
obtidos encontram-se dentro da faixa de
valores observados na literatura para RSU.
Além disso, as curvas índice de vazios x tensão
e tensão x deformação mostram que a
deformabilidade é maior em corpos de prova
com maior teor de coloide, o que condiz com o
comportamento observado na literatura para
RSU com maior teor de matéria orgânica.
Esses resultados confirmam a possibilidade de
utilização da mistura solo-coloide como substituta
dos RSU em ensaios de laboratório de pequenas
dimensões, a fim de se verificar o comportamento
dos materiais quanto à sua deformabilidade.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a CAPES pela concessão
de bolsa de mestrado ao primeiro autor e ao
CNPq pelo apoio ao segundo.
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