Determinação de curva de retenção de água de geotêxtil não
tecido utilizando ensaio de coluna suspensa.
Marlon José de Lima
Universidade de Brasília, Brasília, Brasil, [email protected]
Ennio Marques Palmeira
Universidade de Brasilia, Brasília, Brasil, [email protected]
Jorge Gabriel Zornberg
University of Texas at Austin, Austin-TX, EUA, [email protected]
RESUMO: O presente trabalho apresenta o resultado de ensaios realizados para obtenção da curva
de retenção de água em amostras de geotêxteis não tecidos com diferentes gramaturas. A curva
característica ou curva de retenção de água é uma forma de compreender o comportamento não
saturado de um geomaterial, sendo a relação entre o grau de saturação, ou umidade volumétrica, e
os valores de sucção. Os ensaios foram realizados na University of Texas at Austin, utilizado
metodologia similar a proposta por Stormont et al. (1997), conhecida como Hanging Column Test,
e traduzida para este trabalho como Ensaio de Coluna Suspensa. Foram ensaiadas amostras de
geotêxteis não tecidos com gramaturas de 200 g/m²; 300 g/m² e 400 g/m². São apresentados os
resultados de cada ensaio e uma análise comparativa entre as curvas de retenção dos três materiais,
principalmente quanto a seu comportamento como barreira a fluxo hidráulico.
PALAVRAS-CHAVE: Geotêxtil, Curva de Retenção de Água, Histerese.
1
INTRODUÇÃO
Com certa frequência geotêxteis são
instalados em obras de terra onde irão trabalhar
com presença ou fluxo de água. Mesmo nestes
casos, o meio onde o geotêxtil está instalado
pode passar longos períodos de tempo em
regime não saturado. Desta forma é importante
ampliar o horizonte de conhecimento sobre
como o geotêxtil se comporta na retenção ou no
transporte de água em um ambiente não
saturado.
Uma das formas de compreender o
comportamento não saturado de um geotêxtil é
determinar a sua curva de retenção de água. A
curva de retenção de água representa a relação
entre a umidade volumétrica (ou o grau de
saturação) e a pressão capilar (ou sucção) de um
material poroso. Esta relação não é única e
muda dependendo se o material está em
processo de secagem ou de molhagem. Bouazza
et al. (2006) afirmam que a curva característica
do geotêxtil é de grande importância para a
modelagem do fluxo transiente de água em
obras de terra que contenham geotêxteis em
condições não saturadas. A curva característica
do geotêxtil pode ser definida como sua
capacidade de armazenamento ou alterações da
quantidade de água em seus poros, quando
sujeito a variação dos valores de sucção.
Para obtenção da curva característica é
necessário submeter o material ensaiado a uma
trajetória de secagem e de molhagem. A
primeira
é
obtida
aplicando
sucção
gradativamente a uma amostra inicialmente
saturada, a fim de observar o comportamento do
material quando da perda de água por
drenagem. A trajetória de secagem segue o
caminho oposto, estando o material com
umidade volumétrica residual é reduzida
gradativamente a sucção imposta no sistema até
que o valor de sucção chegue a zero, sendo
medido o valor de água absorvido pela amostra.
Os ensaios apresentados neste artigo fazem
parte de um trabalho de pesquisa mais amplo
onde o escopo é a utilização de geotêxteis não
tecidos
como
elemento
de
barreiras
evapotranspirativas, para cobertura final de
áreas de armazenamento de resíduos sólidos.
2
DETERMINAÇÃO
DA
CURVA
CARACTERÍSTICA EM GEOSSINTÉTICOS
A curva de retenção de água para um meio
poroso consiste em duas partes: a curva, ou
trajetória, de molhagem e a curva, ou trajetória,
de secagem (Bouazza et al., 2006). A curva de
secagem, obtida pela drenagem da amostra,
inicia com a amostra totalmente saturada,
quando a sucção é próxima de zero.
Dependendo da natureza do material, uma
franja capilar pode ser inicialmente detectada,
quando a umidade permanece constante com o
aumento da sucção. Em determinado ponto da
trajetória de secagem, o material começa a
drenar água e o ar entra nos poros externos de
maior diâmetro, o valor da sucção neste ponto
da trajetória correspondente ao valor entrada de
ar (aev). A partir deste ponto, a umidade
decresce rapidamente com o aumento da sucção
até um valor que permanece aproximadamente
constante com o aumento da sucção.
Estes baixo valor de umidade é referido
como umidade residual. A condição residual
ocorre porque a água se torna oclusa (ou
desconectada) dentro dos poros do material,
sem caminhos disponíveis para o fluxo de água.
Stormont et al. (1997) demonstram que
ocorre histerese na curva característica entre as
trajetórias de secagem e o de molhagem.
Segundo estes autores, a umidade de alguns
tipos de geotêxteis não tecidos não diminui
durante a parte inicial do ramo de secagem da
curva característica, indicando que, uma vez
saturado, alguns geotêxteis podem permanecer
saturados com valores pequenos de sucção.
Zornberg et al., 2010 ao discorrer sobre a
curva de retenção de água, afirmam que
materiais granulares (areia e geotêxtil)
apresentam uma resposta altamente não-linear,
com um significante decréscimo na umidade
(ou grau de saturação) dentro de um intervalo
relativamente estreito de mudança de sucção.
Solos finos mostram, ao contrário, um
decréscimo mais gradual na umidade com o
aumento da sucção. A não linearidade
observada
nestas
relações
é causada
parcialmente pela variedade na distribuição de
poros nestes materiais. Durante a secagem
inicial de um geomaterial completamente
saturado, a pressão negativa na água aumenta,
mas a água não flui para fora do material até
que o valor de sucção correspondente ao valor
de entrada de ar seja alcançado. Quando este
valor é alcançado, ar entra na espécie e a
umidade (ou grau de saturação) decresce.
Outro parâmetro obtido pela curva de
retenção de água é o valor de entrada de água. O
valor de entrada de água, wev, correspondente
ao valor de sucção, medido na trajetória de
molhagem, em que a água começa a ser
absorvida na estrutura do geotêxtil, uma vez
este geotêxtil esteja completamente seco ou
com um grau de saturação residual. A partir do
valor de entrada de água, o material permite que
o ar saia de seus poros, sendo preenchidos por
água em quantidade crescente, de acordo com o
valor da umidade do meio onde está inserido,
podendo ser estabelecido fluxo de água através
do geotêxtil.
Zornberg et al. 2010 afirmam que a curva de
retenção de água pode mostrar significante
diferença entre as trajetórias de secagem e
molhagem, em um fenômeno conhecido com
histerese. Durante a secagem, os poros de
tamanho maior drenam primeiro, seguidos dos
poros menores. Durante a molhagem, os poros
pequenos enchem primeiro, mas a presença de
poros maiores pode impedir alguns dos poros
menores de serem preenchidos.
3
3.1
MATERIAIS E METODOLOGIA
Geossintéticos usados nos ensaios.
Para este estudo foram utilizados geotêxteis
não tecidos, agulhados e de fibra de poliéster.
Foram utilizados três tipos de geotêxteis, com
diferentes gramaturas, com 200 g/m², 300 g/m²
e 400 g/m².
Os geotêxteis não tecidos já estavam
disponíveis no laboratório de geotecnia da
Universidade de Brasília, e foram utilizados em
estudos anteriores como Gardoni (1995) e
Gardoni (2000). Para fins de ilustração os
geotêxteis receberam a nomenclatura G1, G2 e
G3 de acordo com a gramatura. A Tabela 1
apresenta as principais características dos
geotêxteis utilizados. Os valores de df (diâmetro
da fibra de poliéster) e Ksat (condutividade
hidráulica saturada) foram retirados de Gardoni
(2010) e Gardoni (1995), respectivamente.
Tabela 1 - Características físicas dos geotêxteis não
tecidos utilizados (retirados de Gardoni (1995) e Gardoni
(2000)).
Nomenclatura
Gramatura
df
Ksat
(g/m²)
(mm)
(m/s)
G1
200
0,027
0,4
G2
300
0,027
0,4
G3
400
0,027
0,4
valor da sucção aplicada. Quando a amostra está
na mesma linha horizontal do nível de água do
reservatório de água, a sucção é zero, porque
não há diferença de potencial entre os dois
pontos.
A estrutura na qual a câmara foi instalada
permitia impor uma sucção máxima de cerca de
3,5 kPa (aproximadamente 35 cm) o suficiente
para drenar completamente uma amostra
saturada de geotêxtil e obter o ramo de secagem
da curva de retenção de água. A Figura 1
apresenta uma visão geral do equipamento
montado no laboratório de geotecnia da
University of Texas at Austin.
3.2
Equipamento para o Teste de Coluna
Suspensa.
Para a determinação da curva característica
dos geotêxteis não tecidos foi utilizado o ensaio
de coluna suspensa ou Hanging Column Test,
semelhante ao proposto por Stormont et
al.,1997, que consiste em um reservatório de
água em posição fixa e uma câmara onde é
instalada a amostra de geotêxtil.
A câmara onde é instalada a amostra é
composta por um funil de Büchner, com uma
pedra porosa sobre a qual a amostra é instalada.
O sistema é conectado por tubos totalmente
preenchidos
por
água,
garantindo
a
continuidade hidráulica entre o líquido do
reservatório e a pedra porosa do funil de
Büchner, que permanece saturada durante todo
o ensaio.
As amostras de geotêxtil utilizadas no ensaio
tinham diâmetro médio de 5,5 cm e eram
instaladas em um funil de Bunchner com,
aproximadamente, 6 cm de diâmetro. A amostra
ficava em contato direto com a pedra porosa do
funil de Bunchner que era mantida saturada
durante todo o ensaio.
A diferença de altura (h) entre a superfície da
água do reservatório e a face superior da pedra
porosa do funil de Büchner, sobre o qual está
colocada a amostra do geotêxtil representa o
Figura 1 - Equipamento de coluna suspensa utilizado para
medição da curva característica de geotêxteis.
Para manter o contato da amostra com a
superfície da pedra porosa era colocado sobre a
amostra um conjunto com massa de 133 g,
composta por um contrapeso circular em metal
e uma tela circular plástica colocada entre o
contrapeso e a amostra de geotêxtil.
A Figura 2 traz em detalhe o arranjo da
câmara onde é instalado o geotêxtil. O valor de
entrada da pedra porosa do funil de Büchner era
suficientemente alto para que não houvesse
alteração de seu estado saturado bem superior à
sucção máxima que o sistema consegue impor,
de forma que não há entrada de ar na pedra
porosa.
O sistema de contrapeso que mantém o
geotêxtil em contato pleno com a pedra porosa
contribui com uma pressão estimada em 0,55
kPa (549 N/m²).
200 g/m²
A Figura 3 apresenta o resultado do ensaio
de coluna suspensa para o geotêxtil não tecido
com gramatura de 200 g/m². A amostra foi
ensaiada inicialmente com grau de saturação
acima de 93% e a trajetória de secagem foi
obtida impondo gradualmente valores maiores
de sucção, elevando a câmara onde estava a
amostra de geotêxtil.
A cada acréscimo de sucção era aguardado
um período entre 24 e 48 horas para que o
sistema alcançasse o equilíbrio. No fim de cada
estágio a massa da amostra de geotêxtil era
pesada em balança de alta precisão para cálculo
do grau de saturação naquele valor de sucção.
Figura 3 - Curva de retenção de água para geotêxtil não
tecido com gramatura de 200 g/m², considerando a
saturação da amostra.
Figura 2 - Detalhe da câmara do ensaio de coluna
suspensa onde é instalada a amostra ensaiada.
Foram realizados ensaios obtendo a curva de
retenção de água completa, com trajetórias de
secagem e molhagem. A umidade volumétrica é
calculada por pesagem da amostra em balança
de precisão, após cada estágio de mudança de
sucção, relacionando a massa de água presente
com o volume do geotêxtil. O grau de saturação
depende da umidade volumétrica e da
porosidade do geotêxtil.
4
4.1
RESULTADOS
Geotêxtil não tecido com gramatura de
Observa-se que para os primeiros estágios de
sucção já há alguma redução da umidade
volumétrica, porém a curva de secagem fica
mais inclinada a partir de 0,3 kPa. Utilizando
procedimento semelhante ao apresentado por
Bouazza et al., (2006) podemos estimar
graficamente os valores de sucção referenciais
na análise do comportamento hidráulico do
material quando utilizado o ensaio de coluna
suspensa, a saber, os valores de entrada de ar e
valor de entrada de água.
Para se determinar o valor de entrada de ar
traçamos retas dando continuidade ao trecho
inicial da curva de secagem, ao trecho da curva
de secagem com maior inclinação. O encontro
do prolongamento destas duas retas dará o valor
de sucção correspondente ao valor de entrada de
ar Ψaev .
As retas prolongadas estão destacadas em
vermelho, e o ponto de intersecção das retas em
relação ao eixo das abscissas é apresentado
como uma linha pontilhada.
Pelo método gráfico podemos estimar o
valor de entrada de ar Ψaev da amostra de
geotêxtil não tecido de gramatura 200 g/m² em
cerca de 0,95 kPa. Considerando a forma da
curva de molhagem temos que o valor de
entrada de água Ψwev é de aproximadamente 0,1
kPa, ou seja, o material só absorve água em
valores de sucção muito próximos de zero.
O comportamento apresentado pelas
trajetórias de secagem e molhagem, podemos
inferir que, submetido a ciclos de saturação e
dessaturação, o geotêxtil mantém suas
características hidrofóbicas.
4.2
Geotêxtil não tecido com gramatura de
300 g/m²
A Figura 4 apresenta a curva de retenção de
água, obtida pelo ensaio de coluna suspensa,
para o geotêxtil com gramatura de 300 g/m², o
gráfico coloca a sucção em função do grau de
saturação. A amostra começa a ser ensaiada em
um grau de saturação de 100%, com a amostra
saturada. A curva de secagem é obtida
aumentando gradativamente os valores de
sucção a qual a amostra está submetida.
Utilizando o método gráfico, a exemplo de
Bouazza et al. (2006) encontramos um valor de
entrada de ar Ψaev igual a 0,8 kPa para o
geotêxtil com gramatura de 300 g/m².
comportamento hidrofóbico do material.
Na trajetória de molhagem a água só começa
a entrar no material em valores de sucção
próximo de zero quando o solo acima do
geotêxtil não esteja no limite da saturação, o
material se comporta como uma barreira à
passagem da água Ψaev.
4.3
Geotêxtil não tecido com gramatura de
400 g/m²
A Figura 5 apresenta a curva de retenção de
água do geotêxtil não tecido com gramatura de
400 g/m², com a sucção em função da saturação
da amostra. O ensaio inicia com a amostra
saturada a 100 %.
Não foi possível definir um estágio inicial
onde a mudança da sucção não resultasse em
alteração da umidade volumétrica, porém
observa-se que a drenagem da amostra aumenta
quando sistema alcança a sucção equivalente ao
valor de entrada de ar.
Figura 5 - Curva de retenção de água para geotêxtil não
tecido com gramatura de 400 g/m², considerando a
saturação da amostra.
Figura 4 - Curva de retenção de água para geotêxtil não
tecido com gramatura de 300 g/m², considerando a
saturação da amostra.
A trajetória de molhagem do geotêxtil de 300
g/m² apresenta um valor de entrada de água
Ψwev em torno de 0,2 kPa, indicando o
Aplicando o método gráfico, tem o que o
valor de entrada de ar da amostra Ψaev fica em
1,3 kPa, a partir deste ponto temos uma maior
saída de ar para pequenos acréscimos de sucção.
A amostra foi drenada durante o teste até um
valor residual de umidade. Este valor residual
foi obtido por volta de 3,3 kPa.
Na determinação da curva de secagem, temos
poucos pontos medidos nesta parte da trajetória,
isto ocorreu devido ao tempo necessário para a
execução do ensaio, cerca de 24 dias. Os
últimos estágios de sucção do ensaio, referente
a curva de secagem, foram obtidos nas vésperas
do prazo final para o encerramento do período
de testes na University of Texas at Austin.
Considerando o valor de umidade
volumétrica obtido na sucção igual a zero, e as
características hidrofóbicas da amostra de
geotêxtil não tecido, podemos estimar o valor
de entrada de água Ψwev em torno de 0,2 kPa.
Este comportamento parece indicar que o
geotêxtil com gramatura de 400 g/m² tem maior
capacidade de retenção de água, por dispor de
maior volume de poros para manter a umidade
volumétrica, sendo um material mais espesso
que os demais, com espessura estimada em 4
mm.
4.4
Comparativo entre os três geotêxteis
ensaiados.
A Figura 6 traz um comparativo entre as
curvas de retenção de água dos três geotêxteis
ensaiados considerando apenas a trajetória de
secagem, relacionando os valores de sucção
com os valores do grau de saturação.
Figura 6 – Comparativo entre as curvas de retenção de
água das amostras ensaiadas.
O comportamento das trajetórias de secagem
para os três geotêxteis ensaiados, mostra que os
valores iniciais das curvas de secagem, bem
como os valores próximos da saturação residual
apresentam comportamento semelhante.
A drenagem inicial dos três geotêxteis
demonstra uma movimentação gradual da água
saindo da amostra, com o aumento do valor da
sucção, esta velocidade de drenagem aumenta
após o valor de sucção correspondente a entrada
de ar. O geotêxtil com gramatura de 400 g/m²
apresenta valores de saturação maior, em
relação aos demais, nos mesmos estágios de
sucção, indicando sua maior capacidade de
armazenar e reter água.
Analisando a parte final da trajetória de
secagem observamos que o geotêxtil de maior
gramatura, 400 g/m² exige um maior valor de
sucção para alcançar a saturação residual, isto
significa que é necessário aplicar uma sucção
maior para retirar a água dos poros do geotêxtil,
possivelmente por dispor de uma maior
quantidade de poros para armazenamento de
água, devido a seu maior volume.
Considerando a parte central das trajetórias
de secagem, compreendido entre o valor de
entrada de ar Ψaev e os valores de grau de
saturação residual, observamos que, à medida
que o geotêxtil apresenta maior gramatura tem
uma maior umidade volumétrica para o mesmo
valor de sucção, indicando que o material tem
maior capacidade de retenção de água.
4
CONCLUSÕES
Pelos resultados obtidos podemos concluir
que a metodologia proposta por Stormont et al.
(1997), utilizando o equipamento da University
of Texas at Austin, se mostrou adequada para a
obtenção das curvas de retenção de água nos
geotêxteis não tecidos utilizados na pesquisa.
A determinação da curva de retenção de água
é uma informação importante para se
compreender o comportamento hidráulico de
um geotêxtil, principalmente quando irá
trabalhar em um ambiente não saturado, mas
sujeito a variações de fluxo e umidade, como no
caso de barreiras evapotranspirativas.
O comportamento apresentado pelos
diferentes materiais ensaiados demonstrou que
os três geotêxteis têm comportamento
hidrofóbico, com valor de entrada de água
próximo da sucção zero.
Os três materiais apresentaram grande
histerese entre as trajetórias de molhagem e de
secagem, indicando que o geotêxtil consegue
passar de uma situação de saturação para uma
situação de umidade residual com pequena
variação da sucção. E ainda que o
comportamento hidráulico do material seja
altamente dependende da trajetória de fluxo, se
de molhagem ou de secagem.
A alta histerese do material parece indicar
que o seu comportamento hidráulico pode se
manter inalterado após vários ciclos de
molhagem e secagem, sendo o material
adequado para ser utilizado em estruturas
evapotranspirativas como barreiras capilares.
AGRADECIMENTOS
Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento
Científico e Tecnológico-CNPq pelo apoio
financeiro durante a realização do doutorado. À
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de
Nível Superior-CAPES pelo apoio financeiro a
realização do estágio de doutoramento
sanduíche no exterior. À University of Texas at
Austin – UT Austin pelo apoio técnico e
orientação no uso de suas instalações. À
Universidade de Brasília-UnB pelo apoio
durante a realização do doutorado.
REFERÊNCIAS
Bouazza, A., Zornberg, J.G., MCCartney, J.S. &
Nahlawy, H. (2006) Significance of unsaturated
behaviour of geotextiles in earthen structures.
Australian Geomechanics, Vol. 41, p. 133-141.
Gardoni, M.G., (1995). Avaliação da Aplicabilidade de
Ensaios de Laboratório e Critérios de Filtros para
Utilização de Geotêxteis em Solos do Distrito
Federal, Dissertação de Mestrado, Programa de PósGraduação em Geotecnia, Departamento de
Engenharia Civil, Universidade de Brasília, 177 p.
Gardoni, M.G., (2000). Estudo do comportamento dreno
filtrante de geossintéticos sob compressão, Tese de
Doutorado, Programa de Pós-Graduação em
Geotecnia, Departamento de Engenharia Civil,
Universidade de Brasília, 313 p.
Stormont, J., Henry, K. & Evans, T. (1997). Water
retention functions of four nonwoven polypropylene
geotextiles. G.I. 4 (6): 661-672.
Zornberg, J.G., Bouazza, A., and McCartney, J.S. (2010).
“Geosynthetic Capillary Barriers: Current State of
Knowledge.” Geosynthetics International, Vol. 17,
No. 5, p. 273-300.