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ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA ADIÇÃO DE BENTONITA EM UM SOLO ARENO-
SILTOSO PARA USO COMO COBERTURA DE ATERROS
Katia Huse
DISSERTAÇÃO 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., LD.
________________________________________________
Prof. Otto Corrêa Rotunno Filho, Ph.D.
________________________________________________
Prof. Mauricio Erhlich, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Luiz Antonio Bressani, Ph. D.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
DEZEMBRO DE 2007
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ii
HUSE, KATIA
Estudo da Influência da Adição de Bentonita
em um Solo Areno-Siltoso para Uso como
Cobertura de Aterros [Rio de Janeiro] 2007
XII, 126 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M.Sc.,
Engenharia Civil, 2007)
Dissertação - Universidade Federal do Rio de
Janeiro, COPPE
1. Aterro de Resíduos Sólidos
2. Camada de Cobertura de Aterros
3. Bentonita
I. COPPE/UFRJ II. Título ( série )
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iii
AGRADECIMENTOS
Agradeço a meus pais, por me ensinarem e me ajudarem a caminhar.
Aos professores Cláudio Mahler e Otto Rotunno, pela orientação dada durante o
desenvolvimento deste trabalho.
Obrigada a Geo-família por me receber de braços abertos e estar sempre disposta a me
ajudar. Agradecimento especial a Sérgio Iório pelo carinho e pela dedicação, além de
nunca desanimar, mesmo quando eu mesma não sabia mais como seguir.
Aos Geo-amigos, em especial Ronaldo Izzo, pelo apoio e estímulo e Vinícius Guedes,
sempre contando uma novidade e me fazendo rir.
Ao Quarteto Fantástico, pelas horas de descontração no meio de tanta canseira e tanto
desespero. Sempre lembrarei desses momentos.
Obrigada aos amigos e professores que me ajudaram por todos esses anos.
À Bentonit União Nordeste S.A. e à S.A. Paulista.
Ao CNPq e à Fundação Coppetec pelo apoio financeiro.
iv
Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)
ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA ADIÇÃO DE BENTONITA EM UM SOLO ARENO-
SILTOSO PARA USO COMO COBERTURA DE ATERROS
Katia Huse
Dezembro/2007
Orientadores: Cláudio Fernando Mahler
Otto Corrêa Rotunno Filho
Programa: Engenharia Civil
A contaminação do solo e da água pode ser minimizada ou evitada através de um
sistema de cobertura e de base impermeável em aterros sanitários. A camada de
cobertura, ao ser impermeável, impede a penetração de precipitação de chuva, que leva a
diminuição do volume de chorume ou lixiviado coletado e de gás produzido no aterro
sanitário. Este estudo apresenta resultados de análises realizadas no solo usado como
camada de cobertura no aterro de Nova Iguaçu, RJ, Brasil, considerando o uso de
bentonita sódica adicionada ao solo. Em termos metodológicos, realizaram-se,
inicialmente, ensaios de condutividade hidráulica visando identificar o adequado
percentual de bentonita a ser adicionada ao solo que compõe o aterro estudado. Na
seqüência, concebeu-se o desenvolvimento de um novo equipamento que permitisse a
medição integrada de variação volumétrica, umidade, sucção e temperatura do solo.
Cumpridas essas etapas, foi possível analisar a influência da adição de bentonita ao solo
estudado.
Os resultados indicaram as vantagens da adição de bentonita sódica em pequenas
proporções e as qualidades do equipamento desenvolvido.
v
Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)
STUDY OF THE INFLUENCE OF THE ADDITION OF BENTONITE TO A SANDY-
SILTE SOIL USED AS LANDFILL COVER
Katia Huse
December/2007
Advisors: Cláudio Fernando Mahler
Otto Corrêa Rotunno Filho
Department: Civil Engineering
Soil and water contamination can be minimized or avoided by means of a
waterproof system at the bottom and at the top of a landfill. The waterproof cover system
prevents the penetration of rainwater, which leads to a decrease in the leachate collected
and gas volume produced in the landfill. This work analyses the top layer used in the
landfill of Nova Iguaçu, RJ, Brazil, considering the use of sodic bentonite in the mixture
with the soil. The methodology consisted first of analysing the permeability aiming for
identifying the adequate percentage of bentonite to be added to the soil that composes the
studied cover. The next step was to conceive the development of a new equipment so that
it allowed the integrated measurement of soil characteristics such as volumetric variation,
humidity, suction and temperature. Finally, it was possible to analyze the influence of the
addition of bentonite to the studied soil.
The results showed the benefits of the addition of sodic bentonite in small
proportions and the quality of the equipment developed.
vi
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO: ............................................................................................................ 1
1.1 Objetivo e Organização do Trabalho: ....................................................................... 5
2. CAMADA DE COBERTURA ...................................................................................... 8
2.1 Componentes da Camada de Cobertura .................................................................... 8
2.2 Uso de Solo na Camada de Cobertura ..................................................................... 10
2.3 Importância da Camada de Cobertura ..................................................................... 11
2.4 Problemas dos Sistemas de Camadas de Cobertura ................................................ 11
2.5 Alguns Tipos de Sistema de Camada de Cobertura ................................................ 12
2.5.1 Sistema Convencional ...................................................................................... 12
2.5.2 Barreiras Capilares ........................................................................................... 13
2.5.3 Coberturas Evapotranspirativas........................................................................ 14
2.6 Algumas Normas ..................................................................................................... 15
2.6.1 Norma Brasileira .............................................................................................. 15
2.6.2 Norma dos EUA ............................................................................................... 16
2.6.3 Norma Alemã ................................................................................................... 21
3. ÁGUA NO SOLO ........................................................................................................ 24
3.1 Fases Constituintes do Solo Não Saturado .............................................................. 24
3.2 Sucção ..................................................................................................................... 25
3.2.1 Componentes da Sucção................................................................................... 26
3.3 Curva de Retenção de Água no Solo ....................................................................... 27
3.3.1 Fatores que Afetam a Curva de Retenção ........................................................ 30
3.3.2 Modelagem da Curva Característica ................................................................ 32
3.4 Trincas no Solo ........................................................................................................ 36
3.5 Balanço Hídrico ....................................................................................................... 38
3.5.1 Infiltração de Água no Solo ............................................................................. 40
3.5.2 Lixiviado .......................................................................................................... 40
3.5.3 Importância e Problemas .................................................................................. 41
vii
3.5.4 Fatores que Afetam o Balanço Hídrico ............................................................ 42
3.5.5 Tipos de Modelos ............................................................................................. 43
4. ADIÇÃO DE BENTONITA AO SOLO UTILIZADO COMO CAMADA DE
COBERTURA ................................................................................................................. 46
5. MATERIAIS E MÉTODOS ....................................................................................... 56
5.1 Aterro Sanitário da Central de Tratamento de Resíduos (CTR) Nova Iguaçu ........ 57
5.1.1 A CTR Nova Iguaçu ......................................................................................... 57
5.1.2 Solo da CTR Nova Iguaçu ............................................................................... 59
5.1.3 Características dos Resíduos da CTR Nova Iguaçu ......................................... 64
5.2 Bentonita ................................................................................................................. 67
5.3 Metodologia ............................................................................................................ 68
5.4 Equipamentos Utilizados ......................................................................................... 73
5.4.1 Geotermômetro................................................................................................. 73
5.4.2 Tensiômetro ...................................................................................................... 74
5.4.3 Sistema de Aquisição de Dados ....................................................................... 76
5.4.4 Balança ............................................................................................................. 77
5.5 Ensaio de Ressecamento Livre ................................................................................ 78
5.5.1 Preparação e Montagem do Ensaio .................................................................. 79
5.6 Recomendações ....................................................................................................... 85
6. RESULTADOS ............................................................................................................ 87
6.1 Ensaio de Ressecamento Livre ................................................................................ 87
6.1.1 Sucção .............................................................................................................. 87
6.1.2 Umidade Versus Variação Volumétrica ........................................................... 92
6.1.3 Temperatura ................................................................................................... 100
6.1.4 Ressecamento ao Ar ....................................................................................... 100
6.2 Curva Característica .............................................................................................. 102
6.2.1 Tamanho Proctor ............................................................................................ 102
6.2.2 Tamanho CBR ................................................................................................ 103
6.2.3 Aplicação do Modelo de Van Genuchten ...................................................... 104
6.3 Discussões ............................................................................................................. 109
7. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ............................................................... 111
viii
7.1 Conclusões ............................................................................................................ 111
7.2 Recomendações ..................................................................................................... 112
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................ 114
ANEXO A ....................................................................................................................... 122
ix
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Esquema do sistema convencional de cobertura ............................................... 12
Figura 2: Esquema de barreiras capilares .......................................................................... 13
Figura 3: Esquema de cobertura evapotranspirativa ......................................................... 14
Figura 4: Componentes de um possível sistema de cobertura final em aterro sanitário ... 16
Figura 5: Sistema de cobertura final para camada dupla ou camada composta ............... 19
Figura 6: Sistema de cobertura final para camada simples de argila – ............................. 19
Figura 7: Sistema de cobertura final para camada simples de argila em .......................... 20
Figura 8: Sistema de cobertura final para camada simples sintética – .............................. 20
Figura 9: Sistema de cobertura final para cobertura natural – .......................................... 21
Figura 10: Esquema para sistema de cobertura de acordo com norma alemã ................... 22
Figura 11: Elemento de solo não saturado com fase contínua de ar – .............................. 25
Figura 12: Característica da curva de retenção ................................................................ 29
Figura 13: Representação esquemática das curvas de retenção para diferentes tipos de
solo ................................................................................................................................... 30
Figura 14: Representação do comportamento do solo durante ciclos de secamento e
umedecimento ................................................................................................................... 37
Figura 15: Esquema do balanço hídrico em um aterro ...................................................... 39
Figura 16: Curva de trincamento do solo e pontos de transição, de acordo com o modelo
exponencial de trincamento ............................................................................................... 50
Figura 17: Mapa de localização de Nova Iguaçu e da CTR Nova Iguaçu ........................ 57
Figura 18: Aterro CTR Nova Iguaçu ................................................................................. 58
Figura 19: Vista construção CTR Nova Iguaçu ............................................................... 59
Figura 20: Curva granulométrica do solo da CTR – Nova Iguaçu .................................... 60
Figura 21: Gráfico de compactação do tipo Proctor normal para o solo SA Paulista ....... 61
Figura 22: Curvas de retenção de água no solo ................................................................. 63
Figura 23: Determinação do peso específico dos resíduos pelo método da cava – .......... 64
Figura 24: Curva granulométrica do Permagel ................................................................. 67
Figura 25: Condutividade Hidráulica versus % de bentonita ............................................ 69
Figura 26: Comparação da granulometria do solo SA Paulista e SA Paulista 5% ............ 70
x
Figura 27: Gráfico de compactação do tipo Proctor normal para o solo SA Paulista 5% 71
Figura 28: Desenho esquemático do aparelho desenvolvido para o ensaio de ressecamento
livre .................................................................................................................................... 72
Figura 29: (a)Copo em acrílico e (b)base metálica ........................................................... 73
Figura 30: Geotermômetro ................................................................................................ 74
Figura 31: Transdutor de pressão ...................................................................................... 75
Figura 32: Copo de acrílico com pedra porosa ................................................................. 76
Figura 33: Dispositivo armazenador de dados - modelo Agilent ...................................... 77
Figura 34: Balança ............................................................................................................ 78
Figura 35: (a)Conjunto no vácuo e (b)depois submerso ................................................... 79
Figura 36: (a)Saturação do reservatório do transdutor e (b) acoplagem do transdutor ao
copo de acrílico ................................................................................................................. 80
Figura 37: Montagem tri-partido – tamanho Proctor ........................................................ 81
Figura 38: Montagem tri-partido – tamanho CBR ............................................................ 81
Figura 39: Pasta de solo colocada no tensiômetro ............................................................ 82
Figura 40: Detalhe tensiômetro e termômetro ................................................................... 83
Figura 41: CP envolto pela membrana .............................................................................. 83
Figura 42: Encamisador .................................................................................................... 84
Figura 43: Ensaio de ressecamento livre ........................................................................... 84
Figura 44: Comparação da sucção para os corpos de prova do tamanho Proctor, variando-
se a porcentagem de bentonita adicionada ao solo ............................................................ 88
Figura 45: Comparação da sucção para os corpos de prova do tamanho CBR, variando-se
a porcentagem de bentonita adicionada ao solo ................................................................ 89
Figura 46: Comparação da sucção para solo SA Paulista no tamanho Proctor e no
tamanho CBR .................................................................................................................... 90
Figura 47: Comparação da sucção para solo SA Paulista 5% no tamanho Proctor e no
tamanho CBR .................................................................................................................... 91
Figura 48: Comparação da sucção para solo SA Paulista 10% no tamanho Proctor e no
tamanho CBR .................................................................................................................... 91
Figura 49: Variação de umidade versus variação volumétrica para o solo ....................... 92
Figura 50: Variação de umidade versus variação volumétrica para o solo ....................... 93
xi
Figura 51: Variação de umidade versus variação volumétrica para o solo ....................... 93
Figura 52: Comparação entre variação de umidade versus variação volumétrica para o
tamanho Proctor ................................................................................................................ 95
Figura 53: Variação de umidade versus variação volumétrica para o solo ....................... 96
Figura 54: Variação de umidade versus variação volumétrica para o solo ....................... 97
Figura 55: Variação de umidade versus variação volumétrica para o solo ....................... 97
Figura 56: Comparação entre variação de umidade versus variação volumétrica para o
tamanho CBR .................................................................................................................... 99
Figura 57: Diferença de cor entre corpos de prova do tamanho Proctor ......................... 101
Figura 58: Diferença de cor entre corpos de prova do tamanho CBR ............................ 102
Figura 59: Comparação da curva característica para os corpos de prova do tamanho
Proctor, variando-se a porcentagem de bentonita adicionada ao solo ............................. 103
Figura 60: Comparação da curva característica para os corpos de prova do tamanho CBR,
variando-se a porcentagem de bentonita adicionada ao solo .......................................... 104
Figura 61: Comparação entre a curva característica obtida e a calculada pelo modelo de
Van Genuchten (1980) para o solo SA Paulista .............................................................. 105
Figura 62: Comparação entre a curva característica obtida e a calculada pelo modelo de
Van Genuchten (1980) para o solo SA Paulista 5% ........................................................ 106
Figura 63: Comparação entre a curva característica obtida e a calculada pelo modelo de
Van Genuchten (1980) para o solo SA Paulista 10% ...................................................... 106
Figura 64: Comparação entre a curva característica obtida e a calculada pelo modelo de
Van Genuchten (1980) para o solo SA Paulista .............................................................. 107
Figura 65: Comparação entre a curva característica obtida e a calculada pelo modelo de
Van Genuchten (1980) para o solo SA Paulista 5% ........................................................ 108
Figura 66: Comparação entre a curva característica obtida e a calculada pelo modelo de
Van Genuchten (1980) para o solo SA Paulista 10% ...................................................... 108
xii
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Camadas do sistema de cobertura final ............................................................. 15
Tabela 2: Camadas do sistema de cobertura final ............................................................. 17
Tabela 3: Sistema de cobertura final mínimo recomenda ................................................. 18
Tabela 4: Projeto de cobertura padrão para aterros classe I e II – .................................... 23
Tabela 5: Proposições para Modelagem da Curva Característica ..................................... 33
Tabela 6: Fatores que influenciam a condutividade hidráulica da camada de argila
compactada ........................................................................................................................ 47
Tabela 7: Composição granulométrica do solo da CTR - Nova Iguaçu ............................ 60
Tabela 8: Características geotécnicas do solo da CTR – Nova Iguaçu ............................. 60
Tabela 9: Capacidade de campo do solo SA Paulista ....................................................... 64
Tabela 10: Condutividade hidráulica para RSU de diversos estudos – ............................. 66
Tabela 11: Composição granulométrica do Permagel ....................................................... 68
Tabela 12: Características geotécnicas do Permagel ......................................................... 68
Tabela 13: Composição granulométrica do solo SA Paulista 5% ..................................... 70
Tabela 14: Características geotécnicas do solo SA Paulista 5% ....................................... 70
1
1. INTRODUÇÃO:
A produção de resíduos é uma característica ligada a toda atividade humana. Com o
crescente aumento da população e da industrialização, essa produção tende a ser cada vez
maior. Mesmo com a gradativa conscientização da sociedade, que passa a reduzir,
reutilizar e reciclar, sempre restam resíduos a serem dispostos no meio físico.
Seguindo essa conscientização, alguns países criam grupos com o intuito de reduzir o
volume de resíduos produzidos. A União Européia, por exemplo, possui diretrizes que
devem ser utilizadas como referência para os países membros.
Na Alemanha, foi fundado, em 1990, o “Der Grüne Punkt – Duales System Deutschland
GmbH” (Ponto Verde –Sistema Dual), que possui em torno de 600 sócios, entre empresas
do comércio, indústria de produtos de consumo e de embalagens e fornecedores de
matérias primas. O Ponto Verde segue a premissa da lei das embalagens, de 12 de junho
de 1991, que tem como objetivo reduzir o volume total do lixo, obrigando o comércio e a
indústria a aceitarem a devolução e a reutilização das embalagens de venda e transporte.
No caso das embalagens de venda, a lei das embalagens oferece aos fabricantes e aos
comerciantes a possibilidade de recorrerem aos serviços de terceiros, ou seja, ao Sistema
Dual, para cumprimento das obrigações específicas dessa lei. (http://www.gruener-
punkt.de).
O Ponto Verde tem como objetivo minimizar a utilização excessiva de embalagens e
reaproveitar os materiais existentes nas embalagens comerciais, produzir matérias-primas
secundárias e reintroduzi-las no ciclo de materiais recicláveis. Com essas medidas, houve
queda do consumo per capita de embalagens comerciais de 94,7kg em 1991 para 82,3kg
em 1997. Essa marca (Ponto Verde) informa ao consumidor sobre o fato de que, nas
embalagens em que a marca se encontra impressa, o fabricante da embalagem ou
engarrafador pagou ao Sistema Dual uma retribuição de licença, com a qual são
financiados o recolhimento e separação das embalagens, correspondente aos custos que
incidem efetivamente sobre a eliminação das embalagens. O valor a ser pago depende do
2
material utilizado, do peso e da quantidade a ser recolhida (http://www.gruener-
punkt.de).
Nas últimas décadas, ocorreu no Brasil o aumento da conscientização em relação à
reciclagem. Podemos citar o surgimento de cooperativas de catadores de lixo e as
associações que visam à conscientização da população quanto à reciclagem dentro dos
preceitos do gerenciamento integrado do lixo.
Segundo dados da COMLURB (Companhia Municipal de Limpeza Urbana) (2007), no
Município do Rio de Janeiro, a título de ilustração, a média diária de lixo domiciliar foi
de 4,01 ton/dia e 3,187 ton/dia de lixo público em 2005, segundo os quais 20% são
potencialmente recicláveis. A coleta seletiva foi definida para o Município do Rio de
Janeiro na Lei Municipal de Limpeza Urbana nº 3273, de 06 de setembro de 2001.
Segundo essa lei, caberá à população separar o lixo em casa, estabelecendo multa aos
infratores. (COMLURB, 2007). A coleta seletiva já existe em alguns bairros do Rio de
Janeiro, mas a separação do lixo ainda não é obrigatória, não havendo ainda a aplicação
da multa aos infratores de tal lei.
Mesmo com a crescente preocupação da população e dos governos em reduzir a produção
de resíduos, sempre são necessárias áreas para a disposição do que não pode ser mais
utilizado. Esses resíduos podem ser dispostos em aterros controlados e sanitários, que
seguem critérios rígidos de engenharia e normas operacionais específicas, a fim de
minimizar impactos ambientais que podem vir a ocorrer em decorrência de tal disposição,
como a contaminação dos solos e das águas superficiais e subterrâneas, além do aumento
de doenças relacionadas à poluição ambiental, entre outros.
O problema da contaminação dos solos e das águas é de extrema importância, pois coloca
em risco a população, que é abastecida com a água dos mananciais, que é suprida, em
última instância, pelas águas subterrâneas. Com o intuito de se impedir tal contaminação,
são desenvolvidos métodos para evitar e/ou minimizar a infiltração de precipitado na
massa de resíduos e a infiltração do chorume, ou aqui chamado de lixiviado, no solo, e,
3
conseqüentemente, nas águas subterrâneas. Os sistemas de impermeabilização de
cobertura e de fundo desempenham tais funções, respectivamente. Além disso, devem ser
construídos drenos tanto para a água precipitada quanto para o lixiviado gerado. A água
precipitada deve ser conduzida diretamente ao sistema de águas pluviais, enquanto o
lixiviado deve ser drenado para um tanque, e, se possível, tratado, diminuindo assim seu
poder de contaminação.
Os modelos de cálculo de balanço hídrico usualmente pressupõem que a camada de
cobertura é homogênea e isotrópica, isto é, suas características não mudam ao se alterar a
profundidade ou o local da superfície em análise. Sabe-se que solos naturais, mesmo
quando provenientes de uma mesma jazida, possuem diferenças espaciais. Para amostras
de locais distintos, serão encontradas alterações de composição granulométrica, e a
condutividade hidráulica é sensível a tal mudança. A curva característica de retenção do
solo também pode apresentar considerável variação para amostras coletadas em pontos
distintos, e, mesmo assim, vários códigos computacionais adotam a curva característica
como sendo única para solos de uma mesma área.
Concentrando-se a análise no parâmetro de condutividade hidráulica do solo, observa-se
que os programas computacionais de simulação do comportamento e escoamento no solo
adotam, na maioria das vezes, uma condutividade hidráulica média para as camadas
analisadas. Mesmo para solos aparentemente intactos e relativamente homogêneos, a
constatação da variabilidade espacial da condutividade hidráulica pode vir a ser
especialmente significativa. Pode-se, então, imaginar a dificuldade de se obter valores
representativos ou efetivos ou médios de condutividade hidráulica do solo quando a
camada em questão apresenta caminhos preferenciais, como ocorre com a camada de
cobertura de um aterro sanitário.
Os caminhos preferenciais podem ser conseqüência da presença de animais, de
vegetação, onde as raízes levam a tais caminhos, e também da formação de trincas,
geradas por sucessivos ciclos de umedecimento e ressecamento aos quais tal camada está
submetida.
4
Nos Estados Unidos e na Alemanha, existem leis que definem, de forma clara, como os
resíduos devem ser dispostos, de acordo com sua classificação e com a forma de
disposição que será adotada. O Brasil ainda carece de leis que abranjam tal assunto,
existindo apenas recomendações que são seguidas por consenso.
No Brasil, para os lixões e aterros, já existentes, que não possuem características
adequadas de disposição de resíduos, deve-se melhorar a impermeabilização do sistema
de cobertura com a utilização se um solo de qualidade, de geomembranas, geotêxteis,
adição de bentonita ao solo de cobertura, ou até por meio do uso conjunto de tais
alternativas. Estudos sobre a contaminação de solos e seus mecanismos e de alternativas
para sistemas de impermeabilização são cada vez mais explorados e ganham relevância
devido a necessidade de segurança, a longo prazo, exigida para sistemas de
impermeabilização de aterros.
Em particular, a adição de bentonita ao solo vem se mostrando uma boa alternativa para
os sistemas de impermeabilização (Hoeks et al., 1987, Egloffstein, 2001), tanto de
cobertura como de fundo, por ser um material de baixa condutividade hidráulica,
melhorando as características do solo ao qual é adicionada, além de ter característica
expansiva, interessante quando se leva em conta que trincas formadas em camadas de
impermeabilização levam ao aumento da condutividade hidráulica e até à perda de função
de tal camada.
Nesse contexto, o presente trabalho explora o emprego da bentonita como uma alternativa
em sistemas de impermeabilização aplicável em lixões e em aterros sanitários, com
especial enfoque na análise da camada de cobertura desses empreendimentos. Na
seqüência do texto, detalha-se o objetivo desta pesquisa.
5
1.1 Objetivo e Organização do Trabalho:
Este trabalho tem como objetivo analisar a influência da adição de bentonita sódica a
solos utilizados como camada de cobertura de aterros de resíduos sólidos urbanos. Para
tanto, foi feita a análise do solo utilizado como camada de cobertura no aterro sanitário de
Nova Iguaçu, RJ, Brasil, considerando o uso de bentonita sódica, comercialmente
conhecida como “Permagel”, adicionada ao solo. Foram realizados ensaios de
condutividade hidráulica com variadas porcentagens de bentonita adicionada ao solo para
se saber a partir de que porcentagem a condutividade hidráulica passava a ser inferior
àquela recomendada no Brasil. Conduziu-se, então, a análise granulométrica e
determinação de limites de Atterberg. Os resultados foram comparados ao solo sem
adição de bentonita.
Para se analisar a influência da adição de bentonita ao solo, foi desenvolvido, no
Laboratório de Geotecnia – COPPE – UFRJ, um equipamento especial que mede a
variação volumétrica, a sucção, a temperatura do topo e da base do corpo de prova e a
umidade do solo, de forma indireta. Com o uso desse equipamento, ensaios com dois
tipos de corpo de prova – tamanho utilizado na compactação tipo Proctor Normal e na
compactação do tipo CBR – foram realizados. A partir dos dados obtidos, foram
construídos gráficos de sucção versus tempo, variação volumétrica versus umidade e a
curva característica de retenção do solo. Nesse último gráfico, também foi adicionada a
curva característica modelada de acordo com a proposta feita por Van Genuchten (1980).
Adicionalmente, cabe destacar que os gráficos de sucção versus tempo foram
desenvolvidos usando-se o tamanho do corpo de prova e a quantidade de bentonita
adicionada ao solo como parâmetros de referência na análise comparativa empreendida.
Os gráficos de variação volumétrica versus umidade, por sua vez, foram comparados
utilizando-se o tamanho do corpo de prova como parâmetro.
De forma a atender o objetivo desta dissertação, estruturou-se o texto em sete capítulos.
6
No Capítulo 2, são apresentados os componentes que podem existir em um sistema de
camada de cobertura de um aterro, bem como sua importância e problemas que podem
ocorrer à camada de cobertura. Também são apresentados alguns sistemas de camada de
cobertura utilizados e as normas brasileira, americana e alemã.
O Capítulo 3 aborda a presença da água no solo e fatores relacionados ao escoamento
dessa água em meio poroso, tais como sucção e curva característica de retenção do solo.
Também é mostrado o fenômeno de formação de trincas no solo e explicado, de forma
resumida, o balanço hídrico em um aterro sanitário.
O Capítulo 4 discute o uso da bentonita em solo de camada de cobertura de aterros de
resíduos, revisando-se pesquisas relacionadas ao tema desenvolvido nesta dissertação.
O Capítulo 5 apresenta o material de pesquisa, bem como os ensaios realizados e a
metodologia utilizada. Nesse capítulo, é feita a apresentação da Central de Tratamento de
Resíduos (CTR) Nova Iguaçu, local de onde foi retirado o material estudado. É feita uma
caracterização do local através de um breve histórico. Em seguida, é feita a caracterização
do solo local através da curva granulométrica, dos limites de Atterberg, da condutividade
hidráulica e da curva característica de retenção do solo. Também é apresentada uma
breve caracterização dos resíduos recebidos na CTR Nova Iguaçu, bem como uma
revisão de valores de condutividade hidráulica obtidos em diversos trabalhos publicados
na literatura. Ainda nesse capítulo, é feita a descrição do “Permagel”, o tipo de bentonita
utilizada neste trabalho. São mostradas a curva granulométrica, os limites de Atterberg e
a condutividade hidráulica do material. A partir desses dados, indica-se como foi
realizada a escolha da porcentagem de bentonita a ser utilizada nos ensaios, mostrando-se
os ganhos obtidos com essa adição. Na seqüência, explica-se o funcionamento do
equipamento desenvolvido para esta pesquisa e os aparelhos utilizados no ensaio de
ressecamento livre, além de mostrar, em detalhes, o processo de montagem desse ensaio.
Ao final do capítulo, são feitas recomendações relacionadas ao equipamento, que devem
ser seguidas em ensaios futuros.
7
No Capítulo 6, estão apresentados os resultados obtidos através da elaboração dos
gráficos de sucção versus tempo, variação volumétrica versus umidade e curva
característica. Também é, nesse capítulo, feita a análise desses resultados.
No Capítulo7, são apresentadas as conclusões do trabalho, onde são destacadas as
vantagens da utilização da bentonita, e são feitas recomendações para futuras pesquisas.
8
2. CAMADA DE COBERTURA
A camada de cobertura é um sistema que tem como objetivo principal impedir a entrada
de líquidos no interior do corpo do aterro. Existem vários métodos de construção da
camada de cobertura, sendo que a utilização de solos compactados com baixa
condutividade hidráulica é o método mais empregado. Atualmente, existe um
crescimento da utilização de uma geomembrana em conjunto com o solo compactado de
baixa condutividade hidráulica.
A história dos geossintéticos confunde-se com a evolução da indústria petroquímica, e ao
aparecimento de fibras sintéticas imputrescíveis, fazendo com que a indústria têxtil
ganhasse espaço junto ao mercado da construção civil. Neste contexto surgiram os
geossintéticos, materiais “sintéticos” e usados em aplicações com solo (“geo”). O
surgimento de associações relacionadas com geossintéticos, como a OIBI (Instituto
Brasileiro de Impermeabilização) em 1997 e a ABINT (Associação Brasileira das
Indústrias de Não Tecidos) em 1991, indicam a força que o setor vem adquirindo no
Brasil (Maroni et al., 1999).
2.1 Componentes da Camada de Cobertura
Existem algumas recomendações para um sistema de camadas de cobertura. De acordo
com Saarela (1997), as seguintes camadas podem estar presentes: camada de controle de
gás, camada de fundação, barreira hidráulica, camada drenante, camada biótica, camadas
filtrantes/filtros e camada superficial para fins de vegetação. A seguir, encontram-se
algumas características dessas camadas:
• Camada de controle de gás
Tem como função direcionar os gases produzidos pela massa de lixo, em conseqüência da
degradação da matéria orgânica, para a atmosfera.
9
• Camada de proteção
Tem como função separar o material fino dos grossos, prevenindo o entupimento da parte
de granulometria grossa pelos finos. Assim, previne a mistura dos materiais de diferentes
granulometrias, permitindo a passagem de fluidos, água e gases.
• Camada de proteção inferior
Essa camada isola a barreira hidráulica da massa de lixo e serve também como suporte
para as demais camadas do sistema. Essa camada impede danos químicos e mecânicos
que a massa de lixo pode provocar na barreira hidráulica.
• Barreira hidráulica
Tem como função mudar a direção e/ou impedir a percolação de qualquer forma de
precipitação que entre em contato com esta camada. É importante que essa camada não
sofra danos causados por raízes de plantas ou pela presença de animais, evitando-se assim
que perca sua função.
• Camada drenante
Essa camada intercepta a percolação de precipitação, conduzindo-a lateralmente para fora
do sistema.
• Barreira biótica
Tem como função impedir que as raízes da vegetação e a presença de animais danifiquem
as camadas inferiores, especialmente a barreira hidráulica.
• Camada superficial
A vegetação planejada e controlada dessa camada previne a erosão, expele parte da água
do sistema de cobertura através da evapotranspiração, além de trazer melhorias estéticas
ao ambiente
10
2.2 Uso de Solo na Camada de Cobertura
O solo pode ser utilizado como camada de cobertura de um aterro de resíduos sólidos.
Para tanto, deve-se levar em conta os aspectos geotécnicos e os fatores que influenciam o
crescimento de vegetação. A condutividade hidráulica é um fator importante, pois
influencia o processo de infiltração da precipitação na massa de lixo. A qualidade de
solos naturais utilizados como camada de cobertura pode ser melhorada com a adição de
alguns materiais, como, por exemplo, bentonita, cinzas voláteis, entre outros. Também
pode-se optar pelo uso desses solos conjuntamente com geomembranas, geotêxteis,
geossintéticos e outros.
Em estudo realizado por Hoeks et al. (1987), utilizando um solo arenoso, com grande
parte do solo de granulometria entre 0,1mm e 1mm, mostra-se que a adição de 5% de
bentonita em peso seco ao solo é suficiente para obter-se uma condutividade hidráulica
inferior a 5x10
-10
m/s. Esse valor é suficientemente baixo para ser usado como camada de
cobertura de aterro. Entretanto deve-se lembrar que a condutividade hidráulica da mistura
depende do solo, do tipo de bentonita e da quantidade de bentonita adicionada ao solo.
Ainda segundo Hoeks et al. (1987), indica-se o uso de bentonita na camada de cobertura,
pois é um material resistente a deformações causadas por recalques diferenciais.
Após a construção de um aterro, um dos maiores perigos para as camadas de cobertura
são as trincas que ocorrem na barreira hidráulica, causadas por recalque e ciclos de
molhamento e secagem. Em aterros antigos, onde não existe qualquer tipo de
impermeabilização, uma boa opção é adotar impermeabilização ao menos na cobertura do
aterro. Desta forma, a contaminação das águas e dos solos pode ser reduzida, visto que a
camada de cobertura reduzirá o volume infiltrado na massa de resíduos, reduzindo a
produção de lixiviado.
11
2.3 Importância da Camada de Cobertura
Os principais objetivos do uso de cobertura final (IPT, 2000) são:
- promover, a longo prazo, a proteção da saúde humana e reduzir ou eliminar os riscos
potenciais ao ambiente do local;
- minimizar os riscos controlando a migração dos gases e promovendo a separação física
entre os resíduos dispostos e ao meio ambiente;
- minimizar, a longo prazo, os custos com manutenção.
O sistema deve ser projetado de forma a minimizar a infiltração e a erosão do material de
cobertura. Esse sistema deve ser inspecionado, mantido e reparado sempre para assim
garantir assim sua durabilidade. O sistema de cobertura também tem a finalidade de
proteger as células de lixo, minimizando os impactos ao meio ambiente através da
eliminação de vetores, reduzindo a exalação de odores, eliminando a queima de resíduos
e a saída descontrolada de gases. Além disso, evita o espalhamento do lixo e/ou poeira e
melhora a estética do local onde o aterro se encontra.
2.4 Problemas dos Sistemas de Camadas de Cobertura
O sistema de camadas de cobertura pode ser danificado por diversos fatores. A
danificação de um dos componentes da camada de cobertura pode significar a perda da
função do componente danificado e até mesmo o comprometimento do funcionamento da
camada de cobertura como um todo.
Essas alterações podem ser provocadas pela erosão, ressecamento do solo, surgimento de
trincas, colmatação, entre outros fatores. A erosão pode causar danos que requerem
manutenção e reparos. Erosão extrema pode levar a exposição da camada de infiltração,
iniciar ou contribuir para escorregamentos ou até expor o lixo. O ressecamento do solo,
por sua vez, pode provocar trincas que podem vir a se aprofundar. Como a camada de
cobertura não é muito espessa, trincas podem ocorrer por toda a camada, mudando
radicalmente as características de condutividade hidráulica. Por essa razão, deve-se
prestar atenção e detectar as trincas em estágio inicial, para, assim, mitigar esse problema.
12
O ressecamento do solo também traz problemas relacionados à penetração das raízes das
plantas que se aprofundam mais em busca de água.
Complementarmente, a escolha da vegetação a ser utilizada na camada de cobertura
também deve ser criteriosa. Deve-se considerar o crescimento das raízes através da
camada de cobertura e sua penetração na camada de drenagem. Essa penetração forma
caminhos preferenciais de infiltração de água, comprometendo a integridade do sistema.
Por outro lado, a presença de animais sobre o aterro, após o seu fechamento, também
deve ser evitada. Os animais podem fazer buracos na superfície do solo, tornando essas
áreas caminhos preferenciais da água. Dependendo da profundidade desses buracos, uma
camada subseqüente pode ser exposta, danificando o sistema de camadas de cobertura.
2.5 Alguns Tipos de Sistema de Camada de Cobertura
2.5.1 Sistema Convencional
O sistema de cobertura usualmente utilizado (Figura 1) é a compactação de uma camada
de solo argiloso diretamente sobre a massa de resíduos. Essa camada compactada tem
como objetivo evitar a penetração excessiva de precipitação, podendo apresentar alguns
problemas, tais como ressecamento e formação de fissuras e trincas quando utilizadas em
alguns tipos de climas (Pimentel, 2006).
Figura 1: Esquema do sistema convencional de cobertura – Fonte: Pimentel (2006)
13
2.5.2 Barreiras Capilares
As barreiras capilares (Figura 2) são formadas pelo conjunto de camadas de solos,
colocadas umas sobre as outras. É colocada uma camada de solo de granulometria fina
sobre uma camada de material de granulometria grossa, como, por exemplo, areia ou
cascalho. A capacidade de impedir o fluxo de água ocorre devido a grande mudança nos
tamanhos dos poros entre as camadas de materiais mais finos e mais grosseiros. Essa
diferença de tamanhos leva à intensificação do fenômeno de capilaridade. As barreiras
capilares têm, assim, a finalidade de aumentar a capacidade de armazenamento de água
na camada de material mais fino.
Esse sistema é eficiente para condições não-saturadas. Se ocorrer uma situação de
saturação, mesmo que temporária, como, por exemplo, uma chuva intensa, poderá haver a
infiltração de água na massa de resíduos (Pimentel, 2006).
Figura 2: Esquema de barreiras capilares - Fonte: Pimentel (2006)
14
2.5.3 Coberturas Evapotranspirativas
Esse tipo de barreira (Figura 3) usa processos naturais para controlar a infiltração da água
na superfície do aterro. O sistema de camadas de solo é dimensionado de forma a
armazenar o máximo de água. Essa água é eliminada posteriormente através da
evapotranspiração das espécies vegetais presentes no solo de cobertura/restituição.
Nesse sistema, dois aspectos merecem atenção especial: as camadas de solo precisam
armazenar toda a água infiltrada, mesmo que a chuva seja intensa, e o solo de restituição
deve ser compatível com a vegetação nativa a ser cultivada em sua superfície (Pimentel,
2006).
Figura 3: Esquema de cobertura evapotranspirativa - Fonte: Pimentel (2006)
15
2.6 Algumas Normas
2.6.1 Norma Brasileira
No Brasil, não existe uma regulamentação ou norma para a realização do projeto de
sistema de cobertura de aterro, havendo apenas recomendações do que deveria ser feito.
De acordo com publicação do IBAM (2001), para aterro industrial classe I, a camada de
impermeabilização superior é obrigatória, mas não há regulamentação para espessura,
permeabilidade intrínseca e condutividade hidráulica. Já para aterro industrial classe II, a
camada de impermeabilização superior não é obrigatória, mas, se existir, deve ser
constituída de manta plástica (com espessura de 0,8 a 1,2 mm) ou de argila de boa
qualidade (K = 10
-6
cm/s e espessura maior que 50 cm). Na Tabela 1, estão listados os
tipos de camadas e os materiais que podem existir na cobertura final de aterros sanitários.
Tabela 1: Camadas do sistema de cobertura final – Fonte: IBAM (2001)
Camada
Tipo de camada Tipo de material
1 Camada superficial
Solo, camada geosintética de controle de erosão,
blocos rochosos
2 Camada de proteção
Solo, material residual recuperado ou reciclado;
blocos rochosos
3 Camada drenante Areia e/ou cascalho, georrede ou geocompósitos
4 Camada impermeável
Argila compactada, geomembrana, camada
geosintética
5
Fundação / Camada
coletora de gás
Areia e/ou cascalho, solo, georrede ou geotêxtil,
material residual recuperado ou reciclado
É recomendado o uso de vegetação sobre a camada de cobertura final, pois esta aumenta
a evapotranspiração, diminuindo a quantidade de chuva que se infiltra, reduzindo assim a
quantidade de percolado/lixiviado gerado no aterro. O sistema de cobertura deve ser
projetado de forma a atender a utilização futura do aterro, isto é, seu uso após o
16
fechamento do aterro. A Figura 4 ilustra os componentes de um sistema de cobertura final
em aterro sanitário.
Figura 4: Componentes de um possível sistema de cobertura final em aterro sanitário
Fonte: IBAM (2001)
2.6.2 Norma dos EUA
O sistema de cobertura pode ser projetado de variadas formas, procurando atender as
necessidades de fechamento do aterro. Na Tabela 2, estão os tipos de camadas e os
materiais típicos que podem existir na cobertura final de um aterro. Pode-se observar que
a recomendação brasileira para os tipos de camadas e materiais típicos que podem existir
na cobertura final são similares aos da norma americana. Ressalte-se que a espessura
recomendada de cada camada depende de vários fatores entre eles o sistema de
drenagem, potencial de erosão, encostas, tipo de vegetação de cobertura, tipo de solo e
clima. Na Tabela 3, estão listadas a espessura mínima e a condutividade hidráulica
recomendada para cada tipo de cobertura, enquanto as Figuras 5 a 9 mostram os
esquemas dos diferentes tipos de camada.
17
Tabela 2: Camadas do sistema de cobertura final – Fonte: U.S. EPA
Camada
Tipo de camada Tipo de material
1 Camada superficial
Solo, camada geosintética de controle de erosão,
blocos rochosos
2 Camada de proteção
Solo, material residual recuperado ou reciclado;
blocos rochosos
3 Camada de drenagem
Areia e/ou cascalho, georrede ou geocompósitos,
pneu picado ou triturado
4 Camada impermeável
Argila compactada, geomembrana, camada
geosintética
5
Fundação / Camada
coletora de gás
Areia e/ou cascalho, solo, georrede ou geotêxtil,
material residual recuperado ou reciclado
18
Tabela 3: Sistema de cobertura final mínimo recomendado – Fonte: U.S. EPA (2003)
Tipo de cobertura
Sistema de camadas
recomendado
(do topo para baixo)
Espessura
(cm)
Condutividade hidráulica
(m/s)
Camada dupla
(Double liner)
Camada de superfície 30 Sem restrição
Camada drenante 30 1x10
-
4
a 1x10
-
5
Geomembrana
0,07 (PVC)
0,015 (HDPE)
-
Argila 45 ≥ 1x10
-
7
Camada composta
(Composite liner)
Camada de superfície 30 Não é aplicável
Camada drenante 30 1x10
-
4
a 1x10
-
5
Geomembrana
0,07 (PVC)
0,015 (HDPE)
-
Argila 45 ≥ 1x10
-
7
Camada simples de argila
(Single clay liner)
Camada de superfície 30 Não é aplicável
Camada drenante 30 1x10
-
4
a 1x10
-
5
Argila 45 ≥ 1x10
-
7
Camada simples de argila
(single clay liner)
em semi-árido
Blocos rochosos 5-10 Não é aplicável
Camada drenante 30 1x10
-
4
a 1x10
-
5
Argila 45 ≥ 1x10
-
7
Camada simples sintética
(Single synthetic liner)
Camada de superfície 30 Não é aplicável
Camada drenante 30 1x10
-
4
a 1x10
-
5
Geomembrana
0,07 (PVC)
0,015 (HDPE)
-
Argila 45 ≥ 1x10
-
7
Cobertura natural Solo 60
Não mais permeável que
o solo que serve de base
19
Figura 5: Sistema de cobertura final para camada dupla ou camada composta – Fonte:
U.S. EPA (2003)
Figura 6: Sistema de cobertura final para camada simples de argila –
Fonte: U.S. EPA (2003)
20
Figura 7: Sistema de cobertura final para camada simples de argila em
clima semi-árido – Fonte: U.S. EPA (2003)
Figura 8: Sistema de cobertura final para camada simples sintética –
Fonte: U.S. EPA (2003)
21
Figura 9: Sistema de cobertura final para cobertura natural –
Fonte: U.S. EPA (2003)
2.6.3 Norma Alemã
O principio básico de projeto de um aterro é baseado no conceito de multibarreiras. Esse
conceito consiste na combinação de três barreiras independentes: a barreira geológica
(situação hidrológica, presença de aqüíferos e características do terreno no local em que
se encontra o aterro), a barreira técnica (impermeabilização de fundo e cobertura do
aterro) e o lixo propriamente dito formando uma barreira (imobilização de substâncias
nocivas através do pré-tratamento do lixo e técnicas de disposição apropriadas).
Segundo a Norma Alemã – TA Siedlungsabfall (Bergs e Radde, 2002), o tipo de
cobertura depende da classificação do aterro. A Figura 10 permite visualizar o sistema de
cobertura proposto pela norma alemã.
22
Figura 10: Esquema para sistema de cobertura de acordo com norma alemã
Fonte: Simon e Muller (2004)
Os aterros classe 0 são para materiais inertes. Já aterros classe I e II são aqueles
destinados a receber resíduos minerais de baixa capacidade de contaminação e resíduos
sólidos municipais tratados. Aterros classe III recebem resíduos perigosos.
O sistema de cobertura padrão para os aterros classe II e III é formado pela composição
de geomembranas plásticas em contato direto com a camada de argila compactada. A
geomembrana deve ter espessura mínima de 2,5 mm, enquanto a argila deve ser
compactada com umidade superior à umidade ótima do ensaio de compactação do tipo
Proctor para, então, se obter baixa condutividade hidráulica (K ≤ 5x10
-10
m/s com
gradiente hidráulico i = 30 m/m). São necessárias, no mínimo, duas camadas com 25cm
de espessura cada.
23
A camada de cobertura padrão para aterros classe I é a de argila compactada, seguindo as
seguintes características: argila deve ser compactada com umidade superior a umidade
ótima do ensaio de compactação do tipo Proctor, K ≤ 5x10
-10
m/s com gradiente
hidráulico i = 30 m/m.
Na Tabela 4, estão colocadas, de forma resumida, as características de cada uma das
camadas do sistema de cobertura de acordo com a classe do aterro.
Tabela 4: Projeto de cobertura padrão para aterros classe I e II –
Fonte: Simon e Muller (2004)
Componente Aterro classe I Aterro classe II
Vegetação Necessário Necessário
Solo de cobertura > 1 m > 1 m
Camada de drenagem d ≥ 0,3 m ; K ≥ 1x10
-
3
m/s d ≥ 0,3 m ; K ≥ 1x10
-
3
m/s
Camada de proteção Não é necessário Necessário
Geomembrana Não é necessário d ≥ 2,5mm
Camada de argila compactada
d ≥ 0,5 m ; K ≥ 5x10
-
10
m/s
d ≥ 0,5 m ; K ≥ 5x10
-
10
m/s
Camada permeável a gás Não é necessário Necessário
O solo de cobertura (camada na qual ficará a vegetação) deve ter, no mínimo, 1 m de
espessura, para garantir o crescimento das raízes das plantas, de modo a impedir danos
nas camadas subseqüentes de cobertura.
Atualmente, sistemas alternativos de cobertura de aterros de resíduos sólidos estão sendo
estudados. Podemos destacar a geomembrana HDPE-GM, feita de polietileno de
densidade média, com estabilização UV com carbono preto, com e sem sistema de
monitoramento de percolado, barreira geosintética, barreira de concreto-asfalto, barreira
capilar, entre outros.
24
3. ÁGUA NO SOLO
Este capítulo aborda a presença da água no solo e fatores relacionados ao escoamento
dessa água em meio poroso, tais como sucção e curva característica de retenção do solo.
Também é mostrado o fenômeno de formação de trincas no solo e explicado, de forma
resumida, o balanço hídrico em um aterro sanitário.
3.1 Fases Constituintes do Solo Não Saturado
O solo não saturado é, usualmente, compreendido por um sistema trifásico (Lambe e
Whitman, 1969), constituído por uma fase sólida, formada de partículas minerais, por
uma fase líquida, que, geralmente, é a água e por uma fase gasosa, o ar. Já Fredlund e
Morgenstern (1977) propuseram a introdução de uma quarta fase independente, referente
à interface ar-água, conhecida como membrana contráctil (Figura 11) (Fredlund e
Rahardjo, 1993). Fredlund e Morgenstern (1977) reconheceram a vantagem dessa
consideração multifásica e afirmaram que, sob o ponto de vista comportamental, um solo
não saturado pode ser interpretado como uma mistura de duas fases em equilíbrio
(partículas de solo e membrana contráctil) e duas fases que fluem (ar e água) (Farias,
2004).
25
Figura 11: Elemento de solo não saturado com fase contínua de ar –
Fonte:Fredlund e Rahardjo (1993)
A interface ar-água possui uma propriedade chamada tensão superficial, que tem a
capacidade de exercer uma tensão de tração, causada por forças intermoleculares atuando
dentro dessa membrana contráctil. Essa tensão superficial faz com que a membrana
contráctil se comporte como uma membrana elástica. Quando a fase de ar é contínua, a
membrana contráctil interage com as partículas de solo, influenciando no comportamento
mecânico do solo.
3.2 Sucção
Sucção pode ser entendida como sendo a pressão isotrópica da água intersticial que faz
com que o sistema água-solo absorva ou perca água, dependendo das condições
ambientais. A sucção tem sido objeto de estudos desde o início do século XIX, com
interesse principal na agricultura. Somente nas décadas de 50 e 60 do século XX é que
houve avanço no estudo da influência da sucção no comportamento de deformabilidade e
de resistência dos solos saturados (Marinho, 1994).
26
A sucção total pode ser dividida em duas componentes: uma mátrica, relacionada à
matriz do solo, como, por exemplo, o arranjo estrutural, e uma osmótica, que diz respeito
à concentração de sais na parte líquida do meio poroso. Essas componentes serão vistas a
seguir.
3.2.1 Componentes da Sucção
O gradiente que provoca fluxo pode ser expresso em termos de energia disponível na
água no interior do solo, avaliada em relação à água livre. Essa energia disponível para
realizar trabalho pode ser expressa em termos de potencial equivalente, sendo assim
denominada de potencial total. Segundo a sociedade Internacional de Ciência do Solo
(SSSA, 2007), o potencial total pode ser definido como sendo a quantidade de trabalho
que deve ser realizado para transportar, reversa ou isotropicamente, uma quantidade
infinitesimal de água de um reservatório de água pura, para uma elevação especifica, até
a água do solo, estando o reservatório submetido a uma pressão atmosférica.
O potencial total pode ser dividido em parcelas menores segundo a equação
cpgmot
φφφφφφ
++++= (3.1)
onde:
o
φ
- potencial osmótico ou de soluto, correspondente à pressão da água no solo;
m
φ
- potencial mátrico, resultante de forças capilares e de adsorção;
g
φ
- potencial gravitacional, determinado pela elevação do ponto considerado em relação
ao nível de referência;
p
φ
- potencial pneumático, que corresponde a pressão na fase gasosa;
c
φ
- potencial de consolidação, que corresponde à parcela de sobrecarga aplicada no
terreno que é transmitida a pressão intersticial.
Admitindo-se que não há qualquer processo de adensamento e que o ar existente nos
poros do solo esteja interligado com a atmosfera, as parcelas correspondentes ao
potencial de consolidação e potencial pneumático podem ser desprezadas. O potencial
27
gravitacional também pode ser desprezado, sendo, então, o potencial total reescrito da
seguinte forma:
mot
φφφ
+= (3.2)
Os potenciais mátrico e osmótico podem ser tratados pelas suas pressões correspondentes
que são, respectivamente, a sucção mátrica e a sucção osmótica. A sucção total é, então, a
soma das parcelas mátrica e osmótica calculada como
omt
SSS += (3.3)
onde:
S
t
- sucção total
S
m
- sucção mátrica
S
o
– sucção osmótica
Em síntese, a sucção mátrica pode ser definida como a pressão negativa da água
intersticial devido aos efeitos de capilaridade e das forças de adsorção. Em outras
palavras, a sucção matricial está relacionada ao tipo de partícula e ao arranjo estrutural
(matriz do solo), sendo seu valor representado pela diferença entre a pressão da água e do
ar presente nos interstícios. Já a componente osmótica é a sucção equivalente relacionada
à pressão parcial do vapor de água em equilíbrio com a água livre, função da quantidade
de sais dissolvidos no interior do solo.
3.3 Curva de Retenção de Água no Solo
Em um solo saturado, em estado de equilíbrio, a poro pressão é superior ou igual à
pressão atmosférica. A aplicação de uma sucção provoca a drenagem da água nos vazios
do solo e gera uma pressão negativa nos mesmos. A aplicação de elevados níveis de
sucção afeta a água livre nos vazios e pode afetar a espessura das envoltórias de
hidratação ou meniscos, provocando perda de umidade.
A curva característica expressa graficamente a relação entre o teor de umidade (ou grau
de saturação), seja expresso em termos de peso ou volume, com a sucção (Figura 12).
Nessa relação, a sucção varia inversamente com o teor de umidade, ou seja, a sucção
28
tende a zero quando o solo atinge o estado de total saturação, e a um valor máximo
quando o grau de saturação tende a zero. Essa relação pode ser obtida através do uso de
uma ou mais técnicas.
A curva de retenção de água é um instrumento conceitual e interpretativo para
compreender o comportamento de solo parcialmente saturado. Enquanto há o
ressecamento do solo, a distribuição de fases (solo, água e ar) no interior do solo se altera
e a pressão também. A relação entre as diferentes fases influencia o comportamento do
solo. Por exemplo, o volume relativo das diferentes fases afeta a quantidade de água e o
coeficiente de vapor ou gás difundido no solo (Vanapalli et al., 1999).
O formato da curva de retenção de água do solo é influenciado pelo índice de vazios, e
conseqüentemente, pela distribuição das frações granulométricas, pela composição
química, entre outros fatores. Deve-se observar que a relação entre a umidade e a sucção
é não linear, e apresenta histerese, isto é, a curva não é a mesma para o solo sujeito ao
processo de secagem e ao processo de umedecimento.
A Figura 12 apresenta uma curva típica de retenção de água no solo de um solo
inicialmente saturado sob a condição de ressecamento. Importantes pontos de uma curva
de retenção de água são o valor da entrada de ar e a umidade residual. O valor de entrada
de ar representa a sucção necessária que causa a entrada de ar nos maiores poros do solo.
Esse valor é estimado pela interseção de uma reta paralela ao eixo da sucção num grau de
saturação correspondente a 100% e uma reta estendendo a porção linear da curva de
secagem. Com o aumento gradual da sucção, vazios de diâmetros menores vão se
esvaziando, até que para elevados valores de sucção, somente os vazios muito pequenos
ainda retêm água.
Para se definir a sucção de entrada de ar, pode-se usar o método de Brooks e Corey
(1964) in Gerscovich (2001), que sugerem um procedimento gráfico, mostrado na Figura
12, a partir da interseção entre dois trechos lineares. Já Aubertin et al. (1998) in
Gerscovich (2001) observaram que, em geral a sucção de entrada de ar está associada a
29
um valor de umidade correspondente a 90% da umidade saturada. Esta proposição baseia-
se no fato de que ao atingir a sucção de entrada de ar, o ar presente nos vazios passa a
formar canais contínuos. Na prática esta hipótese resulta em valores de sucção de
umidade cerca de 25% mais altos do que os obtidos graficamente.
A umidade residual é definida como o limite inferior a partir do qual qualquer acréscimo
na sucção matricial pouco afeta os valores de umidade, porém não existe um consenso
sobre esse valor. A determinação experimental de tal valor pode ser feita, como indicado
na Figura 12, a partir da interseção das tangentes à curva característica. Van Genuchten
(1980) sugere associar a umidade residual a um valor de sucção de 1500kPa. A sucção
correspondente à condição de teor de umidade nulo foi determinada experimentalmente
em uma variedade de solos, tendo sido observado um valor da ordem de 10
6
kPa
(Fredlund e Xing, 1994).
Figura 12: Característica da curva de retenção – Fonte: Fredlund e Xing, 1994
30
3.3.1 Fatores que Afetam a Curva de Retenção
Diversos são os fatores que influenciam a curva característica. Entre eles, estão a
composição granulométrica, a composição mineralógica, a estrutura do solo e o efeito da
temperatura.
Tipo de Solo
O tipo de solo influencia no valor de entrada de ar e na inclinação da curva de retenção.
Essa inclinação refere-se ao trecho entre a sucção de entrada de ar e a sucção residual.
Em geral, quanto maior a quantidade de argila, maior será o teor de umidade para o
mesmo valor de sucção. Esse elevado valor do teor de umidade dos solos argilosos é
explicado pelo fato que esses apresentam vazios muito pequenos e uma superfície
específica grande. Essa elevada retenção de água no solo é devido ao efeito de
capilaridade e também ao efeito proveniente das forças de adsorção. Solos argilosos
apresentam uma relação gradual entre o teor de umidade e sucção. Já solos arenosos
apresentam uma variação mais brusca dessa relação, uma vez que possuem poros com
grandes dimensões quando comparados a solos argilosos. Quanto mais uniforme for o
solo arenoso, mais brusca será a variação entre o teor de umidade e a sucção (Figura 13)
Figura 13: Representação esquemática das curvas de retenção para diferentes tipos de
solo – Fonte: Fredlund e Xing, 1994
31
Composição Mineralógica
Esse fator influi na retenção de umidade nos solos argilosos pelo fato dos argilo-minerais
apresentarem diferentes forças de adsorção. A natureza da superfície das partículas e os
tipos de cátions trocáveis afetam a energia de adsorção. À medida que se aumenta o
tamanho dos íons, a adsorção de água diminui.
Umidade de Moldagem
Um mesmo solo moldado com umidades diferentes apresenta diferentes curvas de
retenção. Isso ocorre porque a forma de agregação das partículas ocorre de forma
diferente para cada umidade.
A compactação no ramo úmido faz com que o solo apresente uma estrutura mais
homogênea, obtendo uma capacidade de maior retenção de água, sendo controladas pela
sua microestrutura. Para a moldagem no ramo seco, formam-se grandes poros
interconectados. Já amostras moldadas na umidade ótima apresentam características
intermediárias entre as duas situações anteriores.
Ciclos de Secagem e Umedecimento
A curva de retenção não é única para um mesmo corpo de prova, podendo ser diferente
quando obtida por processo de secagem ou umedecimento. A variação da estrutura do
corpo de prova durante a secagem e a ocorrência de ar ocluso durante o umedecimento
são os dois principais fatores que interferem nesse fenômeno.
A história de variação de umidade deve ser considerada, pois o solo, em processo de
secagem-drenagem, apresenta, na sua curva característica, para uma determinada
umidade, valores de sucções maiores do que quando em processo de umedecimento.
Durante o processo de umedecimento, em oposição ao de secamento, o gás (normalmente
ar) presente nos poros do solo é substituídos de forma contínua por líquido (geralmente a
água). A água preencherá inicialmente os poros menores, enquanto que os maiores
somente serão ocupados na fase final do processo, quando a sucção da água contida nos
32
poros é relativamente pequena, sendo essa é uma das causas da histerese. (Montañez,
2002)
Temperatura
A temperatura é um fator que também deve ser considerado, pois um aumento de seu
valor pode causar uma diminuição na tensão superficial na interface solo-água,
diminuindo a curvatura do menisco e, conseqüentemente, a sucção. Caso haja a existência
de ar ocluso na massa de solo, esse aumento de temperatura forçaria um aumento no
diâmetro dos poros devido à expansão do ar. Esse comportamento provocaria uma
alteração da estrutura do solo, mudando o aspecto da curva característica.
3.3.2 Modelagem da Curva Característica
Várias proposições empíricas foram sugeridas para simular a curva característica.
Algumas modelam a função que relaciona sucção com umidade (Gardner, 1985; Brooks e
Corey, 1964; Farrel e Larson, 1972; Roger e Hornberger, 1978; William et al., 1983;
McKee e Bumb, 1987; Haverkamp e Parlange, 1986; Van Genuchten, 1980; Fredlund e
Xing, 1994). Outras propõem a obtenção da curva característica a partir de frações
granulométricas (Gosh, 1980; Rawls e Brakensiek, 1989). Essa última abordagem é
bastante conveniente já que tais informações são rotineiramente determinadas
experimentalmente (Gerscovich, 2001).
Os métodos que modelam a curva característica em função das frações granulométricas
não consideram a influência do arranjo estrutural. Adicionalmente, ao relacionar
diâmetros de vazio ao valor de sucção estes métodos não consideram a não uniformidade
geométrica dos vazios, já que assumem que não existe uma relação unívoca entre sucção
e vazio. De forma geral, os métodos pressupõem a inexistência de variação de volume de
solo durante processos de umedecimento ou secagem (Gerscovich, 2001).
A Tabela 5 relaciona algumas das proposições para a modelagem da curva característica.
33
Tabela 5: Proposições para Modelagem da Curva Característica – Fonte: Gerscovich, 2001
Referência Equação Definição de Variáveis
Gardner
(1958)
π
θ
Ψ+
=
q1
1
θ: teor de umidade normalizado
θ = (θ- θ
r
)/( θ
s
- θ
r
); θ, θ
r
, θ
s
, respectivamente os
teores de umidade volumétrico, residual e saturado
η , q: parâmetros de ajuste
Brooks e
Corey
(1964)
Ψ
Ψ
=
b
θ
θ: teor de umidade normalizado
λ: índice de distribuição de diâmetro de vazios
Visser
(1966)
(
)
c
b
s
a
θθθ
/−=Ψ
a, b, c: parâmetros de ajuste
θ
s
: teor de umidade saturado (= porosidade)
Farrel e
Larson
(1972)
(
)
θα
−
Ψ=Ψ
1
e
α: parâmetro de ajuste
Roger e
Hornberger
(1978)
(
)
(
)
1−−=Ψ
ss
SbSa
S
s
: θ/ θ
s
a, b: parâmetros de ajuste
Correção do moledo de Brooks e Corey (1964), na
faixa de baixos valores de sucção
Van
Genuchten
(1980)
( )
m
n
Ψ+
=
α
θ
1
1
θ: teor de umidade normalizado
p, α, m, n: parâmetros de ajuste
Gosh
(1980)
β
θ
θ
−
Ψ=Ψ
s
b
( )
0625,0
21
3
1250,0
4
0625,0
1
2822,0
2
1,191,57,0619,2
+
+
+
=
λλ
λ
λλ
λ
λ
β
θ
s
: teor de umidade saturado (= porosidade)
λ
1
: porcentagem de fração areia
λ
2
: porcentagem de fração silte
λ
3
: porcentagem de fração argila
31
3
1
2
4
91,52,6
λλ
λ
λ
λ
λ
+
−=
34
William et al.
(1983)
θ
lnln ba
+
=
Ψ
a, b: parâmetros de ajuste
Saxton et al.
(1986)
b
a
θ
=Ψ
a, b: parâmetros de ajuste
Haverkamp e
Parlange
(1986)
Umedecimento
b
b
n
Ψ〉Ψ
Ψ
Ψ
+
=
K
λ
θ
1
b
b
n Ψ≤Ψ
Ψ
Ψ
+
−= L
λ
λ
θ
1
1
bs
Ψ≤Ψ=
L
θθ
Secagem
b
sbb
n
n Ψ
〉Ψ
−
Ψ
Ψ
−
Ψ
Ψ
=
L
θ
θ
λ
11
bs
Ψ≤Ψ=
L
θθ
n: porosidade
λ: parâmetro de ajuste
θ
s
: teor de umidade para condição de saturação ao
natural (< porosidade)
McKee e
Bumb
(1987)
( )
ba
e
−Ψ
+
=
1
1
θ
θ: teor de umidade normalizado
a, b: parâmetros de ajuste
Rawls e
Brakensiek
(1989)
λ
θ
Ψ
Ψ
=
b
( ) ( )
(
)
( ) ( ) ( )( )
( )( )
( )( ) ( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
++
−+−
−+−
−−−+
=Ψ
CnSCnS
nCCSnC
nSnCnS
CnC
b
e
222
2222
22
2
50028060,00000054,000072472,0
00895359,000001282,000855375,0
00143598,061745089,004356349,0
00213853,0438394546,21845038,03396738,5
( ) ( )
(
)
( ) ( )
( )( )
( )( ) ( )( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
−+
−−
+−+
−−−+−
=
CnnCCS
nCnS
nSnC
SnS
e
222
2222
22
2
00674491,000798746,000000235,0
00610522,000026587,0
03088295,011134946,100273493,0
000005304,0062498,1017754,07842831,0
λ
Ψ
b
em cm H
2
O
n: porosidade (θ
s
)
C: porcentagem de argila (5%<C<60%)
S: porcentagem de areia (5%<S<70%)
35
Fredlund e
Xing
(1994)
( )
m
n
s
a
e
C
Ψ
+
=
Ψ
ln
θ
θ
Ψ
Ψ
+
Ψ
Ψ
+
−=
Ψ
r
o
r
C
1ln
1ln
1
a, m, n: parâmetros de ajuste
e = base log neperiano (e = 2,718)
ψ
o
= 10
6
kPa
a = ψ
i
(sucção do ponto de inflexão da curva
característica)
m = 3,67 ln (θ
s
/ θ
i
)
Ψ=
+
s
m
n
s
m
72,3
31,1
1
θ
s = θ
i
/ (ψ
p
- ψ
i
) (s: inclinação)
Aubertin
et al.
(1998)
(
)
cacr
SSSS −+= 1
Ψ
−
+
Ψ
−=
2
11
2
co
h
m
co
c
e
h
S
3
2
90
6
1
3
1
Ψ
Ψ
=
Ψ
e
a
CS
a
Ψ
Ψ
+
Ψ
Ψ
+
−=
Ψ
r
o
r
C
1ln
1ln
1
a, h
co
, m: parâmetros de ajuste
h
co
= 1 a 2,5 ψ
b
(cm H
2
O)
S
r
= θ/θ
s
a ≈ 0,006 (curva de dessaturação)
ψ
o
= 10
7
cm H
2
O
ψ
r
= 15 x 10
3
cm H
2
O ↔ θ
r
e: índice de vazios
36
A representação analítica da curva de retenção empregada nesta dissertação foi a equação
empírica proposta por Van Genuchten (1980), que assume a forma
( )
( )
m
n
m
RSR
Ψ⋅+
++=
α
θθθθ
1
1
(3.4)
com
n
m
1
1 −=
onde:
θ – umidade volumétrica
θ
R
– umidade volumétrica residual
θ
S
– umidade volumétrica saturada
Ψ
m
– potencial matricial
n, α – parâmetros de ajuste
3.4 Trincas no Solo
Durante o secamento do solo através da evaporação da água de sua estrutura, pode
ocorrer o surgimento de microfissuras e/ou trincas, que, ao se formarem, podem mudar
algumas características do solo, como, por exemplo, a condutividade hidráulica. A
formação das trincas começou a ser estudada a partir do século 19, mas somente a partir
do século 20 iniciou-se a modelagem de tal fenômeno.
Inicialmente, o estudo de trincas no solo foi realizado sob o ponto de vista da agricultura.
Tempany (1917)
in Marinho (1994) pesquisou a relação entre as trincas e a perda de água
do solo, sendo o primeiro a observar a existência de uma fase de fissuras, onde, para
corpos de provas saturados, a variação de volume era igual ao volume de água evaporado.
Essa fase ocorre sem restrição devido à contração interna entre as partículas. Com a
continuidade da contração, há um ponto onde o solo começa com uma fricção inter-
partículas, resistindo a formação de fissuras. A umidade do momento em que o solo pára
de se contrair é chamada de limite de fissuras. O limite de fissuras e a variação total de
volume foram observados por Tempany (1917) como sendo uma função da quantidade de
colóides no solo.
37
O primeiro modelo de fissuras do solo a levar em conta a sucção foi o desenvolvido por
Poulovassilis (1970), citado por Marinho (1994). O gráfico de fissuras do solo foi
apresentado em termos de volume de água no solo e sucção, como no Figura 14.
Figura 14: Representação do comportamento do solo durante ciclos de secamento e
umedecimento – Fonte: Poulovassilis, 1970
apud Marinho,1994
A formação de trincas
in situ é causada predominantemente pela perda de água por meio
da evaporação através da superfície do solo, iniciando-se a partir do momento que o solo
é exposto a atmosfera e por meio da evapotranspiração dos vegetais. A água contida nos
poros evapora, causando poro-pressão negativa. Essa pressão negativa aumenta a pressão
efetiva ocorrendo conseqüente redução de volume (Kleppe e Olson, 1985).
O fenômeno de ressecamento tende a causar mudanças irreversíveis em argilas,
independente de sua composição. O ressecamento a elevadas temperaturas pode causar a
remoção da água adsorvida e destruir as propriedades dos colóides e a capacidade
expansiva das argilas (Unal e Trogol, 2001).
Se a perda de água do solo ocorrer de maneira gradual, o decréscimo de volume do solo
praticamente termina quando o solo atinge o limite de trincamento. Neste ponto,
38
considera-se que o solo atinge seu menor valor de porosidade devido à evapotranspiração.
Ao atingir este ponto, geralmente a umidade do solo atinge valor inferior a do limite de
plasticidade (Unal e Trogol, 2001).
A capacidade de um solo ter trincas depende do tipo de solo, de sua mineralogia, de sua
estrutura e da umidade inicial e final.
3.5 Balanço Hídrico
Uma forma tradicional de se analisar a presença de água no solo em aterros sanitários é
através do cálculo do balanço hídrico (Figura 15). De forma simplificada, pode-se
entender o balanço hídrico como sendo a soma das parcelas de água que entram no aterro
e a subtração das parcelas que deixam o aterro em um dado período de tempo.
O balanço hídrico, tanto para o estudo do solo quanto da água, é baseado na relação
existente entre a precipitação, a evapotranspiração, o escoamento superficial e o
armazenamento de água no solo. A precipitação representa a recarga de água no sistema,
enquanto a evapotranspiração representa a combinação entre a evaporação das plantas e
da superfície do solo, incluindo a transpiração das plantas.
O processo de evapotranspiração é praticamente o transporte de água de volta para a
atmosfera, sendo o inverso do processo de precipitação. O escoamento superficial
representa o fluxo superficial da água diretamente da área de interesse. A capacidade de
armazenamento representa a quantidade de água que pode ficar retida no solo e nos
resíduos nos casos dos aterros sanitários.
Nesse processo, a mais importante fonte de entrada de água no sistema dá-se através da
face superior do aterro, através da percolação pela camada de cobertura. Por essa razão, é
de extrema importância o conhecimento do regime de chuvas na área do aterro.
A precipitação, em forma de chuva, cai sobre o solo. Este, por ser um meio poroso,
absorve a água até que as camadas superiores atinjam a saturação. A partir desse
momento, o excesso não infiltrado começa a escoar pela superfície. A água infiltrada no
39
solo sofre a ação da capilaridade e da gravidade, prosseguindo seu caminho até atingir a
massa de resíduos, umedecendo-a de cima para baixo, alterando, assim, o perfil de
umidade da célula. Mesmo após o encerramento da chuva, ainda há movimentação de
água no interior da célula (IPT, 2000).
Parte da umidade presente no solo de cobertura é transferida para a atmosfera por
evaporação direta ou por transpiração dos vegetais. A presença de vegetais na cobertura
final promove a perda de água por evapotranspiração. Essa parcela é inferior à parcela
que se perderia no solo sem cobertura vegetal. Por esse motivo, é interessante que haja
vegetação sobre a camada de cobertura, pois é uma forma de minimizar a água que se
infiltra na massa de resíduos.
Figura 15: Esquema do balanço hídrico em um aterro – Fonte: IPT (2000)
40
Em muitos aterros, especialmente os brasileiros, a precipitação é a forma predominante
de entrada de água no aterro, sendo por isso necessário projeto e construção de barreira
efetiva, de vida útil longa, na superfície desses empreendimentos.
3.5.1 Infiltração de Água no Solo
Infiltração é a passagem da água da superfície para o interior do solo, sendo um processo
que depende da água disponível, da natureza do solo, do estado da sua superfície e das
quantidades de água e ar, inicialmente presentes em seu interior.
Conforme ocorre a infiltração da água, as camadas superiores do solo umedecem, de cima
para baixo, alterando gradativamente o perfil de umidade. Enquanto há aporte de água, o
perfil de umidade tende a saturação em toda a profundidade. A superfície é o primeiro
nível a saturar.
3.5.2 Lixiviado
O lixiviado é o produto da decomposição dos resíduos sólidos através de processos
químicos como oxidação ou a decomposição de orgânicos feita por microorganismos.
O lixiviado é um líquido contaminante, cuja composição depende do tipo de resíduo
depositado no aterro, podendo conter sais orgânicos e inorgânicos, metais pesados,
pesticidas, químicos tóxicos, ácidos, vírus e patogênicos. De forma geral, o lixiviado é
um líquido de característica ácida.
A quantidade de lixiviado gerado em um aterro depende de diversos fatores. Um deles é o
teor de umidade presente na massa de resíduo. Essa água tenderá a solubilizar substâncias
presentes nos resíduos sólidos, principalmente os de composição orgânica, dando origem
a uma mistura líquida complexa que pode variar qualitativa e quantitativamente ao longo
do tempo (IPT, 2000).
41
Outros fatores que influenciam a geração de lixiviado são: regime de chuvas,
evapotranspiração, temperatura, composição, densidade e teor de umidade dos resíduos
dispostos, condutividade hidráulica, idade e profundidade do aterro.
3.5.3 Importância e Problemas
O cálculo do balanço hídrico é importante no projeto de um aterro por alguns fatores, tais
como:
- estimar a quantidade de lixiviado gerada;
- em regiões úmidas, onde a precipitação é maior que a evapotranspiração, sempre
ocorrerá geração de lixiviado;
- caso haja uma estação de tratamento de lixiviado, é necessário o conhecimento do
volume de lixiviado gerado no aterro;
- estimar, a longo prazo, a emissão de líquidos do aterro;
-projetar a camada de cobertura do aterro.
Existe grande dificuldade em fazer um cálculo preciso, tendo em vista fatores tais como:
- a não homogeneidade dos resíduos;
- distribuição desigual da quantidade de água na massa de resíduos;
- caminhos preferenciais da água dentro da massa de resíduos;
- camadas impermeáveis formadas pelos próprios resíduos;
- movimentação do gás que dificulta a percolação do lixiviado;
- mudanças nas características biológicas dos resíduos devido aos processos de
decomposição (IPT, 2000), além dos processos de disposição, compactação e cobertura
do aterro.
42
3.5.4 Fatores que Afetam o Balanço Hídrico
Precipitação
Esse é o fator que mais influencia no cálculo do balanço hídrico. Pode ser determinado de
forma relativamente precisa, mas os dados devem ser obtidos no próprio local onde se
encontra o aterro, pois variações, mesmo que em pequenas distâncias, podem conduzir a
valores diferentes de precipitação do local em estudo.
Evaporação
A evaporação de superfícies cobertas por resíduos sólidos podem ser estimadas com a
aplicação de equações empíricas, de instrumentos, como evaporímetros.
Na Alemanha, os cálculos de evaporação são feitos com o uso da temperatura do ar e da
umidade, através do Método de HAUDE (Berger, 2000).
Superfície de Escoamento
Em áreas cobertas com lixo fresco, só ocorrerá escoamento superficial (
runoff) em caso
de chuva pesada e/ou nas encostas. Em áreas cobertas com solo, o escoamento superficial
(
runoff) depende de suas características.
Caso haja erosão do material, haverá maior infiltração, que pode levar a problemas de
estabilidade da massa de lixo.
Armazenamento/Retenção
Armazenamento pode ser entendido como a capacidade da massa de lixo em reter a água
em seus poros, podendo ser caracterizado como a capacidade de campo. Já a retenção
seria caracterizada como o retardo na percolação do lixiviado através da massa.
De forma prática, pode-se dizer que ambos os fatores se referem a capacidade de
armazenamento da massa de lixo. Essa capacidade de armazenamento depende da
porosidade da massa de lixo e da quantidade de água presente no momento de disposição,
da altura do aterro e de sua idade.
43
3.5.5 Tipos de Modelos
3.5.5.1 Modelos Estocásticos
Consiste em avaliar os dados medidos in situ e usá-los no aterro de interesse. Apresenta
desvantagens, pois existem grandes diferenças de volume de lixiviado dentro do aterro,
diferenças na composição e compactação do lixo, diferenças climáticas que influem
diretamente no cálculo, além de que, muitas vezes, apenas a precipitação é considerada,
sendo os demais fatores, tais como evaporação, armazenamento, escoamento superficial,
entre outros, negligenciados (Münnich, 2006).
3.5.5.2 Modelos de Camadas
O aterro é dividido em camadas, e, para cada camada, é feito um cálculo de balanço
hídrico. Sua desvantagem é que assume que apenas após a saturação da massa de lixo
ocorre a infiltração. Adicionalmente, existem poucos dados físicos para a caracterização
do lixo.
Um dos modelos mais conhecidos é o HELP (
Hydrologic Evaluation of Landfill
Performance)
, desenvolvido por Schroeder et al. (1994), sendo este programa
determinístico recomendado pela EPA (Environmental Protection Agency/EUA). Deve-
se observar que esse modelo é indicado para sistema de cobertura de aterro, mas não para
ser usado diretamente na massa de lixo.
Trata-se de um modelo quase-bidimensional em que uma das dimensões é usada para
calcular a percolação vertical e a outra, a drenagem lateral instalada sob o sistema de
cobertura. Para a simulação dos processos hidrológicos, o modelo solicita dados de
entrada dos parâmetros climatológicos e propriedades dos materiais envolvidos, além das
características de projeto. Os processos hidrológicos externos são simulados através da
alimentação de dados climáticos, como taxas médias diárias de precipitação, temperaturas
médias mensais, umidades relativas trimestrais, velocidades médias do vento, radiação
solar, crescimento vegetal e evapotranspiração, além das especificações do projeto para
realizar a análise. Para o cálculo dos processos hidrológicos no interior do maciço, são
44
necessários dados referentes à geometria das camadas formadoras do aterro (Schroeder
et
al.
,1994).
O modelo possibilita a entrada de dados referentes ao sistema de drenagem, tais como,
declividades e distâncias máximas entre os drenos laterais, dados do sistema de cobertura,
espessuras, descrição das camadas, área percentual do líquido utilizado na recirculação de
percolado, infiltrações subsuperficiais, características do solo (capacidade de campo,
ponto de murcha, condutividade hidráulica saturada, porosidade) e da geomembrana
(densidade, defeitos de instalação, condutividade hidráulica saturada, transmissividade)
(Schroeder
et al., 1994).
O balanço hídrico é calculado considerando-se a capacidade de campo de um solo ao
estimar o acúmulo de água em uma de suas camadas. O modelo considera também o
tempo decorrido entre a ocorrência de precipitação e a geração de percolado, que ocorre
quando o percolado transpassa a camada de resíduos.
O programa HELP apresenta algumas limitações, tais como a desconsideração da
contribuição de líquidos provenientes das reações de degradação do resíduo, levando a
subestimação do volume de lixiviado gerado. Os efeitos de capilaridade na taxa de fluxo
também são desconsiderados; logo, a drenagem não saturada ocorre a partir do momento
em que a umidade da camada alcança a capacidade de campo ( Schroeder
et al., 1994).
O programa também despreza os caminhos preferenciais que podem levar ao aumento da
condutividade hidráulica, tais como eventuais trincas no solo causadas por impacto de
caminhões pesados e tratores. Também desconsidera o fluxo dos bolsões de gás comuns
no interior dos aterros, outro caminho preferencial.
45
3.5.5.3 Modelo de Balanço
É feito um balanço para todo o aterro, e os resultados obtidos na simulação são
comparados aos dados de volume de lixiviado obtidos em campo. Sua desvantagem é a
escassez de dados físicos de comportamento da massa de lixo, além de grandes diferenças
no volume de lixiviado dentro do aterro.
Um exemplo que está publicado em Yuen
et al. (2001) propõem modelos de balanço
hídrico para duas situações, o aterro antes de receber a cobertura final, isto é, antes do seu
fechamento, e após o seu fechamento. Para a segunda hipótese, duas situações são
levadas em conta, a recirculação de lixiviado e o bombeamento de lixiviado para fora do
reservatório. Esse trabalho foi realizado em escala real, num aterro de resíduos sólidos em
Melbourne, Austrália.
Alguns parâmetros climáticos, tais como evapotranspiração, escoamento superficial (após
o fechamento do aterro), drenagem lateral e percolação, foram calculados no trabalho de
Yuen
et al. (2001) com o uso de outros programas ou modelos. Deve-se lembrar que,
para a hipótese do modelo antes do fechamento, o escoamento superficial foi
desconsiderado, devido a dificuldade de coleta devido a variação da superfície durante a
fase da célula aberta (Yuen
et al., 2001).
46
4. ADIÇÃO DE BENTONITA AO SOLO UTILIZADO COMO
CAMADA DE COBERTURA
A camada de cobertura tem várias funções, já descritas anteriormente, e pode-se destacar
o fato de que ela deve prevenir a infiltração de precipitação. A infiltração é afetada pela
precipitação, evapotranspiração e escoamento superficial e sub-superficial, podendo ser
reduzida com a presença de uma camada de baixa condutividade hidráulica abaixo do
solo de cobertura.
Existem diversos materiais naturais e sintéticos que podem ser utilizados para a
construção de camadas de impermeabilização em aterros de resíduos. A escolha do
material a ser usado deve levar em consideração as condições da área, o período de
armazenamento, o tipo de material a ser depositado e aspectos econômicos. O método de
construção assim como a vida útil e o custo do material também devem ser levados em
conta.
A condutividade hidráulica do material compactado utilizado deve ser inferior aos limites
recomendados. A espessura da camada deve ser tal que não sofra danos mecânicos. A
resistência do material a ataques químicos e físicos também deve ser analisada (Hoeks e
Ryhiner, 1989).
Existem alguns fatores que influenciam a condutividade hidráulica da camada de
cobertura, caso esta seja argilosa, e que devem ser levados em consideração durante a
escolha do sistema de camada de cobertura a ser utilizado. Elsbury et al. (1990)
procuraram listar esses fatores em ordem de influência, porém não foi possível por dois
motivos: a complexidade da inter-relação entre os fatores listados e a insuficiência de
dados para fazer essa hierarquização de importância. Então, foi desenvolvida uma lista,
dividida em três estágios operacionais da construção da camada: o estágio de
desenvolvimento do projeto, de construção e após a construção, com os principais fatores
que influenciam cada estágio. Essa lista encontra-se a seguir (Tabela 6). Cada um desses
fatores afeta a condutividade hidráulica de uma forma, descritas no citado trabalho.
47
Tabela 6: Fatores que influenciam a condutividade hidráulica da camada de argila
compactada – Fonte: Elsbury
et al., 1990
Grupo Principal Fator Chave
Estágio de Projeto
Tipo de solo Trabalhabilidade do solo
Granulometria
Potencial de inchamento
Outras considerações Espessura da camada
Estabilidade de fundação
Esforços devido ao carregamento
Estágio de Construção
Objetivos básicos da compactação
Destruição dos grumos de solo
Escolhas importantes
(para obtenção dos objetivos
básicos da compactação)
Umidade do solo
Tipo e peso do compactador
Número de passadas e camadas
Tamanho dos grumos do solo
Elementos de suporte Grau de saturação
Densidade seca
Outras considerações Preparação do solo
Garantia da qualidade de construção
Estágio após a construção
Influências ambientais Ressecamento
Congelamento
Em casos em que o solo que será utilizado como camada de cobertura de um aterro de
resíduos não atenda às recomendações necessárias a essa finalidade, a adição de bentonita
a ele pode ser uma boa opção (Hoeks
et al., 1987).
Ao se adicionar bentonita ao solo, a condutividade hidráulica da mistura depende do tipo
de bentonita utilizada, da porcentagem adicionada ao solo e da granulometria do solo e do
48
grau de compactação. A qualidade da água que infiltra pela camada também pode
influenciar a sua condutividade hidráulica (Hoeks
et al., 1987).
O aumento da energia de compactação em campo, obtida através do tipo de compactador
utilizado, pode levar a uma condutividade hidráulica
in situ 3 a 5 vezes menor que
ensaios obtidos em laboratório (Gouveia e Oliveira, 2005). Nesse estudo, foi utilizada
uma areia siltosa, a qual foi adicionada 4% de bentonita. Também foi observado não
haver ganho com compactações superiores a 95% de Proctor Normal, obtidas após a
quarta passagem do tipo de compactador utilizado no estudo (compactador de rolo plano,
com auto propulsor, de 25 toneladas).
Hoeks
et al. (1987) percebeu que o tempo também afeta a condutividade hidráulica.
Nesse estudo, foi observado que a condutividade hidráulica ainda decresce por um
período de 2-3 meses. Uma explicação seria a expansão da bentonita que ocorre por um
certo período de tempo. Outra seria o fechamento dos poros devido a erosão interna das
partículas de bentonita. Em aplicações práticas, recomenda-se a realização de ensaios de
condutividade hidráulica durante um período de 3-4 semanas após a compactação.
Hoeks
et al. (1987) constatou que, para as condições de seu estudo, a adição de 5% de
bentonita reduz a condutividade hidráulica saturada para a ordem de 5x10
-10
m/s, valor
este suficientemente baixo para ser usado como camada de cobertura. Esse valor pode
chegar a 1x10
-10
m/s após o período de 2-3 meses, devido a expansão da bentonita, citada
anteriormente.
Essa mistura de solo com bentonita é mais permeável ao lixiviado que à água limpa.
Logo, ao ser utilizada como camada de impermeabilização de fundo deve conter maior
porcentagem de bentonita que quando utilizada como camada de cobertura, impedindo,
assim, a infiltração do lixiviado no subsolo (Hoeks
et al., 1987).
Outro importante fator a ser levado em conta durante o desenvolvimento de um projeto
de sistema de cobertura é a formação de trincas, pois isto pode até inutilizá-lo. O
49
fenômeno de trincamento decorrente do ressecamento do solo foi primeiramente
investigado por Tempany (1917)
in Sitharam et al. (1995). Seguindo este estudo, Haines
(1923)
in Sitharam et al. (1995) fez a distinção de diferentes fases do fenômeno de
trincamento. Alguns anos depois, Stirk (1953)
in Sitharam et al. (1995) distingue quatro
fases durante o processo de trincamento por perda de água, onde o primeiro é
denominado de trincamento estrutural, o segundo, trincamento normal, seguido do
trincamento residual e da fase onde não há trincamento.
O fenômeno de trincamento do solo em conseqüência do ressecamento inicia-se a partir
do momento que o solo é exposto a atmosfera. A água contida nos poros evapora,
causando poro-pressão negativa. Essa pressão negativa aumenta a pressão efetiva
ocorrendo conseqüente redução de volume. Como a poro-pressão atua em todas as
direções, o solo tende a trincar em todas as direções (Kleppe e Olson, 1985).
A perda de umidade causa o desenvolvimento de trincas e, ao se formarem as primeiras
trincas, há mais perda de umidade, causando grande propagação das mesmas (Hewitt e
Philip, 1999). Essas trincas podem causar o aumento definitivo da condutividade
hidráulica.
As trincas podem ser representadas relacionando-se variação volumétrica específica à
quantidade de água presente no solo, que é influenciada principalmente pelas
características expansivas da argila (Boivin
et al., 2004).
O fenômeno das trincas pode ser dividido em duas fases. Inicialmente, a curva de
trincamento tem inclinação de 1:1, a partir do ponto de expansão máxima da matriz
porosa, até o ponto onde ocorre a entrada de ar.. Nesse ponto, o solo mantém-se saturado,
e cada centímetro cúbico de perda de água corresponde a um centímetro cúbico de
decréscimo de volume. Após a entrada de ar, o fenômeno de trincamento diminui,
chegando-se ao limite de trincamento (Boivin
et al., 2004).
50
A curva de trincamento geralmente tem a forma de uma sigmóide, com parte linear e
curvilínea separada por pontos de transição, como pode ser visto no gráfico abaixo
(Figura 16).
Figura 16: Curva de trincamento do solo e pontos de transição, de acordo com o modelo
exponencial de trincamento (Braudeau
et al., 1999 apud Boivin et al., 2004)
A, B, C e D são pontos de transição entre as fases linear e exponencial. A é definido
como limite de trincamento, B, como ponto de entrada de ar, C, limite da
macroporosidade, e D, ponto máximo de inchamento/expansão. A linha pontilhada
representa a linha de saturação ou de carregamento.
Nos estudos realizados por Boivin
et al. (2004), os pontos A, B e D podem ser
considerados como valores estimados para limite de trincamento, ponto de entrada de ar e
ponto máximo de expansão, respectivamente, estando de acordo com os valores obtidos
através da aplicação do modelo exponencial de trincamento proposto por Braudeau
et al.
(1999)
in Boivin et al. (2004).
Fredlund
et al. (2002) propõe uma estimativa para a construção da curva de trincamento
através do uso de alguns parâmetros, tais como porosidade, grau de saturação e sucção.
Tal estimativa pode ser encontrada de forma aprofundada em tal trabalho.
51
A variação volumétrica de trincamento é como uma percentagem do volume de sólidos,
como descrito a seguir (Sitharam
et al., 1995):
100*
21
SS
V
VV
V
V
−
=
∆
( 4.1)
onde:
S
V
V
∆
: variação volumétrica de trincamento expressa em %
V
1
: volume inicial
V
2
: volume final, após ressecamento
V
S
: volume de sólidos
Em estudo realizado por Sitharam et al. (1995) foi observado existir comportamento
similar entre o padrão de variação volumétrica de trincamento e a fase de trincamento
normal, para solos saturados, visto que estas curvas eram paralelas. Além disso, também
foi observado que o limite de trincamento aparentemente não é afetado pelo padrão das
trincas, tanto para solos saturados quanto não-saturados.
Foi observado que os solos apresentavam diferentes propriedades relacionadas ao
trincamento de acordo com o tipo e porcentagem de argila do solo (Boivin et al., 2004).
A curva de trincamento e de retenção de água podem ser calculadas a partir da mesma
equação, utilizando-se o modelo exponencial de trincamento (1999) ou de Van
Genuchten (1980) (Boivin et al., 2006). A equação de Van Genuchten apresenta valores
satisfatórios, porém não reproduz bem o trecho linear e a inclinação de ambas as curvas
(de trincamento e de retenção de água) e a parte assimétrica da curva de trincamento. Já o
modelo exponencial de trincamento ajusta-se melhor tanto a curva de trincamento quanto
a curva de retenção de água do solo (Boivin et al., 2006).
Deve-se lembrar que, para solos nos quais a umidade é superior à umidade referente ao
ponto B (entrada de ar), a inclinação inicial da curva de trincamento, denominada de
normal ou básica (Mitchell, 1992 apud Boivin et al., 2004), geralmente, não é igual a um.
52
Após o ressecamento, se o solo for umedecido com água, esse expandirá e fechará as
trincas, tornando a camada novamente íntegra. Porém se outro tipo de líquido penetrar
nas trincas ou algum material ficar ao longo dessas, após o processo de re-umedecimento,
podem resultar zonas de condutividade hidráulica elevada. Ciclos de umedecimento e
secamento podem gerar propagação de trincas profundas (Kleppe e Olson, 1985). Deve-
se observar que tal comportamento depende do tipo de bentonita utilizado.
Se o fluido que penetrar numa trinca não for absorvido pelo solo, as trincas podem
permanecer abertas, alterando a sua condutividade hidráulica do solo (Kleppe e Olson,
1985).
No caso de solos compactados, observa-se que o aumento das trincas está relacionado ao
aumento da umidade de compactação. Para solos compactados com umidade baixa, o
grau de saturação é baixo e a poro-pressão negativa tem pouco impacto na pressão
efetiva. Já solos compactados com elevada umidade, o elevado grau de saturação conduz
a uma mudança substancial na pressão efetiva (Kleppe e Olson, 1985).
A formação de trincas, além de estar relacionada à umidade de compactação, também
está relacionada à quantidade de bentonita adicionada ao solo.
A bentonita, por ser um material expansivo, isto é, com capacidade de inchamento, é
indicada nos casos em que se deseja evitar a formação de trincas, ou torna-las mínimas,
com facilidade de recuperação do solo.
Tay et al. (2001) realizaram estudos com adição de 10 e 20% de bentonita e umidade de
compactação variando de 8 a 32%. Os corpos de prova foram secos ao ar, e, durante esse
período, foi observada a formação de trincas.
Os corpos de prova com adição de 10% de bentonita (em peso seco) ao serem
compactados com 15% de umidade não apresentaram trincas visíveis, e os compactados
com 20% de umidade, apenas trincas pequenas. Os corpos de prova com adição de 20%
53
de bentonita, ao serem compactados com 14% de umidade, não apresentaram trincas em
decorrência do processo de ressecamento, e os compactados com 15%, apenas trincas
pequenas. A conclusão do estudo de Tay et al. (2001) é que há um aumento da formação
de trincas com o aumento da umidade de compactação, sendo que os ensaios realizados
com 20% de bentonita são mais sensíveis a esse aumento. Não se notou efeito da energia
de compactação nesse estudo.
Também nesse estudo foi preparado um corpo de prova com adição de 10% de bentonita
compactado com umidade de 30%. Esse corpo de prova foi seco ao ar, notando-se a
formação de trincas. Depois de seco, o mesmo foi, então, inundado, passando por um
novo ciclo de secagem. Essa inundação resultou em uma regeneração aparente da maioria
das trincas visíveis após a primeira secagem. Porém, após a segunda secagem, as trincas
reapareceram maiores que anteriormente, e também houve o surgimento de novas trincas,
bem finas, entre as originais.
O tipo de bentonita também influencia o processo de trincas. A maior parte das
bentonitas comerciais é do tipo sódica, e relativamente nova, as bentonitas calcárias
(Egloffstein, 2001).
Nos estudos de Egloffstein (2001), durante os quatro primeiros ciclos de ressecamento ao
ar, as propriedades da bentonita sódica, com uma maior capacidade de expansão
permanecem, enquanto observa-se uma mudança dessas propriedades na bentonita
calcária a partir do quinto ciclo de secagem.
Nas condições nas quais foram realizados os ensaios, as bentonitas calcárias não se
mostraram capazes da completa regeneração das trincas causadas por ressecamento
extremo. Esse tipo de ressecamento deve ser evitado através da adoção de medidas como
cobertura suficiente e controle do balanço hídrico (Egloffstein, 2001).
54
A bentonita sódica tem maior capacidade de regeneração também em relação a danos
causados durante a construção da camada, em relação à bentonita calcária
(Egloffstein, 2001).
A adição de bentonita também influencia a curva característica do solo. A partir dessa
curva, pode-se entender o comportamento de solos parcialmente saturados. A curva
característica de solos compactados pode ser influenciada por outros fatores, tais como
umidade de compactação, densidade inicial do solo, tipo de solo, mineralogia, histórico
de pressão e método de compactação, entre outros.
Em estudo realizado por Montañez (2002) utilizando solo arenoso com adição de
bentonita, diversos corpos de prova foram compactados com diferentes umidades iniciais,
porém todos com valores próximos ao valor do peso específico seco. O resultado de todos
os ensaios de ressecamento tende a seguir uma relação comum. E durante o
umedecimento, também existe tal relação, confirmando a histerese da curva de secamento
e umedecimento.
Ainda no estudo realizado por Montañez (2002), em respeito à variação volumétrica de
diversos corpos de prova, foi observado que durante o primeiro secamento não houve
qualquer variação volumétrica. Já durante o primeiro ciclo de umedecimento houve um
significante aumento de volume. Para valores de sucção menores que 1000 kPa o
aumento do volume foi mais perceptível, e o maior aumento volumétrico ocorreu para
valores de sucção inferiores a 100 kPa. No segundo ciclo de secamento, há variação
volumétrica até que o valor de saturação residual seja alcançado, e a partir deste ponto,
não houve mais registro de variação volumétrica. Também foi observado haver influencia
do tamanho do ciclo de secamento-umedecimento na variação de volume.
A quantidade de bentonita adicionada ao solo provoca um ligeiro deslocamento da curva
característica do solo, em comparação ao solo sem adição de bentonita, e o grau de
saturação residual aumenta com o aumento da adição de bentonita (Montañez, 2002).
55
As características da curva de retenção de água do solo são uma combinação da curva de
retenção de seus componentes. No estágio inicial de secamento a presença da areia altera
a curva de retenção da bentonita, resultando em valores de sucção mais elevados que os
correspondentes aos da bentonita, para os mesmos valores de umidade. Conforme o
secamento prossegue, a curva de secamento da mistura tende a se aproximar a curva de
secamento da bentonita, e eventualmente, ambas podem coincidir. O resultado
experimental sugere que quando a sucção atinge valores entre 1000 e 3000 kPa, toda a
água presente na mistura está associada a bentonita. Para valores de sucção inferiores que
esses valores, a água presente está associada aos dois componentes da mistura, a
bentonita e a areia (Montañez, 2002).
56
5. MATERIAIS E MÉTODOS
Neste capítulo, é feita a apresentação da Central de Tratamento de Resíduos (CTR) Nova
Iguaçu, local de onde foi retirado o material estudado. É feita uma caracterização do local
através de um breve histórico. Em seguida, é realizada a caracterização do solo local
através da curva granulométrica, dos limites de Atterberg, da condutividade hidráulica e
da curva característica. Também é apresentada uma breve caracterização dos resíduos
recebidos na CTR Nova Iguaçu, bem como é mostrada uma revisão de valores de
condutividade hidráulica obtidos em diversos trabalhos.
Ainda neste capítulo, descreve-se o Permagel, um tipo de bentonita utilizada neste
trabalho. São mostrados a curva granulométrica, os limites de Atterberg e a
condutividade hidráulica do material. A partir desses dados, indica-se como foi realizada
a escolha da porcentagem de bentonita a ser utilizada nos ensaios, mostrando-se os
ganhos obtidos com essa adição.
Em seguida, explica-se o funcionamento do equipamento desenvolvido para este trabalho
e os aparelhos utilizados no ensaio de ressecamento livre, além de mostrar, em detalhes, o
processo de montagem desse ensaio. Ao final do capítulo, são tecidas considerações
relacionadas ao equipamento desenvolvido, que se recomenda sejam seguidas em ensaios
futuros.
O solo utilizado nos ensaios foi cedido pela Central de Tratamento de Resíduos Nova
Iguaçu, administrada pela S.A. Paulista. A Fundação Coppetec vem realizando ensaios
com este material a pedido da CTR Nova Iguaçu. Esse material é utilizado como camada
de cobertura após o fechamento do aterro. A bentonita (Permagel) utilizada foi cedida
pela Bentonit União Nordeste S.A., tendo em vista contrato de pesquisa com a Fundação
Coppetec, através de projeto coordenado pelo professor Cláudio Mahler.
57
5.1 Aterro Sanitário da Central de Tratamento de Resíduos (CTR) Nova Iguaçu
5.1.1 A CTR Nova Iguaçu
O aterro sanitário de Nova Iguaçu, conforme mostra-se nas Figuras 17 e 18, está
localizado no município de Nova Iguaçu situado na Baixada Fluminense, parte da região
metropolitana do Rio de Janeiro, distando aproximadamente 50 km do Rio de Janeiro,
tendo sido construído de acordo com as recomendações brasileiras, evitando a
contaminação das águas e solos.
Figura 17: Mapa de localização de Nova Iguaçu e da CTR Nova Iguaçu
CTR
58
Figura 18: Aterro CTR Nova Iguaçu – Fonte: Google Earth
A CTR Nova Iguaçu está localizada nas latitudes 22° 30’ e 23°S e meridianos de 43°
00”W. Esse aterro ocupa uma área de 1.200.000m
2
, recebendo resíduos urbanos, de
serviços de saúde e de construção civil. É composto de célula para aterro sanitário e
industrial, e também unidade de tratamento de resíduos de serviços de saúde, unidade de
tratamento de chorume, aproveitamento energético de biogás, unidade de britagem de
entulho e unidade de gerenciamento de resíduos industriais. Inaugurado em fevereiro de
2003, o aterro é totalmente licenciado, sendo uma concessão de 20 anos nos moldes de
parceria público-privada (PPP).
Sabe-se que os RSU dispostos neste aterro compreendem lixo industrial, domiciliar e
público, mas existem variações regionais e sazonais que afetam sua composição. A
Figura 19 ilustra a construção do aterro.
59
Figura 19: Vista construção CTR Nova Iguaçu – Fonte:
http://www.ecopop.com.br/publique/cgi/cgilua.exe/sys/start.htm?infoid=134&sid=10&fr
om_info_index=6
5.1.2 Solo da CTR Nova Iguaçu
Foram realizados ensaios de caracterização do solo, de acordo com a NBR 7181/84. A
partir desses ensaios, o solo foi caracterizado como sendo uma areia silto-argilosa, visto
que, em sua composição, há mais de 50% (no caso, 51,5%) de areia (vide Figura 20 e
Tabela 7). A seguir, são apresentados os resultados obtidos.
60
Curva Granulométrica
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,001 0,01 0,1 1 10 100
Diâmetro dos Grãos (mm)
Porcentagem que Passa
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Porcentagem Retida
PEDREGULH
AREIA
ARGILA
SILTE
GROSSOMÉDIOFINO GROSSAMÉDIAFINA
ABNT
PENEIRAS:
200 100 60 40 2030 10 8 4 3/8 3/4 1 1 1/2
S.A PAULISTA
NOVA IGUAÇU
Figura 20: Curva granulométrica do solo da CTR – Nova Iguaçu
Tabela 7: Composição granulométrica do solo da CTR - Nova Iguaçu
Composição Granulométrica (%) (Escala ABNT)
Argila
Silte
Areia
Pedregulho
Fina
Média
Grossa
13,8 31,8
16,8
19,3 15,4 2,9
A densidade real dos grãos para esse solo foi determinada como sendo 2,67. Também
foram realizados ensaios para a determinação dos limites de liquidez e de plasticidade
para esse solo (Tabela 8), de acordo com a NBR 6459/84 e NBR7180/84,
respectivamente.
Tabela 8: Características geotécnicas do solo da CTR – Nova Iguaçu
Característica Valor
Limite de liquidez (%) 44,5
Limite de plasticidade (%)
21,12
61
A plasticidade do solo é uma propriedade que consiste na maior ou menor capacidade de
trabalhabilidade do solo, isto é, serem moldados, sob certas condições de umidade, sem
variação de volume. Quando um solo com umidade muito elevada perde água através da
evaporação até endurecer, mas sem perder a capacidade de fluir, sendo moldado
facilmente e conserva sua forma, diz-se que este é o limite de liquidez, encontrando-se o
solo no estado plástico. Se a perda de água continuar, chega-se ao limite de plasticidade,
momento no qual o solo desmancha ao ser trabalhado. Continuando a secagem, ocorre a
passagem do solo para o estado sólido. O limite entre esses dois estados é chamado de
limite de contração (Pinto, 2000).
O resultado do ensaio de compactação do tipo Proctor Normal, realizado de acordo com a
NBR7182/86, apresentou uma umidade ótima de, aproximadamente, 24,5%,
correspondendo ao peso específico aparente seco de 1,52 g/cm
3
(Figura 21).
Compactação - Tipo Proctor Normal
1,42
1,44
1,46
1,48
1,50
1,52
1,54
18,0 20,0 22,0 24,0 26,0 28,0 30,0
Umidade (%)
Peso esp. aparente seco (g/cm3)
Figura 21: Gráfico de compactação do tipo Proctor normal para o solo SA Paulista
A condutividade hidráulica desse solo, em ensaio realizado a carga variável, é da ordem
de 10
-8
m/s, sendo um valor baixo, mas não suficiente para que esse solo possa ser
62
utilizado como camada de cobertura de aterro de resíduos sólidos. Para que seja
alcançado o valor recomendado, sugere-se a adição de bentonita, que será descrita
posteriormente (item 5.3).
Ferreira (2006) apresenta resultados de curvas de retenção de água para cinco amostras
indeformadas da mesma jazida (da CTR Nova Iguaçu), porém de pontos de coletas
distintos dos do presente trabalho. Tais ensaios foram realizados pela EMBRAPA Solos.
Foram utilizadas cinco amostras indeformadas (AM1, AM2, AM3, AM4 e AM5) para o
ensaio no aparelho de Richards. As amostras do solo são saturadas e submetidas a uma
determinada pressão, até atingir a drenagem máxima da água contida nos seus poros,
correspondente à tensão aplicada. Determina-se, então, a umidade da amostra. As tensões
usualmente utilizadas são: 0,01; 0,033; 0,1; 0,5 e 1,5 MPa (Ferreira, 2006).
As curvas de retenção de água ou curvas características foram construídas com dados
obtidos segundo a metodologia proposta por Richards e Weaver (1994), conforme a
Figura 22 (Ferreira, 2006).
63
Figura 22: Curvas de retenção de água no solo – Fonte: Ferreira (2006)
A partir da curva característica, foi determinada a capacidade de campo conforme a
metodologia de Cassel e Nielsen (1986), utilizando-se o potencial matricial de 0,033MPa.
Esses dados estão apresentados na Tabela 9, sendo o valor médio (X) de teor de umidade
de 30,98%, desvio padrão (s) de 2,65 % e um coeficiente de variação (s/X) de 0,09.
64
Tabela 9: Capacidade de campo do solo SA Paulista – Fonte: Ferreira (2006)
Amostra
Capacidade de Campo (%)
AM1 33,1
AM2 31,4
AM3 30,4
AM4 29,8
AM5 30,2
X ± s 30,98 ± 2,65
s/X 0,09
5.1.3 Características dos Resíduos da CTR Nova Iguaçu
A CTR Nova Iguaçu foi inaugurada em fevereiro de 2003 e recebe diariamente 2000
toneladas de resíduos sólidos urbanos e resíduos industriais (classes IIA e IIB). Nem a
CTR Nova Iguaçu nem a Prefeitura do município possuem uma composição gravimétrica
dos RSU coletados. O peso específico para os resíduos dispostos na CTR foi determinado
por meio de ensaios (método da cava – Figura 23), realizados por Silveira (2004),
encontrando-se o valor de 9,15 kN/m
3
.
Figura 23: Determinação do peso específico dos resíduos pelo método da cava –
Fonte: Silveira (2004)
65
Esse valor é compatível com os sugeridos por Kaimoto e Cepollina (1996) citado em
Schueler (2005). Com base nesse estudo para aterros sanitários no Brasil, pode-se adotar
valores entre 5 e 7 kN/m
3
para aterros com elevada taxa de decomposição, com resíduos
novos, não decompostos e pouco compactados. Após a compactação com tratores ou rolo
compactador e após ocorrência de recalques no maciço de RSU, adotam-se valores entre
9 e 13 kN/m
3
.
O teor de umidade é uma característica influenciada pelo teor de umidade inicial,
condições climáticas, condições de drenagem interna e superficial do maciço,
composição dos RSU e profundidade. Em estudo realizado por Carvalho (2006), no
aterro sanitário de Santo André-SP, foram encontrados valores de umidade entre 20 e
76%. Ainda segundo Carvalho (2006), valores para capacidade de campo variam entre
22,71 e 45,15%, com valor médio de 37,51%, não apresentando um comportamento
característico observável.
A condutividade hidráulica é uma característica influenciada pela presença de matéria
orgânica, visto que esta é a responsável pelo aumento percentual de partículas finas e
diminuição do índice de vazios com o passar do tempo. Na Tabela 10, são apresentados
valores de condutividade hidráulica de diversos estudos.
66
Tabela 10: Condutividade hidráulica para RSU de diversos estudos –
Fonte: Schueler, 2005
Pesquisador Condutividade Hidráulica (m/s)
FUNGAROLI et al. (1979) 10
-
5
a 2x10
-
4
KORIATES et al. (1983) 3,15x10
-
5
a 5,1x10
-
5
OWEIS & KHERA (1986) 10
-
5
OWEIS et al. (1990) 10
-
5
/ 1,5x10
-
4
/ 1,1x10
-
5
LANDVA & CLARK (1990) 10
-
5
a 4x10
-
4
GABR & VALERO (1995) 10
-
7
a 10
-
5
BLENGINO et al. (1996) 3x10
-
7
a 3x 0
-
6
MANASSERO (1990) 1,5x10
-
5
a 2,6x10
-
4
BEAVEN & POWRIE (1995) 10
-
7
a 10
-
4
BRANDL (1990)(1994)(1994)
3x10
-
7
a 5x10
-
6
/10
-
6
a 5x10
-
4
/3x10
-
8
a 2x10
-
6
MARIANO & JUCÁ (1998) 1,89x10
-
8
a 4,15x10
-
6
CEPOLLINA et al. (1994) 10
-
7
SANTOS et al. (1994) 10
-
7
CARVALHO (1999) 5x10
-
8
a 8x10
-
6
ERLICH et al. (1994) 10
-
5
AGUIAR (2002) NO RSU 3,9x10
-
4
a 5,1x10
-
4
AZEVEDO (2002) NO RSU 10
-
5
a 10
-
6
Observa-se, na Tabela 10, que os valores apresentados para aterros brasileiros (entre 10
-6
e 10
-8
m/s) são inferiores aos encontrados na literatura internacional (de 10
-4
a 10
-6
m/s).
Deve-se observar que os resultados de condutividade hidráulica obtidos dependem do
procedimento adotado, se os dados foram obtidos em campo ou laboratório, se houve ou
não a remoção da camada de cobertura, se os ensaios foram realizados em resíduos
jovens ou maduros, sujeitos a pré-tratamento mecânico-biológico ou não. Segundo
estudos da EPA (1983), a condutividade do lixo apresenta valores entre de 10
-3
– 10
-7
m/s, mas esse estudo não contém informações quanto à caracterização do lixo.
67
A Tabela 10 ainda deve ser observada com restrição, uma vez que compreende
possivelmente ensaios completamente diferentes e talvez condições também diversas
(lixo propriamente dito, cobertura intermediária, cobertura final, etc.).
5.2 Bentonita
Como aditivo para diminuir a condutividade hidráulica do solo da CTR Nova Iguaçu,
utilizou-se o produto “Permagel”, bentonita sódica (aditivada) produzida pela Bentonit
União Nordeste S.A. Essa bentonita possui uma condutividade hidráulica da ordem de
1x10
-14
m/s (Ferrari, 2005). Na Figura 24 e na Tabela 11, são apresentados alguns dados
relativos à bentonita utilizada.
Curva Granulométrica
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,001 0,01 0,1 1 10 100
Diâmetro dos Grãos (mm)
Porcentagem que Passa
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Porcentagem Retida
PEDREGULHO
AREIA
ARGILA
SILTE
GROSSOMÉDIOFINO GROSSAMÉDIAFINA
ABNT
PENEIRAS:
200 100 60 40 2030 10 8 4 3/8 3/4 1 1 1/2
PERMAGEL
Figura 24: Curva granulométrica do Permagel – Fonte: Rose, 2007
68
Tabela 11: Composição granulométrica do Permagel – Fonte: Rose, 2007
Composição Granulométrica (%) (Escala ABNT)
Argila
Silte
Areia
Pedregulho
Fina
Média
Grossa
86,6 13,0
0,4 0,0 0,0 0,0
Como pode ser observado, a bentonita só possui finos (argila e silte), sendo caracterizada
como uma argila. A densidade real dos grãos para esse solo foi determinada como sendo
2,78 (Rose, 2007). Também foram realizados ensaios para a determinação dos limites de
liquidez e de plasticidade para esse solo (Rose, 2007) (Tabela 12), indicando que esse
solo apresenta grande trabalhabilidade, devido ao elevado valor de umidade
correspondente ao limite de liquidez.
Tabela 12: Características geotécnicas do Permagel – Fonte: Rose, 2007
Característica Valor
Limite de liquidez (%) 505,6
Limite de plasticidade (%)
46,3
5.3 Metodologia
A camada de cobertura de um aterro de resíduos tem como principal função impedir a
entrada de água na massa de resíduos, porém nem todos os solos naturais possuem
condutividade hidráulica suficientemente baixa para serem utilizados como tal. A
formação de trincas nessa camada, em conseqüência da erosão, do ressecamento do solo,
da presença de animais e de vegetação, pois as raízes criam caminhos preferenciais para a
água, também afetam a condutividade hidráulica.
Uma das propriedades da bentonita, como mencionado previamente, é a expansibilidade.
Adicionando-se bentonita ao solo natural, espera-se a diminuição na formação de trincas,
além de haver a redução da condutividade hidráulica e capacidade de recuperação do solo
em caso de abertura de fissuras de maiores dimensões em longo período.
69
A fim de se verificar a quantidade ideal de bentonita a ser adicionada a mistura para se
obter valores de condutividade hidráulica inferior a 10
-9
m/s – de acordo com a
recomendação brasileira (item 3.6.1) foram realizados ensaios variando-se a porcentagem
de bentonita adicionada à mistura (Figura 25).
Condutividade Hidráulica versus %Bentonita
1,00E-09
3,00E-09
5,00E-09
7,00E-09
9,00E-09
1,10E-08
1,30E-08
1,50E-08
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Bentonita (%)
Condutividade Hidráulica (m/s)
Figura 25: Condutividade Hidráulica versus % de bentonita
Pode-se observar que somente a partir da adição de 4% de bentonita em peso seco ao solo
é que se obtém condutividade hidráulica inferior a 10
-9
m/s, representado pelos pontos
abaixo da linha tracejada da Figura 25. No entanto, esse valor não é suficiente de acordo
com a norma americana (item 2.6.2) e nem com a alemã (item 2.6.3), que sugerem uma
condutividade hidráulica da ordem de 10
-10
m/s.
A partir da análise dos dados de condutividade hidráulica obtidos, foram realizados
ensaios de caracterização para o solo com adição de 5% de bentonita em peso seco, aqui
denominado SA Paulista 5%. A composição granulométrica encontra-se na Tabela 13, e
os resultados dos limites de liquidez e de plasticidade, na Tabela 14.
70
Tabela 13: Composição granulométrica do solo SA Paulista 5%
Composição Granulométrica (%) (Escala ABNT)
Argila
Silte
Areia
Pedregulho
Fina
Média
Grossa
16,1 29,8
16,8
19,9 14,7 2,7
Tabela 14: Características geotécnicas do solo SA Paulista 5%
Característica Valor
Limite de liquidez (%) 75,5
Limite de plasticidade (%)
28,26
Observa-se pequena alteração da curva granulométrica, com ligeiro aumento da fração de
argila e silte em relação ao solo SA Paulista (Figura 26). O grande ganho foi em relação
às características geotécnicas, com aumento dos índices de plasticidade, melhorando as
condições de trabalhabilidade.
Curva Granulométrica
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,001 0,01 0,1 1 10 100
Diâmetro dos Grãos (mm)
Porcentagem que Passa
S.A. Paulista 5% S.A. Paulista
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Porcentagem Retida
PEDREGULH
AREIA
ARGILA
SILT
GROSSOMÉDIO
FINO
GROSSAMÉDIAFINA
ABN
T
Figura 26: Comparação da granulometria do solo SA Paulista e SA Paulista 5%
71
No resultado do ensaio de compactação do tipo Proctor Normal para o solo SA Paulista
5%, foi determinada a umidade ótima de, aproximadamente, 23,4%, correspondendo ao
peso específico aparente seco de 1,53g/cm
3
(Figura 27). A condutividade hidráulica deste
solo é da ordem de 10
-9
m/s, valor suficiente de acordo com a recomendação brasileira
(item 2.6.1) para ser utilizado como camada de cobertura de aterro de resíduos.
Compactação - Tipo Proctor Normal
1,42
1,44
1,46
1,48
1,50
1,52
1,54
18,0 20,0 22,0 24,0 26,0 28,0 30,0
Umidade (%)
Peso esp. aparente seco ( g/cm3 )
Figura 27: Gráfico de compactação do tipo Proctor normal para o solo SA Paulista 5%
A partir dessa avaliação, optou-se pela realização de ensaios utilizando-se solo sem
adição de bentonita, para servir como controle, solo com 5% de bentonita em peso seco
(SA Paulista 5%) e solo com 10% de bentonita em peso seco (SA Paulista 10%).
Os ensaios realizados tiveram como objetivo analisar a formação de trincas durante o
processo de ressecamento do solo. A formação de trincas foi observada a partir da
variação volumétrica do corpo de prova (CP), medida pela variação de nível de água na
bureta. Também foi feito acompanhamento da variação de umidade (de forma indireta,
através da variação de peso do CP), de temperatura (no topo e na base do CP) e de sucção
72
(na base do CP). Para tanto, foi desenvolvido e montado, no Laboratório de Geotecnia da
COPPE/UFRJ, um aparelho, mostrado esquematicamente a seguir (Figura 28).
O aparelho segue os princípios do lisímetro de peso em que a umidade é medida pela
variação de peso do conjunto, sendo o ensaio realizado diretamente sobre uma balança de
boa precisão (Mahler, 2006).
Figura 28: Desenho esquemático do aparelho desenvolvido para o ensaio de ressecamento
livre
Corpo de
prova
Membrana
Copo em
acrílico
Base
metálica
Tensiômetro
Termômetro
Bureta
73
Figura 29: (a)Copo em acrílico e (b)base metálica
A aquisição dos dados de variação volumétrica e de peso foi realizada de forma manual,
enquanto que os dados de temperatura e sucção de forma automatizada. Os equipamentos
utilizados, a montagem do ensaio e os procedimentos seguidos serão mostrados no item a
seguir.
5.4 Equipamentos Utilizados
5.4.1 Geotermômetro
O sensor de temperatura do solo (Figura 30) aplicado nos ensaios é do tipo Termistor de
10K ou 10000 ohms, bastante comum no ramo da eletrônica. O sensor funciona como
uma resistência, permitindo ou não a passagem de corrente. Esse equipamento permite a
leitura de -20 a +60ºC com erro de ±0,1ºC, fabricado pela UP – GmbH. Esse sensor
apresenta um cabo comum com três pernas, um positivo e dois negativos.
74
Figura 30: Geotermômetro
O geotermômetro TMP, assim como os demais instrumentos, pode ser conectado a um
dispositivo armazenador de dados (data logger), obtendo-se a leitura da temperatura do
solo de forma contínua.
5.4.2 Tensiômetro
5.4.2.1 Funcionamento
Os transdutores de pressão têm como princípio básico de funcionamento um diafragma
que se distende de acordo com a pressão do líquido ou gás atuando em um dos seus lados
fechado em um compartimento estanque. Do outro lado desse compartimento, em contato
com a pressão atmosférica, encontram-se os extensômetros que medem o movimento do
diafragma. O valor da resistência elétrica dos extensômetros varia com o movimento do
diafragma, sendo possível medir as pressões a partir de uma calibração do transdutor..
Para medir pressões de água negativas é necessário acoplar ao transdutor uma pedra
porosa de alta pressão de borbulhamento. A pedra porosa funciona como uma interface
entre solo, água e sistema de medição. O copo, que pode ser de aço, vidro ou acrílico,
desenvolve a função de corpo de todo o conjunto do equipamento. Com a acoplagem do
copo com a pedra porosa ao transdutor, obtém-se o tensiômetro, capaz de medir poro
pressão negativa.
75
Para se medir o valor de sucção de um solo com o tensiômetro, deve-se garantir que a
água presente em sua estrutura apresente uma continuidade hidráulica com a água da
pedra porosa deste equipamento. O transdutor utilizado é composto de um invólucro em
aço inoxidável, com acabamento polido e cabo blindado, com sinal de saída de 1-5 Vcc e
alimentação de 10Vcc.
O fornecimento de energia foi garantido através de um cabo conectado ao corpo do
instrumento, que é acoplado a uma fonte de alimentação, passando a gerar sinais
analógicos de saída, que são armazenados no dispositivo armazenador de dados (data
logger) (Diene, 2004).
5.4.2.2 Desenvolvimento e Montagem
O tensiômetro
1
usado neste estudo foi desenvolvido no Laboratório de Geotecnia da
COPPE – UFRJ, permitindo a medição de sucção de pelo menos até 1500kPa. Esse
tensiômetro foi desenvolvido por Mahler et al. (2004). O tensiômetro usado neste
trabalho consiste de uma pedra porosa colada a um cabeçote acrílico, acoplada a um
transdutor de pressão (Figuras 31 e 32).
Figura 31: Transdutor de pressão
138
1
O tensiômetro está sob Depósito de Fase Nacional da Patente pelo professor Cláudio Mahler e Hélcio
Gonçalves, feito em 01/09/2004 (Tensiômetro para Medições de Sucções Elevadas), e está registrado no
INPI sob o nº PI0403670-0.
76
O copo onde a pedra porosa é fixada deve ter superfície bastante lisa para não permitir a
fixação de bolhas de ar, além de ter uma boa resistência inclusive a possíveis impactos e à
corrosão. Neste estudo, são utilizados copos de acrílico fabricados sob encomenda.
Figura 32: Copo de acrílico com pedra porosa
A montagem do tensiômetro requer cuidados especiais. A pedra porosa deve ser saturada,
seguindo-se procedimento de vácuo seco e posterior vácuo com água. A água deve ser
destilada e deaerada. Neste estudo, a pedra porosa utilizada foi de 5 bar (500kPa),
podendo este valor variar, bem como o transdutor (Mahler e Diene, 2007).
5.4.3 Sistema de Aquisição de Dados
O dispositivo armazenador de dados (datalogger) é um equipamento capacitado a realizar
leituras e armazenar dados providos de uma diversidade de instrumentos com as mais
variadas fontes. Esses dados podem ser lidos através do próprio visor do equipamento ou
através de um código computacional instalado em um computador, constituindo-se assim
uma interface.
A comunicação entre o armazenador de dados e o computador é feita por um cabo do tipo
RS-232, desde que seja configurado o protocolo de comunicação em ambas as faces.
77
Neste trabalho, foi utilizado o modelo Agilent (Figura 33). Esse modelo tem a capacidade
de armazenar até 50000 leituras.
Figura 33: Dispositivo armazenador de dados - modelo Agilent
5.4.4 Balança
A balança utilizada neste trabalho é feita em aço carbono, com capacidade de 20kg e
precisão de 2g (Figura 34). Os dados são lidos no visor da balança.
78
Figura 34: Balança
5.5 Ensaio de Ressecamento Livre
O CP é compactado seguindo-se o procedimento de compactação de Proctor Normal para
o CP de menor tamanho, em três camadas com vinte e seis golpes por camada. Já para o
tamanho CBR, foi compactado com energia normal, isto é, em cinco camadas com doze
golpes por camada e sem o disco espaçador, sendo este o CP de maior tamanho. O molde
utilizado é tri-partido, de forma que o CP pode ser retirado do mesmo sem ser danificado.
O solo é compactado com cerca de 25% de umidade, próximo a umidade ótima em todos
os casos. Depois de retirado, o CP é colocado no aparelho para o ensaio de ressecamento.
Durante todo o processo, são monitorados dados de umidade, variação volumétrica,
temperatura e sucção.
79
5.5.1 Preparação e Montagem do Ensaio
5.5.1.1 Preparação do Transdutor
O copo de acrílico, já com a pedra porosa, é colocada em vácuo seco na câmara de
saturação, por um período mínimo de 24h. Após esse período, a câmara é inundada com
água, sendo sugada pelo vácuo até que o conjunto esteja submerso, ficando assim por um
período mínimo de 12h (Figura 35).
Figura 35: (a)Conjunto no vácuo e (b)depois submerso
Para a montagem do tensiômetro, deve-se fazer a saturação do reservatório interno do
transdutor, utilizando-se uma seringa com agulha (Figura 36 a). A partir de então, o
procedimento deve ocorrer submerso em água deaerada a fim de evitar a entrada de bolha
de ar no sistema. Aplica-se uma camada de teflon ao transdutor e, então, acopla-se o copo
de acrílico ao transdutor (Figura 36 b). Após a acoplagem, o sistema deve continuar
submerso até o momento do início do ensaio para que não ocorra a desaturação da pedra
porosa.
80
Figura 36: (a)Saturação do reservatório do transdutor e (b) acoplagem do transdutor ao
copo de acrílico
Após a acoplagem, o tensiômetro foi testado aplicando-se diferentes pressões para se ter a
segurança que a acoplagem estava perfeita, isto é, sem perda de pressão.
5.5.1.2 Preparação do Corpo de Prova
O solo já destorroado e passado pela peneira 10 deve ser homegeneizado com água e
colocado na câmara úmida por um período mínimo de 24h. Posteriormente, deve ser
compactado no molde tri-partido, que deve estar envolto em filme plástico (Figuras 37 e
38). Ainda dentro do molde, faz-se a furação para a colocação do termômetro no topo e
na base.
81
Figura 37: Montagem tri-partido – tamanho Proctor
Figura 38: Montagem tri-partido – tamanho CBR
82
5.5.1.3 Montagem do Ensaio de Ressecamento Livre
Inicialmente, é feita a furação para o termômetro da base e do fundo do CP. O CP é
retirado do molde tri-partido, e, então, colocado sobre a base metálica, onde já se
encontra o tensiômetro.
O tensiômetro deve ser acoplado à base metálica e sobre este deve ser colocada uma pasta
em que o solo apresente uma umidade superior a de compactação (Figura 39). Essa pasta
é colocada para se garantir o contato entre a pedra e o CP, funcionando como se fosse um
ligante entre o corpo de prova e a pedra porosa.
Figura 39: Pasta de solo colocada no tensiômetro
Após esse procedimento, coloca-se o CP na base metálica. A partir desse momento,
inicia-se a coleta de dados de pressão e da temperatura na base (detalhe da Figura 40).
83
Figura 40: Detalhe tensiômetro e termômetro
Posteriormente, coloca-se a membrana no CP (Figura 41) com o auxílio do encamisador
(Figura 42), sendo depois acoplado o copo de acrílico, que é preenchido com água. O
termômetro é colocado no topo de CP.
Figura 41: CP envolto pela membrana
Termômetro
Tensiômetro
84
Figura 42: Encamisador
O sistema todo é colocado na balança (Figura 43). A partir de então são obtidos, também,
dados de temperatura no topo, de variação volumétrica e de umidade.
Figura 43: Ensaio de ressecamento livre
Inicialmente, os dados são coletados em intervalos de 20 segundos nas horas iniciais,
sendo depois espaçados para intervalos de 10 minutos. O tempo de duração do ensaio
85
varia, tendo uma duração média de cinco dias. O ensaio é encerrado quando a sucção está
estável.
Antes do início de um novo ensaio, o conjunto copo de acrílico com pedra porosa era
colocado no vácuo e depois submerso (ainda em vácuo) para garantir que não houvesse
entrada de ar no interior da pedra porosa, o que acarretaria na perda do ensaio.
5.6 Recomendações
Para garantir o bom funcionamento do tensiômetro, este deve ser testado depois de
montado para verificar se há perda de pressão e se o tempo de resposta da pressão está
adequado. O teste consiste em aplicar variadas pressões no tensiômetro e verificar se a
pressão aplicada equivale à pressão lida pelo transdutor.
A vedação entre a pedra porosa e o copo de acrílico deve ser perfeita, a fim de se evitar
perda de pressão por essa junta. Pelo mesmo motivo, a vedação da rosca do transdutor, no
local em que este é acoplado ao copo de acrílico também deve ser perfeita.
Danos ao copo de acrílico podem ocorrer devido à elevada pressão que ocorre durante o
rosqueamento do transdutor ao copo. Mesmo tomando-se medidas preventivas como não
ultrapassar o limite máximo de pressão suportado pelo transdutor, esperando-se a
dissipação da pressão antes de continuar o processo de rosqueamento, pode haver fadiga
do acrílico. Também pode ocorrer fadiga na cola utilizada para aderir a pedra porosa ao
copo de acrílico, causada pela pressão no momento de rosqueamento, visto que não há
garantia da sua resistência. Deve-se lembrar que o processo de rosqueamento ocorre a
cada ensaio realizado.
Fabricar o copo, atualmente de acrílico, com outro material, pode ser uma alternativa
interessante, pois houve fissura durante os ensaios, levando a perda de pressão e, logo, ao
não funcionamento do tensiômetro.
86
É interessante a opção de um orifício na lateral no copo de acrílico, na altura do
reservatório de água que fica entre o transdutor e a superfície da pedra porosa, como
alternativa para evitar a fadiga dos materiais (do acrílico e da cola), durante o
rosqueamento do transdutor ao copo. Através desse orifício, a pressão é dissipada quase
instantaneamente. Depois de dissipada, fecha-se esse orifício e prosseguem-se os ensaios.
Deve-se dar atenção especial para a vedação desse orifício, a fim de se evitar perdas de
pressão através do mesmo.
87
6. RESULTADOS
6.1 Ensaio de Ressecamento Livre
Para este estudo, foram realizados dez ensaios de ressecamento livre, dos quais seis
puderam ser utilizados, e os resultados obtidos encontram-se a seguir. Devido a
problemas na medição da sucção, quatro ensaios tiveram que ser descartados.
Durante o ensaio de ressecamento livre, foram coletados dados de sucção, variação
volumétrica, peso e temperatura, sendo, então, construídos gráficos com os resultados de
sucção versus tempo, umidade versus variação volumétrica e sucção versus umidade, que
é a curva característica. Esses resultados são apresentados para os dois tamanhos de corpo
de prova, tipo Proctor (diâmetro de 10cm e altura de 13cm) e tipo CBR (diâmetro de
15cm e altura de 17,5cm), para se verificar possível interferência do tamanho do mesmo.
Deve-se lembrar que foram retirados dos gráficos aqui apresentados as instabilidades, que
podem ter sido causadas por fatores externos, tal como oscilação de voltagem, entre
outros. Os gráficos, na íntegra, encontram-se em anexo (Anexo A).
6.1.1 Sucção
Nem todos os ensaios de sucção apresentaram um resultado satisfatório. Os tensiômetros,
após montados, eram testados para verificar se havia perda de pressão por problemas de
vedação no local onde se rosqueia o transdutor. Não havendo perda de pressão, o
tensiômetro poderia ser usado no ensaio
Os dados de sucção foram agrupados de acordo com o tamanho do corpo de prova,
podendo-se fazer uma análise para o tamanho Proctor e para o tamanho CBR.
Também foi feito o gráfico de dados para os solos com a mesma porcentagem de
bentonita. Mas para que essa análise possa ter validade, são necessárias repetições dos
ensaios para garantir a confiabilidade dos dados.
88
6.1.1.1 Tamanho Proctor
O gráfico de sucção versus tempo (Figura 44) foi elaborado para os corpos de prova com
mesmo tamanho, sendo, no caso, tamanho da compactação tipo Proctor, porém com
variação da quantidade de bentonita adicionada ao solo (sem adição de bentonita, com
5% e com 10% de adição de bentonita).
Sucção - Proctor
-90,0
-80,0
-70,0
-60,0
-50,0
-40,0
-30,0
-20,0
-10,0
0,0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
Tempo (min)
Sucção (kPa)
SA Paulista SA Paulista 5% SA Paulista 10%
Figura 44: Comparação da sucção para os corpos de prova do tamanho Proctor, variando-
se a porcentagem de bentonita adicionada ao solo
Observa-se, na Figura 44, o aumento da sucção com a adição de bentonita ao solo. Esse
fato ocorre devido ao aumento de finos presentes no solo. Um maior percentual de
bentonita conduz a um solo com menor volume de vazios, a uma menor condutividade
hidráulica e a uma maior capacidade de retenção de líquidos, ou seja, maior capacidade
de campo.
Deve-se lembrar que a umidade inicial do ensaio também influencia a sucção do solo.
Quanto mais úmido se encontra o solo, menor será a sucção do mesmo.
89
6.1.1.2 Tamanho CBR
O gráfico de sucção versus tempo (Figura 45) foi construído para os corpos de prova de
mesmo tamanho. No caso, empregou-se tamanho da compactação CBR, porém com
variação da quantidade de bentonita adicionada ao solo (sem adição de bentonita, com
5% e 10% de adição de bentonita).
Sucção - CBR
-90,0
-80,0
-70,0
-60,0
-50,0
-40,0
-30,0
-20,0
-10,0
0,0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
Tempo (min)
Sucção (kPa)
SA Paulista SA Paulista 5% SA Paulista 10%
Figura 45: Comparação da sucção para os corpos de prova do tamanho CBR, variando-se
a porcentagem de bentonita adicionada ao solo
Observa-se, na Figura 45, o aumento da sucção com a adição de bentonita ao solo. Assim
como visto anteriormente, o aumento do percentual de bentonita conduz a um menor
volume de vazios, a uma redução da condutividade hidráulica e a um aumento da
retenção de líquidos, isto é, maior capacidade de campo.
A umidade inicial do ensaio também influencia a sucção, como mencionado
anteriormente.
90
6.1.1.3 Comparação entre Tamanho Proctor e Tamanho CBR
Os gráficos de sucção versus tempo foram, então, feitos para os solos com a mesma
porcentagem de bentonita adicionada ao solo (sem bentonita, com 5% ou 10% de adição
de bentonita ao solo), para os dois tamanhos de corpo de prova ensaiados – tamanho
Proctor e CBR (Figuras 46, 47 e 48), permitindo uma análise comparativa. Pode-se
observar a tendência de maiores valores de sucção para o tamanho Proctor indicando um
possível efeito de borda ou de preparação das amostras nos resultados dos ensaios, porém
não se pode tirar nenhuma conclusão, visto que só foi realizado um ensaio para cada
tamanho de corpo de prova, de modo que os resultados são pouco conclusivos.
Sucção SA Paulista
-90,0
-80,0
-70,0
-60,0
-50,0
-40,0
-30,0
-20,0
-10,0
0,0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
Tempo (min)
Sucção (kPa)
Proctor CBR
Figura 46: Comparação da sucção para solo SA Paulista no tamanho Proctor e no
tamanho CBR
91
Sucção SA Paulista 5%
-90,0
-80,0
-70,0
-60,0
-50,0
-40,0
-30,0
-20,0
-10,0
0,0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
Tempo (min)
Sucção (kPa)
Proctor CBR
Figura 47: Comparação da sucção para solo SA Paulista 5% no tamanho Proctor e no
tamanho CBR
Sucção SA Paulista 10%
-90,0
-80,0
-70,0
-60,0
-50,0
-40,0
-30,0
-20,0
-10,0
0,0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
Tempo (min)
Sucção (kPa)
Proctor CBR
Figura 48: Comparação da sucção para solo SA Paulista 10% no tamanho Proctor e no
tamanho CBR
92
6.1.2 Umidade Versus Variação Volumétrica
6.1.2.1 Tamanho Proctor
A seguir, são apresentados os resultados dos ensaios realizados utilizando-se o tamanho
Proctor, para cada porcentagem de bentonita utilizada (sem bentonita, com 5% e 10% de
bentonita) (Figuras 49, 50 e 51).
Nos gráficos de umidade versus variação volumétrica, esta foi adotada em valor absoluto.
Nos ensaios realizados, houve contração do corpo de prova, o que foi representado por
valores positivos de variação volumétrica, muito embora tenha-se medido contração
(valores negativos).
Os ensaios referentes às Figuras 49 e 51 apresentam poucos dados de variação
volumétrica, pois esses ensaios tiveram uma duração menor, devido a possível entrada de
ar no ensaio, motivo que levou ao término do mesmo.
SA Paulista
20,0
22,0
24,0
26,0
28,0
30,0
32,0
34,0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
Tempo (min)
Umidade (%)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Variação volumétrica (cm3)
Umidade Variação volumetrica
Figura 49: Variação de umidade versus variação volumétrica para o solo
SA Paulista
93
SA Paulista 5%
20,0
22,0
24,0
26,0
28,0
30,0
32,0
34,0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
Tempo (min)
Umidade (%)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Variação volumétrica (cm3)
Umidade Variação volumétrica
Figura 50: Variação de umidade versus variação volumétrica para o solo
SA Paulista 5%
SA Paulista 10%
20,0
22,0
24,0
26,0
28,0
30,0
32,0
34,0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
Tempo (min)
Umidade (%)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Variação volumétrica (cm3)
Umidade Variação volumétrica
Figura 51: Variação de umidade versus variação volumétrica para o solo
SA Paulista 10%
94
Na Figura 52, foi elaborado um gráfico conjunto de todos os resultados apresentados nas
Figuras 49, 50 e 51, de forma a facilitar a análise.
Pode-se observar, na Figura 52, que, apesar da adição de bentonita ao solo, em diferentes
porcentagens, a variação volumétrica tende a ser a mesma para todos os ensaios. Essa
observação é importante para a camada de cobertura de um aterro de resíduos sólidos
urbanos, pois, embora a formação de trincas permaneça praticamente a mesma para as
condições dos ensaios realizados, há uma diminuição da condutividade hidráulica do
solo, o que leva a uma menor infiltração de água no mesmo.
Devido à umidade inicial dos corpos de prova não ser a mesma nos três ensaios, há
dificuldade em se tirar conclusões dos resultados obtidos, pois, apesar dos corpos de
prova apresentarem umidade acima do valor ótimo de compactação, destaca-se a
possibilidade que esses valores de umidade situem-se em diferentes trechos da curva de
compactação, podendo este ser o motivo da diferença de comportamento entre os ensaios
realizados.
95
Comparação Proctor
20,0
22,0
24,0
26,0
28,0
30,0
32,0
34,0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
Tempo (min)
Umidade (%)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Variação volumétrica (cm3)
Umid. SA Paulista Umid. SA Paulista 5% Umid. SA Paulista 10%
Var. Vol. SA Paulista Var. Vol. SA Paulista 5% Var. Vol. SA Paulista 10%
Figura 52: Comparação entre variação de umidade versus variação volumétrica para o tamanho Proctor
96
6.1.2.2 Tamanho CBR
A seguir, são apresentados os resultados dos ensaios realizados utilizando-se o tamanho
CBR, para cada porcentagem de bentonita utilizada (sem bentonita, com 5% e 10% de
bentonita) (Figuras 53, 54 e 55).
Nos gráficos de umidade versus variação volumétrica, a variação volumétrica foi adotada
em valor absoluto. Nos ensaios realizados, houve contração do corpo de prova, o que foi
representado por valores positivos de variação volumétrica, muito embora tenha se
observado contração (valores negativos).
SA Paulista
20,0
22,0
24,0
26,0
28,0
30,0
32,0
34,0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
Tempo (min)
Umidade (%)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Variação volumétrica (cm3)
Umidade Variação volumétrica
Figura 53: Variação de umidade versus variação volumétrica para o solo
SA Paulista
97
SA Paulista 5%
20,0
22,0
24,0
26,0
28,0
30,0
32,0
34,0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
Tempo (min)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Umidade Variação volumétrica
Figura 54: Variação de umidade versus variação volumétrica para o solo
SA Paulista 5%
SA Paulista 10%
20,0
22,0
24,0
26,0
28,0
30,0
32,0
34,0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
Tempo (min)
Umidade (%)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Variação volumétrica (cm3)
Umidade Variação volumétrica
Figura 55: Variação de umidade versus variação volumétrica para o solo
SA Paulista 10%
98
Na Figura 56, foi elaborado um gráfico com os resultados apresentados nas Figuras 53,
54 e 55, de forma a facilitar a análise.
Pode-se observar, na Figura 56, que, apesar da adição de bentonita ao solo, em diferentes
porcentagens, a variação volumétrica tende a ser a mesma para todos os ensaios. Essa
observação é importante para a camada de cobertura de um aterro de resíduos sólidos
urbanos, pois, apesar da formação de trincas ser praticamente a mesma para as condições
dos ensaios realizados, há uma diminuição da condutividade hidráulica do solo, o que
leva a uma menor infiltração de água no mesmo. Porém, para a Figura 54 (SA Paulista
5%), essa afirmação não é válida. Esse fato pode ter ocorrido por fatores externos.
Durante a realização desse ensaio, por exemplo, a temperatura estava mais baixa (em
torno de 5ºC) do que nos outros dois (SA Paulista e SA Paulista 10%), mas não se pode
ter certeza da influência da temperatura externa na variação volumétrica. Adicionalmente,
pode-se cogitar sobre algum problema na compactação, na própria montagem do ensaio
ou mesmo erro de leitura.
Devido à umidade inicial dos corpos de prova não ser a mesma nos três ensaios, há
dificuldade em se tirar conclusões dos resultados obtidos, pois, apesar dos corpos de
prova se encontrarem com valores de umidade acima da umidade ótima de compactação,
esses valores podem estar situados em diferentes trechos da curva de compactação,
podendo ser essa a razão da diferença de comportamento entre os ensaios realizados.
99
Comparação CBR
20,0
22,0
24,0
26,0
28,0
30,0
32,0
34,0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
Tempo (min)
Umidade (%)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Variação volumétrica (cm3)
Umid. SA Paulista Umid. SA Paulista 5% Umid. SA Paulista 10%
Var. Vol. SA Paulista Var. Vol. SA Paulista 5% Var. Vol. SA Paulista 10%
Figura 56: Comparação entre variação de umidade versus variação volumétrica para o tamanho CBR
100
6.1.3 Temperatura
A temperatura do topo e da base do corpo de prova foram monitoradas durante todo o
tempo de ensaio (gráficos no anexo A). A sala onde foram realizados os ensaios não tinha
temperatura controlada. Esse parâmetro foi medido apenas para controle, mas sugere-se,
em ensaios futuros, elevar a temperatura do topo do corpo de prova, e assim verificar essa
influência nos resultados.
Os termômetros apresentaram, para uma mesma temperatura, uma defasagem de leitura
do topo e da base (de aproximadamente 0,5º C), o que justifica a diferença de temperatura
apresentada durante o ensaio e pode estar associada à faixa de erro admitida para os
equipamentos. A temperatura da base sempre era superior que a do topo, como pode ser
observado nos gráficos no anexo A.
A temperatura do topo e da base variaram de forma simultânea, mostrando coerência
entre os dados apresentados.
6.1.4 Ressecamento ao Ar
Depois de terminado o ensaio de ressecamento livre com a obtenção de dados de sucção,
temperatura, umidade e variação volumétrica, os corpos de prova foram colocados para
secarem ao ar, sendo feito o acompanhamento da variação de umidade, até que esta
estabilizasse.
Durante esse processo, foram observadas mudanças de coloração dos corpos de prova e
surgimento de microfissuras.
101
6.1.4.1 Tamanho Proctor
Na Figura 57, nota-se a diferença de cor entre os corpos de prova. O corpo de prova mais
claro está menos úmido que o de cor mais escura, independente da quantidade de
bentonita adicionada ao solo.
Figura 57: Diferença de cor entre corpos de prova do tamanho Proctor
6.1.4.2 Tamanho CBR
Na Figura 58, nota-se a diferença de cor entre os corpos de prova. O corpo de prova mais
claro está menos úmido que o de cor mais escura independente da quantidade de
bentonita adicionada ao solo.
102
Figura 58: Diferença de cor entre corpos de prova do tamanho CBR
6.2 Curva Característica
Os gráficos da curva característica foram definidos para os solos com a mesma
quantidade de bentonita adicionada ao solo (sem bentonita, com 5% ou 10% de adição de
bentonita ao solo), para os dois tamanhos de corpo de prova ensaiados – tamanho Proctor
e CBR.
Em seguida, as curvas foram traçadas para cada ensaio, e os resultados obtidos foram
comparados aos resultados calculados utilizando-se a equação proposta por Van
Genuchten (1980).
6.2.1 Tamanho Proctor
O gráfico da curva característica (Figura 59) foi determinado para os solos tamanho tipo
Proctor, com variação da quantidade de bentonita adicionada ao solo (sem adição de
bentonita, com 5% e 10% de adição de bentonita). Observou-se que, para o mesmo valor
de umidade, a sucção do solo SA Paulista 10% foi inferior à sucção apresentada para o
solo SA Paulista 5%. Não há justificativa clara para tal comportamento, podendo ser
103
conseqüência de algum fator externo, como, por exemplo, influência da umidade de
compactação. Também deve-se alertar que os ensaios com os solos SA paulista 5% e
10% foram realizados em dias chuvosos e de temperaturas baixas, havendo uma baixa
evaporação durante esse período.
Curva Característica - Proctor
22,0
24,0
26,0
28,0
30,0
32,0
34,0
-90,0-80,0-70,0-60,0-50,0-40,0-30,0-20,0-10,00,0
Sucção (kPa)
Umidade (%)
SA Paulista SA Paulista 5% SA Paulista 10%
Figura 59: Comparação da curva característica para os corpos de prova do tamanho
Proctor, variando-se a porcentagem de bentonita adicionada ao solo
6.2.2 Tamanho CBR
O gráfico da curva característica (Figuras 60) foi elaborado para os solos com o mesmo
tamanho de corpo de prova. No caso, foi empregado tamanho do tipo CBR, porém com
variação da quantidade de bentonita adicionada ao solo (sem adição de bentonita, com
5% e 10% de adição de bentonita). Observa-se que, para um mesmo valor de umidade, a
sucção cresce com o aumento da adição de bentonita, o que está de acordo com o
previsto, visto que com o aumento da adição de bentonita, aumenta-se o número de finos
presentes no solo.
104
Curva Característica - CBR
22,0
24,0
26,0
28,0
30,0
32,0
34,0
-90,0-80,0-70,0-60,0-50,0-40,0-30,0-20,0-10,00,0
Sucção (kPa)
Umidade (%)
SA Paulista SA Paulista 5% SA Paulista 10%
Figura 60: Comparação da curva característica para os corpos de prova do tamanho CBR,
variando-se a porcentagem de bentonita adicionada ao solo
6.2.3 Aplicação do Modelo de Van Genuchten
Os dados da curva características obtidos foram comparados com a equação proposta por
Van Genuchten (1980). Para os gráficos, a seguir, os valores de sucção são apresentados
em valor absoluto.
Pode-se observar que as curvas para o corpo de prova de tamanho CBR ajustaram-se
melhor ao modelo de Van Genuchten que as curvas traçadas com tamanho Proctor. Deve-
se levar em conta que os ensaios de Proctor para os solos SA paulista 5% e 10% foram
realizados durante dias chuvosos e de temperaturas baixas, observando-se a baixa
evaporação durante esses ensaios, o que de alguma forma pode ter influenciado os
resultados obtidos.
Como não se dispunham de todos os parâmetros para a utilização da equação de Van
Genuchten (1980), foram feitas algumas considerações descritas a seguir. O valor da
105
umidade residual adotado foi o encontrado após se colocar o corpo de prova para secar ao
ar, até que não houvesse mais variação do peso do mesmo, e o de umidade saturada, do
ensaio de condutividade hidráulica variável, sendo esta um valor médio entre a umidade
do topo e da base.
6.2.3.1 Tamanho Proctor
As curvas apresentadas nas Figuras 61, 62 e 63 não apresentaram bons ajustes da equação
proposta por Van Genuchten. Isto pode ser influência da temperatura ambiente, visto que,
durante os ensaios com os solos SA Paulista 5 e 10%, os dias apresentaram-se chuvosos e
com baixas temperaturas, havendo baixa evaporação durante esses ensaios.
SA Paulista - Proctor
22,0
24,0
26,0
28,0
30,0
32,0
34,0
0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0
Sucção (kPa)
Umidade (%)
Lido calculado
Figura 61: Comparação entre a curva característica obtida e a calculada pelo modelo de
Van Genuchten (1980) para o solo SA Paulista
106
SA Paulista 5% - Proctor
22,0
24,0
26,0
28,0
30,0
32,0
34,0
0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0
Sucção (kPa)
Umidade (%)
Lido Calculado
Figura 62: Comparação entre a curva característica obtida e a calculada pelo modelo de
Van Genuchten (1980) para o solo SA Paulista 5%
SA Paulista 10% - Proctor
22,0
24,0
26,0
28,0
30,0
32,0
34,0
0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0
Sucção (kPa)
Umidade (%)
Lido Calculado
Figura 63: Comparação entre a curva característica obtida e a calculada pelo modelo de
Van Genuchten (1980) para o solo SA Paulista 10%
107
6.2.3.2 Tamanho CBR
As curvas apresentadas nas Figuras 64, 65 e 66 apresentaram ajustes satisfatórios para a
equação proposta por Van Genuchten.
SA Paulista - CBR
22,0
24,0
26,0
28,0
30,0
32,0
34,0
0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0
Sucção (kPa)
Umidade (%)
Lido Claculado
Figura 64: Comparação entre a curva característica obtida e a calculada pelo modelo de
Van Genuchten (1980) para o solo SA Paulista
108
SA Paulista 5% - CBR
22,0
24,0
26,0
28,0
30,0
32,0
34,0
0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0
Sucção (kPa)
Umidade (%)
Lido Calculado
Figura 65: Comparação entre a curva característica obtida e a calculada pelo modelo de
Van Genuchten (1980) para o solo SA Paulista 5%
SA paulista 10% - CBR
22,0
24,0
26,0
28,0
30,0
32,0
34,0
0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0
Sucção (kPa)
Umidade (%)
Lido Caclculado
Figura 66: Comparação entre a curva característica obtida e a calculada pelo modelo de
Van Genuchten (1980) para o solo SA Paulista 10%
109
6.3 Discussões
Para a realização dos ensaios neste trabalho, adicionou-se bentonita ao solo da Central de
Tratamento de Nova Iguaçu, a fim de que o valor da condutividade hidráulica atendesse
as recomendações mínimas de modo a poder ser utilizada como camada de cobertura.
Este valor foi obtido a partir da adição de porcentagens de bentonita superiores a 4% em
peso seco. Este valor mostrou-se compatível com o sugerido por Hoeks et al. (1987),
onde verifica-se que a adição de porcentagens superiores a 5% de bentonita reduzem a
condutividade hidráulica a patamares inferiores a 5x10
-10
m/s. Ainda segundo Hoeks, esse
valor pode chegar a 1x10
-10
m/s após um período de 2-3 meses, devido a expansão da
bentonita (capitulo 4).
Durante os ensaios de ressecamento livre foram coletados dados de variação volumétrica,
sucção, temperatura e umidade. Esses dados foram analisados através de gráficos de
sucção versus tempo, variação volumétrica versus umidade e da curva característica.
Através dos gráficos de variação volumétrica versus umidade observa-se que a variação
volumétrica tende a ser a mesma com o aumento da adição de bentonita adicionada ao
solo. Tal resultado difere do encontrado por Tay et al. (2001), que observa a redução
volumétrica, e os corpos de prova mais sensíveis à esta variação foram aqueles
compactados com umidade em torno de 20%.
No presente estudo, os corpos de prova foram compactados com umidade em torno de
30%, valor superior à umidade ótima de compactação, não sendo possível observar a
formação de trincas ou microfissuras nos mesmos. Este resultado é diferente do relatado
por Tay, no qual foram observados trincas para os corpos de prova compactados com
umidade de 20%.
No presente estudo, não foram observadas trincas em qualquer corpo de prova, mesmo
variando-se a porcentagem de bentonita adicionada ao solo em 5% e 10%. Mesmo assim
a variação volumétrica foi acompanhada, notando-se a variação tende a ser igual, mesmo
110
para o corpo de prova com maior adição de bentonita. Deve-se lembrar que todos os
corpos de prova foram compactados com umidade em torno de 30%.
Observa-se o deslocamento da curva característica para os corpos de prova com
diferentes porcentagens de bentonita, resultado esse também relatado por Montañez
(2003), sendo este comportamento conseqüência de tal adição.
111
7. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
7.1 Conclusões
Este trabalho teve como objetivo analisar a influência da adição de bentonita na camada
de cobertura de um aterro de resíduos sólidos, utilizando o solo da Central de Tratamento
de Resíduos de Nova Iguaçu. Como visto, a camada de cobertura apresenta várias
funções, entre elas prevenir a infiltração de precipitação.
Como tal solo não atendia as recomendações mínimas em relação a condutividade
hidráulica, estudou-se a adição de bentonita a ele. Para se saber qual a porcentagem de
bentonita a partir da qual o solo passava a apresentar condutividade suficientemente
baixa, foram realizados ensaios de condutividade hidráulica. A partir desses ensaios,
observou-se que, para adições de bentonita superiores a 4% em peso seco, tal valor de
condutividade hidráulica era alcançado. Além do ganho em relação a condutividade
hidráulica, há a melhora do comportamento plástico do solo em estudo.
Tendo esse valor em vista, foram realizados ensaios de ressecamento livre com o solo SA
Paulista sem adição de bentonita, que era o controle, e SA Paulista 5% e 10%, com
adição de 5 e 10% em peso seco, respectivamente.
Nos gráficos de sucção versus tempo, verifica-se a queda da sucção com o aumento da
adição de bentonita ao solo para ambos os tamanhos de corpo de prova. Tal resultado é
coerente, pois o maior percentual de bentonita conduz ao aumento de finos no solo, o que
se reflete no aumento da sucção.
De acordo com os ensaios realizados, pode-se observar que o aumento da porcentagem de
bentonita adicionada ao solo diminui a condutividade hidráulica do solo estudado e reduz
a sucção. Esses fatores são de extrema importância para solos utilizados como camada de
cobertura, pois afetam diretamente o balanço hídrico de um aterro de resíduos sólidos,
evitando a infiltração de água e permitindo uma diminuição da produção de lixiviado.
112
Observa-se que os valores de variação volumétrica tendem a ser os mesmos para as
diferentes porcentagens de bentonita adicionada ao solo. Além disso, deve-se lembrar que
a bentonita possui característica expansiva, regenerando as trincas a cada ciclo de
umedecimento, o que também leva a redução de caminhos preferenciais no solo. Tais
características, adicionadas ao fato da redução de condutividade hidráulica com a adição
de bentonita, indicam a grande vantagem na utilização da mesma para solos utilizados
como camada de cobertura de aterros no caso dos solos não atingirem a condutividade
hidráulica mínima exigida pelos órgãos ambientais..
As curvas de retenção apresentaram-se mais ajustadas à equação de Van Genuchten
(1980) para o corpo de prova do tamanho tipo CBR. No momento, não há justificativa
para tal questão, podendo isso ser conseqüência de fatores externos que, de alguma
forma, afetaram os ensaios do corpo de prova do tamanho tipo Proctor.
Cabe ressaltar que, na visão da autora, o maior mérito desta dissertação consistiu no
desenvolvimento do equipamento para realização de ensaios de ressecamento livre no
âmbito do Laboratório de Geotecnia da COPPE/UFRJ sob orientação do Prof. Cláudio
Mahler. Registra-se que o equipamento mostrou-se adequado para as análises conduzidas
nesta pesquisa.
7.2 Recomendações
A utilização de bentonita junto ao solo também deve ser analisada do ponto de vista
econômico, levando-se em conta a quantidade ideal de bentonita a ser adicionada ao solo,
de forma a equilibrar os ganhos relacionados às características do solo e aos fatores
econômicos.
Em pesquisas futuras, devem ser realizados ensaios com outros tipos de solo e tamanho
de corpos de prova de maiores dimensões, para verificar se o comportamento é o mesmo
que o obtido nesta pesquisa. Também sugere-se que a umidade inicial dos ensaios seja a
113
mesma para todos os corpos de prova, desde que esta umidade esteja no ramo úmido da
curva de compactação, de forma a facilitar a análise dos resultados obtidos.
Pode-se também aumentar a temperatura do corpo de prova, a fim de que as condições
em laboratório sejam mais próximas às condições reais, além de ciclos de umedecimento-
ressecamento, através da inundação do corpo de prova, e observando-se o comportamento
da formação de trincas durante o processo de ressecamento.
Também é sugerida a adição de porcentagens de bentonita adicionadas ao solo superiores
às utilizadas neste trabalho, para confirmar o resultado obtido por Tay et al. (2001), que
relata a influência da quantidade de bentonita na formação de trincas, ou utilizar solos
com elevadas características de contração e formação de trincas, de modo que a
influência de bentonita fique mais clara.
O uso de uma célula de carga no lugar da balança também se mostra interessante, pois,
dessa forma, os dados de peso seriam adquiridos de forma automática e contínua,
melhorando a exatidão dos dados de umidade.
Outra recomendação seria a simulação do balanço hídrico utilizando-se os parâmetros
aqui obtidos, para alguns modelos, variando-se os cenários e, posteriormente,
comparando-se os resultados obtidos com a observação de campo, observando se há
discrepância entre tais valores.
Em síntese, espera-se que esta dissertação proporcione novos caminhos para desenvolver
pesquisas no tema de cobertura de aterros.
114
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS.
NBR 7181: Solo – Análise
Granulométrica (Método de ensaio). Rio de Janeiro, 1984.
_______.
NBR 7180: Solo - Determinação do Limite de Plasticidade (Método de ensaio).
Rio de Janeiro, 1984.
_______.
NBR 6459: Solo - Determinação do Limite de Liquidez (Método de ensaio).
Rio de Janeiro, 1984.
_______.
NBR 7182: Solo – Ensaio de Compactação (Método de ensaio). Rio de Janeiro,
1986.
_______.
NBR 6457: Determinação do Teor de Umidade. Rio de Janeiro, 1986.
_______.
NBR 14545: Determinação do coeficiente de Permeabilidade de Solos
Argilosos a Carga Variável. Rio de Janeiro, 2000.
_______.
NBR 10004: Resíduos Sólidos - Classificação. Rio de Janeiro, 2004.
BRAVAL. VALORIZAÇÃO E TRATAMENTO DE RESÍDUOS SÓLIDOS. Disponível
em: <http://www.braval.pt/content01.asp?auxID=menu-
instalacoes&treeID=02/01&newsID2>. Acessado em: 20-12-2006.
BERGER, K. „Validation of the Hydrologic Evaluation of Landfill Performance (HELP)
Model for Simulating the Water Balance of Cover Systems”. Environmental Goelogy,
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ANEXO A
Neste anexo encontram-se os gráficos de sucção versus temperatura obtidos durante esta
pesquisa. Os gráficos apresentados no corpo desse trabalho foram limpos, retirando-se as
instabilidades. Essas instabilidades podem ter sido causadas por piques de luz, causadas,
por exemplo, pelo ligamento e desligamento de ar condicionados. Mesmo a utilização de
no break não garantia a total estabilização da corrente elétrica.
Os ensaios eram finalizados quando a sucção tendia a estabilização ou quando a curva
apresentava algum problema, como grandes irregularidades (figuras A.3 e A.4). No
ensaio correspondente a figura A.3 houve a provável entrada de ar no sistema, que levou
ao término do ensaio. Durante o ensaio correspondente a figura A.4 houve o desgaste da
cola que faz a vedação entre a pedra porosa e o copo de acrílico, levando a perda de
pressão do sistema.
Em outros ensaios realizados nesta pesquisa, foi observado que a entrada de ar no sistema
também levava a problemas na medição de sucção e até a perda do ensaio.
Na Figura A.1, no trecho final há a elevação da temperatura do topo do corpo de prova,
devido ao aumento de temperatura em decorrência da colocação de uma lâmpada
aquecendo o topo do corpo de prova.
124
SA Paulista - Proctor
-90,0
-80,0
-70,0
-60,0
-50,0
-40,0
-30,0
-20,0
-10,0
0,0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
Tempo (min)
Sucção (kPa)
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
45,0
Temperatura (ºC)
Sucção Temp. Topo Temp. Base
Figura A.1: Sucção versus temperatura para o solo SA Paulista no tamanho Proctor
SA Paulista 5% - Proctor
-90,0
-80,0
-70,0
-60,0
-50,0
-40,0
-30,0
-20,0
-10,0
0,0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
Tempo (min)
Sucção (kPa)
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
45,0
Tmeperatura (ºC)
Sucção Temp. Topo Temp. Base
Figura A.2: Sucção versus temperatura para o solo SA Paulista 5% no tamanho Proctor
125
SA Paulista 10% - Proctor
-90,0
-80,0
-70,0
-60,0
-50,0
-40,0
-30,0
-20,0
-10,0
0,0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
Tempo (min)
Sucção (ºC)
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
45,0
Temperatura (ºC)
Sucção Temp. Topo Temp. Base
Figura A.3: Sucção versus temperatura para o solo SA Paulista 10% no tamanho Proctor
SA Paulista - CBR
-90,0
-80,0
-70,0
-60,0
-50,0
-40,0
-30,0
-20,0
-10,0
0,0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
Tempo (min)
Sucção (kPa)
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
45,0
Temperatura (ºC)
Sucção Temp. Topo Temp. Base
Figura A.4: Sucção versus temperatura para o solo SA Paulista no tamanho CBR
126
SA Paulista 5% - CBR
-90,0
-80,0
-70,0
-60,0
-50,0
-40,0
-30,0
-20,0
-10,0
0,0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
Tempo (min)
Sucção (kPa)
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
45,0
Temperatura (ºC)
Sucção Temp. Topo temp. Base
Figura A.5: Sucção versus temperatura para o solo SA Paulista 5% no tamanho CBR
SA Paulista 10% - CBR
-90,0
-80,0
-70,0
-60,0
-50,0
-40,0
-30,0
-20,0
-10,0
0,0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
Tempo (min)
Sucção (kPa)
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
45,0
Temperatura (ºC)
Sucção Temp. Topo Temp. Base
Figura A.6: Sucção versus temperatura para o solo SA Paulista 10% no tamanho CBR
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